CN112922051B - 一种用于静载荷模型试验的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于静载荷模型试验的装置和方法，属于岩土工程试验技术领域。设计一套可组装的静载荷模型试验装置，将模型桩垂直压入土层中，并进行静载荷模型试验。该装置由固定于模型箱上的可控转速的旋转加压单元、桩身侧向稳定单元、连接单元和扭矩消除单元构成。该方法不仅适用于长细模型桩的压入，同时适用于对模型桩及复合地基、天然地基进行静载荷试验检测。

Description

一种用于静载荷模型试验的装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程试验技术领域，特别涉及一种可组装的、能保证桩身稳定的静载荷模型试验装置和方法，同时适用于对模型桩及复合地基进行静载荷试验。

背景技术

静载荷试验是目前检验单桩或复合地基承载力的各种方法中应用最广的一种方法。该试验手段显著的优点是受力条件接近实际，试验结果直观，但是试验规模及费用相对较大，因此人们通常采用试验规模及费用相对较小的模型试验来研究桩基和复合地基的特征。在进行单桩或复合地基静载荷模型试验时，首先需要将模型桩身压入土层中，然后再进行加载试验，试验时必须要有提供压力的加压系统。目前常用的加压系统有堆载压重平台和特制的反力架。如申请号为CN 201710725284.4《一种螺旋桩施工和竖向承载力试验装置》，采用了堆载压重的方法，通过在主支架两端放置混凝土配重块提供支撑反力，为旋转压入。如刘干斌等.饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36(10):2535-2543，采用了特制的活动反力装置，包括底盘、立柱和反力梁，采用工字钢构造，螺栓连接。上述文献所涉及的装置存在体积庞大、制作成本高、移动和拆装困难、试验操作复杂等缺点。此外上述文献所涉及的装置在压入模型桩身时均没有对桩身进行侧向约束，存在无法保证桩身垂直度，容易使桩身产生弯曲破坏和失稳破坏，并由此导致某些由PVC、木材、素混凝土、水泥砂浆材料制作的模型桩身无法被压入土层中，造成压桩失败的难题。

为解决静载荷模型试验目前存在的上述问题，需要更完善的试验装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种用于静载荷模型试验的装置和方法，用于对模型桩和复合地基、天然地基进行静载荷试验。该装置采用可组装结构，组件轻巧并采用螺栓连接，人工操作方便快捷，利用模型箱体刚度保证装置稳定，无需压重平台和特制反力架，节省了费用，利用螺旋丝杠配合扭矩消除单元施加压力，通过变速电机控制桩身压入速度，通过隔板保证桩身垂直度和侧向稳定，防止压桩时桩身产生弯曲破坏和失稳破坏。

为解决上述技术难题，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种用于静载荷模型试验的装置，该装置包括模型箱、固定于模型箱上的可控转速的旋转加压单元，其特征在于，该装置还包括桩身侧向稳定单元、连接单元和扭矩消除单元，连接单元用于将桩身侧向稳定单元和模型箱固定在一起，扭矩消除单元设置在加压单元与模型桩之间，用于消除由于加压单元旋转对待压入模型桩产生的扭矩；桩身侧向稳定单元用于保持压桩过程中模型桩和加压单元的旋转轴的垂直度和稳定性。

桩身侧向稳定单元由可组装的支架构成，包括上部构件、下部构件、中部构件，上部构件包括由两个方形隔板及固定在两个方形隔板之间的上部桩身导管构成；下部构件由两个方形隔板及固定在两个方形隔板上的下部桩身导管构成；中部构件采用十字形隔板；所述中部构件的数量为多个；所有隔板之间自上而下均通过多根立柱一层层可拆卸固定在一起，桩身侧向稳定单元的高度不小于模型桩的桩长；所有隔板均横向布置，所有导管均位于隔板的中轴线上，上部桩身导管直径与加压单元的旋转轴的直径一致，上部桩身导管带有内螺纹，与加压单元的旋转轴配合，下部桩身导管的直径与模型桩的直径一致。

