CN110847249A

CN110847249A - 一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置

Info

Publication number: CN110847249A
Application number: CN201910974284.7A
Authority: CN
Inventors: 刘东明; 蔡国军; 乔欢欢; 荣琦
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2020-02-28

Abstract

本发明是一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，包括模型桩、模型槽、反力架、柔性钢丝绳、测量百分表、水平加载系统及上拔加载系统，模型桩位于模型槽体的中部位置，反力架上安装有若干定滑轮，一根柔性钢丝绳一端与模型桩顶部的铝制桩帽连接，另一端绕过一侧的定滑轮与水平加载系统相连；另一根柔性钢丝绳一端与模型桩顶部的铝制桩帽连接，另一端绕过反力架上另外两个定滑轮与上拔加载系统相连，测量百分表通过支架固定在模型桩的铝制桩帽与反力架中间位置。本发明的有益效果在于：本发明结构简单、操作方便、适用性强、装配便捷、低碳环保且可循环操作使用，可方便地进行各类模型桩抗上拔及水平荷载性能检测试验。

Description

一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置

技术领域

本发明涉及一种桩基础抗上拔、水平荷载性能检测的试验装置，属于岩土工程室内测试技术领域，具体应用于桩基础性能检测技术领域。

背景技术

随着城市建设规模的迅速扩大，土地资源变得日益有限，地下开挖的深度越来越大，地下结构常常承受很大的上拔力作用。此外，土木工程逐渐向地下及近海发展，在地下及近海结构的设计中，结构的抗拔问题是我们必须要考虑的问题。地下工程的抗拔措施一般有锚板基础法、增加自重法和设置抗拔桩基础等3种方法。桩基是一种历史悠久而至今仍被广泛使用的基础形式，随着社会的发展与新型材料的出现，桩基的制作由木、竹、石等天然材料向混凝土、钢材等高性能材料迈进。抗拔桩基础已经广泛地应用于工程实践中。如地下广场、地下商场以及地铁等地下工程中很多都采用抗拔桩基础。然而，抗拔桩的理论研究远落后于工程实践发展，目前为止对抗拔桩承载能力的研究很大一部分是以抗压桩理论为指导。而对于上拔荷载作用下如何求解桩的抗拔极限承载力的研究还不够成熟，对抗拔桩的工作机理研究也相对较少，更没有形成系统的、成熟的计算理论体系。因此，有必要对抗拔桩的工作机理及承载力等特性进行研究，以期能更加完善现有的抗拔桩计算理论。

桩基检测是桩基工程中必不可少的重要环节。在现场进行桩基性能检测试验，需要耗费大量的人力物力，现场试验安全管理比较困难，且无法直接观测桩周围土体的变化情况。室内模型试验相比现场试验，能够观察到桩破坏时周围土体的变化情况，节省了资源，不失为一种方便快捷高效的桩基性能检测手段。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便的室内模型桩抗上拔、水平荷载性能检测的试验装置及试验方法，可以研究桩径比、土层条件等因素对桩基抗拔性能的影响，同时可以保证施加荷载的稳定和连续。

技术方案：一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，包括模型桩、模型槽、水平支撑钢梁、竖直支撑钢梁、柔性钢丝绳、移动装置、荷载测量系统、位移测量系统、水平加载系统及上拔加载系统，其特征在于，所述模型桩位于模型槽的中部位置，水平加载系统和上拔加载系统构成加载系统，加载系统包括铝制桩帽、柔性钢丝绳、悬挂器、砝码、三角支撑架以及若干定滑轮，柔性钢丝绳一端连接悬挂器以悬挂施重砝码，另一端连接于模型桩顶部铝制桩帽的铁制挂钩上。

进一步的，所述柔性钢丝绳两端分别焊接固定与其相适配的铁制挂钩，可与模型桩顶部铝制桩帽上的铁制挂钩牢固连接。

进一步的，所述反力架包括两根竖直支撑钢梁、一根水平支撑钢梁以及两个方形支撑底座，所述水平支撑钢梁中部留有一个直径适中的圆孔，圆孔一侧焊接固定铝制双轴心直线导轨，铝制双轴心直线导轨上装有可移动并固定的两个钢制滑块，钢制滑块上焊接有螺栓。

进一步的，所述定滑轮通过配套的螺母连接固定在滑块的螺栓上，柔性钢丝绳与两个滑块滑动连接，其一端的铁制挂钩与模型桩顶部的铝制桩帽相连，另一端与挂有施重砝码的悬挂器相连。

进一步的，所述方形支撑底座中部与竖直支撑钢梁焊接连接，方形支撑底座四个角上焊接有托盖，轮架活动安装于所述托盖上，轮架可在平面内自由转动，移动轮活动安装于所述轮架上，轮架上安装有移动轮调节锁扣，通过控制锁扣来固定移动轮。

