CN110331742A - 一种测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置和试验方法。所述试验装置包括模型箱、反力梁、加载电机、泡沫垫板和模型桩套筒；模型箱内部依次填有桩端砂土层和桩周砂土层，桩周砂土层内还设有抗压模型桩、抗拔模型桩和土压力传感器，抗压模型桩下方设有一块圆形泡沫垫板；模型桩处埋设有模型桩套筒；所述的模型桩位于模型桩套筒中心处，模型桩套筒与模型桩之间的空间内浇筑有水泥土，同时将模型桩套筒慢慢从砂土层中拔出；水泥土养护到设计龄期后通过加载电机进行加载。本发明装置结构合理，操作简单，可用于研究静钻根植桩受竖向下压和上拔荷载下的桩土接触面摩擦特性，为静钻根植桩桩侧摩擦承载性能的研究提供了一种有效手段。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域中桩基的桩土接触面摩擦特性研究的试验装置，特别是涉及一种测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性研究的试验装置和试验方法，可用于研究砂土相对密度不同，水泥土强度不同以及抗压和抗拔情况下静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性。
背景技术
桩基础被广泛应用于高层建筑、高速铁路、高速公路以及复杂地下基础设施等工程中。但我国东南沿海地区存在深厚软粘土层，土体工程性质较差，限制了桩基承载性能的发挥。静钻根植桩是一种由预应力管桩和桩周水泥土所组成的新型组合桩基础，静钻根植桩在我国东南沿海地区已经有了一些成功应用，其承载性能相比传统钻孔灌注桩有了显著提高。静钻根植桩桩身由预应力桩-水泥土接触面和水泥土-桩周土体接触面组成，静钻根植桩施工过程中会有一部分水泥土(水泥浆)渗入到桩周土体中，从而增加水泥土-桩周土体接触面的摩擦特性。因此，静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性与传统预应力桩和钻孔灌注桩的桩土接触面性质都不同，需要对此展开研究。需要结合模型试验对静钻根植桩的桩土接触面摩擦性能进行研究，为实际工程中静钻根植桩的设计提供理论依据。
目前对桩土接触面的研究主要基于现场试验和室内剪切试验(直剪试验、环剪试验)。现场试验中根据实测的不同深度处的桩身轴力进行换算得到不同土层的平均桩侧摩阻力，由于实测桩周土体的位移十分困难，一般采用桩身位移近似作为桩土相对位移。室内剪切试验主要为桩土接触面直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以测得准确的桩土相对位移，同时能够测得接触面法向位移，然而直剪试验和环剪试验中桩土接触面为平面，与实际圆形桩土接触面不同。
上述桩土接触面的现场试验和室内剪切试验主要是基于传统预应力管桩和钻孔灌注桩，对于静钻根植桩桩土接触面摩擦性能的研究很少，也没有模拟静钻根植桩施工过程中水泥土(水泥浆)渗入到桩周土体过程。因此，对静钻根植桩桩土接触面摩擦特性进行研究具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的主要是对静钻根植桩桩土接触面摩擦性能展开研究，提供了一种可用于模拟不同砂土相对密度，不同水泥土强度以及不同加载方向(抗压、抗拔)条件下静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性，该装置可保证桩土接触面形式和实际工程中静钻根植桩的桩土接触面形式相同。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，包括模型箱、反力梁、抗压桩加载电机、抗拔桩加载电机、泡沫垫板和模型桩套筒，
