CN110453733A - 一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置及试验方法，测试装置包括模型箱、双作用中空液压荷载箱、模型桩与液压加载系统数据采集系统，模型箱用于固定整个测试装置并模拟工程中岩土层结构的边界条件，双作用中空液压荷载箱能够实现上下方向的加载和卸载，模型桩通过螺纹与双作用中空液压荷载箱连接，液压加载系统用于提供试验所需的加载力，数据采集系统用于采集液压加载系统向模型桩与双作用中空液压荷载箱施加载荷过程中的试验数据。本发明能够实现多次重复的测试试验，从而得到自平衡法试桩条件下桩基平衡点位置及承载力计算参数的确定方法，对工程实践具有重要指导意义。

Description

一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置及试验方法

技术领域

本发明属于桩基基础承载力测试技术领域，具体涉及一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置及试验方法。

背景技术

静载试验是确定桩基承载力最可靠的方法。传统的桩基静荷载试验方法有两种，一是堆载法，二是锚桩法。这两种方法由于试桩所需反力较大，均存在施工时间长、操作难度大、试验费用高、在试验过程中安全风险较大等缺点。此外，工程中桩基静载试验多数情况下并不做到桩基破坏，而是以验证性试验为主，故桩基无法发挥桩侧摩擦阻力和桩端持力层的极限承载力，从而不利于有效的桩基设计参数积累。

桩的竖向承载力自平衡测试法可以利用桩基内部反力，即将载荷箱预先埋设于桩体内部，利用上段桩侧壁摩阻力及自重与下段桩侧壁摩阻力及端承力相平衡而加载，并根据测试结果换算桩基承载的方法。因此，相对于传统静载荷试验，桩基自平衡测试法具有省时、省力、省钱、安全的优点，故在工程中应用范围越来越广。

但与传统单桩静载荷试验相比，自平衡测试法的一个最大问题是上段桩的侧摩阻力方向是向下的，即负摩擦力，这与实际工程中桩侧摩阻力的方向相反。因此，自平衡测试法中正、负摩阻力的转换问题是一个关键问题。工程中可对同一场地两组相同设计参数的桩基分别进行静载试验和自平衡试验，并测试两组桩基的轴力分布，换算不同测试方法下桩基侧壁摩阻力分布和承载力计算参数，以此积累自平衡试验桩基承载力计算参数，但该方法成本高、试验周期较长，可重复性较差。因此，目前可用于自平衡试验桩基承载力计算模型和参数确定的试桩数据还很有限。

模型试验克服了现场试验的不足，试验成本较低、可重复性较好，能够进行不同地质条件和桩基设计参数下自平衡试桩试验，并与相同条件下静载荷试验结果进行对比，从而形成桩基自平衡试验承载力计算参数。然而，目前尚没有基于自平衡法的桩基承载力模型试验装置。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中尚无基于自平衡法的桩基承载力模型试验装置，无法进行桩基自平衡承载力室内模型试验研究的不足。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，所述测试装置包括：

模型箱，所述模型箱的下部内填充有下部模型岩土层，所述下部模型岩土层的中部开设有开口向上的安装槽，所述模型岩层上方的模型箱内填充有上部模型岩土层；

双作用中空液压荷载箱，所述双作用中空液压荷载箱的轴线位置处为荷载箱中空部分，所述双作用中空液压荷载箱位于所述上部模型岩土层内；

模型桩，所述模型桩为中空结构，所述模型桩包括上段桩和下段桩，下段桩的下端安装在所述安装槽内，且下段桩的底部设置有封底的桩端土压计，下段桩的上端与双作用中空液压荷载箱的下部相连接，所述双作用中空液压荷载箱的上部与上段桩的下端相连接；

液压加载系统，所述液压加载系统安装在模型桩与双作用中空液压荷载箱上，用于向模型桩与双作用中空液压荷载箱施加载荷；

数据采集系统，所述数据采集系统安装在模型桩与双作用中空液压荷载箱上，用于采集液压加载系统向模型桩与双作用中空液压荷载箱施加载荷过程中的试验数据。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述双作用中空液压荷载箱包括外径相同的荷载箱上部与荷载箱下部，所述荷载箱的上部的底部设置有荷载箱上部凹槽，所述荷载箱下部的顶部设置有与荷载箱上部凹槽相匹配的荷载箱下部凸起，荷载箱上部与荷载箱下部通过荷载箱上部凹槽与荷载箱下部凸起相互配合连接成双作用中空液压荷载箱，所述荷载箱下端的底部设置用于封堵的底部封头，荷载箱下部凸起抵顶在在底部封头上。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述液压加载系统包括：

