CN111287227A - 一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法及装置 - Google Patents

一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法及装置 Download PDF

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李文智
曹君林
马浩
袁蕾
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D33/00—Testing foundations or foundation structures

Abstract

本发明涉及一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法及装置，采用主动施加压力的方法，节约了大量的试验时间；本方法采用千斤顶加压系统来控制荷载，便于控制，可准确模拟测得试桩在不同荷载条件下桩体轴力、桩周摩阻力的分布规律；桩体轴力、桩周摩阻力随桩深的变化规律；负摩阻力的中性点随填土厚度、桩周地层性能的变化规律。

Description

一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法及装置
技术领域
本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法及装置。
背景技术
在正常条件下，桩顶施加向下的力使桩身产生向下的压缩位移，桩侧表面的土体则对桩身表面产生与桩身位移相反即向上的摩阻力，即正摩阻力。但由于桩周土欠固结等原因导致桩侧土体自己下沉且土体沉降量大于桩的沉降时，桩侧土体将对桩产生与桩位移一致即向下的摩阻力，称为负摩阻力。
现有对碎石土高填方地基桩侧摩阻力试验方法还没有，对桩侧负摩阻力的测试方法主要是针对软土地区或黄土地区，依靠土的自身固结，结合桩身埋设的钢筋计来测试，主要存在以下两个问题：
(1)靠桩周土自身固结需要的测试时间太长，往往需要数月甚至数年；
(2)现有方法不太适用于高填方碎石土地基。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法及装置，采用主动施加压力的方法，节约了大量的试验时间；采用千斤顶加压系统来控制荷载，便于控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，该方法步骤为：
S1：在填土厚度差别较大的位置分别挖坑浇筑试桩，在同一地层里，按照固定间距L在试桩内预埋均匀分布的设钢筋计；
S2：准备一块中间开孔的压板，将压板置于填土表面，并使得试桩顶部位于压板的开孔内；
S3：以试桩为中心在压板上对称设置四个千斤顶，四个千斤顶采用并联的方式由同一油泵控制；
S4：将两根主梁分别放置在同一斜边上的两个千斤顶上，使得两根主梁彼此平行；
S5：在主梁上逐级加载负荷，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试验进行到满足试验要求终止加载条件，然后维持桩周荷载不变，并连续进行观测桩身内力的变化，最后分级卸荷到零。
进一步的，所述L的取值为0.5-3米。
进一步的，所述开孔为圆形、矩形或正多边形。
进一步的，所述试桩同一断面上对称分布四个钢筋计。
进一步的，所述S5中，每级荷载加载量和卸载量为桩周土最大加载量的1/10。
进一步的，每级荷载施加后，立即测读桩身内力数据，2小时候加载下一级，在加载下一级荷载之前再测读一次，每级荷载共测读两次数据，当加载到最大荷载，测读桩身内力和沉降数据以后，并维持桩周荷载不变连续测读10次，每两小时测读一次。
进一步的，数据处理时，应删除异常测点数据，求出同一断面有效测点的应变平均值，并应按下式计算该断面处的桩身轴力:
Figure BDA0002393870880000021
式中：Qi—桩身第i断面处轴力，单位kN；
Figure BDA0002393870880000022
—第i断面处应变平均值，长期监测时应消除桩身徐变影响；
Ei—第i断面处桩身材料弹性模量，单位kPa；当混凝土桩桩身测量断面与标定断面两者的材质、配筋一致时，应按标定断面处的应力与应变的比值确定；