进一步的，所述竖直支撑钢梁内侧牢固焊接有两根钢筋，两根钢筋用于悬挂重物以维持试验中反力架的平衡稳定。

进一步的，所述三角支撑架焊接固定在模型槽对称两侧合适位置，三角支撑架端部焊接两块高度适中的带有螺栓的钢板，两个定滑轮通过配套的螺母固定在钢板上。

进一步的，所述模型槽由钢结构框架和钢化玻璃组成，其中三面的钢化玻璃镶嵌固定在钢结构框架上；另一面由两块分隔的大小相同的钢化玻璃组成，其中一块钢化玻璃位置固定不动，另一块钢化玻璃上设置有拉手；相邻一面的钢化玻璃上开有三个不同高度的试验孔，试验孔配有插拔式活动孔塞。

进一步的，所述钢结构框架底部上表面留有内外两条滑道，所述两块分隔的大小相同的钢化玻璃一块固定在钢结构框架底部内侧滑道上，另一块玻璃可沿钢结构框架底部外侧滑道左右移动。

进一步的，位移测量系统包括钢制支架和两个百分表。一个百分表通过支架安装固定在模型桩顶部铝制桩帽的上表面，另一个百分表通过支架安装固定在模型桩顶部铝制桩帽的侧表面；荷载测量系统包括位于柔性钢丝绳与铁制挂钩连接处的轴力计。

附图说明

图1为本发明的试验装置示意图；

图2为本发明的模型桩与圆锥头连接部分示意图；

图3为本发明的钢结构框架底部两条滑道示意图；

图中：1-柔性钢丝绳，2-定滑轮，3-百分表，4-铝制桩帽，5-悬挂器，6-砝码托盘，7-三角支撑架，8-钢筋，9-模型槽，10-模型桩，11-圆锥头，12-方形支撑底座，13-水平支撑钢梁，14-竖直支撑钢梁，15-移动轮，16-轴力计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步完整、详细的说明。

如图1所示的适用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，包括模型桩10、模型槽9、水平支撑钢梁13、竖直支撑钢梁14、柔性钢丝绳1、移动装置、荷载测量系统、位移测量系统、水平加载系统及上拔加载系统，其特征在于，模型桩10位于模型槽9的中部位置，加载系统分为水平加载系统及上拔加载系统，加载系统包括铝制桩帽4、柔性钢丝绳1、悬挂器5、砝码托盘6、三角支撑架7以及若干定滑轮2柔性钢丝绳1一端连接悬挂器5以悬挂施重砝码，另一端连接于模型桩10顶部铝制桩帽4的铁制挂钩上。

模型槽9长2米，宽1.8米，高1.6米，可避免在水平和上拔荷载下测试模型桩10时边界效应的影响。模型槽9由钢结构框架和钢化玻璃组成，其中三面的钢化玻璃镶嵌固定在钢结构框架上，另一面由两块分隔的大小相同的钢化玻璃组成，其中一块钢化玻璃位置固定不动，另一块钢化玻璃上设置有拉手；相邻一面的钢化玻璃上开有三个不同高度的试验孔，试验孔配有插拔式活动孔塞。模型槽9的四面采用无色透明的钢化玻璃以便于观察模型桩10破坏时周围土体的变化情况，其中一面采用可推拉的钢化玻璃结构可方便地进行槽内土体的更换。

如图1所示，上拔加载系统和水平加载系统相互独立，可分别独立进行抗水平荷载性能和抗上拔荷载性能试验，也可将两个装置藕合进行抗水平与上拔组合荷载性能的试验。

水平加载系统包括柔性钢丝绳1、定滑轮2、铝制桩帽4、悬挂器5、砝码托盘6。对模型桩10进行独立水平载荷试验时，模型箱9内填充试验土体，水平载荷是通过在柔性钢丝绳1一端的悬挂器5上放置砝码施加的，悬挂器5悬吊在由三角支撑架7支撑的定滑轮2上，通过定滑轮2的作用可使砝码施加的荷载保持水平，水平荷载的大小可在轴力计16上直接读取。在施加水平荷载前，记录百分表3的初始读数，通过加载装置添加静荷载，逐步添加砝码增大静态水平载荷的大小。对于每一个荷载增量，在施加荷载后的不同时间测量桩头的水平位移。当桩头变形停止时，施加下一个荷载增量。重复此步骤，直到桩体失效或达到规定的最大偏转值。

