CN108678039A - 一种刚度可调的桩基础模型试验用承台装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩基础模型试验用承台装置，包括套设在模型桩的外侧的承台架构，所述模型桩的上方设置有用于施加竖直压力的上部结构，所述模型桩与所述上部结构之间设置有压力感应器和垫板，所述承台架构通过连接件与所述上部结构连接；所述承台架构内侧设置有第二凹面；所述第二凹面的侧面上设置有若干用于施加水平压力的施力装置，所述施力装置包括水平设置的顶出部、竖直设置的用于促使所述顶出部顶紧所述模型桩的施力部，所述顶出部与所述第二凹面的侧面之间设置有弹性复位件。以及一种基于该承台装置的试验方法。本发明旨在克服现有技术中的桩基承台装置不可拆卸重复利用、刚接与铰接不便转换的缺点。

Description

一种刚度可调的桩基础模型试验用承台装置及其试验方法

技术领域

本发明属于建筑施工中桩基础工程研究领域，具体涉及一种约束刚度可调的桩基础模型试验用承台装置及其试验方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，在建或已建的建筑、桥梁、近海、海岸等工程越来越多，然而这些工程结构的桩基础往往直接或间接受到动荷载作用，例如地震波、波浪、风荷载等，都会引起支撑上部结构的桩基础与土体之间的动力相互作用。当桩基础的动力效应达到一定程度时，将会引起一系列的危害，如使土体强度降低、桩基础沉降量过大，从而导致上部结构出现变形、开裂等现象。因此，探讨动荷载作用下桩基础与土体的相互作用机理至关重要。

通过试验研究桩基础与土体的相互作用机理是较为有效可行的途径。其中，模型试验因其可操控性强、适用复杂条件好、费用低等优点而被广泛采用。因此，国内外为进行桩基础模型试验开发了各种各样的试验装置，以方便模拟桩-土相互作用机理，试验结果可为桩基础设计提供技术支持。

为更加真实反映上部结构-桩基础-土体之间的共同作用机理，模型试验时需要将上部结构与桩基础相约束，约束方式包括刚接和铰接。现有试验中，承台的设置一般只可模拟固接和铰接的其中一种。在试验过程中，若要改变承台约束方式，往往会拆除上部荷载，一方面为试验人员增加了工作量，同时反复的装拆难以避免地对模型桩头的桩-土作用产生不可恢复的影响。

因此，对于桩基础模型试验领域的技术人员来说，设计一种在不用拆卸上部结构的情况，实现刚度可调的承台装置，既能减轻过程中反复拆卸上部荷载的工作量，又能避免对模型桩头的桩-土产生不可恢复的影响、降低试验过程中的人为误差，是目前需要解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明旨在提供一种约束刚度可调的桩基础模型试验用承台装置，以克服现有技术中的桩基承台装置不可拆卸重复利用、适应多向荷载作用条件差、刚接与铰接不便转换的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种约束刚度可调的桩基础模型试验的试验方法。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现：

一种桩基础模型试验用承台装置，包括套设在模型桩的外侧的承台架构，所述模型桩的上方设置有用于施加竖直压力至所述模型桩的上部结构，所述模型桩与所述上部结构之间设置有压力感应器，所述承台架构通过连接件与所述上部结构连接；

所述承台架构的内侧自上而下依次设置有面积逐渐变小的第一凹面、第二凹面及与所述模型桩间隙连接的通孔，所述压力感应器设置在所述第一凹面内；

所述第二凹面的侧面上设置有若干用于施加水平压力至所述模型桩的施力装置，所述施力装置包括水平设置的顶出部、竖直设置的用于促使所述顶出部顶紧所述模型桩的施力部，所述承台架构的上端面到所述上部结构的下端面之间的距离值大于所述施力部在竖直方向上的长度值，所述顶出部与所述第二凹面的侧面之间设置有弹性复位件。

