CN109930635A - 一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统及试验方法，所述模型系统包括模型箱、模型桩、配置土和传感器；所述模型箱用于充填淤泥质土；所述配置土填充于所述模型箱，用于模拟土体；所述模型桩一端插入所述模型箱内的配置土，另一端露出所述模型箱；所述传感器布置于所述配置土表面或所述模型桩表面或埋设于所述配置土中，用于监测土体的应力应变和模型桩的内力分布。本发明所提供的淤泥质土层中单桩基础的模型系统与现有的模型系统相比较，更适用于高含水量的淤泥质土层，能有效地研究近海淤泥质土层中荷载作用下单桩式基础的响应特征。

Description

一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程和工程结构试验技术领域，具体涉及一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统及试验方法。

背景技术

随着世界范围内油气资源消耗的递增和陆地原油开采速度的加快，海洋资源勘探与开发已成为焦点。近海工程主要是指在大陆架较浅水域修建的工程构筑物，我国近海特别是江浙海域广泛分布高含水量的淤泥和淤泥质土，导致许多岸上工程的研究成果无法应用到近海工程，其中尤为突出的是近海桩基础。

试验研究是揭示循环下桩基特性最直接及最根本的方法，也是验证理论分析结果最有效的方法。桩基试验主要包括现场原型试验、1g下的模型试验及离心试验。三种试验方法各有优缺点，其中原型试验最为接近实际情况，结果最具说服力。由于试验成本高，测试难度大等原因，国内外针对循环下桩基特性的试验研究主要以1g下的室内模型试验为主。目前，1g下的室内模型试验主要模拟土层为砂土和常规黏土，针对高含水量淤泥和淤泥质土层中的桩基础实验模型在国内鲜有报告。为了更好地研究我国淤泥质土海域的桩基础承载特征和设计方法，有必要对淤泥质土层单桩基础的模型系统及试验方法进行研究。

发明内容

本发明提供了一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统及试验方法，为研究淤泥质土海域的桩基础承载特征和设计方法提供了方案。

一方面，本发明提供了一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，所述模型系统包括模型箱、模型桩、配置土和传感器；所述模型箱用于充填淤泥质土；所述配置土填充于所述模型箱，用于模拟土体；所述模型桩一端插入所述模型箱内的配置土，另一端露出所述模型箱；所述传感器布置于所述配置土表面或所述模型桩表面或埋设于所述配置土中，用于监测土体的应力应变和模型桩的内力分布。

可选的，所述配置土包括荷载层和持力层。

可选的，所述模型箱为长方体形，底部为钢板，长轴侧壁为钢化玻璃，短轴侧壁为亚克力板，所述模型箱的框架、长轴横梁和短轴横梁中部均用角钢加固。

可选的，所述长轴侧壁和短轴侧壁交汇处经过除尘采用丁腈型液态密封胶、玻璃胶、自粘型改性沥青船用封舱胶带逐层进行密闭，内侧角钢进行刷漆防锈。

可选的，所述配置土分为两层，上层模拟荷载层的淤泥质土，下层模拟持力层的砂质黏土。

可选的，所述传感器包括应变片、微型孔隙水压力计、激光位移计和拉压力传感器。

可选的，所述应变片为箔式胶基应变片，在模型桩两侧对称等间距设置；所述微型孔隙水压力计共计四个，布设剖面距离模型桩0.4倍桩径，埋设深度分别为8倍、4倍、2倍和1倍桩径；所述激光位移计共设置三个，一个布置在模型桩靠近荷载层处，另外两个分别设置在荷载层两侧表面距离模型桩一倍桩径处；所述拉压力传感器设置在加载点处。

另一方面，本发明提供了一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统试验方法，包括：

构建模型箱；所述模型箱包括框架、底板、长轴侧壁和短轴侧壁；所述底部为钢板，长轴侧壁为钢化玻璃，短轴侧壁为亚克力板；采用角钢对所述模型箱的框架、长轴侧壁和短轴侧壁中部进行加固；

填筑持力层；在所述模型箱内分层填筑、夯实持力层，填筑过程中将模型桩埋置于模型箱正中位置，并在模型桩的顶部采用钢套环对其进行固定，以免在填筑土层的过程中对模型桩的位置产生影响；在模型桩两侧对称等间距设置七对应变片，在加载点处设置拉压力传感器；

填筑荷载层；将取自现场淤泥质土晾晒后，使其含水率为10%，放入水池加水浸泡15天，待其完全饱和软化后将其搅拌成均匀流塑状；将搅拌好的软土分层倒入模型箱形成荷载层，层与层之间进行刮毛处理；在填筑荷载层的同时在模型箱内壁垫无纺土工布构成排水通道；在荷载层埋设四个微型孔隙水压力计，布设剖面距离模型桩表面0.4倍桩径，埋设深度分别为8倍桩径、4倍桩径、2倍桩径和1倍桩径；布置三个激光位移计，一个布置在模型桩靠近荷载层表面，另外两个分别设置在荷载层两侧表面距离模型桩一倍桩径处；

