CN108643249B - 用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究桩‑岩界面破坏机理的实验装置，包括用于放置实验桩的实验箱、位于实验箱上方的反力架以及位于反力架与实验箱之间的千斤顶，所述千斤顶的上表面与反力架固定，下表面通过压力传感器与可作用于实验桩上的传力杆相连接，该传力杆上还连接有位移传感器。本发明提供用于研究桩‑岩界面破坏机理的实验装置，其结构简单、便于组合拆卸和安装，可方便准确的量测桩顶向下位移量，适用于CT‑X‑ray实验平台。

Description

用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种研究嵌岩桩的实验装置，尤其涉及一种用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置及其组装方法。

背景技术

近年来，我国各项建设事业发展迅猛，越来越多的跨海跨江大桥及超大体量的建设项目都需要大量使用嵌岩桩作为建(构)筑物的基础来承担巨大的上部荷载。实际工程中，由于桩侧摩阻力充分调动所需的位移(0.5–1％D)要明显远小于桩端阻力发挥至最大值时的位移(10–20％D)，因此一般情况下，上部荷载主要由桩侧阻力承担，很多设计中为了可靠仅考虑桩侧阻力的贡献。故嵌岩桩在设计阶段属于端承型摩擦桩，在极限承载状态下属于摩擦型端承桩。嵌岩桩桩侧阻力主要由桩-岩界面的剪切特性及荷载传递机理决定，且嵌岩桩桩-岩界面在剪切受载过程中表现出的变形、强度、刚度变化是一个十分复杂的力学过程，既有接触力学效应，又有摩擦效应，是接触和摩擦相互耦合的问题。由于嵌岩桩具有承载力大、试验耗费高且很难进行破坏性试验等特点，因而准确、系统、完整的实测资料有限，这制约了人们对其承载性状的全面认识，正是由于对嵌岩桩桩-岩界面剪切特性和微宏观破坏机理认识的局限，造成嵌岩桩设计不尽合理，甚至出现一些失误，因而对嵌岩桩的设计多持保守态度，造成了很多不必要的浪费。

故对于嵌岩桩桩-岩界面的剪切特性及微宏观破坏机理研究显得十分必要和迫切，且具有重大的经济和社会效益。由于桩-岩石节理的表面形态十分复杂，即使发展较为成熟的经典弹性接触理论也很难解决这类复杂问题，因此借助先进的可视性扫描设备(CT-X-Ray平台)及技术手段对嵌岩桩进行实验研究桩-岩界面剪切特性和微宏观荷载传递机理是一种非常有效的方法。而如何设计一款针对CT-X-ray实验平台的用于研究桩-岩界面剪切特性及微宏观破坏传递机理的实验装置，变成一个迫在眉睫的问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种针对CT-X-ray实验平台、且便于组合拆卸和安装，可方便准确的量测桩顶向下位移量的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置。

本发明的第二目的是提供该用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置的组装方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，包括用于放置实验桩的实验箱、位于实验箱上方的反力架以及位于反力架与实验箱之间的千斤顶，所述千斤顶的上表面与反力架固定，下表面通过压力传感器与可作用于实验桩上的传力杆相连接，该传力杆上还连接有位移传感器。

其中，所述实验箱包括横截面呈工字型的中空圆柱状腔体结构和位于该腔体结构下方的底封板，该底封板为阶梯圆台结构，其上部凸起圆台与腔体结构的内腔相适配。

优选的，所述腔体结构的材质为航空级铝合金2024、航空级铝合金7075或钛合金。

再者，所述反力架包括上垫板、下垫板以及用于连接上、下垫板且均布的若干个立柱；所述上垫板的下表面与千斤顶的上表面固定连接，所述下垫板与实验箱的上表面固定连接，且传力杆可穿过下垫板伸入实验箱并作用于实验桩上。

进一步，所述上垫板为圆形不锈钢板，其上分别错位开设有用于连接立柱的A组沉头螺纹孔和用于连接千斤顶的B组沉头螺纹孔，所述A组沉头螺纹孔均布于上垫板靠外圈，所述B组沉头螺纹孔中一螺纹孔位于上垫板的圆心位置，其余以圆心均布于上垫板靠内圈。

