CN108918278A - 桩基室内模型试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了桩基室内模型试验方法，属于岩土工程室内模型试验研究领域。本发明采用的技术方案是桩基室内模型试验方法，该方法通过多功能自平衡加载模型试验箱实现，该模型箱由反力加载系统和模型箱箱体两大系统组成。加载模式的转变十分方便，第一水平加载模式转变至第二水平加载模式仅须调整相应的螺母和加载模块的位置即可；水平加载模式转变为竖向加载模式仅须将反力架整体拆下并连接至箱体竖向连接件，然后调整各相应的螺母和加载模块的位置即可。本方法能够降低试验成本，加快试验进度，提高试验数据的可靠性。

Description

桩基室内模型试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程室内模型试验研究领域，主要用于桩基水平和竖向受力特性模型试验研究。
背景技术
桩基是实际工程中最常用的基础形式，室内模型试验是研究其承载力特性的重要手段，目前室内模型箱多采用分离加载方式，即将模型箱和反力装置分别锚固至地面，两者之间设置加载模块。
分离式加载模型箱有其局限性和不足：第(1)加载模块的位置调整不方便；第(2)一套反力装置只能用于一种加载方式(水平或竖向)；第(3)反力装置制作成本高；第(4)功能单一，操作不便。
发明内容
本发明方法中的模型箱在分离式加载模型箱的基础上加以改进，模型箱框架和反力装置采用型钢和标准件制作，安拆简单、操作方便，成本较低，能对多种实际岩土工程问题进行室内模型试验，主要解决了以下技术问题：(1)反力装置与模型箱框架直接连接，组成自平衡的反力系统，不需要额外设置反力装置。(2)加载方式(水平或竖直)转换方便。(3)加载装置构成独立的模块，位置调整方便(4)模型箱后挡板分离式设计，试验完成后方便清理模型材料。
因此，采用本发明方法中的模型箱进行桩基的室内试验研究时，将极大降低试验成本，加快试验进度，提高试验数据的可靠性。
本发明采用的技术方案是桩基室内模型试验方法，该方法通过多功能自平衡加载模型试验箱实现，该模型箱由反力加载系统和模型箱箱体两大系统组成，该模型箱箱体由型钢通过焊接和螺栓连接的方式组成。
反力加载系统包括双向液压千斤顶(1)、力传感器(2)、油路管(3)、螺杆(4)、反力梁(5)、高强度螺母(6)、垫片(7)、高强度螺杆(9)和高强度螺栓(14)；其中反力梁(5)分为竖向反力梁和水平向反力梁，模型箱箱体通过四根水平的高强螺杆(9)和高强螺母(6)分别与两根水平向反力梁连接，竖向反力梁支撑于两根水平向反力梁上，支撑处使用高强螺杆(9)和高强螺母(6)拧紧，高强螺杆(9)和高强螺母(6)之间设有垫片(7)；加载模块通过螺杆(4)和高强度螺母(6)固定至竖向反力梁(5)上；竖向反力梁和水平向反力梁上设有高强度螺栓(14)；双向液压千斤顶(1)安装在竖向反力梁的中间，双向液压千斤顶(1)的顶杆与模型箱箱体上的刚性加载板(8)相对应；双向液压千斤顶(1)与油路管(3)连接，双向液压千斤顶(1)上设有力传感器(2)；
模型箱箱体包括刚性加载板(8)、箱体水平连接件(10)、箱体竖向连接件(11)、箱体框架(12)、可拆卸加劲梁(13)、可拆卸后挡板(15)、不可拆卸侧挡板(16)和不可拆卸前挡板(17)；刚性加载板(8)设置在箱体框架(12)的前侧，箱体水平连接件(10)、箱体竖向连接件(11)与箱体框架(12)通过焊接连接，箱体框架(12)与挡板、可拆卸加劲梁(13)通过螺栓连接，箱体框架(12)与刚性加载板(8)无连接；可拆卸后挡板(15)、不可拆卸侧挡板(16)和不可拆卸前挡板(17)沿箱体框架(12)的后部、侧部和前部布设；
具体实施方法如下：
S1、从桩基的工程场地取土壤材料，使用指定孔径的筛子筛除土壤材料中过大粒径的土颗粒，得到满足模型试验要求的土壤材料；
S2、使用喷壶对过筛后的土壤材料均匀喷水，调配至指定含水量，覆盖、保湿，保证含水量均匀；
S3、按‘相似比例’选择模拟桩的钢管直径、壁厚和长度；