Ai—第i断面处桩身截面面积，单位m2；
每级试验荷载下，应将桩身不同断面处的轴力值制成表格，并绘制轴力分布图，桩侧土的分层侧阻力和桩端阻力应分别按下列公式计算：
Figure BDA0002393870880000023
Figure BDA0002393870880000024
式中：qsi—桩第i断面与i+1断面间侧阻力，单位kPa；
qp—桩的端阻力，单位kPa；
桩检测断面序号，i＝1,2,3……，n，并桩顶以下从小到大排列；
u—桩身周长，单位m；
li—第i断面与第i+1断面之间的桩长，单位m；
Qn—桩端的轴力，单位(kN)；
A0—桩端面积，单位m2。
一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试装置，该装置包括买入填方内的试桩、主梁、压板、千斤顶、负荷和数据采集仪；
所述试桩内沿轴向均匀预埋多个钢筋计，所述数据采集仪用于采集钢筋计的实时数据；
所述压板中心开孔，放入试桩顶部，使得试桩位于开孔中心，以试桩为中心在压板上对称放置四个千斤顶，同一斜边上的千斤顶上放置一根主梁，主梁上放置负荷。
进一步的，所述压板为正方形，四个千斤顶位于方形板四角或四边中点。
进一步的，所述负荷选用钢锭或砼试压块。
本发明的有益效果是：
(1)由于碎石土地基固结时间较短，在外力作用下短时间内就可完成，本方法采用主动施加压力的方法，节约了大量的试验时间；
(2)本方法采用千斤顶加压系统来控制荷载，便于控制，可准确模拟测得试桩在不同荷载条件下桩体轴力、桩周摩阻力的分布规律；桩体轴力、桩周摩阻力随桩深的变化规律；负摩阻力的中性点随填土厚度、桩周地层性能的变化规律。
附图说明
图1为本发明装置的俯视图；
图2为本发明装置主视图；
图3为试桩断面内钢筋计分布示意图；
图4为S4-1桩加载轴力分布曲线；
图5为S4-1桩卸载轴力分布曲线；
图6为S4-1桩加载侧阻力分布曲线；
图7为S4-1桩卸载侧阻力分布曲线；
图8为S4-2桩加载轴力分布曲线；
图9为S4-2桩卸载轴力分布曲线；
图10为S4-2桩加载侧阻力分布曲线；
图11为S4-2桩卸载侧阻力分布曲线；
图12为S4-3桩加载轴力分布曲线；
图13为S4-3桩卸载轴力分布曲线；
图14为S4-3桩加载侧阻力分布曲线；
图15为S4-3桩卸载侧阻力分布曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下。
在正常条件下，桩顶施加向下的力使桩身产生向下的压缩位移，桩侧表面的土体则对桩身表面产生与桩身位移相反即向上的摩阻力，即正摩阻力。但由于桩周土欠固结等原因导致桩侧土体自己下沉且土体沉降量大于桩的沉降时，桩侧土体将对桩产生与桩位移一致即向下的摩阻力，称为负摩阻力。此时若在桩身埋设应力应变测试元件，则桩身某一断面处轴力即为此断面之上桩周介质的负摩阻力，利用该原理即可测试因桩周土层固结沉降的过程中产生的负摩阻力。
煤场区回填土未能达到消除填土对桩基产生负摩阻力的压实度，此种土体在桩侧大面积堆载或大面积填土时可发生固结沉降，从而产生桩基负摩阻力。本试验即基于此两点之上利用地面堆载强迫固结沉降的方式测试工程区特定介质结构下的负摩阻力大小及分布规律。
一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，该方法步骤为：
S1：在填土厚度差别较大的位置分别挖坑浇筑试桩1，在同一地层里，按照固定间距L在试桩1内预埋均匀分布的设钢筋计6；
S2：准备一块中间开孔的压板3，将压板3置于填土表面，并使得试桩1顶部位于压板3的开孔内；
S3：以试桩1为中心在压板3上对称设置四个千斤顶5，四个千斤顶5采用并联的方式由同一油泵控制；
S4：将两根主梁2分别放置在同一斜边上的两个千斤顶5上，使得两根主梁2彼此平行；
S5：在主梁2上逐级加载负荷，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试验进行到满足试验要求终止加载条件，然后维持桩周荷载不变，并连续进行观测桩身内力的变化，最后分级卸荷到零。