加载前预处理；在荷载层表明满铺一层红砖进行预压处理，预压时间为12h；土层填筑完成后始终保持1cm水深，静置24小时后进行加载；

加载及数据分析；加载过程中，通过对应变数据的处理可以得到桩身弯矩分布、桩身剪力分布、桩身变形情况、桩身所受土抗力分布情况；利用微型孔隙水压力计获得循环荷载下不同深度处桩周土体的孔压发展情况；通过激光位移计获得循环荷载下桩和桩周土体的变形发展情况；利用拉压力传感器获得输出荷载的实时变化情况；利用加载时的监测数据，分析单桩的桩基承载力、桩周土抗力和桩身位移和p-y曲线特征。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的淤泥质土层中单桩基础的模型系统与现有的模型系统相比较，更适用于高含水量的淤泥质土层，能有效地研究近海淤泥质土层中荷载作用下单桩式基础的响应特征。

2、在模型系统不同位置设置多个传感器，获得大量的监测数据，能更加准确分析单桩的桩基承载力、桩周土抗力和桩身位移和p-y曲线特征。

3、长轴侧壁和短轴侧壁交汇处经过除尘采用丁腈型液态密封胶、玻璃胶、自粘型改性沥青船用封舱胶带逐层进行密闭，进行三层密封处理，保证了模型箱的密封性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种淤泥质土层中单桩基础的传感器系统示意图。

图2为本发明所提供的一种淤泥质土层中单桩基础的侧壁交汇处的密封示意图。

图3为本发明所提供的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统的示意图。

其中：1-底部；2-长轴侧壁；3-短轴侧壁；4-框架；5-长轴横梁；6-短轴横梁；7-丁腈型液态密封胶；8-玻璃胶；9-自粘型改性沥青船用封舱胶带；10-模型桩；11-荷载层；12-持力层；13-应变片；14-微型孔隙水压力计；15-激光位移计；16-拉压力传感器；17-加载方向；18-无纺土工布。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，包括：

- 模型箱，用于充填淤泥质土；

- 模型桩，用于模拟钢管桩原型；

- 配置土，用于模拟荷载层和持力层的土体；

- 传感器，用于监测土体的应力应变和模型桩的内力分布；

配置土填充于模型箱，用于模拟土体。模型桩一端插入模型箱内的配置土，另一端露出模型箱。传感器布置于配置土表面或模型桩表面或埋设于配置土中，用于监测土体的应力应变和模型桩的内力分布。

模型箱为长方体形，内部尺寸为：100cm×50cm×90cm，底部1为钢板，长轴侧壁2为钢化玻璃，短轴侧壁亚克力板，模型箱框架4、长轴横梁5和短轴横梁6中部均用角钢加固，保证模型箱绝对刚性，满足模型试验边界条件要求。

由于试验上部填土为高含水量淤泥质软土，需将模型箱进行防锈、密闭处理。长轴侧壁2和短轴侧壁3交汇处经过除尘采用丁腈型液态密封胶7、玻璃胶8、自粘型改性沥青船用封舱胶带9逐层进行密闭，框架4内侧角钢进行刷漆防锈。在实验前注水检查模型箱的密闭性。

所述模型桩10为PVC管。通过简支梁法测定其弹性模量为3.8GPa。根据模型试验整体尺寸确定模型桩尺寸：管径50mm，壁厚3mm，长1.0m。模型桩入土70cm，土表以上30cm。

配置土分为两层，上层模拟荷载层11的淤泥质土，厚度60cm。下层模拟持力层12的砂质黏土，厚度20cm。

荷载层11为现场的淤泥质软土晒干后与水搅拌重塑形成，重塑土的不排水抗剪强度为10kPa，呈流塑状，具有高压缩性，含水量在60%，密度在1610kg/m3，土粒比重为2.70。持力层12为经过晒干和粉碎的粘土，按照粘土和河砂3:1的比例加水混合而成后，分层填筑、压实，夯实方式为重锤自由下落方式进行夯实。

传感器包括应变片13、微型孔隙水压力计14、激光位移计15和拉压力传感器16。应变片13为箔式胶基应变片，尺寸为2mm×3mm，在模型桩10两侧对称等间距设置七对应变片13。微型孔隙水压力计14共计四个，布设剖面距离模型桩10表面2cm（0.4倍桩径），埋设深度分别为40cm（8倍桩径）、20cm（4倍桩径）、10cm（2倍桩径）和5cm（1倍桩径）。激光位移计15共设置三个，一个布置在模型桩10靠近荷载层11表面，另外两个分别设置在荷载层11两侧表面距离模型桩10一倍桩径处。拉压力传感器15设置在加载方向17与模型桩10表面交汇处。

一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其试验步骤包括：

1、在模型箱内分层填筑、夯实持力层12，填筑过程中将模型桩10埋置于模型箱正中位置，并在模型桩10的顶部采用钢套环对其进行固定，以免在填筑土层的过程中对模型桩10的位置产生影响。