所述立柱竖向布置，采用角钢制作，高度200mm，在顶端、中间和底端分别用2mm厚等腰三角形钢片焊接成加劲肋，加劲肋中间开小圆孔，用来与隔板进行螺栓连接；隔板厚度不小于2mm，隔板中心位置开有圆形限位孔，圆形限位孔的直径与模型桩的直径相同，隔板根据圆形限位孔的直径不同配有多种规格，满足不同直径模型桩的安装需求，隔板四个角中部开小圆孔，位置与加劲肋中小圆孔位置相同，用于螺栓连接；上部构件的两个方形隔板分别位于四根立柱的顶部和中部，一个中部构件的十字形隔板位于四根立柱的底部，通过螺栓与加劲肋连接，形成框架结构；两个方形隔板之间的距离为100mm，方形隔板的边长为200mm-400mm；

所述下部构件的两个方形隔板安装在另一组立柱的中间和底端的加劲肋上，在该组立柱的顶端加劲肋上固定一个中部构件的十字形隔板，形成框架结构；下部桩身导管焊接在两个方形隔板的圆形限位孔上，

中部构件的数量为多个时，也按照上述方式在一组立柱上形成框架结构后再通过螺栓依次将框架结构连成一体。

所述下部构件采用为多种规格，每种规格的下部构件上的下部桩身导管伸出其下方方形隔板的距离不等，多种规格的下部构件上的下部桩身导管伸出其下方方形隔板的距离呈等差数列，使下部桩身导管的最下端距离模型桩最终位置顶面的距离不超过200mm。

等差数列为0cm、10cm、20cm、30cm等。

所述加压单元包括变速电机和螺旋丝杠，通过变速电机驱动螺旋丝杠向下旋转，产生压力，从而将模型桩压入土中或为静载荷试验提供压力；所述螺旋丝杠的端头直径小于带螺纹段的直径，在端头周向设置有限位凹槽；

所述扭矩消除单元包括圆柱形开口空心杯座、圆形限位环、弹性钢珠和钢珠，螺旋丝杠端头与扭矩消除单元连接时，端头置于杯座的空心腔内，在杯座内壁上与限位凹槽同高位置安装有弹性钢珠，螺旋丝杠端头与扭矩消除单元连接在一起时弹性钢珠恰好位于限位凹槽内，在螺旋丝杠端头与杯座内底之间固定安装有圆形限位环，圆形限位环与杯座的圆心重合，圆形限位环与杯座内壁之间的空间内安装钢珠，螺旋丝杠端头底面与钢珠顶面相接触；杯座的外径等于模型桩直径，内径等于螺旋丝杠端头直径。

所述螺旋丝杠带螺纹段的直径为10mm-50mm，螺距为2mm-5mm；弹性钢珠沿杯座内壁均匀对称设置且不少于2颗；杯座壁厚不小于5mm，底厚不小于5mm。

所述的连接单元包括方形钢管和若干固定螺栓，所述方形钢管的截面尺寸不小于50mm×100mm，壁厚不小于3mm，方形钢管通过螺栓将桩身侧向稳定单元与模型箱连接固定，安装时方形钢管水平设置于模型箱顶面，并保持方形钢管与模型箱的短边平行，与长边垂直状态；方形钢管沿长度方向在模型箱短边平面内，方形钢管的上下两端均开设有若干圆孔，根据压桩点试验要求，通过螺栓将桩身侧向稳定单元与模型箱固定在压桩点位置，连接单元将桩身侧向稳定单元和加压单元与模型箱紧密连接在一起，依靠模型箱自身的刚度保证整个装置的稳定。

在扭矩消除单元和模型桩之间安装有数据采集单元，数据采集单元包括压力传感器和数显千分表，所述压力传感器量程为0t-3.0t，精度0.03％，用于测量压桩或进行静载荷试验时的压力值；所述数显千分表量程为0mm-50.8mm，精度0.1％，用于测量静载荷试验时桩身的沉降量。

第二方面，本发明提供一种用于静载荷模型试验的方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

根据试验要求制作模型箱并填筑试验土体，确定试验点位置；根据试验点位置沿模型箱短边方向布置两根方形钢管，使试验点位于两根方形钢管中间，两根方形钢管中心距与桩身侧向稳定单元的宽度一致，方形钢管两端用螺栓与模型箱连接；