所述模型箱由钢板焊接而成，模型箱侧面焊接工字钢以增加模型箱刚度，模型箱底部焊接钢支座；所述模型箱内部依次填筑有桩端砂土层和桩周砂土层；所述桩端砂土层上端放置有一块泡沫垫板；所述桩周砂土层内部设置有若干竖直的刚性管，刚性管上固定有若干土压力传感器以测量侧向土压力；所述桩周砂土层内部还埋设有两个模型桩套筒，其中一个模型桩套筒位于圆形泡沫垫板上，所述的模型桩套筒为内部中空的圆柱体；所述的模型桩套筒中心处分别设置有抗压模型桩和抗拔模型桩，下方有泡沫垫板的模型桩套筒中设有抗压模型桩；所述的抗压模型桩以及抗拔模型桩和模型桩套筒之间的空间均浇筑有水泥土；
所述的抗压模型桩和抗拔模型桩上方分别设有抗压桩加载电机和抗拔桩加载电机，所述的抗压桩加载电机和抗拔桩加载电机分别固定于反力梁的下方和上方，所述的反力梁焊接于模型箱上；
所述的抗拔桩加载电机外部设置有钢支架；所述的钢支架由方形的钢块和2块钢板焊接而成，所述的钢块与抗拔桩加载电机的顶部固定连接，所述的钢板穿过反力梁上开设的矩形孔，所述的矩形孔与钢板的截面形状相同，且所述的钢板上开有2个圆孔；所述的钢支架下方设置有钢套箍，所述钢套箍为中空的圆柱体，该中空圆柱体由2个半圆形钢模具经螺栓连接得到，且半圆形钢模具4-2-1内部设有一层橡胶层；所述的钢套箍上对称地焊接有两个圆形钢管，圆形钢管直径与钢支架上的圆孔直径相同，所述的圆形钢管穿过该圆孔。
上述技术方案中，进一步的，所述的模型箱侧壁与抗压模型桩以及抗拔模型桩之间的距离不小于10倍模型桩直径。
进一步的，所述的抗压模型桩和抗拔模型桩之间的距离不小于10倍模型桩直径。
进一步的，所述的模型桩套筒的直径大于抗压模型桩和抗拔模型桩的直径，且所述的抗压模型桩的直径和抗拔模型桩的直径相同。
进一步的，所述的水泥土呈液态，为搅拌均匀的水泥土，且其含水率超过土体液限含水量。
进一步的，抗压桩加载电机的极限加载值为200kN，行程为100mm，抗拔桩加载电机的极限加载值为200kN，行程为200mm。
进一步的，本发明装置可同时进行抗压模型桩和抗拔模型桩的静载试验，对下压和上拔荷载下静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性进行对比分析与研究。
本发明还提供一种测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
在模型箱内填筑砂土，当桩端砂土层填筑完成后在抗压模型桩桩端位置处放置一块泡沫垫板，桩周砂土层填筑过程中将模型桩套筒预埋在模型桩设定位置，并在泡沫垫板上方放置一个模型桩套筒；将抗压模型桩和抗拔模型桩放入所述的模型桩套筒中心处，并在下方有泡沫垫板的模型桩套筒中放入抗压模型桩；在桩周砂土层中埋设若干竖直的刚性管，将若干土压力传感器固定在刚性管上以测量侧向土压力；桩周砂土层填筑完成后将搅拌均匀的水泥土分别浇筑至模型桩套筒与抗压模型桩和抗拔模型桩之间的剩余空间内，同时慢慢地将模型桩套筒从砂土层中取出，使水泥土分别充满抗压模型桩和模型桩套筒以及抗拔模型桩和模型桩套筒之间的空间；待水泥土浇筑完成后，将钢套箍套在所述的抗拔模型桩上；水泥土养护28-90天后，分别通过抗压桩加载电机和抗拔桩加载电机对抗压模型桩和抗拔模型桩进行加载。
本发明中，泡沫垫板的作用是消除试验过程的桩端承载力，泡沫垫板仅能承受模型桩和水泥土自重。抗压模型桩和抗拔模型桩周围不同深度处设有若干测量侧向土压力的土压力传感器。钢套箍与抗拔模型桩之间的极限摩擦力由抗拔试验测得，两者之间的极限摩擦力远高于抗拔模型桩的极限抗拔力，可以保证在上拔过程中钢套箍不会与模型桩脱离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中在砂土填筑过程中，桩端砂土层填筑完成后，需要在抗压模型桩桩端以下放置一块设定密度的圆形泡沫垫板，圆形泡沫垫板仅能承受模型桩和水泥土自重，使抗压模型桩在加载过程中不存在桩端阻力。
2、本发明中在砂土填筑过程中，在桩周砂土层填筑过程中，将模型桩套筒预埋在模型桩设定位置处，桩周砂土层填筑完成后，将搅拌均匀的水泥土倒入模型桩套筒和抗压模型桩与抗拔模型桩的空间内，同时将模型桩套筒从砂土层中取出，使模型桩的桩土接触面形式与实际工程中静钻根植桩桩土接触面形式相同。
