CN110629808A - 一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置及试验方法，装置：两个竖直反力梁设置在下部支撑装置的两侧，水平反力梁固接在两个竖直反力梁之间；试验箱体上端开口，内部装有试验土体，下端固接在下部支撑装置上部，并在上部设有承载钢板，其两个侧壁上开设有圆孔；试验桩模型通过一对圆孔贯穿试验箱体；水平推移装置和位移传感器相对地安装在试验桩模型两端的外侧，水平推移装置的伸缩端与试验桩模型的一端固接；竖向加载装置与水平反力梁固接，其伸缩端与承载钢板的上端中心固接。方法：组装；竖向加载机构施加竖向荷载；水平推移机构施加水平荷载；记录参数并绘制特性曲线。本发明可研究不同土质，不同竖向荷载条件下桩身与土体之间的摩擦特性。
Description
技术领域
本发明属于桩和土界面力学特性技术领域，具体是一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置及试验方法。
背景技术
随着我国经济的迅速发展，高层建筑以及大规模的桥梁等建筑物日益增多，这对于基础的承载要求也越来越高。当天然的土层不能满足上部荷载的需求时，往往需要采用桩基础来代替浅基础，从而依靠桩侧摩阻力和桩端阻力承受上部的荷载。桩侧摩阻力的有效发挥与桩土之间界面的滑移联系紧密，因此研究桩基与土层之间的滑移具有重要意义。
我国现有的桩-土界面性能试验多采用直剪仪进行，常规的直剪仪尺寸较小，套箍效应明显，无法准确模拟桩基在土层中的工作状态，造成的误差影响试验结果的可信度，使得目前桩-土界面力学特性研究精度不高，亟待改善。因此，急需发明构造简单，安装方便，通用性强的模拟桩-土界面工作性能的试验系统，以开展桩和地基土界面力学性能的试验研究。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，该装置能准确模拟桩基在土层中的工作状态,能有效提高桩和土界面力学特性研究精度，同时，其结构简单，便于安装，且具有较强的通用性。
为了实现上述目的，本发明提供一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，包括固定连接在地面上的下部支撑装置、电控系统、竖直反力梁、水平反力梁、试验箱体、试验桩模型、水平推移机构和竖向加载机构；
所述电控系统包括计算机、位移传感器、设置在水平推移机构内的荷载传感器和设置在竖向加载机构内的荷载传感器；计算机分别与水平推移机构的驱动器、竖向加载机构的驱动器、位移传感器、水平推移机构内的荷载传感器和竖向加载机构内的荷载传感器连接；
所述竖直反力梁的数量为两个，且相对设置在下部支撑装置的左右两侧，竖直反力梁的下端均固定连接在地面上，水平反力梁的两端分别与两个竖直反力梁的上端内侧固定连接；
所述试验箱体的上端为敞口式结构，试验箱体的下端与下部支撑装置的上端固定连接，试验箱体的内部装载有试验土体，并于试验土体的上方设置有纵向可移动地穿出试验箱体的上开口端的承载钢板，试验箱体的左右两个侧壁上相对地开设有尺寸与试验桩模型相适配的一对圆孔；
所述试验桩模型横向贯穿试验箱体及试验土体，其两端分别由一对圆孔延伸到试验箱体左右两端的外侧；
所述水平推移机构和位移传感器相对地设置在试验桩模型两端的外侧，水平推移机构具有固定端和相对于固定端可伸缩的伸缩端，水平推移机构的固定端与一个竖直反力梁的内侧固定连接，水平推移机构的伸缩端与试验桩模型的一端固定连接，位移传感器与另一个竖直反力梁的内侧固定连接，且与试验桩模型的另一端相配合；
所述竖向加载机构具有固定端和相对于固定端可伸缩的伸缩端，竖向加载机构的固定端与水平反力梁的下端固定连接，竖向加载机构的伸缩端与承载钢板的上端中心区域固定连接。