S4、将模拟桩的钢管沿轴线对中剖开得到两个管片，分别在两个管片内壁上对称粘贴应变片、焊接导线，使用数字万用表检测应变片的粘贴是否合格，若不合格，重复操作直至合格；应变片检测合格后在其上覆盖塑料薄膜并涂环氧树脂保护应变片；
S5、将模拟桩的每根钢管的两个管片重新拼合，使用铁丝临时固定，并焊接成整体；焊接时注意保护导线和应变片，导线从模拟桩的钢管一端捋出；
S6、安装下部的可拆卸后挡板(15)和下部的可拆卸加劲梁(13)，在模型箱内按要求的密实度将含湿量符合试验要求的土壤材料分层制作地基模型，在预定位置埋入模型桩；
S7、当地基模型高度接近下部的可拆卸后挡板(15)的顶部高度时，安装上部的可拆卸后挡板(15)、中/上部的可拆卸加劲梁(13)和刚性加载板(8)，继续完成地基模型制作；
S8、浇筑1:3早强水泥砂浆将各根模型桩的桩头连接在一起，模拟桩基的承台，当承台养护至设计强度后再进行加载；
S9、水平加载时，将高强度螺杆(9)插入箱体水平连接件(10)并拧紧螺母；竖向加载时，将高强度螺杆(9)插入箱体竖向连接件(11)并拧紧螺母；
S10、拼装反力架，并安装加载模块；
S11、调整加载模块至加载位置；
S12、安装位移传感器，然后连接设备仪器，并进行调试；
S13、按照桩基水平或竖向承载力的试验方案进行分级施加荷载，并整理试验数据；
S14、拆除位移传感器、加载模块和反力架；
S15、拆除全部可拆卸加劲梁(13)和全部可拆卸后挡板(15)，出土、清理，准备下一组试验。
力传感器(2)外接全自动液压控制系统。
油路管(3)外接全自动液压控制系统。
不可拆卸前挡板(17)为硬质刷漆木板。
不可拆卸侧挡板(16)由钢化玻璃制成。
在模型箱箱体内制作模型，通过调节螺母(6)将反力梁(5)调整至合适位置，调整双向液压千斤顶(1)、力传感器(2)、固定件(4)组成的加载模块至合适位置，布设其它传感器，启动液压控制系统，按试验方案施加荷载。
附图说明
图1多功能自平衡室内模型箱。(a)为立面结构示意图，(b)为平面结构示意图。
图2加载模式图。(a)为第一水平加载(边坡或滑坡)示意图，(b)为第二水平加载(桩水平受力)示意图，(c)为竖向加载(桩竖向受力)示意图。
图3加载模块详图。
图4反力梁详图。(a)为侧视图，(b)为断面图，(c)为立面图。
具体实施方式
本发明的技术方案与关键技术是使用标准的型钢通过焊接和螺栓连接的方式组成多功能的自平衡的室内模型试验箱，模型箱由两大系统组成：反力加载系统，模型箱箱体。
反力加载系统可以实现三种加载模式：第一水平加载(边坡或滑坡)、第二水平加载(桩水平受力)、竖向加载(桩竖向受力)，试验时可以根据具体试验方案布设其它传感器监测相关测试项目。反力架由三根反力梁组成，每根反力梁由两根槽钢背对背叠合而成，反力架的梁与梁之间使用的螺杆连接。加载单元由定制的双向液压千斤顶、力传感器、固定件和全自动液压控制系统四部分组成。
模型箱内部净尺寸为120cm×76cm×100cm，外框架采用80cm×80cm×6cm的角钢焊接而成，角钢间隔固定间距打有的钻孔，使用螺栓固定箱体板，箱体与反力架的连接件使用内径32mm，外径52mm，长164mm的钢管焊接到箱体框架上。
反力架通过4根高强度螺杆和螺母与模型箱箱体预设的连接件相连，连接简单、可靠。
系统组成
多功能自平衡室内模型箱如图1所示，模型箱由两大系统组成：反力加载系统，模型箱箱体。
反力加载系统：双向液压千斤顶(1)、力传感器(2)、油路管(3)、螺杆(4)、反力梁(5)、高强度螺母(6)、垫片(7)、高强度螺杆(9)、高强度螺栓(14)；力传感器(2)外接全自动液压控制系统连接，油路管(3)外接全自动液压控制系统；模型箱箱体通过四根高强螺杆(9)与两根水平向的反力梁(5)连接，高强螺杆(9)和水平向的反力梁(5)之间通过高强螺母(6)连接，竖向反力梁(5)支撑于两根水平向反力梁(5)上，支撑处使用高强螺杆和螺母拧紧，加载模块通过螺杆(4)和螺母固定至竖向反力梁(5)。
模型箱箱体：刚性加载板(8)、箱体水平连接件10、箱体竖向连接件(11)、箱体框架(12)、可拆卸加劲梁(13)、可拆卸后挡板(15)、(钢化玻璃)不可拆卸侧挡板(16)、(硬质刷漆木板)不可拆卸前挡板(17)；模型箱箱体框架节点及框架(12)与箱体水平连接件(10)、箱体竖向连接件(11)，框架(12)与挡板、加劲梁为螺栓连接，框架(12)与刚性加载板(8)无连接。
