CN111456117A - 一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置和方法；属于建筑桩基工程技术领域；包括模型箱、反力柱、芯桩贯入器和芯桩定位器，通过芯桩贯入器将芯桩垂直稳定地贯入到未初凝的水泥土桩内，并在芯桩定位器的配合下，保证芯桩在竖向方向不会发生偏移，通过竖向加载装置在芯桩周围的水泥土终凝后，对于劲性复合桩施加竖向荷载；本发明将模型芯桩连续贯入到未初凝的水泥土模型桩中，模型芯桩的贯入速率可控，并且能够保证桩身在贯入过程中的垂直度；在劲性复合模型桩成桩后，本发明还可以实现对于桩体的竖向加载，对于其竖向承载机理进行研究。

Description

一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置和方法

技术领域

本发明涉及建筑桩基工程技术领域，具体涉及一种用于模拟劲性复合桩成桩和竖向加载的模型试验装置和试验方法。

背景技术

在建筑桩基工程领域，采用高效、经济、节能的施工新技术代替旧的高成本、高耗能技术是行业发展的必然要求。劲性复合桩是在水泥土搅拌桩施工结束后，水泥土初凝之前，将混凝土芯桩竖直插入到水泥土搅拌桩中的一种新型复合桩，其兼具了水泥土搅拌桩桩侧摩阻力大和混凝土芯桩桩身强度高的优点。

劲性复合桩的成桩过程包含混凝土芯桩的动态连续贯入过程，在这一过程中，芯桩将对于周围的水泥土以及桩周土体产生挤密和挤扩作用，采用纯理论计算推导的方法不能够考虑芯桩连续贯入对于水泥土及桩周土体应力场和位移场的影响。目前对于劲性复合桩在竖向荷载作用下受力变形的研究，主要建立在诸如芯桩和水泥土桩接触界面不发生滑动、桩体和桩周土体变形均处于弹性范围内等假设条件的基础上，芯桩、水泥土桩以及桩周土三者之间相互作用机理尚不明确。虽然通过现场试验，可以直接对于桩体及其周围土体的受力变形进行监测，但需要耗费大量的人力、物力和时间成本，且现场试验的可重复性较差，难以进行多参数敏感性分析。相较于现场试验，室内模型试验具有成本低、可重复性好等优点，因此提出一种可以模拟劲性复合桩成桩和竖向加载的模型试验装置，将能够有效促进对于劲性复合桩的研究，推广其在工程实际中的应用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置和方法。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，包括模型箱和反力柱，两个反力柱对称设置在模型箱的两个侧板上；还包括设置在两个反力柱之间的芯桩贯入器和芯桩定位器，所述芯桩贯入器设置在芯桩定位器的正上方，所述芯桩贯入器包括直齿条，所述直齿条的一侧啮合有齿轮轴，所述齿轮轴上通过螺栓连接有旋转把手，所述直齿条的底部焊接有芯桩固定套；所述芯桩定位器包括对称设置的螺栓杆，所述螺纹杆端部上焊接有半圆柱面，两个半圆柱面在螺纹杆的转动下可组成一圆柱筒用于使芯桩定位。

进一步的，还包括竖向加载装置，所述竖向加载装置包括反力梁和千斤顶；所述千斤顶固定设置在反力梁的下表面；在贯入芯桩并拆除芯桩贯入器和芯桩定位器，待芯桩周围的水泥土终凝后，将反力梁固定设置在两个反力柱之间，使用千斤顶对于劲性复合桩施加竖向荷载。

进一步的，所述两个反力柱之间设置有连接角钢，所述芯桩贯入器设置在连接角钢的中间位置。

进一步的，所述芯桩固定套上设有紧固圈。

进一步的，芯桩定位器还包括定位长钢板和定位短钢板，所述定位长钢板固定设置在两个反力柱之间，所述定位长钢板之间焊接有两两对称的四个带有螺栓孔的定位短钢板，螺纹杆连接在同侧的两个定位短钢板上。