进一上，为了便于组装和拆卸，所述试验箱体与下部支撑装置通过连接螺栓A固定连接；下部支撑装置通过连接螺栓B与地面固定连接。
进一步，为了提高水平推移机构与竖直反力梁的连接强度，所述水平推移机构的固定端通过固定板与竖直反力梁固定连接；为了提高竖向加载机构与水平反力梁的连接强度，所述竖向加载机构的固定端通过固定板与水平反力梁固定连接。
进一步，为了能保证试验精度，所述水平推移机构的中心与试验桩模型同轴心地设置，竖向加载机构的中心与试验箱体的中心位置相对齐地设置。
进一步，为了便于控制，同时，为了能供稳定的荷载作用力，所述水平推移机构和竖向加载机构均由液压作动器、电磁换向阀和液压泵站组成，其中液压作动器通过电磁换向阀与液压泵站连接，电磁换向阀与计算机连接。
本发明在上端开口的试验箱体中填埋试验土体，并在试验干休上部依次设置承载钢板和竖向加载机构，能便于通过竖向加载机构向承载钢板施加竖向荷载，进而作用于试验土体，能使试验桩模型周围土体的应力发生变化，从而可以根据不同情况改变试验桩模型与试验土体之间摩擦力。横向贯穿设置在试验箱体和试验土体中的试验桩模型，可以模拟桩基在土体中的状态，再通过水平推移机构的设置，能对试验桩模型进行水平荷载的加载，进而可以方便地模拟试验桩模型桩身受到土体中侧向压力后桩侧摩阻力的发挥特性。电控系统的设置能便于实时获取各试验参数，以便于可以快速准确地绘制出桩身水平荷载和位移之间关系曲线，得到桩侧摩阻力和桩土之间相对位移关系及竖向荷载和极限摩阻力之间关系曲线。该装置结构简单，各部件安装、调整和拆卸过程便捷，同时，其适用性较广、可靠性高，有利于提高试验效率高，并可重复利用，具有经济性和通用性。
针对上述现有技术存在的问题，本发明还提供了一种桩和地基土的界面力学性能的试验方法，该方法可实现对不同试验土体、不同竖向荷载下桩和土体界面力学性能规律进行研究，本方法能够快捷而准确地模拟桩基在土层中的工作状态，能准确地开展桩和地基土界面力学性能的试验研究，其试验精度较高，可靠性强。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种桩和地基土的界面力学性能的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：将试验箱体与下部支撑装置通过连接螺栓A固定连接在一起，并将下部支撑装置与地面通过连接螺栓B固定连接在一起；
步骤二：将试验土体分层填入试验箱体中，并进行适当的夯实处理，当土层高度达到圆孔的位置时，停止填土并把预制好的试验桩模型通过圆孔穿过试验箱体；
步骤三：继续进行剩余试验土体的填埋，并适当夯实处理，填埋完毕后，在试验土体上部放置承载钢板；
步骤四：在试验桩模型的两个端部外侧分别安装位移传感器和水平推移机构；在承载钢板中心位置的上方安装竖向加载机构，并通过竖向加载机构向承载钢板施加竖向荷载，以将竖向荷载传递给试验土体；
步骤五：在试验土体受到竖向荷载作用稳定之后，再通过水平推移机构向试验桩模型施加水平荷载；
步骤六：通过电控系统对竖向加载机构和水平推移机构进行控制，使竖向荷载维持恒定，并采用恒定速率控制水平荷载的加载以使试验桩模型相对于试验土体的剪切位移发生变化，同时，电控系统通过位移传感器记录剪切位移的变化情况，通过竖向加载机构和水平推移机构内的荷载传感器记录竖向荷载以及水平荷载的反力变化情况；
步骤七：当剪切位移继续增大，但是水平推移机构所反馈的剪切力逐渐接近某一定值不再继续增加时，试验土体达到稳定状态，停止试验；
步骤八：整理在一定竖向荷载作用下试验桩模型的桩身位移和桩侧摩阻力性能数据，绘制桩身水平荷载和位移之间关系曲线，得到桩侧摩阻力和桩土之间相对位移关系及竖向荷载和极限摩阻力之间关系曲线，总结出试验桩模型与试验土体之间的摩擦系数，其中，试验桩模型的摩阻力按公式(1)计算，试验桩模型与试验土体之间的摩擦系数按照公式(2)计算；
