CN109706983A - 一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于本发明属于土木工程领域，涉及一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置包括支撑台架、土样桶、压力加载机构和打桩机构，所述的支撑台架由四根相同的支撑杆架设起压力底板组成，每根支撑杆下方连接脚轮，其中土样桶设置在压力底板上表面正中位置上；还涉及一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验方法，在计算机系统的监控作用下，加载机构对土样桶中的土样进行设定压力的压力加载试验，而打桩机构对加载完成的固结土样进行进一步的竖向加载试验。本试验装置通过减速步进电机对桩周土体进行加载和卸载，并通过传感器对施加荷载进行实时量测，可精确控制桩周土体受到的竖向荷载，使得桩周土体应力状态与应力历史与实际工程完全一致。

Description

一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置及试验方法。

背景技术

近年来随着我国城市与大型公共设施建设的蓬勃发展，地下空间的开发和利用成为了工程建设的重要组成部分，基坑开挖的深度不断加深，面积越来越大。

由于技术、安全和经济条件上的限制，实际工程中极少进行基坑开挖后的单桩静载试验，并且对于位于基坑中的桩基承载力，由于现场试桩条件的限制，在工程设计中通常以采用双套管的地面试桩为基础，扣除了地面试桩开挖段侧摩阻力，但忽略了开挖对基坑底面以下桩段的影响。实际上坑底的基桩由于开挖卸荷的影响其承载特性和地面试桩结果有较大差别，而理论分析模型往往会进行较大程度的简化，势必造成理论分析结果与现场实测结果的可比性受到很大影响，因而室内模型试验成为探究开挖条件下基桩竖向承载特性的主要手段。

但是目前的室内模型试验研究中都是采用开挖上部土体的方式来模拟开挖，开挖量较小，且不能精确的控制开挖量的大小，和实际工程有较大差别。

发明内容

本发明所解决现有技术中存在的技术问题是使用室内模型试验进行卸载条件下（开挖条件下）基桩竖向承载特性的研究和实际工程有较大差别的问题。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，包括支撑台架、土样桶、传压活塞、压力加载机构和打桩机构，所述的支撑台架由四根相同的支撑杆架设起一个正方形的压力底板组成，每根支撑杆下方均固定连接着脚轮，所述土样桶、压力加载机构和打桩机构均与所述的压力底板进行连接，其中土样桶设置在压力底板上表面正中位置上，用于承装土样，而土样桶上端固定环内可穿过的设置有传压活塞，进而在计算机系统的监控作用下，所述压力加载机构对土样进行设定压力的压力加载试验，而所述打桩机构对加载完成的固结土样进行进一步的竖向加载试验。

进一步，所述土样桶位于底部的侧壁上还设置有两桶球阀开关，这个两桶球阀开关通过对丝接头连接在土样桶侧壁上，其上有快拧。

进一步，所述土样桶下端设置有O型密封圈，其上端设置有固定环，沿着固定环圆周均匀的设置有多条用于锁紧的桶体定位杆，桶体定位杆上端螺纹连接第一六角螺母进行锁紧，从而使得土样桶在固定环的压紧作用下而稳固的设置在压力底板上。

进一步，所述传压活塞为圆形槽体，其通过直径小于土样桶内径的底面以及一圈等高的外围壁共同构成，并且底面中心预留通孔。

进一步，所述压力加载机构包括由上横梁和下横梁组成的方形的移动框架体，以及作用于下横梁的第一涡轮丝杆升降机和受到计算机系统监控的第一减速步进电机和压力传感器。

进一步，所述上横梁紧贴着传压活塞，其中心预留通孔，并且其两端分别竖直向下设置有受力杆，所述受力杆的末端固定连接着下横梁，从而形成了一个方形的移动框架体，并且受力杆的中部套设着直线轴承，所述直线轴承焊接在压力底板的侧边上。

