CN110616751A - 模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，包括加载架、模型试件和千斤顶，加载架包括加载梁、加载柱、多个上支腿及多个下支腿，上支腿和下支腿沿水平方向延伸，模型试件包括上翼板、下翼板以及腹身，模型试件中设有桩孔，桩孔中灌注有注浆体，千斤顶包括竖向千斤顶和水平千斤顶，上翼板的两侧分别通过对称设置的上支腿支顶在加载柱上，下翼板的两侧分别通过对称设置的下支腿支顶在加载柱上，水平千斤顶的端部设有端头板，腹身上预埋有螺丝拉杆，螺丝拉杆通过张拉板与端头部板连接，腹身的两侧对称安装有位移计。本发明的装置能够评价基坑开挖对邻近建筑基桩承载力的不利影响，为基坑支护方案及基桩加固提供积极的参考。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程领域，特别是涉及一种用于模拟基坑开挖对邻近建筑基桩竖向承载力影响的实验装置,适用于模拟分析及定量评价基坑开挖引起侧壁土体变形及应力释放对邻近建筑基桩承载力的影响。
背景技术
随着城市建设的发展，城市中建筑密度越来越大。而随着城市化进程的进一步发展，城市高层建筑、轨道交通、地下工程、地铁工程等仍在大力新建。由此，不可避免地要开挖大量的深基坑工程，受城市建筑密度影响，基坑周边遍布大量的既有建筑。而深基坑开挖必然导致基坑侧壁土体出现应力释放，引起基坑支护结构产生不同程度的变形，最终使得邻近建筑底部尤其基桩周围土体向基坑开挖侧发生不同程度的水平变形。由于邻近建筑基桩周围土体的变形会导致桩周土松软，进而引起基桩与桩周土接触面侧摩阻力的下降，对建筑基桩的竖向承载力及长期稳定产生不利影响。因此，分析基坑开挖引起邻近建筑基桩承载力减小的程度，进而评价建筑基桩承载力是否仍满足要求具有重要的工程意义。
但是，该检测及评价无法在工程现场完成，也不允许开展相关试验。因此，通过模型实验，定量分析基坑开挖对邻近建筑基桩的影响，进而对工程进行安全评价具有重要的参考价值。
有鉴于此，本发明人对基坑开挖影响邻近建筑基桩承载力进行深入研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于模拟基坑开挖对邻近建筑基桩竖向承载力影响的实验装置，以评价基坑开挖对邻近建筑基桩承载力的不利影响，为基坑支护方案及基桩加固提供积极的参考。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，包括加载架、模型试件和千斤顶，加载架包括加载梁、加载柱、多个上支腿及多个下支腿，上支腿和下支腿沿水平方向延伸，模型试件包括上翼板、下翼板以及设置在上翼板与下翼板之间的腹身，模型试件中设有桩孔，桩孔从模型试件的上端面贯穿至下端面，桩孔中灌注有注浆体，千斤顶包括竖向千斤顶和水平千斤顶，水平千斤顶为多个，多个水平千斤顶对称分设在模型试件的两侧，上翼板的两侧分别通过对称设置的上支腿支顶在加载柱上，下翼板的两侧分别通过对称设置的下支腿支顶在加载柱上，竖向千斤顶对应注浆体的顶部设置，水平千斤顶的端部设有端头板，腹身上预埋有螺丝拉杆，螺丝拉杆通过张拉板与端头部板连接，腹身的两侧对称安装有位移计。
作为本发明的一种优选方式，所述上翼板的中心设有圆形加载槽，加载槽从所述上翼板的上端面向下延伸，加载槽与所述竖向千斤顶之间设有钢柱，钢柱设置在加载槽中，钢柱的直径小于或等于所述桩孔的直径，所述下翼板的中心设有圆形底槽，底槽从所述下翼板的下端面向上延伸，加载槽、桩孔以及底槽同轴设置。
作为本发明的一种优选方式，所述张拉板与所述端头板通过张拉杆固定连接，所述螺丝拉杆通过螺帽锁定在所述张拉板上。
作为本发明的一种优选方式，位于所述腹身的两侧的所述螺丝拉杆均为多根，每根所述螺丝拉杆均沿水平方向延伸，多根所述螺丝拉杆沿竖直方向布设，位于所述腹身的同一侧的相邻所述螺丝拉杆的竖向间距为100-150mm。
作为本发明的一种优选方式，所述加载柱为两根，两根所述加载柱分设在所述加载梁的两端，所述加载柱和所述加载梁形成龙门架，所述加载柱通过固定螺丝杆固定于地面的反力地槽中，固定螺丝杆的下端设有反力螺板，反力螺板位于反力地槽中，在所述加载柱上设有固定板，固定螺丝杆的上端通过固定螺母锁定在固定板上，在固定板与地面之间设有加强板。
作为本发明的一种优选方式，所述模型试件的下端设有垫墩。