液压油泵，所述液压油泵与双作用中空液压荷载箱连通，用于提供加载的液压油；

供油管，所述供油管的一端与液压油泵连通，供油管的另一端与双作用中空液压荷载箱的上部连通；

液压缸体，所述双作用液压荷载箱的箱体相当于为液压缸体，双作用液压荷载箱的箱壁相当于为液压缸体的缸壁，液压缸体的缸壁为中空的结构，荷载箱上部凹槽上方的中空结构缸壁内的腔体为油腔，所述液压缸体的上部开设有输油口，所述供油管的末端通过输油口插入油腔内。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述数据采集系统包括：

应变片，所述应变片包括上段桩应变片与下段桩应变片，沿所述上段桩的长度方向的内侧壁上全长均匀多点粘贴有多片上段桩应变片，沿所述下段桩的长度方向的内侧壁上全长均匀多点粘贴有多片下段桩应变片；

数据传导线，所述数据传导线包括桩端土压计线、应变片线，所述应变片线包括上段桩应变片线与下段桩应变片线，上段桩应变片线与下段桩应变片线的信息输入端分别通过荷载箱中空部分连通在上段桩应变片与下段桩应变片上，所述桩端土压计线的信息输入端通过荷载箱中空部分连通在所述桩端土压计上；

模型桩位移数据采集机构，所述模型桩位移数据采集机构包括位移测试基梁、位移传感器、位移杆、位移传感器线，所述位移测试基梁位于模型箱的上方，位移测试基梁上连接两根竖直向下的上位移杆和下位移杆，两根位移杆的上部均设置有一个位移传感器，上位移杆的下端连接在荷载箱上部上，下位移杆的下端连接在下位移杆用外伸钢片上，下位移杆用外伸钢片横向设置，下位移杆用外伸钢片一端连接在荷载箱下部的底部侧壁上，另一端位于荷载箱中空部分，两根所述位移位移传感器线的信息输入端分别连接在两个位移传感器上。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述荷载箱上部与荷载箱下部的连接处的外侧壁上设置有竖直向上的挡土钢片，用于阻挡桩侧土进入双作用液压荷载箱内。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述上段桩和下段桩与双作用中空荷载箱之间通过螺纹进行连接，所述双作用中空液压荷载箱的上部与下部均预留有中空圆柱，所述上段桩的下部与下段桩的上部均预留有与中空圆柱相匹配的圆柱形的桩端连接部，所述中空圆柱的外侧壁与桩端连接部的内侧壁上预留有相互配合的螺纹，中空圆柱通过螺纹连接套设在桩端连接部上。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述上段桩、下段桩与双作用中空液压荷载箱的外径相同。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述液压油泵上还设置有液压油泵压力表，液压油泵压力表用于读取加载油压值。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，优选地，所述数据采集系统还包括数据采集仪，所述数据采集仪位于模型箱的外部，所述桩端土压计线、应变片线、位移传感器线的信息输出端均连通在数据采集仪上，所述数据采集仪连通有计算机。

如上所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置的试验方法，优选地，所述试验方法包括如下步骤：

步骤S1，测试装置的组装，先在模型箱的下部内设置下部模型岩土层，再在下部模型岩土层的中部开设安装槽；然后通过螺纹将上段桩、下段桩与双作用中空液压荷载箱相连，使得荷载箱与模型桩组成一个整体；再将数据采集系统与液压加载系统连通在模型桩以及双作用中空液压荷载箱上，最后将模型下段桩垂直插入下部模型岩土层的安装槽内，在模型箱内填充上部模型岩土层并压实，测试装置组装完成；

步骤S2，加载，供油管供油，此时液压油在液压油泵的驱动下流入油腔，荷载箱下部由于液压油向下的加载力相对荷载箱上部向下移动，荷载箱上部由于液压油向上的加载力相对荷载箱下部下部向上移动，进而带动上位移杆向上移动，下位移杆向下移动，同时荷载箱下部向下段桩施加加载力，荷载箱上部向上段桩施加加载力，使得上段桩与下段桩产生一个上下分离开的趋势，完成测试装置的加载过程；