优选的，所述下垫板为圆环形不锈钢板，其上错位开设有用于连接立柱的A′组沉头螺纹孔和用于连接实验箱的C组螺纹孔。

进一步，所述实验箱的上表面开设有与下垫板相连接的C′组螺纹孔。

优选的，所述传力杆上还连接有用于装夹位移传感器的夹具，该夹具包括通过紧固件相互连接的两瓣式对开夹具片，每一夹具片上具有两个分别与位置传感器和传力杆相适配的卡槽。

本发明一种用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置的组装方法，包括如下步骤：

(1)、依次采用螺栓组装连接上垫板、立柱和下垫板形成反力架；

(2)、用螺栓组装连接腔体结构和底封板形成实验箱，腔体结构的内腔内用于放置实验桩，实验过程中X-ray扫描区域即为腔体结构的内腔；

(3)、将千斤顶、压力传感器和传力杆自上而下依次组装连接，再将装夹有位移传感器的夹具固定于传力杆上；

(4)、将步骤3中组装后的千斤顶的顶面通过螺栓与上垫板相连接；

(5)、采用螺栓将步骤4组装后的部件与步骤2组装完的实验箱相连接，连接时需要先将传力杆的下端伸入腔体结构的内腔使传力杆可作用于实验桩，连接完成后调整夹具高度使得位移传感器的下端与下垫板的上表面相接触；

(6)、连接外部实验设备：将外部加载系统与千斤顶相连接，将压力传感器和位移传感器分别与外部数据采集系统相电连接；

(7)、实验设备调试：依次调试外部加载系统、压力传感器、位移传感器、外部数据采集系统是否运行正常，待调试结束即可进行预加载实验并制定加载分级及扫描参数，预加载实验完成后即可开始嵌岩桩加载过程桩-岩界面剪切特性及微观破坏机理扫描实验。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)、本发明中反力架包括上垫板、下垫板以及用于连接上、下垫板且均布的若干个立柱，该反力架与实验箱的上表面固定连接，且传力杆可穿过下垫板伸入实验箱并作用于实验桩上，反力架的大小亦可根据加载量级的大小做相应的调整，可以稳定可靠地提供加载的反力，安装简便；

(2)、本发明的腔体结构的材质为航空级铝合金2024、航空级铝合金7075或钛合金，其即可满足CT X-ray吸收率的要求同时又满足了实验过程中CT射线对腔体进行多个截面环形扫描的要求，且航空级铝合金2024、航空级铝合金7075或钛合金均有轻质高强的特性，试验过程中不易产生变形而影响位移传感器的测量数据；

(3)、本发明中将千斤顶、压力传感器和传力杆自上而下依次组装连接，再将装夹有位移传感器的夹具固定于传力杆上形成测量力及测量位移的组合，其中压力传感器两端有连接用的螺杆，从而实现将千斤顶和传力杆的可靠连接；本发明的结构设计便于该组合的独立组装及整体安装，使得在实验过程中加载及测量力和位移的部分形成一个稳定可靠且便于拆卸和调试的组合；

(4)、本发明中位移传感器通过夹具装夹于传力杆上，位移传感器下段的触点置于下垫板上；试验过程中，由于实验桩顶部与传力杆的底端紧密连接，实验过程中，在腔体结构内很难直接量测桩顶的位移，位移传感器的设计巧妙地实现了实验过程中量测桩顶向下位移量的目的，且便于安装及调整传感器的位置。