作为优选，所述承台架构对应所述模型桩设置为圆环形，所述第一凹面、第二凹面及所述通孔均设置为圆形并同轴设置在所述承台架构上。

作为优选，所述压力感应器对应所述模型桩选择为圆柱形，所述第一凹面的直径与所述压力感应器的直径相同，所述压力感应器的下端面抵接连接所述模型桩。

作为优选，所述顶出部包括朝向所述模型桩设置的顶压块、连接所述顶压块的滑杆，所述承台架构上对应所述滑杆设置有供所述滑杆左右滑动的水平槽孔。

作为优选，所述施力部包括受力块、连接所述受力块的长杆，所述承台架构上对应所述长杆竖直设置有连通所述水平槽孔的竖直槽孔；

所述滑杆相对所述顶压块的一端、所述长杆相对所述受力块的一端均设置有弧形光滑接触面。

作为优选，所述施力装置至少设置有四个并围绕所述模型桩均匀设置在所述承台架构上，所述顶出部在竖直方向上至少设置有两个。

作为优选，所述弹性复位件包括拉力弹簧，所述拉力弹簧套设在所述顶出部上，所述拉力弹簧的一端固定连接所述顶出部，所述拉力弹簧的另一端固定连接在所述第二凹面的侧面上。

作为优选，所述拉力弹簧在自然状态下的长度值与所述顶压块的厚度值之和小于所述第二凹面的侧面到所述模型桩的侧面之间的距离值；所述拉力弹簧在自然状态下时，所述顶压块与所述模型桩之间的距离值等于所述竖直槽孔的宽度值。

作为优选，所述连接件包括若干螺杆，所述承台架构的上端面对应所述螺杆均匀设置有若干固定螺孔，所述上部结构上对应所述固定螺孔设置有安装孔。

一种桩基础模型试验方法，基于以上所述的承台装置，包括以下步骤：

S1、将模型桩固定在模型试验的土体里面，并确保桩顶标高满足试验要求；

S2、根据模型桩的尺寸参数选择压力感应器，将组装好的承台架构套设在模型桩的上部，并使得所述第一凹面的最低标高低于模型桩的桩顶标高；

S3、将压力感应器放置在模型桩的顶部，并使得压力感应器位于所述第一凹面内；将上部结构设置在压力感应器的上表面，并利用所述连接件矫正上部结构的稳定性，将上部结构的荷载传递至压力感应器的上表面；

S4、当只有承台架构的通孔与模型桩的桩身间隙连接时，即模型桩处于铰接状态，适用于铰接状态时的模拟试验；通过施力装置可使得所述顶出部顶紧设置在所述模型桩的侧边，即模型桩处于刚接状态，适用于刚接状态时的模拟试验；重复对施力装置的操作即可切换承台装置与模型桩之间的约束方式；

S5、试验完成后，通过压力感应器进行不同约束方式下的受力情况的数据记录及统计，并进行承台装置的拆卸存放。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种承台装置，通过连接件可以将模型桩、压力感应器及上部结构进行稳定的连接设置，并且配合上承台结构上的通孔，确保模型桩在竖直方向上的均匀受力，提高试验数据的准确性。

2、本发明提供的一种承台架构，设置有第二凹面，并在第二凹面内设置有可按需凸出并顶紧模型桩设置的顶出部，并且对应顶出部巧妙设置有施力部；当施力部未对顶出部作用时，所述顶出部由于弹簧的拉紧作用并不会朝向模型桩顶出，通过施力部插入竖直槽孔，施力部会逐渐将顶出部顶出，从而将顶出部顶紧设置在模型桩上，从而实现水平作用力对模型桩的影响试验。

3、本发明提供的一种承台装置，可根据试验要求，在不拆卸上部荷载的情况下实现同一装置上进行对模型桩铰接状态及刚接状态的转换，使得试验状态不受限制；并且本承台装置结构简单、制作成本低、易于维护检修，方便在模型桩试验上的推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明承台装置的剖视结构示意图。

图2为本发明模型桩处于铰接状态时的俯视结构示意图。

图3为本发明模型桩处于刚接状态时的俯视结构示意图。

图4为本发明施力装置的结构示意图。

图5为本发明试验方法的步骤流程示意图。

其中：

1-模型桩，2-承台架构，21-顶出部，211-水平槽孔，212-顶压块，213-滑杆，22-施力部，221-竖直槽孔，222-受力块，223-长杆，23-拉力弹簧，24-螺杆，25-第一凹面，26-第二凹面，27-通孔，28-弧形光滑接触面，3-压力感应器，4-上部结构，41-安装孔。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

实施例1

如图1-4所示，本实施例中提供一种桩基础模型试验用承台装置，包括套设在模型桩1的外侧的承台架构2，所述模型桩1的上方设置有用于施加竖直压力至所述模型桩1的上部结构4，所述模型桩1与所述上部结构4之间依次设置有压力感应器3和垫板(图中未示出)，作为优选，所述压力感应器3可以选取市场上常用的压力传感器，所述承台架构2通过连接件与所述上部结构4连接。

所述承台架构2的内侧自上而下依次设置有面积逐渐变小的第一凹面25、第二凹面26及与所述模型桩1间隙连接的通孔27，所述第二凹面26的开设高度要大于所述第一凹面25的开设高度，所述压力感应器3即设置在所述第一凹面25内。作为一种优选的方案，所述承台架构2对应所述模型桩1设置为圆环形，所述第一凹面25、第二凹面26及所述通孔27均设置为圆形并同轴设置在所述承台架构2上。进一步地，所述压力感应器3对应所述模型桩1选择为圆柱形，所述第一凹面的直径与所述压力感应器3的直径相同，且大于所述第二凹面26开设的直径，所述压力感应器3的下端面抵接连接所述模型桩1。