步骤S3，卸载，供油管回油，此时在上段桩自重和液压油泵的反向驱动下，液压油流出油腔，荷载箱上部由于液压油回油相对荷载箱下部向下移动，同时荷载箱下部因液压油回油也向上移动，进而带动上位移杆向下移动，下位移杆向上移动，使得上段桩与下段桩产生一个上下合并的趋势，双作用中空液压荷载箱移动到未进行步骤S2时的位置，待复位到未加载时供油管停止回油，完成测试装置的卸载过程；

步骤S4，测试数据的采集与处理，在步骤S2与步骤S3的加载与卸载过程中，上位移杆、下位移杆与模型桩在液压系统的加载和卸载作用下，上位移杆、下位移杆与铝模型桩发生移动，数据收集系统将采集到的数据传输到计算机中，最终得到桩体详细试验数据。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明仅采用螺纹将模型桩与双作用荷载箱相连形成整体，实现了双作用中空液压荷载箱与模型装的一体化，安装简便，测试方便，双作用中空液压荷载箱和模型桩可随意拆卸更换，维修方便，制作工艺简单。双作用中空液压荷载箱实现了荷载箱的上下双向移动，故本测试装置可进行多次重复使用。此外，本测试装置还可以将荷载箱设置在桩体任意位置并进行多次试验，并在试验过程中量测模型桩身应力应变分布，分析自平衡法试桩过程桩身轴力和桩侧摩阻力发展和分布规律，从而得出桩基承载力自平衡试验转换方法和参数，提出自平衡试桩平衡点位置(荷载箱埋设位置)确定方法，以指导工程实践。

附图说明

图1为本发明实施例的测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的双作用中空液压荷载箱的结构示意图；

图3为本发明实施例的液压油泵对双作用中空液压荷载箱进行供油加载时的测试状态图；

图4为本发明实施例的液压油泵对双作用中空液压荷载箱进行回油卸载时的测试状态图；

图5为图1中A处的线路示意图；

图6为本发明实施例的上段桩的正视图；

图7为本发明实施例的上段桩的俯视图；

图8为本发明实施例的上段桩的桩端连接部的位置示意图；

图9为本发明实施例的双作用中空液压荷载箱的中空圆柱的位置示意图

图10为本发明实施例的上段桩和下段桩与双作用中空液压荷载箱的连接方式示意图；

图11为本发明实施例的上段桩和下段桩与双作用中空液压荷载箱形成一个整体的示意图；

图12为本发明实施例的荷载箱上部与荷载箱下部的位置关系示意图。

图中：1、桩端土压计；2、下段桩；3、下段桩应变片；401、中空圆柱；402、桩端连接部；5、双作用中空液压荷载箱；501、荷载箱上部；502、荷载箱下部；6、下段桩应变片线；7、上段桩；8、上段桩应变片；9、上位移杆；10、下位移杆；11、上段桩应变片线；12、供油管；14、位移传感器；15、位移测试基梁；16、上部模型岩土层；17、液压油泵；18、数据采集仪；19、计算机；20、模型箱；21、下位移杆用外伸钢片；22、液压缸体；23、油腔；26、密封圈；27、液压油泵压力表；28、桩端土压计线；29、挡土钢片；30、下部模型岩土层；31、位移传感器线；32、荷载箱上部凹槽；33、荷载箱下部凸起；34、荷载箱中空部分；35、底部封头。

具体实施方式

下面将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的一部分实施例，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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1～12所示，本发明提供了一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，测试装置包括：

模型箱20，模型箱20的下部内填充有下部模型岩土层30，下部模型岩土层30的中部开设有开口向上的安装槽，安装槽设置在下部模型岩土层30的中部，模型桩的中空部分的中轴线正对安装槽的中轴线，下部模型岩土层30上方的模型箱20内填充有上部模型岩土层16。本发明的模型岩土层可以为模型土层也可以为模型岩层，模型岩层可以按相似比采用水泥砂浆或石膏制作，模型土层按照试验模型率和相似比确定其含水率、孔隙比、重度等参数。当利用本测试装置进行正式测试时，可以在模型箱20底部钻设螺纹孔，然后在工作台上的对应位置处匹配钻设对应的螺纹孔，然后用螺栓穿过模型箱20底部与工作台的螺纹孔，最后拧紧螺栓即可将本测试装置固定在工作台上，当需要移动到其它地方的工作台上按照同样的方法即可将本测试装置进行固定，因此本测试装置的固定方式也较为简便快速易于操作。