进一步，所述下横梁的中心位置向上还连接着压力传感器，所述压力传感器向上与第一涡轮丝杆升降机的输出端进行固定连接，这样在第一减速步进电机的带动下，整个方形移动框架体随着第一涡轮丝杆升降机的伸缩作用而进行上下活动。

进一步，所述打桩机构包括由四根直立立柱支撑在压力底板上而架起的压力上板，以及在压力上板中心设置的第二涡轮丝杆升降机，所述第二涡轮丝杆升降机进行连接的第二减速步进电机，并且第二涡轮丝杆升降机向下连接桩顶荷载传感器，而桩顶荷载传感器向下连接试验桩，试验桩顶部的桩顶荷载传感器与计算机相连接进行数据收集。

一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验方法，利用如权利要求8所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，按照如下步骤进行：

第一步，土样添加：在土样桶底部加入一层2cm厚的细沙，细沙上面铺上两层滤纸，然后把拌合好的土样加入土样桶；

第二步，土样压力加载：安装好压力加载机构，使得传压活塞在加载机构的带动作用下，对土样进行压力加载至试验设定压力；

第三步，土样固结：打开土样桶底部的快拧，使得土样桶内的土样进行排水固结，并通过压力传感器测试且通过计算机系统监测传压活塞的竖向位移-时间曲线，进而判断模型箱内土体是否固结完成；

第四步，打桩：利用打桩机构将试验桩压入固结完成后的土样中，并利用试样桩顶部的桩顶荷载传感器进行数据测试；

第五步，土样卸载：通过向计算机系统设定压力，并利用压力加载机构使土样桶内土样卸载到指定压力（由计算机系统监测到压力传感器上的压力数据除以土样桶中土样的面积计算得到），并通过压力传感器测试且通过计算机系统监测传压活塞的竖向位移-时间曲线判断模型箱内土体是否回弹完成；

第六步，试验桩加载试验：通过打桩机构对试验桩进行竖向加载，并利用桩顶荷载传感器测量且通过计算机系统监测试验桩的荷载-位移曲线。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：本试验装置通过减速步进电机对桩周土体进行加载和卸载，并通过传感器对施加荷载进行实时量测，可精确控制桩周土体受到的竖向荷载，使得桩周土体应力状态与应力历史与实际工程完全一致；本试验装置通过减速步进电机和传感器进行压桩及单桩竖向荷载试验。通过本试验装置可对卸荷条件下单桩竖向承载特性进行系统的试验研究。

附图说明

图1为本发明中试验装置整体结构的正视示意图；

图2为图1中P-P视角的结构示意图；

图3为本发明中试验装置整体结构的斜视示意图；

图4为本发明中土样筒的内部结构剖视图；

其中，1为脚轮，2为第一六角头螺栓，3为下横梁，4为受力杆，5为箱脚，6为第二六角头螺栓，7为直线轴承，8为轴用弹性挡圈，9为固定环，10为桶体定位杆，11为第一六角螺母，12为上横梁，13为第二六角螺母，14为试验桩，15为下托盘，16为第一十字平头螺钉，17为桩顶荷载传感器，18为托盘，19为第二十字平头螺钉，20为内六角圆柱头螺钉，21为第一涡轮丝杆升降机，22为第三六角头螺栓，23为压力底板，24为第一减速步进电机，25为第四六角头螺栓，26为电机座，27为第五六角头螺栓，28为第一连接杆，29为第一内六角凹端紧定螺钉，30为丝杆，31为立柱，32为压力上板，33为传压活塞，34为传感器上接头，35为压力传感器，36为传感器下接头，37为盖形螺母，38为第二减速步进电机，39为电机架，40为第六六角头螺栓，41为第七六角头螺栓，42为第二连接杆，43为第二内六角凹端紧定螺钉，44为第二涡轮丝杆升降机，45为第八六角头螺栓，46为螺纹丝套，47为土样桶，48为O型密封圈，49为对丝接头，50为两桶球阀开关，51为快拧，52为土样。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此，其中的传感器部件以及电机部件的运作均通过计算机系统的控制，并且传感器中的信号也是通过计算机系统进行处理，此为常用现有技术在此不进行过多的赘述，并且本发明重点不在于此，以能够达到计算机系统控制他们进行运作的技术效果为准。

