CN108505548B - 一种桩承式路堤桩土荷载比试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩承式路堤桩土荷载比试验装置及试验方法，包括装土箱，其限定用于容纳桩体模型和填筑填料的腔室；所述装土箱的顶部开口，装土箱的底部为能沿着装土箱侧壁上下移动的升降底板，该底板通过控制系统控制，实现其升降高度的精确定位，本发明仅通过移动底板就可实现桩上及桩间土体的差异沉降，使土体在底板的移动过程中应力重分布，从而使得桩体模型与桩间土的荷载比例分配出现差异。

Description

一种桩承式路堤桩土荷载比试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于道路工程范畴，涉及一种新型装置结构，是一种新型桩承式路堤桩土荷载比试验装置及试验方法。

背景技术

桩承式路堤是指在软弱地基中设置刚性桩或半刚性桩用来支撑填土荷载，其通常由土、桩和路堤填土组成。该加固方式具有施工工期短，处理深度大且加固效果好，施工质量容易控制等优点，所以广泛应用于高速公路路基加固中。

桩承式路堤在实际运营过程中受力性状非常复杂，桩身的抗压强度大于桩周土的抗压强度，从而使得桩顶上部路堤沉降小于桩间土上部路堤沉降，两者之间出现差异沉降。在路堤上部填土不均匀沉降过程中，桩间土上部路堤通过剪应力将部分自重应力传递到桩顶上部路堤，使得桩顶承担荷载增加，桩间土承担荷载减小。因此，有必要研究在差异沉降作用下桩土之间承担荷载比例。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种新型桩承式路堤桩土荷载比试验装置及试验方法，通过利用本发明装置进行室内试验，来探究桩土之间承担的荷载比例，对分析桩土之间荷载分担及应力传递规律，确定桩土相互作用方式等都具有重要的理论和实践价值。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

桩承式路堤桩土荷载比试验装置，包括装土箱，其限定用于容纳桩体模型和填筑填料的腔室；所述装土箱的顶部开口，装土箱的底部为能沿着装土箱侧壁上下移动的升降底板，该底板通过控制系统控制，实现其升降高度的精确定位。

进一步的，所述的升降底板通过液压千斤顶实现底板的升降，在底板的底部设有用于检测器位移大小的传感器，该传感器将检测到的位移信号发送给控制系统，控制系统根据所检测的位移信息控制液压千金顶的升降大小。

进一步的，所述的装土箱放置在一个底架上，所述底架包括用于为液压千斤顶的提供反力的反力板。

进一步的，所述液压千斤顶加载方式，为防止加载过程中在升降底板产生应力集中，在液压千斤顶与升降底板之间放置垫片，进一步优选的，所述垫片可选用钢垫片。

进一步的，所述装土箱包括与升降底板垂直的第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，所述第一侧板和第三侧板相对，第二侧板和第四侧板相对，第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板和所述的升降底板围成所述的腔室。

进一步的，所述的四个侧板之间可拆卸连接或者固定连接。

进一步的，在其中两个相对的侧板上设有与升降底板垂直的凹槽，所述的凹槽与插板配合，用于控制桩体模型间距。

进一步的，在设置有凹槽的侧板上还设有用于放置桩体模型的错台。

进一步的，所述的桩体模型是角钢焊接制作的长方体，试验时由侧板的错台承载桩体模型自重，防止其掉落，桩体模型放置方向与所述的侧板垂直。

进一步的，所述的插板为1～2cm厚方形钢板，通过装土箱内部的凹槽移动固定插板的位置，从而控制桩体模型间距的大小。

进一步的，所述的插板与邻近桩体模型之间的距离始终控制在所研究桩间距的一半。

本发明还提供了一种利用所述的桩土荷载比探究模型装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：按照设定土工参数准备填料；

步骤2：安放液压千斤顶及垫片，将升降底板放置于垫片上，通过液压千斤顶升到预设位置，并在底板中心安装位移传感器；

步骤3：将桩体模型及插板按照设定桩间距安放在装土箱内，并在桩体模型上表面粘贴土压力盒，将准备好的填料按设定压实度分多层填筑至桩土箱内；

步骤4：压动液压式千斤顶，控制升降底板按照设定分级位移上下移动，记录底板升降过程中桩体模型上土压力盒的应力值，单根桩上土压力盒测得的应力值和两根桩之间填土自重引起的基底应力值之比即为桩土荷载比；

步骤5：更换桩体模型的间距，重复进行步骤1-步骤4，完成试验。

本发明的工作原理为：

可移动的升降底板移动到起始位置后，通过液压千斤顶和位移传感器控制底板上下移动，在移动的过程中，桩体模型上的填土与桩体模型之间填土由于差异沉降，造成土体应力重分布，桩体模型上承担的土体荷载增加。通过桩体模型上预先埋设的土压力盒可以反映底板升降过程中的桩体模型上应力的变化过程，根据经典土压力理论可知，在填土深度h处，土体自重应力为γh，由土压力盒数据及土压力理论可以计算出桩土之间的承担荷载比例。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种探究“桩土荷载比”新型装置结构及其使用方法，可用于对不同桩间距“桩土荷载比”探究，可为“桩土荷载比”探究提供新思路。