如图1所示，双作用中空液压荷载箱5，双作用中空液压荷载箱5包括外径相同的荷载箱上部501与荷载箱下部502，荷载箱上部501的底部设置有荷载箱上部凹槽32，荷载箱下部502的顶部设置有与荷载箱上部凹槽32相匹配的荷载箱下部凸起33，荷载箱上部501与荷载箱下部502通过荷载箱上部凹槽32与荷载箱下部凸起33相互配合连接成双作用中空液压荷载箱5，荷载箱上部501与荷载箱下部502之间可以相对滑动。荷载箱上部501的下端底部设置用于封堵的底部封头35，底部封头上设置有密封圈26，密封圈26可以提升底部的封堵效果，从而避免液压油从底部封头26处外泄，荷载箱下部凸起33抵顶在在底部封头上35，同时双作用中空液压荷载箱5为中空结构，双作用中空液压荷载箱5的上部与下部均预留有2.5cm的中空圆柱401，中空圆柱401的外径10cm，壁厚为1cm，中空圆柱401的内侧壁上刻有螺纹，中空圆柱401用于与上下段桩2螺纹连接，在具体实施时双作用中空液压荷载箱5为中空的圆柱形结构，双作用中空液压荷载箱5位于上部模型岩土层16内，当模型箱20内均为土层时，模型土层需要经过压实，这样便于整个测试装置的固定。

模型桩，由于铝合金材质可以做到很薄但是同时又具有足够的强度，不易发生锈蚀，且更为耐用，这些特性能够满足本测试装置的多次重复试验的要求，因此本发明优选采用铝合金材质的模型桩，但是能够满足这些条件并利用本测试装置结构与原理的其它材质的模型桩也在本发明的保护范围之内。模型桩为中空结构，在具体实施时，模型桩的外径为10cm，壁厚1.5cm为两个半切的圆柱形中空柱拼装而成，固定方式可以采用卡箍固定或者焊接固定，模型桩包括上段桩7和下段桩2，上段桩7的底部与下段桩2的顶部均预留有与中空圆柱401相匹配的桩端连接部402，桩端连接部402的高为2.5cm，外径外10cm，壁厚1cm，桩端连接部402的内侧壁上刻有螺纹，桩端连接部402与双作用中空液压荷载箱5通过螺纹连接固定，下段桩2的下端安装在安装槽内，且下段桩2的底部设置有封底用的桩端土压计1。本发明中应用到的桩端土压计1适用于长期测量土坝、土堤、边坡、路基等结构物内部土体的压应力，是了解被测结构物内部土压力变化量的有效监测设备，比如技术较为成熟的试验用应变式微型土压力盒即可满足本测试要求，优选地，土压力盒也可以同步测量埋设点的温度。模型桩与双作用中空液压荷载箱5之间通过螺纹进行连接，

下段桩2的顶部通过螺纹与双作用中空液压荷载箱5的底部相连接，上段桩7的底部通过螺纹与双作用中空液压荷载箱5的顶部相连接，如图7～图11所示，上段桩7和下段桩2与双作用中空荷载箱5之间通过螺纹进行连接，双作用中空液压荷载箱5的上部与下部均预留有中空圆柱401，上段桩7的下部与下段桩7的上部均预留有与中空圆柱401相匹配的圆柱形的桩端连接部402，中空圆柱401的外侧壁与桩端连接部402的内侧壁上预留有相互配合的螺纹，中空圆柱401通过螺纹连接套设在桩端连接部402上，上段桩7与下段桩2以及双作用中空液压荷载箱5的最大外径相同，中部过渡段的外径为10cm，壁厚为1.5cm。下段桩2的上端通过螺纹与双作用中空液压荷载箱5的下部相连接，双作用中空液压荷载箱5的上部通过螺纹与上段桩7的下端相连接，上段桩7、下段桩2与双作用中空液压荷载箱5的外径相同，这样能够保证模型桩与双作用中空液压荷载箱5的中部部分能够重合。在频繁的测试过程中，模型桩与双作用中空液压荷载箱5出现磨损需要更换时，可以进行单独更换，而无需将整个装置进行更换，这样就方便了维修，同时也降低了整体的使用成本。