作为本发明的一种优选方式，所述腹身在水平方向的长度为所述桩孔的孔径的4-8倍。
作为本发明的一种优选方式，所述上翼板和所述下翼板对称分设在所述腹身的上下两端，所述上翼板沿水平方向的长度和所述下翼板沿水平方向的长度均比所述腹身沿水平方向的长度大150-300mm。
作为本发明的一种优选方式，所述上翼板的厚度和所述下翼板的厚度均为150-300mm。
作为本发明的一种优选方式，所述加载槽直径大于所述桩孔直径40-60mm。
采用本发明的技术方案后，具有以下优点：(1)竖向千斤顶对模型试件内注浆体施加竖向压力，可以测得注浆体的竖向承载力，模拟建筑基桩的竖向承载力。(2)通过两侧水平千斤顶通过拉动螺丝拉杆，可以使腹身向两侧产生不同的水平变形，通过施加不同的水平拉力，可测得腹身不同的水平变形。(3)针对不同的模型试件，通过水平千斤顶施加不同的拉力，可以得到不同腹身水平变形与注浆体竖向承载力的关系及变化规律，模拟基坑开挖引起侧壁不同程度变形时对建筑基桩竖向承载力的影响及规律。(4)对比一组模型试件，该模型试件不采用水平千斤顶施加拉力，测得注浆体的竖向承载力，可模拟基坑开挖前建筑基桩的竖向承载力。(5)通过对比分析水平千斤顶不施加拉力及施加不同水平拉力时注浆体的竖向承载力，可模拟评价基坑开挖引起侧壁土体水平变形时导致的建筑基桩竖向承载力变化及影响规律。
附图说明
图1为本发明实验装置示意图；
图2为本发明图1的A-A处剖面结构示意图。
图3为本发明图1的B-B处剖面结构示意图。
图4为本发明图1的C-C处剖面结构示意图。
图5为本发明图1的D-D处剖面结构示意图。
图6为本发明图1的E-E处剖面结构示意图。
图7为本发明图1的F-F处剖面结构示意图。
图8为本发明图1的G-G处剖面结构示意图。
图9为本发明图1的H-H处剖面结构示意图。
图10为本发明图1的J-J处剖面结构示意图。
图11为本发明图的模型试件剖面结构示意图。
图12为本发明图11的K-K处剖面结构示意图。
图13为本发明图11的L-L处剖面结构示意图。
图14为本发明图11的M-M处剖面结构示意图；
图15为本发明开挖基坑与既有建筑物及其基桩的剖面结构示意图。
标号及符号说明
加载梁 11 加载柱 12
加强板 13 固定板 14
固定螺丝杆 15 固定螺帽 16
反力螺板 17 上支腿 18
下支腿 19
竖向千斤顶 21 水平千斤顶 22
钢柱 23 张拉板 24
张拉杆 25 端头板 26
张拉孔 27 连接孔 28
模型试件 31 加载槽 321
底槽 322 上翼板 331
下翼板 332 腹身 333
桩孔 34 注浆体 35
螺丝拉杆 36 螺帽 37
位移计 38
垫墩 4
地面 51 反力地槽 52
建筑物 61 基桩 62
支护桩 63 变形后的支护桩 64
潜在滑移区土体 65 稳定区土体 66
潜在滑移面 67 坑底 68
坑顶 69
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合实施例进行详细阐述。
参见图1至图15，一种用于模拟基坑开挖对邻近建筑基桩竖向承载力影响的实验装置，包括加载架、千斤顶和模型试件31，所述加载架1包括加载梁11、加载柱12、上支腿18及下支腿19，所述加载柱12底部焊接有加强板13和固定板14；在实施例中，所述加载柱12为至少两根，两根所述加载柱12分设在所述加载梁12的两端，所述加载柱12和所述加载梁13形成龙门架，所述加载柱13通过固定螺丝杆15固定于地面51的反力地槽52中，固定螺丝杆15的下端设有反力螺板17，反力螺板17位于反力地槽52中，固定螺丝杆15的上端通过固定螺母16锁定在固定板14上。本发明中，加载架并不限于这种结构，也可以采用本领域中的其它加载架。
本发明中，所述千斤顶包括竖向千斤顶21和水平千斤顶22，水平千斤顶22为多根，对称分设在模型试件31的两侧，在实施例中，模型试件31的左侧和右侧分别设置三根水平千斤顶22，水平千斤顶22安装在加载柱12上，所述水平千斤顶22的端部设有端头板26，端头板26通过张拉杆25连接有张拉板24。
