CN111155567A - 一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置及其测试方法，本发明的试验装置主要包括：外箱、土样盒、加压盖板、打桩器等。其中土样盒由多个等刚度侧壁单元组成，等刚度侧壁单元外侧设有弹簧和限位柱；本发明通过一定刚度的弹簧模拟远场等刚度土体、通过微型打桩器模拟打桩过程，解决了室内试验中无法准确模拟土体边界条件的问题，操作简单，试验结果准确，优势突出。本发明在装土量大大减少的条件下很好地在室内还原了目标场地的土体边界条件，保证室内桩基模型试验的边界条件与实际现场具有较好的一致性；并且可以模拟不同深度处的土体；通过调节不同的桩锤落距或桩锤质量，还可模拟不同的打桩方式。

Description

一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置及测试 方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置及测试方法。

背景技术

目前来看，桩基础是应用最为广泛的一种基础形式。在桩基础的受荷特性研究中，常常需要开展大量的室内模型试验。真实情况下，对竖向受荷桩而言，桩-土体系为等刚度边界条件，即桩基受荷过程中，桩-土界面发生剪切，这将导致界面附近土体产生体积变化(剪胀、剪缩)，在等刚度边界条件下桩侧受到的土体法向力发生改变，进而影响桩-土界面摩擦力的发挥。现有研究表明，界面附近土体的体积变化对桩基的承载力具有重要影响，1mm左右的体积缩小就可能导致桩侧法向力的显著丧失。因此，在桩基的室内模型试验中，桩-土体系的边界条件控制尤为重要。现在的室内模型试验，为实现等刚度的边界条件需要装填大量的土体，一般来讲，需要控制土体边界到桩的距离大于100D(D为桩径)，装填土体工作量太大。由此导致开展室内打桩试验费时费力。

现有研究表明，打桩方式对桩基的后续承载特性具有重要影响。在实际施工过程中，采用何种方式进行桩基安装以及打桩锤重量的选取、打桩能量的选取均具有重要的工程意义，但是，目前尚未发现有相关实验装置可在等刚度土体边界条件下对打桩方式进行细致研究。

发明内容

本发明针对室内试验过程中土体的等刚度模拟以及打桩过程的模拟问题，现有技术中存在很多不足、无法完全复现实际工况的情况下，提出了一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置及测试方法。本发明通过不同刚度的弹簧模拟远场土体等效刚度，通过上部加压盖板中的加压气囊施加竖向应力来模拟不同深度处的土体；并通过打桩器模拟实际打桩过程。具有刚度可调节、加载方便、边界条件更为贴合实际、打桩锤落距可调节等诸多优点，解决了科研过程中实验仪器无法反应真实土体边界条件的问题。

本发明采取以下技术方案：

一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，包括外箱、土样盒、加压盖板、打桩器和模型桩；

所述的土样盒位于外箱内部，所述的外箱和土样盒之间设有限位板；所述的加压盖板设于外箱上方；所述的限位板上开有限位孔；

所述的土样盒为正方体结构，正方体的四个侧面均由若干侧壁单元拼装而成；所述的土样盒内部铺设土工织物，用于装填土样，土样内设有土压力计和孔压计；所述的侧壁单元内侧为一块平整钢板，拼装时须保证位于同一侧的等刚度侧壁单元的内侧面在同一平面内；所述的等刚度侧壁单元外侧设有弹簧和四根限位柱，所述的弹簧可更换，其端部还固定有橡胶垫，防止打桩过程中在弹簧中产生的应力波再次反射；所述的限位柱的另一端插入限位孔中，用于限制弹簧只发生轴向位移而不会出现偏斜；为减小限位柱与限位孔之间的摩擦，限位柱上涂有润滑油；

所述的加压盖板下方安装有加压气囊，加压盖板上开有气孔，通过气孔可向加压气囊内充气，加压盖板上还设有气压计，用于监测加压气囊内的压力；加压盖板的中心处还设有打桩孔，供打桩器穿过；所述的打桩器用于将模型桩打入土样内。

上述技术方案中，优选的，相邻的等刚度侧壁单元之间由橡胶条连接。

优选的，加压盖板与外箱采用螺栓连接，所述的外箱下部设有排水孔，用于土样的固结排水。

优选的，所述的外箱上设有反力架，所述的打桩器通过直线轴承与反力架连接。

优选的，打桩器自下而上依次设有夹桩器、锤垫、桩锤和电磁铁；所述的夹桩器用于夹持模型桩，使模型桩只能上下运动而不发生的水平位移，在打桩过程中整个夹桩器和模型桩协同向下运动；所述的直线轴承设于夹桩器两端；锤垫与夹桩器刚性螺栓连接，以防止夹桩器被打坏；所述的桩锤可更换以改变质量，模拟不同的锤击能量。

优选的，夹桩器采用螺栓旋拧的方式夹紧模型桩的桩头，与桩头接触处设有橡皮垫。

本发明还提供一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验的测试方法，采用上述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，具体包括如下步骤：