式中：τ为桩土之间侧摩阻力，单位为Pa；
FH为水平推移系统反力，单位为N；
A为桩身与土层之间的接触面积，单位为cm2；
式中：μ为桩土之间摩擦系数；
FV为水平推移系统反力，单位为N；
FH为水平推移系统反力，单位为N。
进一步，为了能在试验过程灵活地改变试验条件，在步骤6中，试验过程中，根据试验需求对竖向荷载和水平位移速率进行人为调节。
进一步，为了保证竖向荷载和水平荷载的有效输出，同时，能保证位移传感器对试验桩模型的位移进行准确的测量，所述水平推移机构和位移传感器分别与固定安装在下部支撑装置左右两侧的两个竖直反力梁的内侧固定连接；竖向加载机构与固定连接在两个竖直反力梁之间的水平反力梁的下端面固定连接。
进一步，为了保证竖向荷载力的稳定加载，所述竖向加载机构的伸缩端与承载钢板的上端中心固定连接。
本发明先通过电控系统控制竖向加载机构对试验土体施加竖向荷载，夯实后的试验土体将该竖向荷载传递至试验桩模型，模拟实际工作状态下桩身受到土体的侧向压力，再由水平推移机构对试验桩模型的一端施加水平荷载以使试验桩模块发生水平位移，因而，有效地模拟了试验桩模型桩身受到土体中侧向压力后桩侧摩阻力的发挥特性，同时可以利用电控系统控制试验桩模型水平位移速度和竖向荷载大小，可实现对不同试验土体、不同竖向荷载下桩和土体界面力学性能规律进行研究，本方法能够快捷而准确地模拟桩基在土层中的工作状态，能准确地开展桩和地基土界面力学性能的试验研究，其试验精度较高，可靠性强。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中试验箱体的结构示意图；
图3是本发明中试验箱体与试验桩模型的装配示意图；
图4是本发明中试验箱体、试验桩模型、承载钢板和竖向加载机构的装配示意图。
图中：1、试验桩模型，2、试验箱体，3、试验土体，4、承载钢板，5、位移传感器，6、竖向加载机构，7、水平推移机构，8、水平反力梁，9、竖直反力梁，10、固定板，11、下部支撑装置，12、连接螺栓A，13、连接螺栓B，14、地面，15、电控系统，16、圆孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，包括固定连接在地面14上的下部支撑装置11、电控系统、竖直反力梁9、水平反力梁8、试验箱体2、试验桩模型1、水平推移机构7和竖向加载机构6；
所述电控系统包括计算机15、位移传感器5、设置在水平推移机构7内的荷载传感器和设置在竖向加载机构6内的荷载传感器；计算机15分别与水平推移机构7的驱动器、竖向加载机构6的驱动器、位移传感器5、水平推移机构7内的荷载传感器和竖向加载机构6内的荷载传感器连接；
所述竖直反力梁9的数量为两个，且相对设置在下部支撑装置11的左右两侧，竖直反力梁9的下端均固定连接在地面14上，水平反力梁8的两端分别与两个竖直反力梁9的上端内侧固定连接；
所述试验箱体2的上端为敞口式结构，试验箱体2的下端与下部支撑装置11的上端固定连接，试验箱体2的内部装载有试验土体3，并于试验土体3的上方设置有纵向可移动地穿出试验箱体2的上开口端的承载钢板4，承载钢板4的大小和尺寸可以略小于试验箱体2上开口端的大小和尺寸，试验箱体2的左右两个侧壁上相对地开设有尺寸与试验桩模型1相适配的一对圆孔16；圆孔16的尺寸略大于试验桩模型1的外径，使得试验桩模型1可以穿过试验箱，且具有一定的活动空间。
所述试验桩模型1横向贯穿试验箱体2及试验土体3，其两端分别由一对圆孔16延伸到试验箱体2左右两端的外侧；