液压加载系统，液压加载系统安装在模型桩与双作用中空液压荷载箱5上，用于向模型桩与双作用中空液压荷载箱5施加载荷，液压加载系统包括：

液压油泵17，液压油泵17与双作用中空液压荷载箱5连通，液压油泵17安装在模型箱20的外侧，用于提供加载的液压油，液压油泵17上还设置有液压油泵17压力表，液压油泵17压力表用于读取加载油压值。

供油管12，供油管12的一端与液压油泵17连通，供油管的另一端与双作用中空液压荷载箱5的上部连通，供油管12通过双作用中空液压载荷箱5以及下段桩2的中空部分连接在液压缸体22上。

液压缸体22，双作用中空液压荷载箱5的箱体相当于为液压缸体22，双作用中空液压荷载箱5的箱壁相当于液压缸体22的缸壁，液压缸体22的缸壁为中空的结构，荷载箱上部501凹槽上方的中空结构的缸壁内的腔体为油腔23，油腔23的底部设置有底部封头35，液压缸体22的上部开设有输油口，供油管12的末端通过输油口插入油腔23的上部内。

数据采集系统，数据采集系统安装在模型桩与双作用中空液压荷载箱5上，用于采集液压加载系统向模型桩与双作用中空液压荷载箱5施加载荷过程中的试验数据，数据采集系统包括：

应变片，应变片包括上段桩应变片8与下段桩应变片3，沿上段桩7的长度方向的内侧壁上全长粘贴有上段桩应变片8，沿下段桩2的长度方向的内侧壁上全长粘贴有下段桩应变片3，为了提升上段桩7与下段桩2测试数据的准确性，优选的，沿段桩内侧壁的全长方向可以均匀多点设置多片上段桩应变片8与下段桩应变片3。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，因此可以将机械形变转换为电信号，从而便于进行传输与处理，本发明所采用的应变片为电阻应变片。

数据传导线，数据传导线通过双作用中空液压荷载箱5的中部的中空部分部分穿入到测试装置内部，数据传导线包括桩端土压计线28、应变片线，应变片线包括上段桩应变片线11与下段桩应变片线6，上段桩应变片线11与下段桩应变片线6的信息输入端分别通过荷载箱中空部分34连通在上段桩应变片8与下段桩应变片3上，桩端土压计28线的信息输入端通过双作用中空液压荷载箱5的中部的中空部分连通在桩端土压计1上。

模型桩位移数据采集机构，模型桩位移数据采集机构包括位移测试基梁15、位移传感器14、位移杆、位移传感器线31，位移测试基梁15位于模型箱20的上方，位移测试基梁15相当于是一个基准点，位移测试基梁15上连接两根竖直向下的上位移杆9和下位移杆10，上位移杆9与下位移杆10为刚性杆，两根位移杆的上部均设置有一个位移传感器14，上位移杆9的下端连接在液压荷载箱上部501上，下位移杆10的下端连接在下位移杆用外伸钢片上21，下位移杆用外伸钢片21横向设置，下位移杆用外伸钢片21一端连接在荷载箱下部502的底部侧壁上，另一端位于荷载箱中空部分34，两根位移位移传感器线31的信息输入端分别连接在位移传感器14上。

进一步的，荷载箱上部501与荷载箱下部502的连接处设置有竖直向上的挡土钢片29，用于阻挡桩侧土进入双作用中空液压荷载箱5内。

进一步的，数据采集系统还包括数据采集仪18，数据采集仪18位于模型箱20的外部，桩端土压计线28、应变片线、位移传感器线31的信息输出端均连通在数据采集仪18上，数据采集仪18连通有计算机19。数据采集仪18采用的是现行技术较为成熟的高频静态数据采集仪，它可实时采集应变片的应变和桩端土压计的压力，数据采集仪18与计算机19通过数据转换线连接，可以使数据图形在计算机上实时显示，高频静态数据采集仪是目前较为常规的设备，具体型号也比较多，一般型号的高频静态数据采集仪基本都能满足本发明的数据处理要求。

进一步的，本发明还提供了一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置的试验方法，试验方法包括如下步骤：