如图1~4所示，一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，包括支撑台架、土样桶47、压力加载机构和打桩机构，所述的支撑台架由四根相同的支撑杆架设起一个正方形的压力底板23，每根支撑杆下方均通过第一六角头螺栓2固定连接着脚轮1，并且这四根支撑杆上方的箱脚5分别通过第二六角头螺栓6固定连接在压力底板23下表面的四角处，从而形成了可移动的支撑台架，而土样桶47、压力加载机构和打桩机构均与所述的压力底板23进行连接，其中土样桶47用于承装土样52，进而使用加载机构对土样52进行设定压力的试验加载，而打桩机构对加载完成的固结的土样进行进一步的竖向加载试验。

如图2所示，所述的土样桶47设置在压力底板23上表面的正中位置上，所述土样桶47位于底部的侧壁上还设置有两桶球阀开关50，这个两桶球阀开关50通过对丝接头49连接在土样桶侧壁上，其上有快拧51，以便在试验中将土样桶内的水排出；如图4所示，所述土样桶47下端设置有O型密封圈48，其上端设置有固定环9，所述固定环9的内径与土样桶47的内径相同，但其外径大于土样桶47的外径，进而固定环在圆周上多出土样桶的部分均匀间隔的开设通孔，这些通孔可供焊接在压力底板23上表面的桶体定位杆10穿过，并且桶体定位杆10的上端设置螺纹，当桶体定位杆10穿过固定环9，其上端部分通过第一六角螺母11进行锁紧，并且随着第一六角螺母11向下拧紧，使得固定环9向下压紧土样桶47，进而土样桶47就被紧固在压力底板23上；当土样桶内装满土样52时，其上端开口处放置传压活塞33，所述传压活塞33为圆形槽体，其通过直径小于土样桶内径的底面以及一圈等高的外围壁共同构成，其中的外围壁贴近土样桶内壁设置，从而使得所述传压活塞33可在土样桶47内部上下移动。

如图2和图3所示，所述压力加载机构包括如下部分：所述传压活塞33上方沿直径方向上设置有上横梁12，所述上横梁12的两端分别竖直设置有受力杆4，所述受力杆4的上端通过第二六角螺母13与上横梁12固定连接，其下方的末端以相同的连接方式连接着下横梁3，从而形成了一个方形的移动框架体，并且受力杆4的中部套设着直线轴承7，并且直线轴承7的上下两侧加设轴用弹性挡圈8，所述直线轴承7焊接在压力底板23的侧边上，所述下横梁3的中心位置向上还连接着压力传感器35，所述压力传感器35的传感器下接头36通过盖形螺母37与所述下横梁进行固定连接，而传感器上接头34以同样的连接方式与第一涡轮丝杆升降机21的输出端进行固定连接，这样的整个方形移动框架体随着第一涡轮丝杆升降机21的伸缩作用而进行上下活动就构成了压力加载机构，利用压力加载机构作用于所述传压活塞33就可对土样桶内的土样进行压力加载，其中压力传感器35与计算机系统相连进行数据收集，此为常用现有技术，不在此赘述具体的连接方式和使用方式。

如图2所示，所述的第一涡轮丝杆升降机21通过第三六角头螺栓22固定连接在压力底板23的下表面，并且其一侧还设置有第一减速步进电机24，他们两者通过第一连接杆28进行传动连接，并且第一连接杆28是通过第一内六角凹端紧定螺钉29将两者连接起来的，所述第一减速步进电机24通过第四六角头锁栓25固定连接在电机座26上，所述电机座26为L型板架结构，其通过第五六角头锁栓27固定连接在压力底板23的下表面；所述第一减速步进电机24通电后作为动力源带动压力加载机构进行运作，这个第一减速步进电机24受到计算机系统的控制，按控制信号的指示带动第一涡轮丝杆升降机21进行运转，第一涡轮丝杆升降机21输出端的丝杆进行旋进或者旋出（其伸缩运动产生的位移数据也由计算机系统进行记录，常规手段是将第一涡轮丝杆升降机通过信号线与计算机系统进行连接），进而带动下横梁3以及下横梁所在的方形移动框架体进行上下运动。