作为一种优选实施例，L的取值为0.5-3米，根据地勘资料勘探孔揭示的地层情况，在不同地层分界处布设钢筋计6。在本实施例中，同一地层里，按照2m的间距布设钢筋计6，用于量测钢筋竖向应力和桩身应变，进而推算桩身轴力和桩身侧摩阻力。在地面处设置一个测量断面为标定断面，每一个断面对称布设4只钢筋计6，其结构参考图3所示。
作为一种优选实施例，开孔为圆形、矩形或正多边形。
作为一种优选实施例，S5中，每级荷载加载量和卸载量为桩周土最大加载量的1/10，桩周荷载按最大加载量140kPa进行考虑，每级加载量约为14kPa。
作为一种优选实施例，每级荷载施加后，立即测读桩身内力数据，2小时候加载下一级，在加载下一级荷载之前再测读一次，每级荷载共测读两次数据，当加载到最大荷载，测读桩身内力和沉降数据以后，并维持桩周荷载不变连续测读10次，每两小时测读一次。
作为一种优选实施例，采用弦式钢筋计，根据率定系数将钢筋计的实测频率换算成力值，再将力值换算成与钢筋计断面处混凝土应变相等的钢筋应变量。数据处理时，应删除异常测点数据，求出同一断面有效测点的应变平均值，并应按下式计算该断面处的桩身轴力:
Figure BDA0002393870880000051
式中：Qi—桩身第i断面处轴力，单位kN；
Figure BDA0002393870880000052
—第i断面处应变平均值，长期监测时应消除桩身徐变影响；
Ei—第i断面处桩身材料弹性模量，单位kPa；当混凝土桩桩身测量断面与标定断面两者的材质、配筋一致时，应按标定断面处的应力与应变的比值确定；
Ai—第i断面处桩身截面面积，单位m2；
每级试验荷载下，应将桩身不同断面处的轴力值制成表格，并绘制轴力分布图，桩侧土的分层侧阻力和桩端阻力应分别按下列公式计算：
Figure BDA0002393870880000053
Figure BDA0002393870880000054
式中：qsi—桩第i断面与i+1断面间侧阻力，单位kPa；
qp—桩的端阻力，单位kPa；
桩检测断面序号，i＝1,2,3……，n，并桩顶以下从小到大排列；
u—桩身周长，单位m；
li—第i断面与第i+1断面之间的桩长，单位m；
Qn—桩端的轴力，单位kN；
A0—桩端面积，单位m2。
一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试装置，该装置包括买入填方内的试桩1、主梁2、压板3、千斤顶5、负荷7和数据采集仪4；
试桩1内沿轴向均匀预埋多个钢筋计6，数据采集仪4用于采集钢筋计6的实时数据；
压板3中心开孔，放入试桩1顶部，使得试桩1位于开孔中心，以试桩1为中心在压板3上对称放置四个千斤顶5，千斤顶5底部放置两层刚性压板，采用放脚结构，采用并联的方式将4个千斤顶5用同一油泵控制。同一斜边上的千斤顶5上放置一根主梁2，主梁2上放置负荷7。
作为一种优选实施例，压板为正方形，采用一块5.5m*5.5m，中间开1.3m*1.3m方形孔，四个千斤顶5位于方形板四角或四边中点，负荷7选用钢锭或砼试压块。
本实施例抽查三个试桩1的检测数据如下表：
Figure BDA0002393870880000061
其具体数据参考图4-15，根据本次检测3根试桩的桩侧负摩阻力试验结果分析得出：
(1)在地面堆载的情况下，桩身轴力及桩周摩阻力均随堆载重量的增加而增加，在地面最大堆载重量(荷载140kPa)的情况下：S4-1桩最大桩身轴力为583kN，最大桩侧负摩阻力为-31.8kPa；S4-2桩最大桩身轴力为514kN，最大桩侧负摩阻力为-22.7kPa；S4-3桩最大桩身轴力为548kN，最大桩侧负摩阻力为-27.3kPa。
(2)桩身轴力开始时随桩深长度的增加而增加，在中性点位置达到最大轴力，而后沿桩深长度的增加而逐渐减小；桩周摩阻力开始时随桩深长度的增加而迅速增大，在距桩顶2m左右的位置达到最大值，而后逐渐减小，在距桩顶4m左右的位置出现一个较小值，然后又逐渐增大，在距桩顶6m左右距桩顶出现另一个较大值，然后迅速减小，在中性点处变为0，随后表现为正摩阻力，正摩阻力迅速增大，在中性点以下1m左右的位置达到最大值，而后逐渐减小，桩身轴力及桩侧摩阻力变化情况详见轴力分布曲线及侧阻力分布曲线。
(3)中性点深度随填土厚度的增加而增加，中性点深度比范围在0.52～0.59之间
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)