步骤S1，测试装置的组装，先在模型箱20的下部内放入下部模型岩土层30，再在下部模型岩土层30的中部钻设安装槽，安装槽的深度可以根据测试的具体情况而定；利用螺纹将上段桩7、下段桩2与双作用中空液压荷载箱5相连，使得荷载箱与模型桩组成一个整体；再将数据采集系统与液压加载系统连通在模型桩以及双作用中空液压荷载箱5上，首先保证上位移杆9点焊在荷载箱上部501上，然后再将下位移杆用外伸钢片21点焊在荷载箱下部502的底部上，且下位移杆用外伸钢片21的右端位于液压荷载箱下部502上，然后再将下位移杆10点焊在伸出的下位移杆外伸钢片21上，再将位移传感器线31与数据采集仪18连通。然后将粘贴在模型桩上的铝合金应变片线和桩端土压力计1线沿荷载箱中空部分34穿出并连通在数据采集仪18上。最后将供油管连通在油腔与液压油泵17上。最后将下段桩2垂直插入下部模型岩土层30的安装槽内，在模型箱20内填充上部模型岩土层16并压实，测试装置组装完成。

步骤S2，加载，供油管12供油，此时液压油在液压油泵17的驱动下流入油腔23，荷载箱下部502由于液压油向下的加载力相对荷载箱上部501向下移动，荷载箱上部501由于液压油向上的加载力相对荷载箱下部502下部向上移动，带动上位移杆9向上移动，下位移杆10向下移动，同时荷载箱下部502向下段桩2施加加载力，荷载箱上部501向上段桩7施加加载力，使得上段桩7与下段桩2产生一个上下分离开的趋势，完成测试装置的加载过程。如图2所示，为双作用中空液压荷载箱5未经液压油泵17加载时的状态，此时整个测试装置处于一个平衡的状态。如图3所示，首先通过液压油泵17对双作用中空液压荷载箱5进行供油加载，液压油进入油腔23内，液压油再向荷载箱下部502施加加载力，荷载箱上部501带动上位移杆9向上移动，荷载箱下部502带动下位移杆10也随之向下移动。在此过程中挡土钢片29有效阻止了模拟土层16进入双作用中空液压荷载箱5内，从而保障了加载过程的顺利进行。与此同时，数据采集仪18可通过位移传感器14测试到双作用中空液压荷载箱5的荷载值、上位移杆9与下位移杆10的位移量，通过桩端土压计1、模型桩应变片得到桩端土压力、桩身应变值，再通过位移传感器线31、桩端土压计线28、上段桩应变片线11、下段桩应变片线6将测试到的数据输出到数据采集仪18上，并结合液压油油泵的压力表的数值，再输出到计算机19上，经过计算即可获得桩端承载力、侧摩擦阻力分布等其它所需的详细试验数据，比如通过位移传感器14测定双作用中空液压荷载箱5的荷载值，双作用中空液压荷载箱5向上的位移量和向下的位移量，模型桩在不同应力下的应变，再通过相关公式结合模型桩的断面刚度和应变值，可计算出轴向力的分布情况，从而求出不同应力下的桩的侧摩擦力。总之本发明中的数据采集仪18可获得桩端承载力、应变值、位移杆的位移量。数据采集仪18将这些数据输入计算机19，通过一定的公式进而获得荷载和位移关系，从而得出模型桩承受的荷载，即模型桩的承载力。

步骤S3，卸载，液压油泵17上设置有换向阀，当需要油腔23中的液压油回油时，转动换向阀，液压油泵17启动后，液压油在上段桩7重力的作用下供油管13可以回油，此时在液压油泵17的驱动下液压油流出油腔23，荷载箱上部501在上段桩7重力作用下相对荷载箱下部502向下移动，进而带动上位移杆9向下移动，下位移杆10同时向上移动，同时荷载箱下部因油腔23回油向上移动，使得上段桩7与下段桩2产生一个上下合并的趋势，双作用中空液压荷载箱5移动到未进行步骤S2时的位置移动，待复位到未加载时供油管12停回供油，完成测试装置的卸载过程。如图4所示，首先通过液压油泵17对双作用中空液压荷载箱5进行回油卸载，此时液压油的流出油腔23，上位移杆9向下移动，下位移杆10也随之向上移动，双作用中空液压荷载箱5移动到未进行加载状态时的位置液压油泵17停止卸载。由图3和图4所示，上段桩7与下段桩2由步骤S2的上下分离的趋势变成上下合并的趋势，同时荷载箱上部501与荷载箱下部502由分开重新变成合并，也就是完成加载与卸载的自平衡法测试过程。