如图3所示，所述打桩机构包括以下各部分：所述压力底板23上设置有四根直立的立柱31，这些立柱的下端焊接在压力底板23上表面上，其上端固定连接压力上板32，在这四根立柱31的支撑作用下保证了压力上板32处于水平状态，所述压力上板32架设在土样桶的上方，其为长方形板体结构，其中央位置设置有第二涡轮丝杆升级机44，所述第二涡轮丝杆升级机44通过第八六角头螺栓45固定连接在压力上板32上，并且第八六角头螺栓45上加设螺纹丝套46形成弹性连接，消除螺纹制造误差，提高连接强度，所述第二涡轮丝杆升级机44通过第二连接杆42与第二减速步进电机38进行传动连接，其中第二连接杆42的两端是通过第二内六角凹端紧定螺钉43进行锁紧的，所述第二减速步进电机38通过第六六角头螺栓40固定连接在电机架39上，所述电机架39为L型板架结构，其通过第七六角头螺栓41固定连接在压力上板32上，所述的第二减速步进电机38受到计算机系统的控制，进而在信号指令下带动所述第二涡轮丝杆升级机44中的丝杆30进行上下移动（其运动产生的位移数据也由计算机系统进行记录，常规手段是将第二涡轮丝杆升降机通过信号线与计算机系统进行连接），所述丝杆30的下端通过内六角圆柱螺钉20与上托盘18进行连接，而上托盘18又通过第二十字平头螺钉19连接在桩顶荷载传感器17的上端，而桩顶荷载传感器17的下端通过第一十字平头螺钉16固定连接在下托盘15上，所述下托盘15焊接实验桩14，所述实验桩14向下延伸，并穿过上横梁中心以及传压活塞中心预留的通孔而伸入到土样桶的内部，以便跟随丝杆30的上下运动而进行打桩处理和试验桩的竖向承载特性试验，其中试验桩顶部的桩顶荷载传感器17与计算机相连接进行数据收集。

一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验方法，是利用上述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，进行如下步骤进行：

第一步，土样添加：在土样桶47底部加入一层2cm厚的细沙，细沙上面铺上两层滤纸，然后把拌合好的土样52加入土样桶47；

第二步，土样压力加载：安装好压力加载机构，使得传压活塞33在加载机构的带动作用下，对土样52进行压力加载至试验设定压力；

第三步，土样固结：打开土样桶47底部的快拧51，使得土样桶内的土样进行排水固结，并通过压力传感器35测试传压活塞33的竖向位移-时间曲线，进而判断模型箱内土体是否固结完成；

第四步，打桩：利用打桩机构将试验桩压入固结完成后的土样中，并利用试样桩顶部的桩顶荷载传感器17进行数据测试；

第五步，土样卸载：通过向计算机系统设定压力，并利用加载机构使土样桶内土样卸载到指定压力（由计算机系统监测到压力传感器35上的压力数据除以土样桶中土样的面积计算得到），并通过压力传感器35收集数据和计算机系统监测传压活塞33的竖向位移-时间曲线判断模型箱内土体是否回弹完成，其中的位移数据是通过计算机系统记录第一涡轮丝杆升降机21的位移变化；