进一步的，所述模型箱的侧板上设置有排水管。

进一步的，所述模型箱的底部设置有滚轮。

一种采用所述试验装置的劲性复合桩成桩加载试验方法，包括以下步骤：

1）在模型箱中填筑砂土层，采用模具制作水泥土桩；

2）将芯桩贯入器和芯桩定位器安装在反力柱上，将芯桩穿过芯桩定位器，并将芯桩顶部固定在芯桩固定套上，旋转螺栓杆使其端部的两个半圆柱面与芯桩相接触，调整芯桩的位置，使其底部对准未初凝水泥土桩的顶部，并检查桩身的垂直度。

3）通过摇动旋转把手带动齿轮轴旋转，从而带动直齿条向下运动，使得芯桩连续贯入到未初凝的水泥土桩中。

4）当芯桩完全贯入到水泥土桩后，将芯桩与芯桩固定套分离，将芯桩定位器和芯桩贯入器拆下。

5）将整个模型试验装置静置待芯桩周围的水泥土终凝后，对于劲性复合桩进行竖向加载；将反力梁安装在反力柱上，将千斤顶安装在反力梁的下表面中间位置，通过千斤顶对于劲性复合桩逐级施加竖向荷载。

6）加载完成后，将千斤顶和反力梁拆下，查看桩体的变形破坏情况。

优选的，通过控制摇动旋转把手的速率来调节芯桩贯入水泥土桩的速率。

优选的，步骤1中采用PVC管作为水泥土桩模具，将其插入到砂土层表面的中心位置，在PVC管外继续分层填筑粘性土，并让土体在自重条件下进行排水固结，固结完成后，在PVC管内浇筑水泥土，然后将PVC管拔出。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为。

1）本发明提供一种用于模拟劲性复合桩成桩和竖向加载的模型试验装置，包括模型箱、反力柱、芯桩贯入器和芯桩定位器。通过旋转调节芯桩定位器上的螺栓杆，可保证芯桩在贯入过程中的桩身垂直度；并可通过芯桩贯入器控制摇动旋转把手的速率，对于芯桩的贯入速率进行调节。

2）利用本发明的模型试验装置可以先后实现对于劲性复合桩成桩和竖向加载过程的模拟，一体化程度高，大大地节约了模型试验的仪器设备成本。

3）模型箱的四个侧板上均焊接有排水管，能够实现模型箱内填筑土体的快速排水固结，大大地节省了模型试验所需要的时间。

4）本发明方法实现了模型箱内填筑土体的快速排水固结，可在保证芯桩垂直度的前提下，将其连续贯入到未初凝的水泥土模型桩中，并且模型芯桩在贯入过程中的速率可控；在劲性复合模型桩成桩后，本发明还可以对于桩体进行竖向加载，对于其竖向承载机理展开进一步研究。

附图说明

图1为本发明所述劲性复合桩成桩加载模型试验装置用于芯桩成桩的结构示意图。

图2为本发明所述劲性复合桩成桩加载模型试验装置用于对芯桩加载的结构示意图。

图3为本发明所述模型箱的结构示意图。

图4为本发明所述芯桩贯入器结构示意图。

图5为本发明所述芯桩贯入器中齿轮轴与直齿条的连接结构示意图。

图6为本发明所述芯桩定位器结构示意图。

图中：1为模型箱、2为左右侧板、3为底板、4为竖直角钢、5为水平角钢、6为前后侧板，7为排水管、8为滚轮、9为螺栓孔、10为反力柱、11为反力柱钢板、12为连接角钢、13为芯桩贯入器、14为芯桩定位器、15为直齿条、16为齿轮轴、17为旋转把手、18为芯桩固定套、19为紧固圈、20为芯桩、21为定位长钢板、22为定位短钢板、23为螺纹杆、24为半圆柱面、25为反力梁、26为反力梁钢板、27为千斤顶。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