1)拼装土样盒：先拼装每个侧面最底层的等刚度侧壁单元，并将其外侧的限位柱插入限位孔中，最底层的侧壁单元全部安装完成之后再安装橡胶条，之后依次向上安装直至完成，土样盒不同侧面之间的侧壁单元采用橡胶条连接。全部的侧壁单元安装完成后，须调整等刚度侧壁单元的位置，使得同一侧面上的若干侧壁单元全部位于同一平面内；

2)将土样装入土样盒中，盖上加压盖板，充气达到设定压力，不同的压力模拟不同的土体深度，具体的压力值可以根据实际试验中需要模拟的土体深度确定；待排水固结后，将模型桩穿过打桩孔竖直置于土样上，将打桩器安装于模型桩上方，并用夹桩器夹住模型桩上端；根据试验要求调整桩锤落距，将桩锤提升至电磁铁下方，通电由电磁铁吸附固定，断电后桩锤落在锤垫上，重复此步骤直至模型桩入土深度达到试验设置的深度。

本发明的发明原理为：

通过可更换的弹簧模拟远场土体的等刚度边界条件，每个等刚度侧壁单元由限位板限位，防止单元发生法向之外的变形，各等刚度侧壁单元之间由橡胶条进行密封，土样盒由若干个等刚度侧壁单元组成，加压盖板中部设有打桩孔，板下有加压气囊，可以提供给土体竖向压力，加压盖板与外箱采用螺栓连接；打桩孔直径的改变通过更换不同的加压盖板来实现。

本发明的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置主要包括以下三个方面：第一，本发明采用多个等刚度侧壁单元的形式模拟远场等刚度土体，刚度的控制可以通过弹簧的更换来实现。第二，加压盖板上的加压气囊可以施加竖向压力，来模拟不同深度处的土体。第三，打桩器通过电磁铁对桩锤的吸附以及通断电来实现打桩过程的模拟。

本发明具有以下优点:

1、本发明在装土量大大减少的条件下很好地在室内还原了目标场地的土体边界条件，保证室内桩基模型试验的边界条件与实际现场具有较好的一致性；

2、本发明可模拟不同深度处的土体；

3、本发明可模拟不同的打桩方式，通过不同的桩锤落距或桩锤质量加以调节。

附图说明

图1是可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置示意图；

图2是等刚度土样箱示意图；

图3是等刚度侧壁单元侧视图；

图4是等刚度侧壁单元正视图；

图5是限位板正视图；

图6是加压盖板正视图；

图7是土样盒俯视图；

图8是打桩器示意图；

其中，1、外箱，2、土样盒，3、加压盖板，4、限位板，5、等刚度侧壁单元，6、橡胶条，7、限位柱，8、弹簧，9、加压气囊，10、气孔，11、打桩孔，12、打桩器，13、夹桩器，14、桩锤，15、电磁铁，16、锤垫，17、模型桩，18、土工织物，19、排水孔，20、土压力计，21、孔压计，22、气压计，23、反力架，24、橡胶垫，25、限位孔，26、直线轴承。

具体实施方式

本发明中的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，包括外箱1、土样盒2、加压盖板3、打桩器12和模型桩17。土样盒2设于外箱1内，外箱1与土样盒2之间设有限位板4，以便控制等刚度侧壁单元5只发生轴向位移；限位板4上开有限位孔25；外箱1下部设有排水孔19，用于土样的固结排水，土样内设有孔压计21，用于测量土样内孔压，以便获得固结或打桩过程中土样中的孔压响应；土样盒2的侧壁由多个等刚度侧壁单元5组成，模拟实际远场土体的等刚度边界条件，土样盒2内部铺有土工织物18，作为土样排水固结的水流通道，装样时可将土压力计20埋于土样内；等刚度侧壁单元5之间通过橡胶条6相连接；等刚度侧壁单元5上设有限位柱7和弹簧8，所述的限位柱7的另一端插入限位孔25中，用于限制弹簧8只发生轴向位移而不会出现偏斜，限位柱7上还涂有润滑油，用于减小其与限位孔之间的摩擦；等刚度侧壁单元5上的弹簧8用于实现对远场土体的等刚度模拟，弹簧8初始时处于自然状态，其端部固定有橡胶垫24，用以避免打桩过程中远场土体产生的振动对试验造成二次影响；所述的加压盖板3下方安装有加压气囊9，加压盖板3上开有气孔10；加压盖板3上还设有气压计22，用于监测加压气囊9内的压力；加压盖板3的中心处还设有打桩孔11，供打桩器12穿过；通过气孔10对加压气囊9充气，气囊膨胀对土体施加竖向压力，根据模拟土体深度的不同施加相应的气囊压力；加压盖板3与外箱1采用螺栓连接；打桩器12通过直线轴承26与反力架23相连，起到约束桩端水平位移的作用。

所述的打桩器12自下而上依次设有夹桩器13、锤垫16、桩锤14和电磁铁15；所述的夹桩器13用于夹持模型桩17；所述的直线轴承26设于夹桩器13两端；锤垫16与夹桩器13刚性螺栓连接，以防止夹桩器被打坏；所述的桩锤14可更换以改变质量，模拟不同的锤击能量。夹桩器13采用螺栓旋拧的方式夹紧模型桩17的桩头，与桩头接触处设有橡皮垫。