二、工作原理
在模型箱箱体内制作试验模型，通过调节螺母(6)将反力梁(5)调整至合适位置，调整双向液压千斤顶(1)、力传感器(2)、固定件(4)组成的加载模块至合适位置，布设其它传感器，启动液压控制系统，按试验方案施加荷载。
多功能自平衡模型箱有三种加载模式如图2所示，可根据研究内容选择加载模式。第一水平加载模式，适用于边坡或滑坡(可布设抗滑桩)的模型试验研究，加载单元可以通过刚性加载板施加水平力模拟边坡或滑坡推力；第二水平加载模式适用于桩水平承载力特性的研究；竖向加载模式适用于桩竖向承载力特性的研究。当然三种加载模式还可以用于其它岩土工程问题研究，在此不一一列举。
加载模式的转换十分方便，第一水平加载模式转换至水平加载2模式仅须调整相应的螺母和加载模块的位置即可；水平加载模式转换为竖向加载模式仅须将反力架整体拆下并连接至箱体竖向连接件(11)，然后调整各相应的螺母和加载模块的位置即可。
一、加载模块
加载模块的细部构造及连接如图3所示，定制的力传感器(2)与双向液压千斤顶(1)的活塞顶通过螺纹连接，液压千斤顶(2)底部有螺纹与螺杆(4)连接；然后，通过大直径圆形垫片(7)及高强度螺母(6)固定到反力梁上。
二、反力梁
反力梁的细部构造如图4所示，将两根槽钢背对背，中间间隔30mm，槽钢上预先间隔固件间距钻两排圆孔，使用高强螺栓和螺母(14)连接，组成反力梁共同受力和变形。当某些螺栓妨碍反力架拼装时，可将其局部拆除。
桩基水平或竖向承载力特性试验方法
S1、从桩基的工程场地取土壤材料，使用指定孔径的筛子筛除土壤材料中过大粒径的土颗粒，得到满足模型试验要求的土壤材料；
S2、使用喷壶对过筛后的土壤材料均匀喷水，调配至指定含水量，覆盖、保湿，保证含水量均匀；
S3、按‘相似比例’选择模拟桩的钢管直径、壁厚和长度；
S4、将模拟桩的钢管沿轴线对中剖开得到两个管片，分别在两个管片内壁上对称粘贴应变片、焊接导线，使用数字万用表检测应变片的粘贴是否合格，若不合格，重复操作直至合格。合格后，应变片上覆盖塑料薄膜并涂环氧树脂保护应变片；
S5、将模拟桩的每根钢管的两个管片重新拼合，使用铁丝临时固定，并焊接成整体。焊接时注意保护导线和应变片，导线从模拟桩的钢管一端捋出；
S6、安装下部的可拆卸后挡板(15)和下部的可拆卸加劲梁(13)，在模型箱内按要求的密实度将含水量符合试验要求的土壤材料分层制作地基模型，在预定位置埋入模型桩；
S7、当地基模型高度接近下部的可拆卸后挡板(15)的顶部高度时，安装上部的可拆卸后挡板(15)、中上部的可拆卸加劲梁(13)和刚性加载板(8)，继续完成地基模型制作；
S8、浇筑1:3早强水泥砂浆将各根模型桩的桩头连接在一起，模拟桩基的承台，当承台养护至设计强度后再进行加载；
S9、水平加载时，将高强度螺杆(9)插入箱体水平连接件(10)并拧紧螺母；竖向加载时，将高强度螺杆(9)插入箱体竖向连接件(11)并拧紧螺母；
S10、拼装反力架，并安装加载模块；
S11、参照图2中的(b)或(c)，调整加载模块至加载位置；
S12、安装位移传感器，连接所有设备与仪器，并进行调试；
S13、按照桩基水平或竖向承载力的试验方案分级施加荷载，并整理试验数据；
S14、拆除位移传感器、加载模块和反力架；
S15、拆除全部可拆卸加劲梁(13)和全部可拆卸后挡板(15)，出土、清理，准备下一组试验。

Claims (6)

1.桩基室内模型试验方法，该方法通过多功能自平衡加载模型试验箱实现，该模型箱由反力加载系统和模型箱箱体两大系统组成，该模型箱箱体由型钢通过焊接和螺栓连接的方式组成；