压桩：根据待压入模型桩直径选择螺旋丝杠，加工内部带有螺纹的上部桩身导管、下部桩身导管、螺旋丝杠的端头、扭矩消除单元；组装下部构件，调整下部构件在两根方形钢管上的位置，使试验点位于下部桩身导管的中心处，通过固定螺栓将下部构件固定于两根方形钢管上；根据模型桩长度选择若干个中部构件，中部构件通过固定螺栓与下部构件连接，从下向上依次排列连接，所有中部构件连接完成后，要求待压入模型桩的顶面高度不超过最上一个中部构件的顶面高度；将待压入模型桩从上向下穿入上部构件的上部桩身导管、中部构件的圆形限位孔和下部构件的下部桩身导管，此时模型桩底端正位于试验点位处；将上部构件通过固定螺栓与中部构件连接，将螺旋丝杠旋出内部带有螺纹的上部桩身导管，通过限位弹性钢珠和限位凹槽将扭矩消除单元与螺旋丝杠底端的端头连接，在模型桩顶和扭矩消除单元之间放入橡胶垫和压力传感器，旋转螺旋丝杠，使模型桩、橡胶垫、压力传感器、扭矩消除单元和螺旋丝杠紧密接触在一起；

将螺旋丝杠顶端与变速电机相连，根据试验加压速度要求和螺旋丝杠螺距计算出电机转速并在变速电机上设定该转速；

打开变速电机电源，正向驱动，将螺旋丝杠向下旋进，按试验要求记录压力传感器数据；当模型桩被压入到预定深度时，关闭变速电机电源，停止加压；

打开变速电机电源，反向驱动，将螺旋丝杠和扭矩消除单元向上提升至可操作高度后，关闭变速电机电源，取出压力传感器和橡胶垫，完成压桩；

模型桩静载荷试验：将刚性加载圆柱按试验要求置于模型桩桩顶，刚性加载圆柱的直径与模型桩直径相同，将数显千分表沿轴线对称设置于刚性加载圆柱外端边缘，将压力传感器放置于刚性加载圆柱上，打开变速电机电源，正向驱动，将螺旋丝杠和扭矩消除单元向下旋进，使压力传感器、刚性加载圆柱、模型桩顶紧密接触在一起后，关闭变速电机电源；将压力传感器和数显千分表读数归零；

打开变速电机电源，正向驱动，将螺旋丝杠向下旋进，当达到某一级荷载时，关闭变速电机电源停止增加压力，同时注意观察压力传感器传来的压力值；在沉降稳定期内，压力值可能产生变化，此时通过正转或反转变速电机加以调整，使压力稳定在设计荷载；当本级荷载测定完成后，记录压力值和沉降值，打开变速电机电源进入下一级荷载测定；

静载荷试验结束时，打开变速电机电源，反向驱动，将螺旋丝杠和扭矩消除单元向上提升至可操作高度后，依次拆除数据采集单元、加压单元、桩身侧向稳定单元和连接单元，进行下一个压桩点位的静载荷试验；

复合地基静载荷试验：选择大于模型桩直径的刚性加载板置于模型桩桩顶代替刚性加载圆柱，再安装数显千分表、压力传感器，然后按照模型桩静载荷试验的过程进行复合地基静载荷试验；

天然地基静载荷试验：不需要进行压桩，直接在试验点位置，将安装有内部带有螺纹的上部桩身导管上部构件和下部桩身导管的下部构件从上至下固定在一起，将螺旋丝杠旋出内部带有螺纹的上部桩身导管，通过限位弹性钢珠和限位凹槽将扭矩消除单元与螺旋丝杠底端的端头连接，在天然地基顶面和扭矩消除单元之间放入刚性加载板和压力传感器，旋转螺旋丝杠，使然地基顶面、刚性加载板、压力传感器、扭矩消除单元和螺旋丝杠紧密接触在一起；将数显千分表沿轴线对称设置于刚性加载板外端边缘，然后按照模型桩静载荷试验的过程进行天然地基静载荷试验。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明装置中设置可控转速的旋转加压单元可由试验人员随时控制加压速度和旋转方向，为试验带来方便，同时设置桩身侧向稳定单元能保持压桩过程中模型桩的垂直度和稳定性，不仅适用于静载荷模型试验中桩身的压入，也适用于进行模型桩、复合地基、天然地基的静载荷试验检测。当桩身压入完成后，不需要拆除任何构件，仅需加入数据采集单元，就可以进行模型桩或复合地基的静载荷试验检测，试验效率高。