1.一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，该方法步骤为：
S1：在填土厚度差别较大的位置分别挖坑浇筑试桩(1)，在同一地层里，按照固定间距L在试桩(1)内预埋均匀分布的设钢筋计(6)；
S2：准备一块中间开孔的压板(3)，将压板(3)置于填土表面，并使得试桩(1)顶部位于压板(3)的开孔内；
S3：以试桩(1)为中心在压板(3)上对称设置四个千斤顶(5)，四个千斤顶(5)采用并联的方式由同一油泵控制；
S4：将两根主梁(2)分别放置在同一斜边上的两个千斤顶(5)上，使得两根主梁(2)彼此平行；
S5：在主梁(2)上逐级加载负荷，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试验进行到满足试验要求终止加载条件，然后维持桩周荷载不变，并连续进行观测桩身内力的变化，最后分级卸荷到零。
2.根据权利要求1所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，所述L的取值为0.5-3米。
3.根据权利要求2所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，所述开孔为圆形、矩形或正多边形。
4.根据权利要求1所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，所述试桩(1)同一断面上对称分布四个钢筋计(6)。
5.根据权利要求1所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，所述S5中，每级荷载加载量和卸载量为桩周土最大加载量的1/10。
6.根据权利要求5所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，每级荷载施加后，立即测读桩身内力数据，2小时候加载下一级，在加载下一级荷载之前再测读一次，每级荷载共测读两次数据，当加载到最大荷载，测读桩身内力和沉降数据以后，并维持桩周荷载不变连续测读10次，每两小时测读一次。
7.根据权利要求6所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试方法，其特征在于，数据处理时，应删除异常测点数据，求出同一断面有效测点的应变平均值，并应按下式计算该断面处的桩身轴力:
Figure FDA0002393870870000011
式中：Qi—桩身第i断面处轴力，单位kN；
Figure FDA0002393870870000012
—第i断面处应变平均值，长期监测时应消除桩身徐变影响；
Ei—第i断面处桩身材料弹性模量，单位kPa；当混凝土桩桩身测量断面与标定断面两者的材质、配筋一致时，应按标定断面处的应力与应变的比值确定；
Ai—第i断面处桩身截面面积，单位m2；
每级试验荷载下，应将桩身不同断面处的轴力值制成表格，并绘制轴力分布图，桩侧土的分层侧阻力和桩端阻力应分别按下列公式计算：
Figure FDA0002393870870000021
Figure FDA0002393870870000022
式中：qsi—桩第i断面与i+1断面间侧阻力，单位kPa；
qp—桩的端阻力，单位kPa；
桩检测断面序号，i＝1,2,3……，n，并桩顶以下从小到大排列；
u—桩身周长，单位m；
li—第i断面与第i+1断面之间的桩长，单位m；
Qn—桩端的轴力，单位(kN)；
A0—桩端面积，单位m2。
8.一种实现权利要求1-7中任一项所述的碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试装置，其特征在于，该装置包括买入填方内的试桩(1)、主梁(2)、压板(3)、千斤顶(5)、负荷(7)和数据采集仪(4)；
所述试桩(1)内沿轴向均匀预埋多个钢筋计(6)，所述数据采集仪(4)用于采集钢筋计(6)的实时数据；
所述压板(3)中心开孔，放入试桩(1)顶部，使得试桩(1)位于开孔中心，以试桩(1)为中心在压板(3)上对称放置四个千斤顶(5)，同一斜边上的千斤顶(5)上放置一根主梁(2)，主梁(2)上放置负荷(7)。
9.根据权利要求8所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试装置，其特征在于，所述压板为正方形，四个千斤顶(5)位于方形板四角或四边中点。
10.根据权利要求8所述的一种碎石土高填方地基桩侧摩阻力测试装置，其特征在于，所述负荷(7)选用钢锭或砼试压块。
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