附图说明

图1为本发明中上垫板的俯视图；

图2为图1中A-A向的剖面图；

图3为本发明中立柱的剖视图；

图4为本发明中下垫板的俯视图；

图5为图4中B-B向的剖面图；

图6为本发明中实验箱中腔体结构的俯视图；

图7为图6中C-C向的剖面图；

图8为本发明中实验箱中腔体结构的仰视图；

图9为本发明中实验箱中底封板的俯视图；

图10为图9中D-D向的剖面图；

图11为本发明中传力杆的剖面图；

图12为本发明中夹具的结构示意图；

图13为本发明中压力传感器的结构示意图；

图14为本发明千斤顶的俯视图；

图15为本发明千斤顶的仰视图；

图16为本发明组装后的反力架的结构示意图；

图17为本发明中实验箱的结构示意图；

图18为本发明中千斤顶与传力杆的组装示意图；

图19为本发明的结构示意图；

图20为本发明实验状态下的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图19和20所示，本发明一种大跨度双向叠合板用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，包括用于放置实验桩的实验箱、位于实验箱上方的反力架以及位于反力架与实验箱之间的千斤顶1，千斤顶1的上表面与反力架固定，下表面通过压力传感器2与可作用于实验桩上的传力杆3相连接，该传力杆3上还连接有位移传感器4。

如图17所示，实验箱包括横截面呈工字型的中空圆柱状腔体结构5和位于该腔体结构5下方的底封板6，腔体结构5与底封板6之间可通过螺栓相连接。如图6、图7和图8所示，腔体结构5的上表面开设有用于与下垫板8相连接的C′组螺纹孔，下表面开设有用于连接底封板的D组螺纹孔。如图9和图10所示，底封板6为阶梯圆台结构，其上部凸起圆台与腔体结构5的内腔相适配，底封板上开设有与D组螺纹孔相对应的D′组螺纹孔。本发明中腔体结构5的材质为航空级铝合金2024、航空级铝合金7075或钛合金。

如图16所示，本发明的反力架包括上垫板7、下垫板8和立柱9。立柱9均布于上、下垫板之间，起到连接上、下垫板的作用。如图1和图2所示，上垫板7为圆形不锈钢板，其上分别错位开设有用于连接立柱9的A组沉头螺纹孔和用于连接千斤顶1的B组沉头螺纹孔，其中A组沉头螺纹孔均布于上垫板7靠外圈，B组沉头螺纹孔中一螺纹孔位于上垫板7的圆心位置，其余以圆心均布于上垫板7靠内圈。如图3所示，立柱的两端开设有内螺纹孔，中间开设有扳手切口。如图4和图5所示，下垫板8为圆环形不锈钢板，其上错位开设有用于连接立柱9的A′组沉头螺纹孔和用于连接实验箱的C组螺纹孔。本发明的上垫板7和下垫板8分别通过螺栓与立柱9相连，上垫板7的下表面与千斤顶1的上表面螺栓连接，8下垫板8与腔体结构5的上表面螺栓连接，且传力杆3可穿过下垫板8伸入腔体结构5并作用于实验桩上。

如图18所示，传力杆3上还连接有用于装夹位移传感器的夹具10，该夹具10包括通过紧固件相互连接的两瓣式对开夹具片，每一夹具片上具有两个分别与位置传感器4和传力杆3相适配的卡槽，如图12所示。如图11所示，传力杆上开设有与压力传感器2相连接的内螺纹孔。如图13所示，压力传感器13上分别具有与千斤顶1和传力杆3相连接的螺柱。如图14和图15所示，千斤顶1的上表面开设有用于连接上垫板7相连的B′组沉头螺纹孔，千斤顶1的下表面开设有与压力传感器相连接的内螺纹孔。

本发明一种用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置的组装方法，包括如下步骤：

(1)、依次采用螺栓组装连接上垫板7、立柱9和下垫板8形成反力架；

(2)、用螺栓组装连接腔体结构5和底封板6形成实验箱，腔体结构5的内腔内用于放置实验桩，实验过程中X-ray扫描区域即为腔体结构的内腔；

(3)、将千斤顶1、压力传感器2和传力杆3自上而下依次组装连接，再将装夹有位移传感器4的夹具10固定于传力杆3上；

(4)、将步骤3中组装后的千斤顶1的顶面通过螺栓与上垫板7相连接，为了方便安装可以先将上垫板7拆下；(5)、采用螺栓将步骤4组装后的部件与步骤2组装完的实验箱相连接，连接时需要先将传力杆3的下端伸入腔体结构5的内腔使传力杆3可作用于实验桩，连接完成后调整夹具10高度使得位移传感器4的下端与下垫板8的上表面相接触；