反力加载系统包括双向液压千斤顶(1)、力传感器(2)、油路管(3)、螺杆(4)、反力梁(5)、高强度螺母(6)、垫片(7)、高强度螺杆(9)和高强度螺栓(14)；其中反力梁(5)分为竖向反力梁和水平向反力梁，模型箱箱体通过四根水平的高强螺杆(9)和高强螺母(6)分别与两根水平向反力梁连接，竖向反力梁支撑于两根水平向反力梁上，支撑处使用高强螺杆(9)和高强螺母(6)拧紧，高强螺杆(9)和高强螺母(6)之间设有垫片(7)；加载模块通过螺杆(4)和高强度螺母(6)固定至竖向反力梁(5)上；竖向反力梁和水平向反力梁上设有高强度螺栓(14)；双向液压千斤顶(1)安装在竖向反力梁的中间，双向液压千斤顶(1)的顶杆与模型箱箱体上的刚性加载板(8)相对应；双向液压千斤顶(1)与油路管(3)连接，双向液压千斤顶(1)上设有力传感器(2)；
模型箱箱体包括刚性加载板(8)、箱体水平连接件(10)、箱体竖向连接件(11)、箱体框架(12)、可拆卸加劲梁(13)、可拆卸后挡板(15)、不可拆卸侧挡板(16)和不可拆卸前挡板(17)；刚性加载板(8)设置在箱体框架(12)的前侧，箱体水平连接件(10)、箱体竖向连接件(11)与箱体框架(12)通过焊接连接，箱体框架(12)与挡板、可拆卸加劲梁(13)通过螺栓连接，箱体框架(12)与刚性加载板(8)无连接；可拆卸后挡板(15)、不可拆卸侧挡板(16)和不可拆卸前挡板(17)沿箱体框架(12)的后部、侧部和前部布设；
其特征在于：具体实施方法如下：
S1、从桩基的工程场地取有代表性的土壤材料，使用指定孔径的筛子筛除土壤材料中过大粒径的土颗粒，得到满足模型试验要求的土壤材料；
S2、使用喷壶对过筛后的土壤材料均匀喷水，调配至指定含水量，覆盖、保湿，保证含水量均匀；
S3、按‘相似比例’确定模拟桩的钢管直径、壁厚和桩长；
S4、将模拟桩的钢管沿轴线对中剖开得到两个管片，分别在两个管片内壁上对称粘贴应变片、焊接导线，使用数字万用表检测应变片的粘贴是否合格，若不合格，重复操作直至合格；应变片检测合格后在其上覆盖塑料薄膜并涂环氧树脂保护应变片；
S5、将模拟桩的每根钢管的两个管片重新拼合，使用铁丝临时固定，并焊接成整体；焊接时注意保护导线和应变片，导线从模拟桩的钢管一端捋出；
S6、安装下部的可拆卸后挡板(15)和下部的可拆卸加劲梁(13)，在模型箱内按要求的密实度将含水量符合试验要求的土壤材料分层制作地基模型，在预定位置埋入模型桩；
S7、当地基模型高度接近下部的可拆卸后挡板(15)的顶部高度时，安装上部的可拆卸后挡板(15)、中/上部的可拆卸加劲梁(13)和刚性加载板(8)，继续完成地基模型制作；
S8、浇筑1:3早强水泥砂浆将各根模型桩的桩头连接在一起，模拟桩基的承台，当承台养护至设计强度后再进行加载；
S9、水平加载时，将高强度螺杆(9)插入箱体水平连接件(10)并拧紧螺母；竖向加载时，将高强度螺杆(9)插入箱体竖向连接件(11)并拧紧螺母；
S10、拼装反力架，并安装加载模块；
S11、调整加载模块至加载位置；
S12、安装位移传感器，然后连接设备仪器，并进行调试；
S13、按照桩基水平或竖向承载力的试验方案进行分级施加荷载，并整理试验数据；
S14、拆除位移传感器、加载模块和反力架；
S15、拆除全部可拆卸加劲梁(13)和全部可拆卸后挡板(15)，出土、清理，准备下一组试验。
2.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于：力传感器(2)外接全自动液压控制系统。
3.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于：油路管(3)外接全自动液压控制系统。
4.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于：不可拆卸前挡板(17)为硬质刷漆木板。
5.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于：不可拆卸侧挡板(16)由钢化玻璃制成。
6.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于：在模型箱箱体内制作模型，通过调节螺母(6)将反力梁(5)调整至合适位置，调整双向液压千斤顶(1)、力传感器(2)、固定件(4)组成的加载模块至合适位置，布设其它传感器，启动液压控制系统，按试验方案施加荷载。
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