2、本发明模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

3、本发明仅通过移动底板就可实现桩上及桩间土体的差异沉降，使土体在底板的移动过程中应力重分布，从而使得桩体模型与桩间土的荷载比例分配出现差异。

4、本发明通过插板及桩体模型位置研究不同的桩间距影响，也可以在控制桩间距不变的情况下研究不同桩径尺寸的影响。

5、本发明装置原理明确，对试验环境、试验设备要求较低，试验方法简单，操作方便。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明结构的立体图；

图2为本发明结构主视图；

图3为本发明结构侧视图；

图4为本发明结构装土箱俯视图；

图5为本发明结构底架俯视图；

图中，1、第一侧板，2、第二侧板，3、第三侧板，4、第四侧板，5、螺栓孔，6、第一插板，7、第二插板，8、插板凹槽，9、桩体模型，10、底架，11、第一反力板，12、第二反力板，13、电子式百分表，14、垫板，15、液压千斤顶，16、错台，17、升降底板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中在桩承式路堤在实际运营过程中受力性状非常复杂，桩身的抗压强度大于桩周土的抗压强度，从而使得桩顶上部路堤沉降小于桩间土上部路堤沉降，两者之间出现差异沉降。在路堤上部填土不均匀沉降过程中，桩间土上部路堤通过剪应力将部分自重应力传递到桩顶上部路堤，使得桩顶承担荷载增加，桩间土承担荷载减小。因此，有必要研究在差异沉降作用下桩土之间承担荷载比例。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种“桩承式路堤桩土荷载比试验”探究模型装置，包括底架10和装土箱，装土箱，其限定用于容纳桩体模型和填筑填料的腔室；所述装土箱的顶部开口，装土箱的底部为能沿着装土箱侧壁上下移动的升降底板，该底板通过控制系统控制，实现其升降高度的精确定位；装土箱放置在底架10上，所述底架包括用于为液压千斤顶的提供反力的反力板。

进一步的优选的实施例，底架10由钢架和第一反力板11、第二反力板12通过焊接而形成，底架主要作用为支撑上部的装土箱，保证模型箱的稳定性，第一反力板11、第二反力板12主要作为反力板安置液压千斤顶。

进一步的说明，本申请的附图中根据装土箱的大小，设置了两个液压千斤顶，因此反力板也设置成了两个，但是液压千斤顶和反力板的数量不限于两个，可以根据实际的试验需要，设置一个或者三个、四个等等。

所述装土箱尺寸可以设计成高×长×宽为900mm×500mm×600mm，由第一侧板1、第二侧板2、第三侧板3、第四侧板4通过长圆螺栓连接围成，装土箱上下开口，上部开口用于填土、取土，下部开口用于安装桩体模型9和升降底板17，升降底板尺寸稍小于装土箱开口尺寸以便于上下移动，侧板和升降底板均采用钢板制成。

进一步的说明，本发明中装土箱的尺寸可以根据实际需要进行设定，不限于上面所述的尺寸，还有四个侧板的连接方式也可以选用固定连接或者别的连接方式，不限于上面所述的长圆螺栓连接，连接件也可以根据需要旋转其他连接件。

如图2、图3所示，第二侧板2、第四侧板4内壁上留有插板凹槽8，用于插入第一插板6和第二插板7以控制不同工况下的土体宽度；在第二侧板2、第四插板4底部向上0-6cm处加厚0.5cm左右，使侧板底部向上6cm的范围处形成错台16，用于放置桩体模型9和支撑第一插板6、第二插板7。

进一步的说明，本发明中插板凹槽的数量不限于图中表示的四个，可以是两个，三个、五个、六个等等，但是优选设置成偶数个，且插板凹槽相对于侧板的中心线对称设置。

错台的高度和厚度也不限于上面所述的数值，具体可以根据实际需要进行设置。

如图2、图3所示，两个液压千斤顶15安置在第一反力板11、第二反力板12上，升降底板17安置在千斤顶上，千斤顶15与升降底板17间设置钢垫板14以防止发生应力集中现象；在千斤顶的控制下，升降托板可以在装土箱内上下自由移动，初始状态时，优选的，升降底板17上表面距离装土箱底部6cm，即升降底板17上表面与侧板上的错台16齐平。升降底板中心处设置电子式百分表13以便控制升降地板的下落距离。

位移传感器的设置不限于前面所述的电子式百分表，可以选用其他的位移传感器进行检测；且位移传感器的数量也不受限制，优选的，但是位移传感器的数量液压千斤顶15的数量相等，一个位移传感器检测一个液压千斤顶的位移。