(6)、连接外部实验设备：将外部加载系统与千斤顶1相连接，将压力传感器2和位移传感器4分别与外部数据采集系统相电连接；

(7)、实验设备调试：依次调试外部加载系统、压力传感器2、位移传感器4、外部数据采集系统是否运行正常，待调试结束即可进行预加载实验并制定加载分级及扫描参数，预加载实验完成后即可开始嵌岩桩加载过程桩-岩界面剪切特性及微观破坏机理扫描实验。

Claims (8)

1.一种用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：包括用于放置实验桩的实验箱、位于实验箱上方的反力架以及位于反力架与实验箱之间的千斤顶(1)，所述千斤顶(1)的上表面与反力架固定，下表面通过压力传感器(2)与可作用于实验桩上的传力杆(3)相连接，该传力杆(3)上还连接有位移传感器(4)；所述反力架包括上垫板(7)、下垫板(8)以及用于连接上、下垫板且均布的若干个立柱(9)；所述上垫板(7)的下表面与千斤顶(1)的上表面固定连接，所述下垫板(8)与实验箱的上表面固定连接，且传力杆(3)可穿过下垫板(8)伸入实验箱并作用于实验桩上。

2.根据权利要求1所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：所述实验箱包括横截面呈工字型的中空圆柱状腔体结构(5)和位于该腔体结构(5)下方的底封板(6)，该底封板(6)为阶梯圆台结构，其上部凸起圆台与腔体结构(5)的内腔相适配。

3.根据权利要求2所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：所述腔体结构(5)的材质为航空级铝合金2024、航空级铝合金7075或钛合金。

4.根据权利要求1所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：所述上垫板(7)为圆形不锈钢板，其上分别错位开设有用于连接立柱(9)的A组沉头螺纹孔和用于连接千斤顶(1)的B组沉头螺纹孔，所述A组沉头螺纹孔均布于上垫板(7)靠外圈，所述B组沉头螺纹孔中一螺纹孔位于上垫板(7)的圆心位置，其余以圆心均布于上垫板(7)靠内圈。

5.根据权利要求1所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：所述下垫板(8)为圆环形不锈钢板，其上错位开设有用于连接立柱(9)的A′组沉头螺纹孔和用于连接实验箱的C组螺纹孔。

6.根据权利要求1所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：所述实验箱的上表面开设有与下垫板(8)相连接的C′组螺纹孔。

7.根据权利要求1所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置，其特征在于：所述传力杆(3)上还连接有用于装夹位移传感器(4)的夹具(10)，该夹具(10)包括通过紧固件相互连接的两瓣式对开夹具片，每一夹具片上具有两个分别与位置传感器(4)和传力杆(3)相适配的卡槽。

8.根据权利要求1-7任一所述的用于研究桩-岩界面破坏机理的实验装置的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、依次采用螺栓组装连接上垫板(7)、立柱(9)和下垫板(8)形成反力架；

(2)、用螺栓组装连接腔体结构(5)和底封板(6)形成实验箱，腔体结构(5)的内腔内用于放置实验桩，实验过程中X-ray扫描区域即为腔体结构的内腔；

(3)、将千斤顶(1)、压力传感器(2)和传力杆(3)自上而下依次组装连接，再将装夹有位移传感器(4)的夹具(10)固定于传力杆(3)上；

(4)、将步骤3中组装后的千斤顶(1)的顶面通过螺栓与上垫板(7)相连接；

(5)、采用螺栓将步骤4组装后的部件与步骤2组装完的实验箱相连接，连接时需要先将传力杆(3)的下端伸入腔体结构(5)的内腔使传力杆(3)可作用于实验桩，连接完成后调整夹具(10)高度使得位移传感器(4)的下端与下垫板(8)的上表面相接触；

(6)、连接外部实验设备：将外部加载系统与千斤顶(1)相连接，将压力传感器(2)和位移传感器(4)分别与外部数据采集系统相电连接；

(7)、实验设备调试：依次调试外部加载系统、压力传感器(2)、位移传感器(4)、外部数据采集系统是否运行正常，待调试结束即可进行预加载实验并制定加载分级及扫描参数，预加载实验完成后即可开始嵌岩桩加载过程桩-岩界面剪切特性及微观破坏机理扫描实验。

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