CN111021440A - Cpt一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置及方法，涉及软土地基加固技术领域，试验装置包括：按比例缩尺的软土地基模型，按比例缩尺的复合土工封装散体桩模型，定位装置，CPT系统，加载系统及测试元器件。试验方法包括：模型填筑，采用分层填筑方法；安放成桩套筒并填料，逐步上拔并振捣；堆载预压；组装CPT系统并进行CPT试验；组装加载并系统进行静载试验。以测试流固耦合条件下复合土工封装散体桩的受力变形与孔压消散，联合CPT试验预测单桩承载力，为复合土工封装散体桩的设计和应用提供理论依据。

Description

CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及软土地基加固技术领域，特别涉及一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置及方法。

背景技术

复合土工封装散体桩，在加固不排水抗剪强度低于15kPa的软弱黏土路基这一领域，有着经济环保和性能高效的优势。在桩基方案设计中，单桩承载力的确定方法十分重要，目前确定复合土工封装散体桩竖向承载力的方式主要集中在理论计算方法和现场静载试验。目前的理论计算结果常与现场静载试验结果存在一定的出入，而现场静载试验费用高。此外，关于复合土工封装散体桩流固耦合条件下的桩身沉降、径向变形和孔压消散规律尚不明确。静力触探（CPT）技术既可以作为桩基工程的勘察手段，也可以作为原位测试的手段，凭借其快速检测，经济高效的优势被广泛应用。其贯入机理可与复合土工封装散体桩的施工较为类似，采用联合CPT的室内模型试验，是解决上述问题较好的手段，但目前缺乏相应的CPT一体化的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明提供一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置及方法，以探明流固耦合条件下复合土工封装散体桩的受力变形以及孔压消长规律，确定复合土工封装散体桩竖向承载力，为复合土工封装散体桩的设计和应用提供理论依据。

本发明解决上述问题所采用的技术方案如下：

一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，所述试验装置包括：

按比例缩尺的软土地基模型：所述软土地基模型填筑于模型槽内，所述软土地基模型包括底部持力层、中部软黏土层和上部碎石垫层；

按比例缩尺的复合土工封装散体桩模型：所述复合土工封装散体桩模型通过定位装置安放在软黏土层；

加载系统：所述加载系统通过荷载板逐级作用于碎石垫层上表面并传递向复合土工封装散体桩模型顶部；

测试元器件：所述测试元器件布设于复合土工封装散体桩模型周以及基准梁上；

CPT系统：所述CPT系统用于进行室内CPT试验。

进一步地，所述CPT系统包括梯形架、框架椅及CPT仪，所述梯形架通过开槽翼板可在模型槽上方任意指定位置固定，所述框架椅可在梯形架任意指定位置固定，所述CPT仪设置在框架椅上。

进一步地，所述定位装置包括定位杆和定位圈，所述定位杆通过开槽翼板可在模型槽上任意指定位置固定，定位圈可卡在定位杆任意指定位置。

进一步地，所述加载系统包括荷载板、千斤顶、反力架、反力梁、铁棒及反力梁托，所述千斤顶置于荷载板上，所述反力梁未加载时搭在反力梁托上，加载后反顶在铁棒上。

进一步地，所述测试元器件包括用于测试土压力的土压力盒、用于测试复合土工封装散体桩模型径向变形的膨胀计、用于测试孔隙水压力的孔隙水压力计、用于测试沉降变形的位移计及百分表。

进一步地，所述土压力盒沿复合土工封装散体桩模型的桩长方向、桩周方向分别间隔设置。

进一步地，所述膨胀计沿复合土工封装散体桩模型的桩长方向间隔设置。

进一步地，所述孔隙水压力计沿模型槽对角线间隔设置，并且埋设于软黏土层中。

进一步地，所述位移计和百分表通过磁力支座吸附在基准梁上。

上述的CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

①填筑持力层，并在持力层上铺土工布；

②通过定位装置将外层套有复合土工材料的PVC成桩套筒竖直安置在模型槽中央并向PVC成桩套筒中灌入散体材料，在PVC成桩套筒与复合土工材料之间涂油润滑，以方便上拔；

③分层填筑软黏土，在填筑过程中埋设土压力盒、膨胀计及孔隙水压力计，每填一层，上拔PVC成桩套筒；

④在填筑完成后的软黏土上，铺设一层土工布，然后填筑碎石垫层并进行堆载预压，堆载完成后卸下堆载物，并静置12小时；

⑤安装CPT系统，在设计位置进行CPT试验，CPT试验完成后卸下CPT系统；

⑥组装加载系统和基准梁，将位移计和百分表通过磁力支座吸附在基准梁上，将土压力盒、膨胀计、孔隙水压力计和位移计导线与信号采集仪连接；

⑦采用千斤顶分级加载，并根据排水边界条件控制泄水孔阀门，直到复合地基破坏。

本发明的有益效果：本发明提供的试验装置和试验方法能够有效快速测试流固耦合作用下复合土工封装散体桩的单桩承载力、径向变形、沉降变形以及孔压消长。联合CPT试验，能够预测复合土工封装散体桩的单桩承载力，并与静载试验进行对比验证，为复合土工封装散体桩的设计和应用提供理论依据；模型试验实施流程清晰，可操作性强。