(2)本发明的加压单元采用螺旋丝杠旋转加压，螺旋丝杠由变速电机驱动，加压速度和旋转方向可由试验人员随时控制，为试验带来方便；螺旋丝杠可选规格型号多，对应的配套多种规格型号的上部桩身导管，长度和螺距组合可满足不同试验需求。

(3)本发明的桩身侧向稳定单元由上中下3种独立构件组成，中部构件的数量可以根据模型桩长度、试验类型进行加减，可以灵活组装，高度可调，适用于对不同桩长的模型桩进行试验。

(4)本发明的桩身侧向稳定单元中的内部带有螺纹的上部桩身导管具有一定长度，并与上下两片方形隔板垂直焊接，可以保障上部桩身导管的垂直度，从而保证螺旋丝杠垂直行进，对模型桩施加竖向压力，消除由于螺旋丝杠晃动引起的偏心荷载带来的影响；下部桩身导管具有一定长度，并与上下两片方形隔板垂直焊接，配置不同伸出长度规格，可以保障模型桩垂直进入土层中，解决了压桩过程中桩身容易出现倾斜的问题，保证了成桩质量。

(5)本发明桩身侧向稳定单元中的十字形隔板和方形隔板的限位孔均可根据不同试验桩径进行加工，且与立柱之间为螺栓连接，拆装、更换方便，十形字隔板的数量可根据需要增减，安装位置可调；十字形隔板和方形隔板能有效约束模型桩的侧向变形，增加模型桩竖向稳定性，提高桩身抗压能力；当模型箱内土层顶面距离下部桩身导管出口较远时，可调整下部桩身导管的长度来保证桩身具有足够的侧向约束；桩身侧向稳定单元解决了某些由PVC、木材、素混凝土、水泥砂浆材料制作的模型桩身由于弯曲破坏和失稳破坏造成压桩失败的难题。

(6)本发明的扭矩消除单元采用轴承工作原理，经特殊设计，通过弹性限位钢珠与加压的螺旋丝杠连接，解决了如何消除螺旋丝杠旋转加压时由于摩擦对模型桩产生扭矩时遇到的困难。

(7)本发明的装置全部采用钢材加工制作，可重复使用，强度高，能提供较大试验荷载；大部分组件采用螺栓连接，整体性好，变形小，试验稳定性高；加压单元和稳定单元尺寸可调，螺旋丝杠、桩身导管、隔板等组件制作方便且易于更换，适用范围广。

本发明的装置制作成本低，经济性好，试验效果好，试验效率高；本发明的方法操作简单，对试验人员技术要求低，适合推广。

附图说明

图1为本发明用于模型桩压入的设备安装结构示意图。

图2(a)为本发明中上部构件形成的框架结构的主视结构示意图。

图2(b)为本发明中上部构件形成的框架结构的俯视结构示意图。

图3(a)为本发明中三个中部构件形成的框架结构的主视结构示意图。

图3(b)为本发明中三个中部构件形成的框架结构的俯视结构示意图。

图4(a)为本发明中下部构件形成的框架结构的主视结构示意图。

图4(b)为本发明中下部构件形成的框架结构的俯视结构示意图。

图5为本发明中螺旋丝杠的结构示意图。

图6(a)为本发明中扭矩消除单元的主视结构示意图。

图6(b)为本发明中扭矩消除单元的俯视结构示意图。

图7为本发明用于静载荷试验的设备安装结构示意图。

图8为本发明实施例1中静载荷试验结果图。

图中：1、变速电机，2、具有特制端头的螺旋丝杠，3、方形隔板，4、固定螺栓，5、内部带有螺纹的上部桩身导管，6、十字形隔板，7、扭矩消除单元，8、压力传感器，9、橡胶垫，10、模型桩，11、下部桩身导管，12、方形钢管，13、模型箱，14、试验土体，15立柱，16、加劲肋，17、圆形限位孔，18、圆形限位环，19、圆形杯座，20、弹性钢珠，21、钢珠，22、限位凹槽，23、刚性加载板，24、数显千分表，25、上部构件，26、中部构件，27、下部构件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种用于静载荷模型试验的装置和方法，该装置由固定于模型箱上的可控转速的旋转加压单元、桩身侧向稳定单元、连接单元和扭矩消除单元构成。