此外，本发明中的液压千斤顶还可以替换成其他升降装置，例如气动千斤顶或者其他机械升降装置。

如图2、图4所示，桩体模型9尺寸为长×宽×高＝500mm×60mm×40mm，三根桩体模型9可以固定在错台16上，不会随着升降底板17的下落而移动，从而实现模拟桩、土间的不均匀沉降的目的。控制桩体模型9和插板6、7在错台上的位置，可以模拟不同桩间距的工况。

进一步的说明，本发明中桩体模型9的尺寸可以根据实际需要进行设定，不限于上面所述的尺寸，还有错台16的个数可以根据桩体模型的个数进行设置；

“桩承式路堤桩土荷载比”探究试验方法，具体步骤如下：

1)按照一定级配要求将砂土筛分、配制，并按照压实度要求，准备相应重量的砂土；

2)通过千斤顶15抬升升降底板17，使托板处于初始位置，即升降底板上17表面与错台16齐平；

3)按照设计工况布置桩体模型9和第一插板6、第二插板7，在模拟桩体上以一定的间隔布置土压力盒；

4)将准备好的土体分3层填入装土箱内，并通过控制质量法分层压实，以保证土体压实度；

5)控制千斤顶15使升降底板17逐级下落，观察百分表13上的读数以控制底板17每级下落距离，使桩、土间产生不均匀沉降，土体内力重分布，观测电脑上应变值变化；

6)将土体从装土箱内取出，控制千斤顶15使底板17上升，回到初始位置，重复3、4、5步骤完成不同工况下的实验过程。

7)整理和处理数据。

实施例：

桩承式路堤桩土荷载比试验

将砂土筛分过后，按照设计级配准备合适质量砂土填料；将升降底板升至初始位置，将桩体模型以2倍桩宽的间距，均匀布置在错台中央部分，并在桩体上表面布置好土压力盒；将插板插入预设的凹槽内，插板与邻近桩体模型之间的距离为所研究桩间距的一半；将准备好的砂土填料填入插板和侧板围成的装土箱内，每次填入适当质量的土体，通过小型夯锤将土体压实；在完成填筑后，控制液压千斤顶使升降底板缓慢下降，下落过程分6级每级下落距离为1cm，观察底板下布置的百分表以确保每级下落的距离；当每级下落完成后，静止一段时间，待计算机上土压力盒数据稳定后，记录数据；在一组实验完成后，取出填土、插板和桩体模型；调整桩间距为3倍、4倍、5倍桩宽度，同时调整插板位置(当桩间距为5倍时，不需设置插板，第一、第三侧板即使土体边界)，重复上述步骤，完成不同桩间距条件下的实验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.桩承式路堤桩土荷载比试验装置，其特征在于，包括装土箱，其限定用于容纳桩体模型和填筑填料的腔室；所述装土箱的顶部开口，装土箱的底部为能沿着装土箱侧壁上下移动的升降底板，该底板通过控制系统控制，实现其升降高度的精确定位；

所述装土箱包括与升降底板垂直的第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，所述第一侧板和第三侧板相对，第二侧板和第四侧板相对，第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板和所述的升降底板围成所述的腔室；所述的四个侧板之间可拆卸连接或者固定连接；在其中两个相对的侧板上设有与升降底板垂直的凹槽，所述的凹槽与插板配合，用于控制桩体模型间距；所述的插板与邻近桩体模型之间的距离始终控制在所研究桩体模型间距的一半；

所述的装土箱放置在一个底架上，所述底架包括用于为液压千斤顶的提供反力的反力板。

2.如权利要求1所述的桩承式路堤桩土荷载比试验装置，其特征在于，所述的升降底板通过液压千斤顶实现底板的升降，在底板的底部设有用于检测器位移大小的传感器，该传感器将检测到的位移信号发送给控制系统，控制系统根据所检测的位移信息控制液压千金顶的升降大小。

3.如权利要求2所述的桩承式路堤桩土荷载比试验装置，其特征在于，在液压千斤顶与升降底板之间放置垫片。

4.如权利要求1所述的桩承式路堤桩土荷载比试验装置，其特征在于，在设置有凹槽的侧板上还设有用于放置桩体模型的错台。

5.如权利要求1所述的桩承式路堤桩土荷载比试验装置，其特征在于，所述的桩体模型是角钢焊接制作的长方体，试验时由侧板的错台承载桩体模型自重，桩体模型放置方向与所述的侧板垂直。

6.一种利用权利要求1-5任一所述的桩承式路堤桩土荷载比试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：按照设定土工参数准备填料；

步骤2：安放液压千斤顶及垫片，将升降底板放置于垫片上，通过千斤顶升到预设位置，并在底板中心安装电子式百分表；

步骤3：将桩体模型及插板按照设定桩间距安放在装土箱内，并在桩体模型上表面粘贴土压力盒，将准备好的填料按设定压实度分多层填筑至桩土箱内；

步骤4：压动液压式千斤顶，控制升降底板按照设定分级位移上下移动，记录底板升降过程中的桩土应力比；

步骤5：更换桩体模型的间距，重复进行步骤1-步骤4，完成试验。