第六步，试验桩加载试验：通过打桩机构对试验桩进行竖向加载，并利用桩顶荷载传感器17收集数据和计算机系统监测试验桩的荷载-位移曲线，其中的位移数据由计算机系统记录第二涡轮丝杆升级机44的位移变化。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出更动或修饰等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，包括支撑台架、土样桶、传压活塞、压力加载机构和打桩机构，所述的支撑台架由四根相同的支撑杆架设起一个正方形的压力底板组成，每根支撑杆下方均固定连接着脚轮，所述土样桶、压力加载机构和打桩机构均与所述的压力底板进行连接，其中土样桶设置在压力底板上表面正中位置上，用于承装土样，而土样桶上端固定环内可穿过的设置有传压活塞，进而在计算机系统的监控作用下，所述压力加载机构对土样进行设定压力的压力加载试验，而所述打桩机构对加载完成的固结土样进行进一步的竖向加载试验。

2.根据权利要求1所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述土样桶位于底部的侧壁上还设置有两桶球阀开关，这个两桶球阀开关通过对丝接头连接在土样桶侧壁上，其上有快拧。

3.根据权利要求2所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述土样桶下端设置有O型密封圈，其上端设置有固定环，沿着固定环圆周均匀的设置有多条用于锁紧的桶体定位杆，桶体定位杆上端螺纹连接第一六角螺母进行锁紧，从而使得土样桶在固定环的压紧作用下而稳固的设置在压力底板上。

4.根据权利要求3所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述传压活塞为圆形槽体，其通过直径小于土样桶内径的底面以及一圈等高的外围壁共同构成，并且底面中心预留通孔。

5.根据权利要求4所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述压力加载机构包括由上横梁和下横梁组成的方形的移动框架体，以及作用于下横梁的第一涡轮丝杆升降机和受到计算机系统监控的第一减速步进电机和压力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述上横梁紧贴着传压活塞，其中心预留通孔，并且其两端分别竖直向下设置有受力杆，所述受力杆的末端固定连接着下横梁，从而形成了一个方形的移动框架体，并且受力杆的中部套设着直线轴承，所述直线轴承焊接在压力底板的侧边上。

7.根据权利要求6所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述下横梁的中心位置向上还连接着压力传感器，所述压力传感器向上与第一涡轮丝杆升降机的输出端进行固定连接，这样在第一减速步进电机的带动下，整个方形移动框架体随着第一涡轮丝杆升降机的伸缩作用而进行上下活动。

8.根据权利要求7所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，其特征在于，所述打桩机构包括由四根直立立柱支撑在压力底板上而架起的压力上板，以及在压力上板中心设置的第二涡轮丝杆升降机，所述第二涡轮丝杆升降机进行连接的第二减速步进电机，并且第二涡轮丝杆升降机向下连接桩顶荷载传感器，而桩顶荷载传感器向下连接试验桩，试验桩顶部的桩顶荷载传感器与计算机相连接进行数据收集。

9.一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验方法，其特征在于，利用如权利要求8所述的一种卸载条件下单桩竖向承载特性试验装置，按照如下步骤进行：

第一步，土样添加：在土样桶底部加入一层2cm厚的细沙，细沙上面铺上两层滤纸，然后把拌合好的土样加入土样桶；

第二步，土样压力加载：安装好压力加载机构，使得传压活塞在加载机构的带动作用下，对土样进行压力加载至试验设定压力；

第三步，土样固结：打开土样桶底部的快拧，使得土样桶内的土样进行排水固结，并通过压力传感器测试且通过计算机系统监测传压活塞的竖向位移-时间曲线，进而判断模型箱内土体是否固结完成；

第四步，打桩：利用打桩机构将试验桩压入固结完成后的土样中，并利用试样桩顶部的桩顶荷载传感器进行数据测试；

第五步，土样卸载：通过向计算机系统设定压力，然后利用压力加载机构使土样桶内土样卸载到指定压力（由计算机系统监测到压力传感器上的压力数据除以土样桶中土样的面积计算得到），并通过压力传感器测试且通过计算机系统监测传压活塞的竖向位移-时间曲线判断模型箱内土体是否回弹完成；

第六步，试验桩加载试验：通过打桩机构对试验桩进行竖向加载，并利用桩顶荷载传感器测量且通过计算机系统监测试验桩的荷载-位移曲线。