加压单元包括变速电机1和具有特制端头的螺旋丝杠2。具有特制端头的螺旋丝杠2的长度和直径可以根据试验桩长和直径的要求进行制作和加工，螺旋丝杠旋入的速度可以通过螺距和变速电机1的转速加以调整，以满足试验设计要求，通过变速电机1驱动螺旋丝杠2向下旋转，产生压力，从而将桩压入土中或为静载荷试验提供压力。所述螺旋丝杠2直径为10mm-50mm，螺距为2mm-5mm，通过变速电机的转速和螺旋丝杠的螺距，可设定模型桩试验中的压桩速度，以满足试验设计要求。特制端头的直径与扭矩消除单元7的内径相同，特制端头上有一圈限位凹槽22，如图5所示。当螺旋丝杠通过特制端头与扭矩消除单元7连接时，弹性钢珠20位于限位凹槽22内，端头底面与钢珠21顶面相接触。

桩身侧向稳定单元由可组装的支架构成，包括上部构件、下部构件、中部构件，上部构件包括由两个方形隔板3及固定在两个方形隔板之间的上部桩身导管5构成；下部构件由两个方形隔板及固定在两个方形隔板上的下部桩身导管11构成；中部构件采用十字形隔板6；所述中部构件的数量为多个。

所有隔板之间自上而下均通过多根立柱15一层层可拆卸固定在一起，桩身侧向稳定单元的高度不小于模型桩的桩长；所有隔板均横向布置，所有导管均位于隔板的中轴线上，上部桩身导管直径与加压单元的旋转轴的直径一致，上部桩身导管带有内螺纹，与加压单元的旋转轴配合，下部桩身导管与模型桩的直径一致。

所述立柱15竖向布置，采用角钢制作，高度200mm，在顶端、中间和底端分别用2mm厚等腰三角形钢片焊接成加劲肋16，加劲肋中间开小圆孔，用来与隔板进行螺栓连接；隔板厚度不小于2mm，隔板中心位置开有圆形限位孔17，圆形限位孔17的直径与模型桩10的直径相同，隔板根据圆形限位孔的直径不同配有多种规格，满足不同直径模型桩的安装需求，隔板四个角中部开小圆孔，位置与加劲肋16中小圆孔位置相同，用于螺栓连接；上部构件的2个方形隔板3分别位于四根立柱15的顶部和中部，一个中部构件的十字形隔板6位于四根立柱15的底部，通过螺栓4与加劲肋16连接，形成框架结构，如图2(a)、图2(b)所示。

上部桩身导管5内部带有螺纹。内部带有螺纹的上部桩身导管5焊接于两个方形隔板3之间，长度100mm，内径与螺旋丝杠2的外径相同，螺距与螺旋丝杠2的螺距相同。内部带有螺纹的上部桩身导管5可使螺旋丝杠2旋转通过，籍此产生压力并保持螺旋丝杠2垂直。两个方形隔板3之间的垂直距离为100mm，方形隔板的边长为200mm-400mm；上部构件平面边长可根据试验设计调整，一般控制在200mm-400mm之间为宜。

图3(a)、图3(b)为多个中部构件组装在一组立柱中的结构示意图，中部构件为横向设置的十字形隔板6，中部构件平面为正方形，三个十字形隔板6分别位于4根立柱15的顶部、中部和底部，通过螺栓与加劲肋16连接，形成框架结构。相邻两个十字形隔板6设置的垂直距离为100mm。

下部构件平面为正方形，两个方形隔板安装在另一组立柱的中间和底端的加劲肋上，在该组立柱的顶端加劲肋上固定一个中部构件的十字形隔板6，形成框架结构，如图4(a)、图4(b)所示；下部桩身导管11焊接在两个方形隔板3的圆形限位孔17上，且下部桩身导管11伸出位于下部的方形隔板一段距离。下部桩身导管11内径与模型桩10外径相同。当下部构件底面距离模型桩最终顶面的距离较大时，可适当增大下部桩身导管11的长度，使下部桩身导管11的最下端距离模型桩10最终位置顶面的距离不超过200mm。