所述第二凹面26的侧面上设置有若干用于施加水平压力至所述模型桩1的施力装置，所述施力装置包括水平设置的顶出部21、竖直设置的用于促使所述顶出部21顶紧所述模型桩1的施力部22，所述顶出部21与所述第二凹面26的侧面之间设置有弹性复位件。

作为一种优选的方案，所述顶出部21包括朝向所述模型桩1设置的顶压块212、连接所述顶压块212的滑杆213，所述承台架构2上对应所述滑杆213设置有供所述滑杆213左右滑动的水平槽孔211。所述施力部22包括受力块222、连接所述受力块222的长杆223，所述承台架构2上对应所述长杆223竖直设置有连通所述水平槽孔211的竖直槽孔221；所述滑杆213相对所述顶压块212的一端、所述长杆223相对所述受力块222的一端均设置有弧形光滑接触面28。所述施力装置设置有四个并围绕所述模型桩1均匀设置在所述承台架构2上，所述顶出部21在竖直方向上设置有两个。

所述弹性复位件包括拉力弹簧23，所述拉力弹簧23套设在所述顶出部21上，所述拉力弹簧23的一端固定连接所述顶出部21，所述拉力弹簧23的另一端固定连接在所述第二凹面26的侧壁上；所述拉力弹簧23自然状态下的长度值与所述顶压块212的厚度值之和小于所述第二凹面26的侧面到所述模型桩1的侧面之间的距离值；所述拉力弹簧23自然状态下，所述顶压块212在靠近模型桩1的一侧与模型桩的距离与所述竖直槽孔221的宽度相同。

所述连接件包括若干螺杆24，所述承台架构2的上端面对应所述螺杆24均匀设置有若干固定螺孔，所述上部结构4上对应所述固定螺孔设置有安装孔41，将所述螺杆24穿过上部结构4上的安装孔41，并通过螺母进行可调节式固定连接。

所述垫板5的厚度值与所述压力传感器3的厚度值之和应大于所述第一凹面25在竖直方向上的高度值与所述施力部22的高度值之和，以使得能够在不触碰上部结构4的情况下，实现所述施力部22拆卸。

本实施例中所述上部结构4可参见现有技术。

实施例2

为了便于对本技术方案的理解，基于上述的承台装置，此处提供一种约束刚度可调的桩基础模型试验方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤一、将模型桩1埋入模型试验的土体里面，直到桩顶标高满足试验要求。

步骤二、根据模型桩1的外形及尺寸，调整顶出部21的滑杆213长度及其弧形光滑接触面28的弧度及长度，选定直径合适的压力传感器3。

步骤三、根据压力传感器3的外形选择第一凹面25的外形和尺寸，根据压力传感器3的高度和直径选定垫板的厚度；

步骤四、在顶出部21的顶压块212与第二凹面26的侧壁之间连接上拉力弹簧23，将滑杆213套在拉力弹簧23的内部；从而将承台架构2、顶出部21和拉力弹簧23组装成一个整体的系统，在拉力弹簧23的回复力作用下，顶出部21可在水平槽孔211内进行水平方向上的往复运动。

步骤五、将组装好的承台装置套设在模型桩1的上部，并且确保第一凹面25的最低标高略低于模型桩1的桩顶标高；并将压力感应器3放置在模型桩1的顶部，且卡设在承台架构2上第一凹面25的区域内，以限制压力感应器3在水平方向上的运动。

步骤六、将垫板放置在压力传感器3的上端面，将上部结构4放置在垫板的上端面，利用承台架构2表面的设置的固定螺孔安装螺杆24；利用螺杆24在竖向及水平方向上的支撑作用矫正上部结构4的稳定性，将上部结构4的绝大部分荷载传递至压力感应器3的上表面。

步骤七、此时承台装置只有承台架构2的通孔27与模型桩1的桩身相接触，此时承台装置与模型桩1处于铰接状态，具体如图2所示，可以进行铰接状态时的试验。

步骤八、将施力部22依次插入相应的竖直槽孔221内，由于在插入过程中顶出部21的滑杆213受到施力部22长杆223的挤压作用，使得顶出部21往模型桩1侧水平移动，直到顶出部21的顶压块212顶住模型桩1的桩身为止；此时顶出部21与模型桩1的接触面积增大且处于嵌固状态，此时承台装置与模型桩1处于刚接状态，具体如图3所示，可以进行刚接状态时的试验。