附图说明

图1是本发明的CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置的结构示意图；

图2是本发明的CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置的加载系统的组装示意图；

图3是本发明的CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置的定位装置的布置安装示意图；

图4是本发明的CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置的CPT系统的布置安装示意图；

图中，1-反力架，2-反力梁，3-铁棒，4-反力梁托，5-模型槽，6-泄水孔，7-基准梁，8-荷载板，9-定位杆，10-定位圈，11-CPT仪，12-框架椅，13-梯形架，14-开槽翼板，15-持力层，16-软黏土层，17-碎石垫层，18-复合土工封装散体桩模型，19-土压力盒，20-膨胀计，21-孔隙水压力计，22-位移计，23-百分表，24-加载系统，25-千斤顶，26-定位装置，27-PVC成桩套筒，28-CPT系统。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1、图3和图4，本发明的一种CPT一体化的复合土工封装散体桩的室内模型试验装置，试验装置包括：

按比例缩尺的软土地基模型：软土地基模型填筑于模型槽5内，软土地基模型包括底部持力层15、中部软黏土层16和上部碎石垫层17；

按比例缩尺的复合土工封装散体桩模型18：复合土工封装散体桩模型18通过定位装置26安放在软黏土层16；

加载系统24：加载系统24通过荷载板8逐级作用于碎石垫层17上表面并传递向复合土工封装散体桩模型18顶部；

测试元器件：测试元器件布设于复合土工封装散体桩模型18周以及基准梁7上；

CPT系统28：CPT系统28用于进行室内CPT试验。

本发明能有效快速测试流固耦合条件下复合土工封装散体桩的单桩承载力、径向变形、桩身沉降以及孔压消长，联合CPT试验预测复合土工封装散体桩的单桩承载力并与静载试验对比验证。为复合土工封装散体桩的设计和应用提供理论依据；模型试验实施流程清晰，可操作性强。

参照图1，测试元器件包括用于测试土压力的土压力盒19、用于测试复合土工封装散体桩模型18径向变形的膨胀计20、用于测试孔隙水压力的孔隙水压力计21、用于测试沉降变形的位移计22及百分表23。软黏土层16采用分层填筑方式，共分六层进行填筑。每进行一次填筑，沿土工封装散体桩模型桩周埋置相应的土压力盒19、膨胀计20和孔隙水压力计21，位移计22和百分表23通过磁力支座吸附在基准梁7上。

参照图2和图3，加载系统24包括荷载板8、千斤顶25、反力架1、反力梁2、铁棒3及反力梁托4，千斤顶25安装于荷载板8上，上部顶在反力梁2上，反力梁2未加载时搭在反力梁托4上，加载后反顶在铁棒3上。为了便于分级加载并稳定荷载，千斤顶25为手摇式双油路千斤顶25。

参照图3，定位装置26包括定位杆9和定位圈10，定位杆9可由螺栓固定在模型槽5上任意指定位置固定，定位圈10可卡在定位杆9上，并根据试验所设计的桩径选用不同大小的定位圈10。

参照图4，CPT系统28包括梯形架13、框架椅12及CPT仪11，梯形架13通过开槽翼板14可在模型槽5上方任意指定位置固定，框架椅12可在梯形架13任意指定位置固定，CPT仪11设置在框架椅12上，梯形架13和框架椅12组合可将CPT仪11移动至任意位置进行CPT试验。

上述的一种CPT一体化的复合土工封装散体桩的室内模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

①填筑持力层15：将晒干后的粘土粉碎，按比例掺入河沙、石膏、水泥，干拌均匀后再加水搅拌均匀，然后将拌料分层填筑至模型箱内，每层 5cm 厚，利用自制夯锤人工充分夯实，每层夯实后应进行拉毛处理再填筑上层填土，以避免交界面形成分层，最终形成20cm厚的持力层15，并在其上铺设一层土工布；

②如图3，使用定位装置26使定位圈10中心对准模型槽5中心，将套有复合土工材料的PVC成桩套筒27穿过定位圈10放置在指定位置，并向PVC成桩套筒27中灌入散体材料，复合土工材料与PVC成桩套筒27之间涂油润滑，方便后续上拔脱去PVC成桩套筒27；

③如图1，分6层填入软黏土，土压力盒19埋置在第0、2、4、6层，每层土压力盒19沿桩周对称安置4个，左右两土压力盒19水平放置用以测量竖向土压力，前后两土压力盒19竖直放置用以测量水平土压力；膨胀计20环绕复合土工封装散体桩安置在第1、2、3、4、5层；孔隙水压力计21安置在第1、3、5层，每层孔隙水压力计21沿模型槽5对角线方向由模型槽5中央向外间隔安置。每填筑一层软黏土，将PVC成桩套筒27缓慢上拔相同的高度，并振捣筒内散体材料；