桩身侧向稳定单元中各隔板(含方形隔板3和十字形隔板6)按垂直间距100mm的原则设置。

方形隔板3和十字形隔板6水平布置，厚度不小于2mm，两种隔板中心位置均开有圆形限位孔17，圆形限位孔17直径与模型桩10直径相同，四个角中部开小圆孔，位置与加劲肋16中小圆孔位置相同。

上、中、下部构件中隔板与立柱15的布置方法和尺寸相同，中部构件的数量为多个时，也按照上述方式在一组立柱上形成框架结构后再通过螺栓依次将框架结构连成一体。本申请也可以根据需要将立柱高度设置为与两个方形隔板之间的距离相同，在十字形隔板数量不能像上面框架结构组成一体时，也可以单独形成一层框架结构，再与相邻的上部构件、下部构件或中部构件连接在一起，使用方便。

桩身侧向稳定单元中的方形隔板3用来增加构件的刚度、保证内部带有螺纹的上部桩身导管5和下部桩身导管11的垂直度；所述桩身侧向稳定单元中的十字形隔板6一方面用来增加构件的刚度和保证模型桩10的垂直度，另一方面用来约束模型桩10侧向位移，增强模型桩10的侧向稳定性，避免模型桩10发生失稳弯曲和破坏。十字形隔板6的作用是约束桩身侧向位移，受力较小，所以采用十字形设计，既能节省材料，又能减轻重量。方形隔板3的作用是增加构件抵抗变形的能力，保证上部导管和下部导管的垂直度，同时抵抗压桩反力，受力较大，采用方形钢板能尽量保证平面完整。

桩身侧向稳定单元至少包含上部构件和下部构件，中部构件数量可根据模型桩10实际长度相应增减。当中部构件与上部构件或下部构件通过螺栓4连接时，在连接面处可仅设一道十字形隔板6，该十字形隔板6位于相邻构件的中间位置。

连接单元包括方形钢管12和若干固定螺栓4，所述方形钢管12的截面尺寸不小于50mm×100mm，壁厚不小于3mm，方形钢管12为桩身侧向稳定单元与模型箱13的连接部件，安装时水平设置于模型箱13顶面，并保持方形钢管12与模型箱13的短边平行，与长边垂直状态，短边固定时，试验反力引起的变形更小，方形钢管抵抗弯曲变形的能力大于相同质量的圆钢管，此外在方形钢管上采用螺栓连接比圆钢管更方便、更牢固、体积小，便于进行模型实验。

方形钢管12沿长度方向在模型箱13短边平面内根据预先试验设计开若干圆孔，其中位于两端部位的圆孔用于连接方形钢管12和模型箱13，位于中间部位的圆孔用于连接方形钢管12和下部构件，连接方式均采用螺栓连接。

试验中所需数据采集单元包括压力传感器8和数显千分表24。所述压力传感器8量程为0t-3.0t，精度0.03％，用于测量压桩或进行静载荷试验时的压力值；所述数显千分表量程为0mm-50.8mm，精度0.1％，用于测量静载荷试验时桩身的沉降量。

用于消除螺旋丝杠由于旋转对待压入模型桩产生扭矩的扭矩消除单元7，包括圆形杯座19、圆形限位环18、弹性钢珠20和钢珠21。圆形杯座19为圆柱形开口空心结构，采用不锈钢加工制作，壁厚不小于5mm，底厚不小于5mm，外径等于模型桩10直径但不小于螺旋丝杠2直径，内径与特制端头直径相同，弹性钢珠20沿圆形杯座19内壁均匀对称设置且不少于2颗，弹性钢珠20的中心到扭矩消除单元7顶面的距离不大于限位凹槽22中心到螺旋丝杠2底面的距离，钢珠21顶点到弹性钢珠20中心的距离等于限位凹槽22中心到特制端头底面的距离，圆形限位环18圆心与杯座的圆心重合，通过焊接与杯座19连接。

本发明提供一种用于静载荷模型试验的方法，该方法包括以下步骤：

S1.根据试验要求制作模型箱13并填筑试验土体14，确定压桩点位。根据模型箱13短边尺寸制作方形钢管12，要求方形钢管12长度不小于模型箱13短边尺寸。根据压桩点位置沿模型箱13短边方向布置2根方形钢管12，使压桩点位于2根方形钢管12中间，本实施例中方形钢管12中心距为200mm，两端用螺栓4与模型箱13连接。