等刚度侧壁单元上5的弹簧8可根据试验要求选取符合条件的弹簧，弹簧刚度与土体应力状态、密实度、桩径等因素有关，具体弹簧刚度取值可按照规范中的经验公式进行计算。

具体试验流程和操作步骤如下：

步骤1：拼装土样盒并放入外箱中；

步骤2：根据试验要求进行装样，放置土压力计，并整平，装样高度应与土样盒上表面平齐；

步骤3：盖上加压盖板，并拧紧螺栓，充气加压并达到设计压力，待土样排水固结；

步骤4：将模型桩穿过打桩孔轻轻放在土样上，再用夹桩器夹紧模型桩的上端部，调整落距；

步骤5：缓慢提升桩锤至电磁铁处，电磁铁通电固定紧桩锤，然后电磁铁断电，桩锤落在锤垫上，冲击夹桩器，将模型桩和夹桩器一起向下打入；

步骤6：重复步骤5，直至模型桩打入设计深度处。

Claims (7)

1.一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，其特征在于，包括外箱(1)、土样盒(2)、加压盖板(3)、打桩器(12)和模型桩(17)；

所述的土样盒(2)位于外箱(1)内部，所述的外箱(1)和土样盒(2)之间设有限位板(4)；所述的加压盖板(3)设于外箱(1)上方；所述的限位板(4)上开有限位孔(25)；

所述的土样盒(2)为正方体结构，正方体结构的四个侧面均由若干侧壁单元(5)拼装而成；所述的土样盒(2)内部铺设土工织物(18)，用于装填土样，土样内设有土压力计(20)和孔压计(21)；所述的等刚度侧壁单元(5)内侧为一块平整钢板，拼装时须保证位于同一侧的等刚度侧壁单元(5)的内侧面在同一平面内；所述的等刚度侧壁单元(5)外侧设有弹簧(8)和四根限位柱(7)，所述的弹簧(8)可更换，其端部还固定有橡胶垫(24)；所述的限位柱(7)的另一端插入限位孔(25)中，用于限制弹簧(8)只发生轴向位移而不会出现偏斜，限位柱(7)上涂有润滑油，用于减小其与限位孔之间的摩擦；

所述的加压盖板(3)下方安装有加压气囊(9)，加压盖板(3)上开有气孔(10)，通过气孔(10)可向加压气囊(9)内充气，加压盖板(3)上还设有气压计(22)，用于监测加压气囊(9)内的压力；加压盖板(3)的中心处还设有打桩孔(11)，供打桩器(12)穿过；所述的打桩器(12)用于将模型桩(17)打入土样内。

2.根据权利要求1所述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，其特征在于，相邻的等刚度侧壁单元(5)之间由橡胶条(6)连接。

3.根据权利要求1所述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，其特征在于，所述的加压盖板(3)与外箱(1)之间采用螺栓连接，所述的外箱(1)下部设有排水孔(19)，用于土样的固结排水。

4.根据权利要求1所述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，其特征在于，所述的外箱(1)上设有反力架(23)，所述的打桩器(12)通过直线轴承(26)与反力架(23)连接。

5.根据权利要求4所述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，其特征在于，所述的打桩器(12)自下而上依次设有夹桩器(13)、锤垫(16)、桩锤(14)和电磁铁(15)；所述的夹桩器(13)用于夹持模型桩(17)；所述的直线轴承(26)设于夹桩器(13)两端；锤垫(16)与夹桩器(13)刚性螺栓连接，以防止夹桩器被打坏；所述的桩锤(14)可更换以改变质量，模拟不同的锤击能量。

6.根据权利要求4所述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，其特征在于，所述的夹桩器(13)采用螺栓旋拧的方式夹紧模型桩(17)的桩头，与桩头接触处设有橡皮垫。

7.一种可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置测试方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的可反应真实土体边界条件的多种打桩试验装置，具体包括如下步骤：

1)拼装土样盒(2)：先安装最底层的等刚度侧壁单元(5)，其外侧的限位柱(7)先插入对应位置的限位孔(25)中，最底层的等刚度侧壁单元(5)全部安装完成之后再安装橡胶条(6)，之后依次向上安装直至完成，全部的等刚度侧壁单元(5)安装完成后，须调整等刚度侧壁单元(5)的伸出位置，使得同一侧面上的等刚度侧壁单元(5)全部位于同一平面；然后将土样盒(2)装入外箱中；

2)进行打桩试验：将土样装入土样盒(2)中，盖上加压盖板(3)，充气达到设定压力，不同的压力模拟不同的土体深度，具体的压力值可以根据实际试验中需要模拟的土体深度确定；待排水固结后，将模型桩(17)穿过打桩孔(11)竖直置于土样上，将打桩器(12)安装在模型桩(17)的上方，并用夹桩器(13)夹住模型桩(17)；根据试验要求调整桩锤(14)落距，将桩锤(14)提升至电磁铁(15)下方，通电由电磁铁(15)吸附固定，断电后桩锤(14)落在锤垫(16)上，重复此步骤直至模型桩(17)入土深度达到试验设置的深度。

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