2、将取自现场淤泥质土晾晒后，使其含水率为10%，放入水池加水浸泡15天，待其完全饱和软化后将其搅拌成均匀流塑状。将搅拌好的软土以分层倒入模型箱形成荷载层11，层与层之间进行刮毛处理。在填筑荷载层的同时在模型长轴侧壁2和短轴侧壁3内垫无纺土工布18构成排水通道。

3、在荷载层表明满铺一层红砖进行预压处理，预压时间为12h。

4、土层填筑完成后始终保持1cm水深，静置24小时后进行加载。

5、加载过程中，通过对应变片13数据的处理可以得到桩身弯矩分布、桩身剪力分布、桩身变形情况、桩身所受土抗力分布情况；利用微型孔隙水压力14计获得循环荷载下不同深度处桩周土体的孔压发展情况；通过激光位移计15获得循环荷载下桩和桩周土体的变形发展情况；利用拉压力传感器16获得输出荷载的实时变化情况。

6、利用加载时的监测数据，分析单桩的桩基承载力、桩周土抗力和桩身位移和p-y曲线特征。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述模型系统包括模型箱、模型桩、配置土和传感器；所述模型箱用于充填淤泥质土；所述配置土填充于所述模型箱，用于模拟土体；所述模型桩一端插入所述模型箱内的配置土，另一端露出所述模型箱；所述传感器布置于所述配置土表面或所述模型桩表面或埋设于所述配置土中，用于监测土体的应力应变和模型桩的内力分布。

2.根据权利要求1所述的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述配置土包括荷载层和持力层。

3.根据权利要求1或2所述的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述模型箱为长方体形，底部为钢板，长轴侧壁为钢化玻璃，短轴侧壁为亚克力板，所述模型箱的框架、长轴横梁和短轴横梁中部均用角钢加固。

4.根据权利要求3所述的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述长轴侧壁和短轴侧壁交汇处经过除尘采用丁腈型液态密封胶、玻璃胶、自粘型改性沥青船用封舱胶带逐层进行密闭，内侧角钢进行刷漆防锈。

5.根据权利要求2所述的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述配置土分为两层，上层模拟荷载层的淤泥质土，下层模拟持力层的砂质黏土。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述传感器包括应变片、微型孔隙水压力计、激光位移计和拉压力传感器。

7.根据权利要求6所述的一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统，其特征在于，所述应变片为箔式胶基应变片，在模型桩两侧对称等间距设置；所述微型孔隙水压力计共计四个，布设剖面距离模型桩0.4倍桩径，埋设深度分别为8倍、4倍、2倍和1倍桩径；所述激光位移计共设置三个，一个布置在模型桩靠近荷载层处，另外两个分别设置在荷载层两侧表面距离模型桩一倍桩径处；所述拉压力传感器设置在加载点处。

8.一种淤泥质土层中单桩基础的模型系统试验方法，其特征在于，包括：

构建模型箱；所述模型箱包括框架、底板、长轴侧壁和短轴侧壁；所述底部为钢板，长轴侧壁为钢化玻璃，短轴侧壁为亚克力板；采用角钢对所述模型箱的框架、长轴侧壁和短轴侧壁中部进行加固；

填筑持力层；在所述模型箱内分层填筑、夯实持力层，填筑过程中将模型桩埋置于模型箱正中位置，并在模型桩的顶部采用钢套环对其进行固定，以免在填筑土层的过程中对模型桩的位置产生影响；在模型桩两侧对称等间距设置七对应变片，在加载点处设置拉压力传感器；

填筑荷载层；将取自现场淤泥质土晾晒后，使其含水率为10%，放入水池加水浸泡15天，待其完全饱和软化后将其搅拌成均匀流塑状；将搅拌好的软土分层倒入模型箱形成荷载层，层与层之间进行刮毛处理；在填筑荷载层的同时在模型箱内壁垫无纺土工布构成排水通道；在荷载层埋设四个微型孔隙水压力计，布设剖面距离模型桩表面0.4倍桩径，埋设深度分别为8倍桩径、4倍桩径、2倍桩径和1倍桩径；布置三个激光位移计，一个布置在模型桩靠近荷载层表面，另外两个分别设置在荷载层两侧表面距离模型桩一倍桩径处；

加载前预处理；在荷载层表明满铺一层红砖进行预压处理，预压时间为12h；土层填筑完成后始终保持1cm水深，静置24小时后进行加载；

加载及数据分析；加载过程中，通过对应变数据的处理可以得到桩身弯矩分布、桩身剪力分布、桩身变形情况、桩身所受土抗力分布情况；利用微型孔隙水压力计获得循环荷载下不同深度处桩周土体的孔压发展情况；通过激光位移计获得循环荷载下桩和桩周土体的变形发展情况；利用拉压力传感器获得输出荷载的实时变化情况；利用加载时的监测数据，分析单桩的桩基承载力、桩周土抗力和桩身位移和p-y曲线特征。