S2.根据模型桩10直径选择螺旋丝杠2，加工内部带有螺纹的上部桩身导管5、下部桩身导管11、特制端头、扭矩消除单元7等组件。

S3.组装下部构件，将下部构件在2根方形钢管12上适当调整位置，使压桩点位于下部桩身导管11的中心处，通过固定螺栓4将下部构件固定于2根方形钢管12上。

S4.根据模型桩10长度选择若干个中部构件，中部构件通过固定螺栓4与下部构件连接，从下向上依次排列连接，所有中部构件连接完成后，要求待压入模型桩10的顶面高度不超过最上一个中部构件的顶面高度。

S5.将待压入模型桩10从上向下穿入各隔板中间的圆形限位孔17和下部桩身导管11，此时模型桩10底端正位于压桩点位处。将组装好的上部构件通过固定螺栓4与中部构件连接，将螺旋丝杠2旋出内部带有螺纹的上部桩身导管5，通过限位弹性钢珠20和限位凹槽22将扭矩消除单元7与螺旋丝杠底端的特制端头连接，在模型桩10顶和扭矩消除单元7之间放入橡胶垫9和压力传感器8，轻轻旋转螺旋丝杠2，使模型桩10、橡胶垫9、压力传感器8、扭矩消除单元7和螺旋丝杠2紧密接触在一起。

S6.将螺旋丝杠2顶端与变速电机1相连，根据试验加压速度要求和螺旋丝杠螺距计算出电机转速并在变速电机1上设定该转速。

S7.打开变速电机1电源，驱动螺旋丝杠2向下旋进，按试验要求记录压力传感器8数据。当模型桩10被压入到预定深度时，关闭变速电机1电源，停止加压。

S8.打开变速电机1电源，反向驱动，将螺旋丝杠2和扭矩消除单元7向上提升至可操作高度后，关闭变速电机1电源，取出压力传感器8和橡胶垫9，完成压桩。

S9.当进行静载荷试验时，将刚性加载板23按试验要求放置于模型桩顶(静载荷试验是通过刚性加载板对复合地基或天然地基来施加压力的，一般为圆形或正方形钢板，静载荷试验时直接放置于桩顶处或者试验土体的顶部，竖向荷载直接施加于刚性加载板上，刚性加载板不用与其他部件固定，在压力下自然稳定，将数显千分表24沿轴线对称设置于刚性加载板23外端边缘，将压力传感器8放置于刚性加载板23上，打开变速电机1电源，正向驱动，将螺旋丝杠2和扭矩消除单元7向下旋进，使压力传感器8、刚性加载板23、模型桩10顶紧密接触在一起后，关闭变速电机1电源。将压力传感器8和数显千分表24读数归零。

S10.打开变速电机1电源，正向驱动，将螺旋丝杠2向下旋进，当达到某一级荷载时，关闭变速电机1电源停止增加压力，同时注意观察压力传感器8传来的压力值。在沉降稳定期内，压力值可能产生变化，此时可通过正转或反转变速电机1加以调整，使压力稳定在设计荷载。当本级荷载测定完成后，记录压力值和沉降值，打开变速电机1电源进入下一级荷载测定。

S11.静载荷试验结束时，打开变速电机1电源，反向驱动，将螺旋丝杠2和扭矩消除单元7向上提升至可操作高度后，依次拆除数据采集单元、加压单元、桩身侧向稳定单元和连接单元，重复S1-S11进行下一个压桩点位的静载荷试验。

本发明中模型桩相对于实际桩按照1:10缩放，长度大致为0.5m-1.5m。本发明静载荷试验方法能够用于模型桩的压入、模型桩的静载荷试验检测、复合地基的静载荷试验检测、天然地基的静载荷试验检测，在模型桩的静载荷试验检测中刚性加载圆柱的直径与模型桩直径相同，刚性加载圆柱的高度选择10cm；在复合地基的静载荷试验检测中，选择刚性加载板置于模型桩桩顶，刚性加载板的横截面面积大于模型桩桩顶横截面面积，把桩压入土层中后，桩和土共同形成的地基称为复合地基，复合地基仅进行静载荷试验检测；在进行天然地基的静载荷试验检测时，桩身侧向稳定单元中不设置中部构件，仅保留上部构件和下部构件即可，这两个构件能够保证加压单元的旋转轴的垂直度和稳定性，实现垂直加载，进行静载荷试验。静载荷试验中加载高度变化范围为0mm-50mm。