所述水平推移机构7和位移传感器5相对地设置在试验桩模型1两端的外侧，水平推移机构7具有固定端和相对于固定端可伸缩的伸缩端，水平推移机构7的固定端与一个竖直反力梁9的内侧固定连接，水平推移机构7的伸缩端与试验桩模型1的一端固定连接，位移传感器5与另一个竖直反力梁9的内侧固定连接，且与试验桩模型1的另一端相配合；
所述竖向加载机构6具有固定端和相对于固定端可伸缩的伸缩端，竖向加载机构6的固定端与水平反力梁8的下端固定连接，竖向加载机构6的伸缩端与承载钢板4的上端中心区域固定连接。
为了便于组装和拆卸，所述试验箱体2与下部支撑装置11通过连接螺栓A12固定连接；下部支撑装置11通过连接螺栓B13与地面14固定连接。
为了提高水平推移机构与竖直反力梁的连接强度，所述水平推移机构7的固定端通过固定板10与竖直反力梁9固定连接。为了提高竖向加载机构6与水平反力梁8的连接强度，所述竖向加载机构6的固定端通过固定板10与水平反力梁8固定连接。
为了保证稳定的支撑强度，所述地面14为混凝土地面。
为了能保证试验精度，所述水平推移机构7的中心与试验桩模型1同轴心地设置，竖向加载机构6的中心与试验箱体2的中心位置相对齐地设置。
为了便于控制，同时，为了能供稳定的荷载作用力，所述水平推移机构7和竖向加载机构6均由液压作动器、电磁换向阀和液压泵站组成，其中液压作动器通过电磁换向阀与液压泵站连接，电磁换向阀与计算机15连接。电磁换向阀作为水平推移机构7和竖向加载机构6的驱动器，可以通过计算机15的控制便于实现水平推移机构7和竖向加载机构6的伸出和缩回控制。作为一种优选，液压泵站与可以与计算机15连接，以便于通过计算机15自动化地控制液压泵站的启动和暂停工作。
本发明还提供了一种桩和地基土的界面力学性能的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：将试验箱体2与下部支撑装置11通过连接螺栓A12固定连接在一起，并将下部支撑装置11与地面14通过连接螺栓B13固定连接在一起；
步骤二：将试验土体3分层填入试验箱体2中，并进行适当的夯实处理，当土层高度达到圆孔16的位置时，停止填土并把预制好的试验桩模型1通过圆孔16穿过试验箱体2；
步骤三：继续进行剩余试验土体3的填埋，并适当夯实处理，填埋完毕后，在试验土体3上部放置承载钢板4；
步骤四：在试验桩模型1的两个端部外侧分别安装位移传感器5和水平推移机构7；在承载钢板4中心位置的上方安装竖向加载机构6，并通过竖向加载机构6向承载钢板4施加竖向荷载，以将竖向荷载传递给试验土体3；
步骤五：在试验土体3受到竖向荷载作用稳定之后，再通过水平推移机构7向试验桩模型1施加水平荷载；
步骤六：通过电控系统对竖向加载机构6和水平推移机构7进行控制，使竖向荷载维持恒定，并采用恒定速率控制水平荷载的加载以使试验桩模型1相对于试验土体3的剪切位移发生变化，同时，电控系统通过位移传感器5记录剪切位移的变化情况，通过竖向加载机构6和水平推移机构7内的荷载传感器记录竖向荷载以及水平荷载的反力变化情况；
步骤七：当剪切位移继续增大，但是水平推移机构7所反馈的剪切力逐渐接近某一定值不再继续增加时，试验土体3达到稳定状态，停止试验；
步骤八：整理在一定竖向荷载作用下试验桩模型1的桩身位移和桩侧摩阻力性能数据，绘制桩身水平荷载和位移之间关系曲线，得到桩侧摩阻力和桩土之间相对位移关系及竖向荷载和极限摩阻力之间关系曲线，总结出试验桩模型1与试验土体3之间的摩擦系数，其中，试验桩模型1的摩阻力按公式(1)计算，试验桩模型1与试验土体3之间的摩擦系数按照公式(2)计算；
式中：τ为桩土之间侧摩阻力，单位为Pa；
FH为水平推移系统反力，单位为N；
A为桩身与土层之间的接触面积，单位为cm2；
式中：μ为桩土之间摩擦系数；
FV为水平推移系统反力，单位为N；
FH为水平推移系统反力，单位为N。