3、本发明中抗压模型桩和抗拔模型桩位于同一模型箱中，可以认为抗压模型桩和抗拔模型桩周围砂土层的性质完全一致，可同时进行抗压模型桩和抗拔模型桩的静载试验，对下压和上拔荷载下静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性进行对比分析与研究。
4、本发明中分别采用抗压桩加载电机和抗拔桩加载电机进行抗压模型桩和抗拔模型桩的加载，可满足不同砂土相对密度，不同水泥土强度以及不同加载方向(抗压、抗拔)条件下静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性研究的试验要求。
附图说明
图1为砂土填筑完成后模型箱示意图；
图2为模型桩施工完成后模型箱示意图；
图3为圆形钢套箍平视图；
图4为钢套箍俯视图；
图5为钢支架示意图；
图6为泡沫垫板示意图；
图7为模型桩套筒平视图；
图8为模型桩套筒俯视图；
图中：模型箱1、工字钢1-1、钢支座1-2、桩端砂土层1-3、桩周砂土层1-4、土压力传感器1-5、刚性管1-6、抗压模型桩1-7、抗拔模型桩1-8、水泥土1-9、反力梁2、抗压桩加载电机3、抗拔桩加载电机4、钢支架4-1、钢块4-1-1、钢板4-1-2、圆孔4-1-3、钢套箍4-2、半圆形钢模具4-2-1、圆形钢管4-2-2、橡胶层4-2-3、泡沫垫板5、模型桩套筒6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，本发明为可模拟不同砂土相对密度，不同水泥土强度以及不同加载方向(抗压、抗拔)条件下静钻根植桩的桩土接触面摩擦特性的试验装置，包括方形模型箱1、反力梁2、抗压桩加载电机3、抗拔桩加载电机4、泡沫垫板5和模型桩套筒6共六个部分。
所述方形模型箱1由钢板焊接而成，模型箱侧面顶部、底部以及中间位置分别焊接一道工字钢1-1以增加模型箱刚度，模型箱1边长和高度均为3m；所述反力梁2焊接于模型箱1上；所述抗压桩加载电机3和抗拔桩加载电机4分别固定于反力梁2下方和上方；所述抗拔桩加载电机4需通过钢支架4-1和钢套箍4-2进行加载；所示钢支架4-1由钢块4-1-1和2块钢板4-1-2焊接而成，且钢板4-1-2上开有2个圆孔4-1-3；所述钢块4-1-1边长为200mm，高100mm；所述钢板4-1-2长1000mm，宽200mm，厚10mm；所述圆孔4-1-3直径为20mm；所述钢套箍4-2由2个半圆形钢模具4-2-1组成，半圆形钢模具4-2-1上焊接圆形钢管4-2-2，且半圆形钢模具4-2-1内部有一层橡胶层4-2-3；所述2个半圆形钢模具4-2-1由螺栓4-2-4进行连接；所述钢套箍4-2内径为100mm；所述橡胶层4-2-3厚度为5mm；所述圆形钢管4-2-2直径为20mm；所述模型箱1内部分别填筑一定密实度的桩端砂土层1-3和桩周砂土层1-4，所述桩端砂土层1-3和桩周砂土层1-4根据设计密实度要求采用不同方法进行填筑；所述砂土层填筑方法为砂雨法(设计密实度较小时)和分层夯实法(设计密实度较大时)；所述桩端砂土层厚度为1m，所述桩周砂土层厚度为2m；所述桩端砂土层1-3填筑完成后在抗压模型桩桩端位置处放置一块圆形泡沫垫板5；所述圆形泡沫垫板5直径为120mm，厚度为60mm；所述桩周砂土层1-4填筑过程中在模型桩位置处埋设模型桩套筒6；所述模型桩套筒6在反力梁2方向上与模型箱边缘的距离都为1000mm，且两模型桩套筒6之间的距离也为1000mm，在与反力梁2垂直方向上，两模型桩套筒6与模型箱边缘的距离都为1500mm；所述模型桩套筒6为空心钢管，外径为100mm，长度为2200mm；所述桩周砂土层1-4填筑过程中在内部埋设土压力传感器1-5以测量侧向土压力，土压力传感器固定在竖直刚性管1-6上；所述土压力传感器1-5布置在桩周砂土层上表面以下0.5m，1.0m，1.5m和2.0m处；所述刚性管1-6直径为10mm；所述模型桩套筒6内部放入抗压模型桩1-7和抗拔模型桩1-8；所述抗压模型桩1-7和抗拔模型桩1-8的直径均为60mm，长度为2000mm；所述模型桩套筒6和抗压模型桩1-7以及抗拔模型桩1-8之间的空间分别倒入搅拌均匀的水泥土1-9。