步骤九、将施力部22从相应的竖直槽孔221拔出后，顶出部21在拉力弹簧23的恢复拉力作用下，在水平槽孔211内往外侧水平运动，以致顶出部21的顶压块212与模型桩1的桩身脱离开，此时承台装置与模型桩1之间恢复到铰接状态。

步骤十、重复上述步骤可任意选择承台装置与模型桩1之间的约束方式，试验完成后，通过压力感应器3进行不同约束方式下的受力情况数据记录及统计；然后将承台装置从模型桩1上拆卸下来，以便下次重复利用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种桩基础模型试验用承台装置，其特征在于，包括套设在模型桩的外侧的承台架构，所述模型桩的上方设置有用于施加竖直压力至所述模型桩的上部结构，所述模型桩与所述上部结构之间设置有压力感应器，所述承台架构通过连接件与所述上部结构连接；

所述承台架构的内侧自上而下依次设置有面积逐渐变小的第一凹面、第二凹面及与所述模型桩间隙连接的通孔，所述压力感应器设置在所述第一凹面内；

所述第二凹面的侧面上设置有若干用于施加水平压力至所述模型桩的施力装置，所述施力装置包括水平设置的顶出部、竖直设置的用于促使所述顶出部顶紧所述模型桩的施力部，所述承台架构的上端面到所述上部结构的下端面之间的距离值大于所述施力部在竖直方向上的长度值，所述顶出部与所述第二凹面的侧面之间设置有弹性复位件。

2.根据权利要求1所述的承台装置，其特征在于，所述承台架构对应所述模型桩设置为圆环形，所述第一凹面、第二凹面及所述通孔均设置为圆形并同轴设置在所述承台架构上。

3.根据权利要求2所述的承台装置，其特征在于，所述压力感应器对应所述模型桩选择为圆柱形，所述第一凹面的直径与所述压力感应器的直径相同，所述压力感应器的下端面抵接连接所述模型桩。

4.根据权利要求2所述的承台装置，其特征在于，所述顶出部包括朝向所述模型桩设置的顶压块、连接所述顶压块的滑杆，所述承台架构上对应所述滑杆设置有供所述滑杆左右滑动的水平槽孔。

5.根据权利要求4所述的承台装置，其特征在于，所述施力部包括受力块、连接所述受力块的长杆，所述承台架构上对应所述长杆竖直设置有连通所述水平槽孔的竖直槽孔；

所述滑杆相对所述顶压块的一端、所述长杆相对所述受力块的一端均设置有弧形光滑接触面。

6.根据权利要求1或5所述的承台装置，其特征在于，所述施力装置至少设置有四个并围绕所述模型桩均匀设置在所述承台架构上，所述顶出部在竖直方向上至少设置有两个。

7.根据权利要求6所述的承台装置，其特征在于，所述弹性复位件包括拉力弹簧，所述拉力弹簧套设在所述顶出部上，所述拉力弹簧的一端固定连接所述顶出部，所述拉力弹簧的另一端固定连接在所述第二凹面的侧面上。

8.根据权利要求7所述的承台装置，其特征在于，所述拉力弹簧在自然状态下的长度值与所述顶压块的厚度值之和小于所述第二凹面的侧面到所述模型桩的侧面之间的距离值；所述拉力弹簧在自然状态下时，所述顶压块与所述模型桩之间的距离值等于所述竖直槽孔的宽度值。

9.根据权利要求2所述的承台装置，其特征在于，所述连接件包括若干螺杆，所述承台架构的上端面对应所述螺杆均匀设置有若干固定螺孔，所述上部结构上对应所述固定螺孔设置有安装孔。

10.一种桩基础模型试验方法，其特征在于，基于上述权利1-9任一项所述的承台装置，包括以下步骤：

S1、将模型桩固定在模型试验的土体里面，并确保桩顶标高满足试验要求；

S2、根据模型桩的尺寸参数选择压力感应器，将组装好的承台架构套设在模型桩的上部，并使得所述第一凹面的最低标高低于模型桩的桩顶标高；

S3、将压力感应器放置在模型桩的顶部，并使得压力感应器位于所述第一凹面内；将上部结构设置在压力感应器的上表面，并利用所述连接件矫正上部结构的稳定性，将上部结构的荷载传递至压力感应器的上表面；

S4、当只有承台架构的通孔与模型桩的桩身间隙连接时，即模型桩处于铰接状态，适用于铰接状态时的模拟试验；通过施力装置可使得所述顶出部顶紧设置在所述模型桩的侧边，即模型桩处于刚接状态，适用于刚接状态时的模拟试验；重复对施力装置的操作即可切换承台装置与模型桩之间的约束方式；

S5、试验完成后，通过压力感应器进行不同约束方式下的受力情况的数据记录及统计，并进行承台装置的拆卸存放。