本发明中，模型试件31包括上翼板331、下翼板332和腹身333，模型试件31中心通长设置有圆形桩孔34，所述桩孔34内灌注有注浆体35，所述上翼板331中心设置有圆形加载槽321，所述下翼板332中心设置有圆形底槽322，所述腹身333两侧对称预埋有螺丝拉杆36，螺丝拉杆36通过穿过张拉板24并通过螺帽37锁定在张拉板24上，螺帽37位于端头板26与张拉板24之间，张拉板24与端头板26之间通过张拉杆25连接在一起，具体是在张拉板24和端头板26上均设有连接孔28，张拉杆25穿过张拉板的连接孔28和端头板26的连接孔28并通过位于张拉杆25两端的螺帽37进行定位。在张拉板24的中心上设有张拉孔27，螺丝拉杆36穿过张拉孔27并通过螺帽37锁定。
本发明中，所述上翼板331和所述下翼板332分别通过上支腿18和所述下支腿19对称支顶在所述加载柱12上，即在图1中，上翼板331的左右两侧对称设有上支腿18，下翼板332的左右两侧对称设有下支腿19，上支腿18和下支腿19均以可沿加载柱12上下调整的方式设置，例如本领域中，经常在加载柱12上设置多个螺栓孔，螺栓孔沿加载柱12的高度方向排布，通过将上支腿18和下支腿19安装在不同的螺栓孔中，即可实现上支腿18和下支腿19的位置调整，以使得上翼板331和下翼板332能够更好地抵顶在相应的支腿上。所述竖向千斤顶21通过放置在所述加载槽321中心的所述注浆体35顶部的钢柱23进行加载，所述水平千斤顶22可通过张拉板24拉动所述螺丝拉杆36；所述模型试件31底部设置有垫墩4，垫墩4放置在地面51上；所述腹身333两侧对称安装有位移计38，用于检测腹身333的变形。
作为一种优选方案，所述腹身333尺寸(腹身333沿水平方向的截面的长度)为所述桩孔34直径的4-8倍；所述上翼板331和所述下翼板332长度(所述上翼板331和所述下翼板332沿水平方向的截面的长度)大于所述腹身333尺寸(腹身333沿水平方向的截面的长度)150-300mm；所述上翼板331和所述下翼板332厚度均为150-300mm；所述加载槽321和所述底槽322直径大于所述桩孔直径40-60mm；所述加载槽321和所述底槽322高度为40-60mm；所述螺丝拉杆36预埋方向与所述上翼板331同向，位于所述腹身333的所述螺丝拉杆36可按一定间距预装螺帽37，所述螺丝拉杆36的竖向间距为100-150m。
本发明一种用于模拟基坑开挖对邻近建筑基桩竖向承载力影响的实验装置，其施工步骤如下：
(1)按设计要求安装固定加载架1及垫墩4，使垫墩4对称放置在加载架的中线上；
(2)按模型试件31的尺寸初步安装竖向千斤顶21和水平千斤顶22；
(3)在垫墩4的上面吊装模型试件31，并对中，根据桩孔34位置调整竖向千斤顶21，使竖向千斤顶21的轴线与桩孔34轴线重合，再固定竖向千斤顶21；根据腹身333上预埋的螺丝拉杆36的位置调整水平千斤顶22的高度，使水平千斤顶22的轴线与螺丝拉杆36轴线重合，再固定水平千斤顶22；
(4)在水平千斤顶22的端头板26上安装张拉杆25及张拉板24，然后操作水平千斤顶22伸出油缸，使张拉板24的张拉孔27伸入螺丝拉杆36中后，从螺丝拉杆36端头拧入螺帽37，并使螺帽37轻轻接触张拉板24；
(5)在加载槽321的注浆体35顶部安放钢柱23，伸长竖向千斤顶21，使竖向千斤顶21轻微接触钢柱23；
(6)在腹身333预埋螺丝拉杆36的两侧对称安装位移计38；
(7)试验时，当需要模拟基坑开挖产生的支护结构水平变形对邻近建筑基桩承载力影响时，先同步张拉所有水平千斤顶22，拉动模型试件31的腹身333上的螺丝拉杆36，使得水平千斤顶22的拉力达到预设要求；当需要模拟无基坑开挖的正常情况下邻近建筑基桩承载力时，不操作水平千斤顶22张拉螺丝拉杆36，或使用无预埋螺丝拉杆36的模型试件31；
(8)操作竖向千斤顶21压顶钢柱23，推动注浆体35向底槽322运动直至破坏；
(9)测试无水平千斤顶22施加作用时，模型试件31的注浆体35被推出破坏时的平均竖向力P1；测试水平千斤顶22施加作用时，模型试件31的注浆体35被推出破坏时的平均竖向力P2；通过对比P1和P2，可以评价基坑开挖对邻近建筑基桩承载力的影响。
由于技术方案的运用，与传统建筑基桩竖向承载力实验相比，本发明具有下列显著优点：
(1)通过两侧水平千斤顶22拉动螺丝拉杆36，可以使腹身333向两侧产生不同的水平变形，通过施加不同的水平拉力，可测得腹身333不同的水平变形，可以模拟基坑开挖导致支护结构发生水平变形而引起邻近建筑基桩周边土体产生的变形；