本发明装置的试验方法如下：首先需要在模型箱1内填筑一定密实度的桩端砂土层1-3和桩周砂土层1-4，当设计要求砂土层密实度较小时，采用砂雨法制备砂土层，通过控制落砂装置底部与试验土体表面的落距得到设计要求的土体密实度，当设计要求砂土层密实度较大时，采用分层夯实法填筑砂土层，通过控制砂土干密度和体积的方法得到设计要求的土体密实度；桩端砂土层1-3填筑完成后在抗压模型桩桩端位置处放置一块圆形泡沫垫板5；桩周砂土层1-4填筑过程中在内部埋设土压力传感器1-5以测量侧向土压力，土压力传感器固定在竖直刚性管1-6上，桩周砂土层1-4填筑过程中在模型桩位置处埋设模型桩套筒6，并在泡沫垫板5上方放置一个模型桩套筒6；桩周砂土层填筑完成后将分别将抗压模型桩1-7和抗拔模型桩1-8放入到模型桩套筒6中，且模型桩处于模型桩套筒中心处，在下方有泡沫垫板5的模型桩套筒6中放入抗压模型桩1-7；桩周砂土层1-4填筑完成后将搅拌均匀的水泥土1-9分别倒入到抗压模型桩1-7以及抗拔模型桩1-8和模型桩套筒6的空间中，同时慢慢地将模型桩套筒6从砂土层中拔出，使水泥土分别充满抗压模型桩1-7和模型桩套筒6以及抗拔模型桩1-8和模型桩套筒6之间的空间；待水泥土浇筑完成后，将钢套箍4-2套在所述的抗拔模型桩1-8上，水泥土试样养护28天后分别通过抗压桩加载电机3和抗拔桩加载电机4对抗压模型桩1-7和抗拔模型桩1-8进行加载，抗压桩加载电机3和抗拔桩加载电机4所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中桩土接触面附近的侧向土压力以及竖向下压和上拔荷载作用下静钻根植桩的桩侧摩阻力和桩土相对位移关系都可以在试验中测得。
Claims (8)
1.一种测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于：包括方形模型箱(1)、反力梁(2)、抗压桩加载电机(3)、抗拔桩加载电机(4)、泡沫垫板(5)和模型桩套筒(6)，
所述模型箱(1)由钢板焊接而成，模型箱侧面焊接工字钢(1-1)以增加模型箱刚度，模型箱底部焊接钢支座(1-2)；所述模型箱(1)内部依次填筑有桩端砂土层(1-3)和桩周砂土层(1-4)；所述桩端砂土层(1-3)上端放置有一块泡沫垫板(5)；所述桩周砂土层(1-4)内部设置有若干竖直的刚性管(1-6)，刚性管(1-6)上固定有若干土压力传感器(1-5)以测量侧向土压力；所述桩周砂土层(1-4)内部还埋设有两个模型桩套筒(6)，其中一个模型桩套筒(6)位于圆形泡沫垫板(5)上，所述的模型桩套筒(6)为内部中空的圆柱体；所述的模型桩套筒(6)中心处分别设置有抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)，下方有泡沫垫板(5)的模型桩套筒(6)中设有抗压模型桩(1-7)；所述的抗压模型桩(1-7)以及抗拔模型桩(1-8)和模型桩套筒(6)之间的空间均浇筑有水泥土(1-9)；
所述的抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)上方分别设有抗压桩加载电机(3)和抗拔桩加载电机(4)，所述的抗压桩加载电机(3)和抗拔桩加载电机(4)分别固定于反力梁(2)的下方和上方，所述的反力梁(2)焊接于模型箱(1)上；