④如图1，在软黏土层16完全填筑好后，铺设一层土工布，并填筑碎石垫层17，静置12小时，堆载预压24小时后再静置12小时，堆载荷载大小为5kPa，采用铁块进行堆载，堆载完毕后，卸下堆载物，静置12小时；

⑤如图4，安装CPT系统28，通过螺栓将梯形架13和框架椅12与模型槽5进行组装，将装有T-bar的CPT仪11固定在框架椅12上，在设计测点位置进行CPT试验，试验完成后卸下CPT系统28；

⑥如图1安装加载系统24：通过磁力支座将位移计22和百分表23吸附在基准梁7上，将测试元器件导线与信号采集仪连接；通过加载系统24进行分级加载，自加载起前一个小时内，按时间间隔 5、 10、 15、 15、 15 分钟分别测读一次位移计22和百分表23读数，之后每隔 30min 读一次位移计22和百分表23数据，直到位移计22示数连续一小时内的累计沉降小于 0.1mm 时认为沉降稳定，开始继续施加下一级荷载。加载至地基破坏后，卸除加载装置，立即开挖出地基土体，并测量不同位置处软土的含水量，然后调整软土含水量，准备下一组实验 。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述试验装置包括：

按比例缩尺的软土地基模型：所述软土地基模型填筑于模型槽（5）内，所述软土地基模型包括底部持力层（15）、中部软黏土层（16）和上部碎石垫层（17）；

按比例缩尺的复合土工封装散体桩模型（18）：所述复合土工封装散体桩模型（18）通过定位装置（26）安放在软黏土层（16）；

加载系统（24）：所述加载系统（24）通过荷载板（8）逐级作用于碎石垫层（17）上表面并传递向复合土工封装散体桩模型（18）顶部；

测试元器件：所述测试元器件布设于复合土工封装散体桩模型（18）周以及基准梁（7）上；

CPT系统（28）：所述CPT系统（28）用于进行室内CPT试验。

2.根据权利要求1所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述CPT系统（28）包括梯形架（13）、框架椅（12）及CPT仪（11），所述梯形架（13）通过开槽翼板（14）可在模型槽（5）上方任意指定位置固定，所述框架椅（12）可在梯形架（13）任意指定位置固定，所述CPT仪（11）设置在框架椅（12）上。

3.根据权利要求1所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述定位装置（26）包括定位杆（9）和定位圈（10），所述定位杆（9）通过开槽翼板（14）可在模型槽（5）上任意指定位置固定，定位圈（10）可卡在定位杆（9）任意指定位置。

4.根据权利要求1所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述加载系统（24）包括荷载板（8）、千斤顶（25）、反力架（1）、反力梁（2）、铁棒（3）及反力梁托（4），所述千斤顶（25）置于荷载板（8）上，所述反力梁（2）未加载时搭在反力梁托（4）上，加载后反顶在铁棒（3）上。

5.根据权利要求1所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述测试元器件包括用于测试土压力的土压力盒（19）、用于测试复合土工封装散体桩模型（18）径向变形的膨胀计（20）、用于测试孔隙水压力的孔隙水压力计（21）、用于测试沉降变形的位移计（22）及百分表（23）。

6.根据权利要求5所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述土压力盒（19）沿复合土工封装散体桩模型（18）的桩长方向、桩周方向分别间隔设置。

7.根据权利要求5所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述膨胀计（20）沿复合土工封装散体桩模型（18）的桩长方向间隔设置。

8.根据权利要求5所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述孔隙水压力计（21）沿模型槽（5）对角线间隔设置，并且埋设于软黏土层（16）中。

9.根据权利要求5所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置，其特征在于：所述位移计（22）和百分表（23）通过磁力支座吸附在基准梁（7）上。

10.如权利要求1-9任一项所述的一种CPT一体化的土工封装散体桩室内模型试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

①填筑持力层（15），并在持力层（15）上铺土工布；

②通过定位装置（26）将外层套有复合土工材料的PVC成桩套筒（27）竖直安置在模型槽（5）中央并向PVC成桩套筒（27）中灌入散体材料，在PVC成桩套筒（27）与复合土工材料之间涂油润滑，以方便上拔；

③分层填筑软黏土，在填筑过程中埋设土压力盒（19）、膨胀计（20）及孔隙水压力计（21），每填一层，上拔PVC成桩套筒（27）；

④在填筑完成后的软黏土上，铺设一层土工布，然后填筑碎石垫层（17）并进行堆载预压，堆载完成后卸下堆载物，并静置12小时；

⑤安装CPT系统（28），在设计位置进行CPT试验，CPT试验完成后卸下CPT系统（28）；

⑥组装加载系统（24）和基准梁（7），将位移计（22）和百分表（23）通过磁力支座吸附在基准梁（7）上，将土压力盒（19）、膨胀计（20）、孔隙水压力计（21）和位移计（22）导线与信号采集仪连接；

⑦采用千斤顶（25）分级加载，并根据排水边界条件控制泄水孔（6）阀门，直到复合地基破坏。

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