步骤S4，测试数据的采集与处理，在步骤S2与步骤S3的加载与卸载过程中，上位移杆9、下位移杆10与模型桩在液压系统的加载和卸载作用下，上位移杆9、下位移杆10与模型桩发生移动，数据收集系统将采集到的数据传输到计算机19中，最终得到桩基详细试验数据。

此外，本发明的测试装置针对的是上部为土层，下部为岩层的测试情况，在实际进行测试时，模型箱的上部与下部均为土层时，且将土层压实在不影响测试装置正常测试的状态下，本发明也能够顺利实现，且原理与本发明的技术方案相同，因此也在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明提供的模型试验中桩基承载力自平衡测试装置是一种简单易行的桩基模型试验装置，通过螺纹将模型桩与荷载箱相连即可形成一个整体，实现了荷载箱和模型桩的一体化，同时安装简便，试验方便。由于模型桩与双作用中空液压荷载箱5为单独的个体经过组成后而成的，因此当单个的个体出现磨损后当需要更换时可方便的拆卸更换，维修也较为便利，制作工艺简单，可批量化生产。同时双作用中空液压荷载箱5能够在上下两个方向进行加载，因而可以进行多次重复使用。本发明的模型试验克服了现场试验的不足，试验成本较低、可重复性较好，能够进行不同地质条件和桩基设计参数下自平衡试桩试验，并与相同条件下的静载荷试验结果进行对比，从而得到自平衡法试桩条件下桩基平衡点位置及承载力计算参数的确定方法，对工程实践具有重要指导意义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：

模型箱，所述模型箱的下部内填充有下部模型岩土层，所述下部模型岩土层的中部开设有开口向上的安装槽，所述下部模型岩土层上方的模型箱内填充有上部模型岩土层；

双作用中空液压荷载箱，所述双作用中空液压荷载箱的轴线位置处为荷载箱中空部分，所述双作用中空液压荷载箱位于所述上部模型岩土层内；

模型桩，所述模型桩为中空结构，所述模型桩包括上段桩和下段桩，下段桩的下端安装在所述安装槽内，且下段桩的底部设置有封底用的桩端土压计，下段桩的上端与双作用中空液压荷载箱的下部相连接，所述双作用中空液压荷载箱的上部与上段桩的下端相连接；

液压加载系统，所述液压加载系统安装在模型桩与双作用中空液压荷载箱上，用于向模型桩与双作用中空液压荷载箱施加载荷；

数据采集系统，所述数据采集系统安装在模型桩与双作用中空液压荷载箱上，用于采集液压加载系统向模型桩与双作用中空液压荷载箱施加载荷过程中的试验数据。

2.如权利要求1所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述双作用中空液压荷载箱包括外径相同的荷载箱上部与荷载箱下部，所述荷载箱的上部的底部设置有荷载箱上部凹槽，所述荷载箱下部的顶部设置有与荷载箱上部凹槽相匹配的荷载箱下部凸起，荷载箱上部与荷载箱下部通过荷载箱上部凹槽与荷载箱下部凸起相互配合连接成双作用中空液压荷载箱，所述荷载箱下端的底部设置用于封堵的底部封头，荷载箱下部凸起抵顶在底部封头上。

3.如权利要求2所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述液压加载系统包括：

液压油泵，所述液压油泵与双作用中空液压荷载箱连通，用于提供加载的液压油；

供油管，所述供油管的一端与液压油泵连通，供油管的另一端与双作用中空液压荷载箱的上部连通；

液压缸体，所述双作用中空液压荷载箱的箱体相当于为液压缸体，双作用液压荷载箱的箱壁相当于为液压缸体的缸壁，液压缸体的缸壁为中空的结构，荷载箱上部凹槽上方的中空结构缸壁内的腔体为油腔，所述液压缸体的上部开设有输油口，所述供油管的末端通过输油口插入油腔的上部内。

4.如权利要求2所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述数据采集系统包括：

应变片，所述应变片包括上段桩应变片与下段桩应变片，沿所述上段桩的长度方向的内侧壁上全长粘贴有上段桩应变片，沿所述下段桩的长度方向的内侧壁上全长粘贴有下段桩应变片；