(2)竖向千斤顶21通过钢柱23对模型试件31内注浆体35施加竖向压力，可以测得注浆体35的竖向承载力，可以模拟建筑基桩在不同情况下的竖向承载力；
(3)测试不采用水平千斤顶2通过螺丝拉杆36对模型试件31的腹身333施加拉力，测得注浆体的竖向承载力P1，测试采用水平千斤顶2通过螺丝拉杆36对模型试件31的腹身333施加不同大小的拉力，测得注浆体的竖向承载力P2，通过对比P1和P2，可以评价基坑开挖对邻近建筑基桩竖向承载力的影响。
为了更好地理解基坑开挖对既有建筑的影响，在图15中展示基坑开挖与既有建筑物及其基桩的剖面结构示意图，其显示了建筑物61、位于建筑物下方的基桩62、支护桩63、变形后的支护桩64(图中用虚线展示)、潜在滑移区土体65、稳定区土体66、潜在滑移面67、坑底68、坑顶69的具体位置以及它们之间的相对位置关系。
上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：包括加载架、模型试件和千斤顶，加载架包括加载梁、加载柱、多个上支腿及多个下支腿，上支腿和下支腿沿水平方向延伸，模型试件包括上翼板、下翼板以及设置在上翼板与下翼板之间的腹身，模型试件中设有桩孔，桩孔从模型试件的上端面贯穿至下端面，桩孔中灌注有注浆体，千斤顶包括竖向千斤顶和水平千斤顶，水平千斤顶为多个，多个水平千斤顶对称分设在模型试件的两侧，上翼板的两侧分别通过对称设置的上支腿支顶在加载柱上，下翼板的两侧分别通过对称设置的下支腿支顶在加载柱上，竖向千斤顶对应注浆体的顶部设置，水平千斤顶的端部设有端头板，腹身上预埋有螺丝拉杆，螺丝拉杆通过张拉板与端头部板连接，腹身的两侧对称安装有位移计。
2.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述上翼板的中心设有圆形加载槽，加载槽从所述上翼板的上端面向下延伸，加载槽与所述竖向千斤顶之间设有钢柱，钢柱设置在加载槽中，钢柱的直径小于或等于所述桩孔的直径，所述下翼板的中心设有圆形底槽，底槽从所述下翼板的下端面向上延伸，加载槽、桩孔以及底槽同轴设置。
3.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述张拉板与所述端头板通过张拉杆固定连接，所述螺丝拉杆通过螺帽锁定在所述张拉板上。
4.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：位于所述腹身的两侧的所述螺丝拉杆均为多根，每根所述螺丝拉杆均沿水平方向延伸，多根所述螺丝拉杆沿竖直方向布设，位于所述腹身的同一侧的相邻所述螺丝拉杆的竖向间距为100-150mm。
5.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述加载柱为两根，两根所述加载柱分设在所述加载梁的两端，所述加载柱和所述加载梁形成龙门架，所述加载柱通过固定螺丝杆固定于地面的反力地槽中，固定螺丝杆的下端设有反力螺板，反力螺板位于反力地槽中，在所述加载柱上设有固定板，固定螺丝杆的上端通过固定螺母锁定在固定板上，在固定板与地面之间设有加强板。
6.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述模型试件的下端设有垫墩。
7.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述腹身在水平方向的长度为所述桩孔的孔径的4-8倍。
8.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述上翼板和所述下翼板对称分设在所述腹身的上下两端，所述上翼板沿水平方向的长度和所述下翼板沿水平方向的长度均比所述腹身沿水平方向的长度大150-300mm。
9.如权利要求1所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述上翼板的厚度和所述下翼板的厚度均为150-300mm。
10.如权利要求2所述的模拟基坑开挖对邻近建筑基桩承载力影响的实验装置，其特征在于：所述加载槽直径大于所述桩孔直径40-60mm。
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