一种用于模拟劲性复合桩成桩加载的模型试验装置，主体结构包括模型箱1、反力柱10、连接角钢12、芯桩贯入器13、芯桩定位器14。模型箱1由一个底板3、两个左右侧板2和两个前后侧板6组成，在两个左右侧板2的顶部中间位置处均开设有一列若干个螺栓孔9。底板3和左右侧板2、前后侧板6之间用水平角钢5进行连接，左右侧板2和前后侧板6之间用竖向角钢4进行连接。在两个反力柱10上开设有一列若干个螺栓孔9，螺栓孔9的间距与在左右侧板2上开设的螺栓孔9间距一致。采用螺栓将两个反力柱10对称地安装在模型箱1的两个左右侧板2上。连接角钢12和芯桩定位器14的端部均焊接有带螺栓孔的反力柱钢板11，通过螺栓将连接角钢12和芯桩定位器14安装在两个反力柱10之间，且连接角钢12的位置处于芯桩定位器14的上方。芯桩贯入器13焊接在连接角钢12的中间位置。

芯桩贯入器13内部安装有直齿条15，直齿条15的一侧啮合有齿轮轴16，齿轮轴16上通过螺栓连接有旋转把手17，直齿条15的底部焊接有芯桩固定套18，芯桩固定套18上设有紧固圈19。

芯桩定位器14包括定位长钢板21、定位短钢板22、螺栓杆23以及半圆柱面24，定位长钢板21的端部均焊接有带螺栓孔的反力柱钢板11，通过螺栓将定位长钢板21安装在两个反力柱10之间，定位长钢板21之间焊接有两两对称的四个带有螺栓孔的定位短钢板22，在每一侧的两个定位短钢板22上连接有一个螺纹杆23，螺纹杆23端部上焊接有半圆柱面24。

用于模拟劲性复合桩竖向加载的装置包括反力梁25、千斤顶27。反力梁25的端部焊接有带螺栓孔的反力柱钢板11，通过螺栓将反力梁25安装在两个反力柱10之间。千斤顶27通过螺栓和带有螺栓孔的反力梁钢板26固定安装在反力梁25的下表面中间位置。

模型箱1在两个左右侧板2和两个前后侧板6距离其底部10~30 cm的中间位置处均焊接有排水管7。模型箱1的底部四个拐角处均安装有滚轮8。

采用以上所述试验装置用于模拟劲性复合桩成桩加载试验方法包括以下步骤：

步骤一：在模型箱1中填筑30 cm厚的砂土层，取PVC管作为水泥土桩模具，将其插入到砂土层表面的中心位置，在PVC管外继续分层填筑粘性土，并让土体在自重条件下进行排水固结，固结完成后，在PVC管内浇筑水泥土，然后将其拔出。

步骤二：通过螺栓将连接角钢12和芯桩定位器14安装在反力柱10上，将芯桩20穿过芯桩定位器14，通过紧固圈19将芯桩20顶部固定在芯桩固定套18上，并旋转螺栓杆23使其端部的两个半圆柱面24与芯桩20相接触，调整芯桩20的位置，使其底部对准未初凝水泥土桩的顶部，并检查桩身的垂直度。

步骤三：通过摇动旋转把手17带动齿轮轴16旋转，从而带动直齿条15向下运动，使得芯桩20连续贯入到未初凝的水泥土桩中。可通过控制摇动旋转把手17的速率来调节芯桩贯入的速率。

步骤四：当芯桩20完全贯入到水泥土桩后，拧开紧固圈19，将连接角钢12和芯桩定位器14拆下。

步骤五：将整个模型试验装置静置28天后（即待芯桩（20）周围的水泥土终凝后），对于劲性复合桩进行竖向加载。通过螺栓将反力梁25安装在反力柱10上，将千斤顶27通过螺栓和带有螺栓孔的反力梁钢板26安装在反力梁25的下表面中间位置，通过千斤顶27对于劲性复合桩逐级施加竖向荷载。

步骤六：加载完成后，将千斤顶27和反力梁25拆下，查看桩体的变形破坏情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (10)