数据传导线，所述数据传导线包括桩端土压计线、应变片线，所述应变片线包括上段桩应变片线与下段桩应变片线，上段桩应变片线与下段桩应变片线的信息输入端分别通过荷载箱中空部分连通在上段桩应变片与下段桩应变片上，所述桩端土压计线的信息输入端通过荷载箱中空部分连通在所述桩端土压计上；

模型桩位移数据采集机构，所述模型桩位移数据采集机构包括位移测试基梁、位移传感器、位移杆、位移传感器线，所述位移测试基梁位于模型箱的上方，位移测试基梁上连接两根竖直向下的上位移杆和下位移杆，两根位移杆的上部均设置有一个位移传感器，上位移杆的下端连接在荷载箱上部上，下位移杆的下端连接在下位移杆用外伸钢片上，下位移杆用外伸钢片横向设置，下位移杆用外伸钢片一端连接在荷载箱下部的底部侧壁上，另一端位于荷载箱中空部分，两根所述位移位移传感器线的信息输入端分别连接在两个位移传感器上。

5.如权利要求2所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述荷载箱上部与荷载箱下部的连接处的外侧壁上设置有竖直向上的挡土钢片，用于阻挡桩侧土进入双作用液压荷载箱内。

6.如权利要求1所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述上段桩和下段桩与双作用中空荷载箱之间通过螺纹进行连接，所述双作用中空液压荷载箱的上部与下部均预留有中空圆柱，所述上段桩的下部与下段桩的上部均预留有与中空圆柱相匹配的圆柱形的桩端连接部，所述中空圆柱的外侧壁与桩端连接部的内侧壁上预留有相互配合的螺纹，中空圆柱通过螺纹连接套设在桩端连接部上。

7.如权利要求1所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述上段桩、下段桩与双作用中空液压荷载箱的外径相同。

8.如权利要求3所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述液压油泵上还设置有液压油泵压力表，液压油泵压力表用于读取加载油压值。

9.如权利要求4所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置，其特征在于，所述数据采集系统还包括数据采集仪，所述数据采集仪位于模型箱的外部，所述桩端土压计线、应变片线、位移传感器线的信息输出端均连通在数据采集仪上，所述数据采集仪连通有计算机。

10.如权利要求1～9任一所述模型试验中桩基承载力自平衡测试装置的试验方法，其特征在于，所述试验方法包括如下步骤：

步骤S1，测试装置的组装，先在模型箱的下部内设置下部模型岩土层，再在下部模型岩土层的中部开设安装槽，然后通过螺纹将上段桩、下段桩与双作用中空液压荷载箱相连，使得荷载箱与模型桩组成一个整体；再将数据采集系统与液压加载系统连通在模型桩以及双作用中空液压荷载箱上，最后将模型下段桩垂直插入下部模型岩土层的安装槽内，在模型箱内填充上部模型岩土层并压实，测试装置组装完成；

步骤S2，加载，供油管供油，此时液压油在液压油泵的驱动下流入油腔，荷载箱下部由于液压油向下的加载力相对荷载箱上部向下移动，荷载箱上部由于液压油向上的加载力相对荷载箱下部下部向上移动，进而带动上位移杆向上移动，下位移杆向下移动，同时荷载箱下部向下段桩施加加载力，荷载箱上部向上段桩施加加载力，使得上段桩与下段桩产生一个上下分离开的趋势，完成测试装置的加载过程；

步骤S3，卸载，供油管回油，此时在上段桩自重和液压油泵的反向驱动下，液压油流出油腔，荷载箱上部由于液压油回油相对荷载箱下部向下移动，同时荷载箱下部因液压油回油也向上移动，进而带动上位移杆向下移动，下位移杆向上移动，使得上段桩与下段桩产生一个上下合并的趋势，双作用中空液压荷载箱移动到未进行步骤S2时的位置，待复位到未加载时供油管停止回油，完成测试装置的卸载过程；

步骤S4，测试数据的采集与处理，在步骤S2与步骤S3的加载与卸载过程中，上位移杆、下位移杆与模型桩在液压系统的加载和卸载作用下，上位移杆、下位移杆与铝模型桩发生移动，数据收集系统将采集到的数据传输到计算机中，最终得到桩体详细试验数据。