上拔加载系统包括柔性钢丝绳1、定滑轮2、铝制桩帽4、悬挂器5、砝码托盘6。对模型桩10进行独立上拔荷载试验时，模型槽9内填充试验土体，上拔荷载是通过在柔性钢丝绳1一端的悬挂器5上放置砝码施加的，悬挂器6悬吊在由三角支撑架7支撑的定滑轮2上，通过定滑轮2的作用可使砝码施加的荷载保持竖直向上，竖直荷载的大小可在轴力计16上直接读取。在施加荷载前，记录百分表3的初始读数，通过加载装置添加静荷载，逐步添加砝码增大静态上拔载荷的大小。对于每一个荷载增量，在施加荷载后的不同时间测量桩头的上拔位移。当桩头变形停止时，施加下一个荷载增量。重复此步骤，直到桩体发生破坏。

模型桩10与原桩的比例因子，使用以下公式计算：

式中，n为比例因子，(EI)_P和(EI)_m分别为原桩和模型桩10的抗弯刚度。模型桩10顶部的铝制桩帽4尺寸为100×100×22mm，可模拟桩上的静态垂直荷载，也便于施加荷载。桩帽距离模型槽9内的土表面0.5米，避免桩帽与土壤接触，保证试验测得的结果仅仅是桩土相互作用引起的，模型桩10底部的实心圆锥方便了桩的安装，也可以防止土进入空心模型桩10中。

在本实施例中，模型桩10的端部固定有一个顶角为60°的实心圆锥头。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，包括模型桩、模型槽、水平支撑钢梁、竖直支撑钢梁、方形支撑底座、柔性钢丝绳、移动装置、荷载测量系统、位移测量系统、水平加载系统及上拔加载系统，其特征在于：所述模型桩位于模型槽的中部，所述水平加载系统和上拔加载系统构成加载系统，所述加载系统包括铝制桩帽、柔性钢丝绳、悬挂器、砝码托盘、三角支撑架以及若干定滑轮，柔性钢丝绳一端连接悬挂器以悬挂施重砝码，另一端连接于模型桩顶部铝制桩帽的铁制挂钩上。

2.根据权利要求1所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述柔性钢丝绳两端分别焊接固定与其相适配的铁制挂钩，并与模型桩顶部铝制桩帽上的铁制挂钩牢固连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述竖直支撑钢梁、水平支撑钢梁以及两个方形支撑底座焊接连接，所述水平支撑钢梁中部留有一个圆孔，圆孔一侧焊接固定铝制双轴心直线导轨，所述铝制双轴心直线导轨上装有可移动并固定的两个钢制滑块，钢制滑块上焊接有螺栓。

4.根据权利要求3所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述定滑轮通过配套的螺母连接固定在滑块的螺栓上，所述柔性钢丝绳与两个滑块滑动连接，其一端的铁制挂钩与模型桩顶部的铝制桩帽相连，另一端与挂有施重砝码的悬挂器相连。

5.根据权利要求3所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述方形支撑底座中部与竖直支撑钢梁焊接连接，方形支撑底座四个角上焊接有托盖，轮架活动安装于所述托盖上，移动轮活动安装于所述轮架上，轮架可在平面内自由转动，轮架上安装有移动轮调节锁扣，通过控制锁扣来固定移动轮。

6.根据权利要求3所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述竖直支撑钢梁内侧牢固焊接有两根钢筋，两根钢筋用于悬挂重物以维持试验中反力架的平衡稳定。

7.根据权利要求1所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述三角支撑架焊接固定在模型槽对称两侧合适位置，三角支撑架端部焊接两块高度适中的带有螺栓的钢板，螺栓的两个定滑轮通过配套的螺母固定在钢板上。

8.根据权利要求1所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述模型槽由钢结构框架和钢化玻璃组成，其中三面的钢化玻璃镶嵌固定在钢结构框架上；另一面由两块分隔的大小相同的钢化玻璃组成，其中一块钢化玻璃位置固定不动，另一块钢化玻璃上设置有拉手；相邻一面的钢化玻璃上开有三个不同高度的试验孔，试验孔配有插拔式活动孔塞。

9.根据权利要求8所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述钢结构框架底部上表面留有内外两条滑道，两块分隔的大小相同的钢化玻璃一块固定在钢结构框架底部内侧滑道上，另一块玻璃可沿钢结构框架底部外侧滑道左右移动。

10.根据权利要求1所述的一种用于桩基抗拔与水平承载性能检测的室内模型装置，其特征在于：所述位移测量系统包括钢制支架和两个百分表，一个百分表通过支架安装固定在模型桩顶部铝制桩帽的上表面，另一个百分表通过支架安装固定在模型桩顶部铝制桩帽的侧表面；所述荷载测量系统包括位于柔性钢丝绳与铁制挂钩连接处的轴力计；所述模型桩的端部固定有一个顶角为60°的实心圆锥头。