1.一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，包括模型箱（1）和反力柱（10），两个反力柱（10）对称设置在模型箱（1）的两个侧板上；其特征在于，还包括设置在两个反力柱（10）之间的芯桩贯入器（13）和芯桩定位器（14），所述芯桩贯入器（13）设置在芯桩定位器（14）的正上方，所述芯桩贯入器（13）包括直齿条（15），所述直齿条（15）的一侧啮合有齿轮轴（16），所述齿轮轴（16）上通过螺栓连接有旋转把手（17），所述直齿条（15）的底部焊接有芯桩固定套（18）；所述芯桩定位器（14）包括对称设置的螺栓杆（23），所述螺纹杆（23）端部上焊接有半圆柱面（24），两个半圆柱面（24）在螺纹杆（23）的转动下可组成一圆柱筒用于使芯桩（20）定位。

2.根据权利要求1所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，其特征在于，还包括竖向加载装置，所述竖向加载装置包括反力梁（25）和千斤顶（27）；所述千斤顶（27）固定设置在反力梁（25）的下表面；在贯入芯桩（20）并拆除芯桩贯入器（13）和芯桩定位器（14），待芯桩（20）周围的水泥土终凝后将反力梁（25）固定设置在两个反力柱（10）之间，使用千斤顶（27）对于劲性复合桩施加竖向荷载。

3.根据权利要求1所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，其特征在于，所述两个反力柱（10）之间设置有连接角钢（12），所述芯桩贯入器（13）设置在连接角钢（12）的中间位置。

4.根据权利要求1所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，其特征在于，所述芯桩固定套（18）上设有紧固圈（19）。

5.根据权利要求1所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，其特征在于，芯桩定位器（14）还包括定位长钢板（21）和定位短钢板（22），所述定位长钢板（21）固定设置在两个反力柱（10）之间，所述定位长钢板（21）之间焊接有两两对称的四个带有螺栓孔的定位短钢板（22），螺纹杆（23）连接在同侧的两个定位短钢板（22）上。

6.根据权利要求1所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，其特征在于，所述模型箱（1）的侧板上设置有排水管（7）。

7.根据权利要求1所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验装置，其特征在于，所述模型箱（1）的底部设置有滚轮（8）。

8.一种采用权利要求2所述试验装置的劲性复合桩成桩加载试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在模型箱（1）中填筑砂土层，采用模具制作水泥土桩；

2）将芯桩贯入器（13）和芯桩定位器（14）安装在反力柱（10）上，将芯桩（20）穿过芯桩定位器（14），并将芯桩（20）顶部固定在芯桩固定套（18）上，旋转螺栓杆（23）使其端部的两个半圆柱面（24）与芯桩（20）相接触，调整芯桩（20）的位置，使其底部对准未初凝水泥土桩的顶部，并检查桩身的垂直度；

3）通过摇动旋转把手（17）带动齿轮轴（16）旋转，从而带动直齿条（15）向下运动，使得芯桩（20）连续贯入到未初凝的水泥土桩中；

4）当芯桩（20）完全贯入到水泥土桩后，将芯桩（20）与芯桩固定套（18）分离，将芯桩定位器（14）和芯桩贯入器（13）拆下；

5）将整个模型试验装置静置待芯桩（20）周围的水泥土终凝后，对于劲性复合桩进行竖向加载；将反力梁（25）安装在反力柱（10）上，将千斤顶（27）安装在反力梁（25）的下表面中间位置，通过千斤顶（27）对于劲性复合桩逐级施加竖向荷载；

6）加载完成后，将千斤顶（27）和反力梁（25）拆下，查看桩体的变形破坏情况。

9.根据权利要求8所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验方法，其特征在于，通过控制摇动旋转把手（17）的速率来调节芯桩（20）贯入水泥土桩的速率。

10.根据权利要求8所述的一种劲性复合桩成桩加载模型试验方法，其特征在于，步骤1中采用PVC管作为水泥土桩模具，将其插入到砂土层表面的中心位置，在PVC管外继续分层填筑粘性土，并让土体在自重条件下进行排水固结，固结完成后，在PVC管内浇筑水泥土，然后将PVC管拔出。

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