为了能在试验过程灵活地改变试验条件，在步骤6中，试验过程中，根据试验需求对竖向荷载和水平位移速率进行人为调节。
为了保证竖向荷载和水平荷载的有效输出，同时，能保证位移传感器对试验桩模型的位移进行准确的测量，所述水平推移机构7和位移传感器5分别与固定安装在下部支撑装置11左右两侧的两个竖直反力梁9的内侧固定连接；竖向加载机构6与固定连接在两个竖直反力梁9之间的水平反力梁8的下端面固定连接。
为了保证竖向荷载力的稳定加载，所述竖向加载机构6的伸缩端与承载钢板4的上端中心固定连接。
本发明有效地模拟了桩身受到土体侧向压力后桩侧摩阻力的发挥特性，同时利用电控系统控制水平位移速度和竖向荷载大小，可实现对不同试验土体、不同竖向荷载下桩和土体界面力学性能规律的研究，其试验精度较高，可靠性强。同时，本发明结构简单，试验装置各部件安装、拆卸方便，并利于更换和维护，试验效率高，具有经济性和通用性。
Claims (9)
1.一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，包括固定连接在地面(14)上的下部支撑装置(11)，其特征在于，还包括电控系统、竖直反力梁(9)、水平反力梁(8)、试验箱体(2)、试验桩模型(1)、水平推移机构(7)和竖向加载机构(6)；
所述电控系统包括计算机(15)、位移传感器(5)、设置在水平推移机构(7)内的荷载传感器和设置在竖向加载机构(6)内的荷载传感器；计算机(15)分别与水平推移机构(7)的驱动器、竖向加载机构(6)的驱动器、位移传感器(5)、水平推移机构(7)内的荷载传感器和竖向加载机构(6)内的荷载传感器连接；
所述竖直反力梁(9)的数量为两个，且相对设置在下部支撑装置(11)的左右两侧，竖直反力梁(9)的下端均固定连接在地面(14)上，水平反力梁(8)的两端分别与两个竖直反力梁(9)的上端内侧固定连接；
所述试验箱体(2)的上端为敞口式结构，试验箱体(2)的下端与下部支撑装置(11)的上端固定连接，试验箱体(2)的内部装载有试验土体(3)，并于试验土体(3)的上方设置有纵向可移动地穿出试验箱体(2)的上开口端的承载钢板(4)，试验箱体(2)的左右两个侧壁上相对地开设有尺寸与试验桩模型(1)相适配的一对圆孔(16)；
所述试验桩模型(1)横向贯穿试验箱体(2)及试验土体(3)，其两端分别由一对圆孔(16)延伸到试验箱体(2)左右两端的外侧；
所述水平推移机构(7)和位移传感器(5)相对地设置在试验桩模型(1)两端的外侧，水平推移机构(7)具有固定端和相对于固定端可伸缩的伸缩端，水平推移机构(7)的固定端与一个竖直反力梁(9)的内侧固定连接，水平推移机构(7)的伸缩端与试验桩模型(1)的一端固定连接，位移传感器(5)与另一个竖直反力梁(9)的内侧固定连接，且与试验桩模型(1)的另一端相配合；
所述竖向加载机构(6)具有固定端和相对于固定端可伸缩的伸缩端，竖向加载机构(6)的固定端与水平反力梁(8)的下端固定连接，竖向加载机构(6)的伸缩端与承载钢板(4)的上端中心区域固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，其特征在于，所述试验箱体(2)与下部支撑装置(11)通过连接螺栓A(12)固定连接；下部支撑装置(11)通过连接螺栓B(13)与地面(14)固定连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，其特征在于，所述水平推移机构(7)的固定端通过固定板(10)与竖直反力梁(9)固定连接；所述竖向加载机构(6)的固定端通过固定板(10)与水平反力梁(8)固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，其特征在于，所述水平推移机构(7)的中心与试验桩模型(1)同轴心地设置，竖向加载机构(6)的中心与试验箱体(2)的中心位置相对齐地设置。