所述的抗拔桩加载电机(4)外部设置有钢支架(4-1)；所述的钢支架(4-1)由方形的钢块(4-1-1)和2块钢板(4-1-2)焊接而成，所述的钢块(4-1-1)与抗拔桩加载电机(4)的顶部固定连接，所述的钢板(4-1-2)穿过反力梁(2)上开设的矩形孔，所述的矩形孔与钢板的截面形状相同，且所述的钢板(4-1-2)上开有2个圆孔(4-1-3)；所述的钢支架(4-1)下方设置有钢套箍(4-2)，所述钢套箍(4-2)为中空的圆柱体，该中空圆柱体由2个半圆形钢模具(4-2-1)经螺栓(4-2-4)连接得到，且半圆形钢模具(4-2-1)内部设有一层橡胶层(4-2-3)；所述的钢套箍(4-2)上对称地焊接有两个圆形钢管(4-2-2)，圆形钢管(4-2-2)直径与钢支架(4-1)上的圆孔(4-1-3)直径相同，所述的圆形钢管(4-2-2)穿过该圆孔(4-1-3)。
2.根据权利要求1所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于，所述的模型箱(1)侧壁与抗压模型桩(1-7)以及抗拔模型桩(1-8)之间的距离不小于10倍模型桩直径。
3.根据权利要求1所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于，所述的抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)之间的距离不小于10倍模型桩直径。
4.根据权利要求1所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于，所述的模型桩套筒(6)的直径大于抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)的直径，且所述的抗压模型桩(1-7)的直径和抗拔模型桩(1-8)的直径相同。
5.根据权利要求1所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于，所述的水泥土(1-9)呈液态，为搅拌均匀的水泥土，且其含水率超过土体液限含水量。
6.根据权利要求1所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于，抗压桩加载电机(3)的极限加载值为200kN，行程为100mm，抗拔桩加载电机(4)的极限加载值为200kN，行程为200mm。
7.根据权利要求1所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置，其特征在于，可同时进行抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)的静载试验。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的测试静钻根植桩桩土接触面摩擦特性的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
在模型箱(1)内填筑砂土，当桩端砂土层(1-3)填筑完成后在抗压模型桩桩端位置处放置一块泡沫垫板(5)，桩周砂土层(1-4)填筑过程中将模型桩套筒(6)预埋在模型桩设定位置，并在泡沫垫板(5)上方放置一个模型桩套筒(6)；将抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)放入所述的模型桩套筒(6)中心处，并在下方有泡沫垫板(5)的模型桩套筒(6)中放入抗压模型桩(1-7)；在桩周砂土层(1-4)中埋设若干竖直的刚性管(1-6)，将若干土压力传感器(1-5)固定在刚性管(1-6)上以测量侧向土压力；桩周砂土层(1-4)填筑完成后将搅拌均匀的水泥土(1-9)分别浇筑至模型桩套筒(6)与抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)之间的剩余空间内，同时将模型桩套筒(6)从砂土层中取出；待水泥土浇筑完成后，将钢套箍(4-2)套在所述的抗拔模型桩(1-8)上；水泥土养护28天后，分别通过抗压桩加载电机(3)和抗拔桩加载电机(4)对抗压模型桩(1-7)和抗拔模型桩(1-8)进行加载。
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