5.根据权利要求4所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，其特征在于，所述水平推移机构(7)和竖向加载机构(6)均由液压作动器、电磁换向阀和液压泵站组成，其中液压作动器通过电磁换向阀与液压泵站连接，电磁换向阀与计算机(15)连接。
6.一种桩和地基土的界面力学性能的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将试验箱体(2)与下部支撑装置(11)通过连接螺栓A(12)固定连接在一起，并将下部支撑装置(11)与地面(14)通过连接螺栓B(13)固定连接在一起；
步骤二：将试验土体(3)分层填入试验箱体(2)中，并进行适当的夯实处理，当土层高度达到圆孔(16)的位置时，停止填土并把预制好的试验桩模型(1)通过圆孔(16)穿过试验箱体(2)；
步骤三：继续进行剩余试验土体(3)的填埋，并适当夯实处理，填埋完毕后，在试验土体(3)上部放置承载钢板(4)；
步骤四：在试验桩模型(1)的两个端部外侧分别安装位移传感器(5)和水平推移机构(7)；在承载钢板(4)中心位置的上方安装竖向加载机构(6)，并通过竖向加载机构(6)向承载钢板(4)施加竖向荷载，以将竖向荷载传递给试验土体(3)；
步骤五：在试验土体(3)受到竖向荷载作用稳定之后，再通过水平推移机构(7)向试验桩模型(1)施加水平荷载；
步骤六：通过电控系统对竖向加载机构(6)和水平推移机构(7)进行控制，使竖向荷载维持恒定，并采用恒定速率控制水平荷载的加载以使试验桩模型(1)相对于试验土体(3)的剪切位移发生变化，同时，电控系统通过位移传感器(5)记录剪切位移的变化情况，通过竖向加载机构(6)和水平推移机构(7)内的荷载传感器记录竖向荷载以及水平荷载的反力变化情况；
步骤七：当剪切位移继续增大，但是水平推移机构(7)所反馈的剪切力逐渐接近某一定值不再继续增加时，试验土体(3)达到稳定状态，停止试验；
步骤八：整理在一定竖向荷载作用下试验桩模型(1)的桩身位移和桩侧摩阻力性能数据，绘制桩身水平荷载和位移之间关系曲线，得到桩侧摩阻力和桩土之间相对位移关系及竖向荷载和极限摩阻力之间关系曲线，总结出试验桩模型(1)与试验土体(3)之间的摩擦系数，其中，试验桩模型(1)的摩阻力按公式(1)计算，试验桩模型(1)与试验土体(3)之间的摩擦系数按照公式(2)计算；
式中：τ为桩土之间侧摩阻力，单位为Pa；
FH为水平推移系统反力，单位为N；
A为桩身与土层之间的接触面积，单位为cm2；
式中：μ为桩土之间摩擦系数；
FV为水平推移系统反力，单位为N；
FH为水平推移系统反力，单位为N。
7.根据权利要求6所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验方法，其特征在于，在步骤6中，试验过程中，根据试验需求对竖向荷载和水平位移速率进行人为调节。
8.根据权利要求7所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，其特征在于，所述水平推移机构(7)和位移传感器(5)分别与固定安装在下部支撑装置(11)左右两侧的两个竖直反力梁(9)的内侧固定连接；竖向加载机构(6)与固定连接在两个竖直反力梁(9)之间的水平反力梁(8)的下端面固定连接。
9.根据权利要求8所述的一种桩和地基土的界面力学性能的试验装置，其特征在于，所述竖向加载机构(6)的伸缩端与承载钢板(4)的上端中心固定连接。
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