实施例1，PVC复合地基静载荷试验。

S1.模型箱13长1.2m，宽1.0m，高1.3m，箱内试验土体14为砂土，填筑高度1.2m，由此确定方形钢管12截面尺寸为50mm×100mm，壁厚3mm，长度1.2m。根据压桩点位置沿模型箱13短边方向布置2根方形钢管12，使压桩点位于2根方形钢管12中间，方形钢管12中心距200mm，两端用螺栓4与模型箱13连接。

S2.模型桩10采用PVC管制作，外径40mm，壁厚2mm，长600mm，由此确定螺旋丝杠2长1.0m，直径30mm，螺距4mm。根据所选螺旋丝杠2加工内部带有螺纹的上部桩身导管5和下部桩身导管11、特制端头、扭矩消除单元7等部件。

S3.组装下部构件。下部构件边长200mm，立柱高度200mm；隔板边长200mm，相邻隔板距离为100mm，隔板厚3mm。将下部构件在2根方形钢管12上适当调整位置，使压桩点位于下部桩身导管11的中心处，通过固定螺栓4将下部构件固定于2根方形钢管12上。

S4.根据模型桩10长度600mm设置三个中部构件。中部构件的长宽尺寸与下部构件相同，通过固定螺栓4与下部构件连接，此时待压入模型桩10的顶面高度与中部构件的顶面高度相同(考虑土层顶面距离模型箱顶面和连接构件的高度后，此时正好相同。

S5.组装上部构件，上部构件尺寸与中部构件和下部构件相同。首先，将待压入模型桩10从上向下穿入中部构件和下部构件各隔板中间的圆形限位孔17和下部桩身导管11，此时模型桩10底端正位于压桩点位处。然后，将组装好的上部构件通过固定螺栓4与中部构件连接，将螺旋丝杠2旋出内部带有螺纹的上部桩身导管5，通过限位弹性钢珠20和限位凹槽22将扭矩消除单元7与螺旋丝杠底端的特制端头连接，在模型桩10顶和扭矩消除单元7之间放入橡胶垫9和压力传感器8，橡胶垫5mm厚，压力传感器8量程0t-0.5t，精度0.03％。最后，轻轻旋转螺旋丝杠2，使模型桩10、橡胶垫9、压力传感器8、扭矩消除单元7和螺旋丝杠2紧密接触在一起。

S6.试验要求模型桩每分钟压入深度为60mm，据此将螺旋丝杠2顶端与变速电机1相连，设定变速电机1转速为15转/分钟。

S7.打开变速电机1电源，驱动螺旋丝杠2向下旋进，按试验要求记录压力传感器8数据。当模型桩10被压入到预定深度时，关闭变速电机1电源，停止加压。

S8.打开变速电机1电源，反向驱动，将螺旋丝杠2和扭矩消除单元7向上提升至可操作高度后，关闭变速电机1电源，取出压力传感器8和橡胶垫9。

S9.本例中，刚性加载板23采用正方形钢板制作，边长100mm，厚5mm，数显千分表24量程0mm-50.8mm，精度0.1％。将刚性加载板23按试验要求放置于模型桩顶，将数显千分表24沿轴线对称设置于刚性加载板23外端边缘。将压力传感器8放置于刚性加载板23上，打开变速电机1电源，正向驱动，将螺旋丝杠2和扭矩消除单元7向下旋进，使压力传感器8、刚性加载板23、模型桩10顶紧密接触在一起后，关闭变速电机1电源。将压力传感器8和数显千分表24读数归零。

S10.本例中，预估最大荷载4000N，分10级加载，每级荷载增量400N。打开变速电机1电源，正向驱动，将螺旋丝杠2向下旋进，当达到某一级荷载时，关闭变速电机1电源停止增加压力，同时注意观察压力传感器8传来的压力值。在沉降稳定期内，压力值可能产生变化，此时可通过正转或反转变速电机1加以调整，使压力稳定在设计荷载。当本级荷载测定完成后，记录压力值和沉降值，打开变速电机1电源进入下一级荷载测定。

S11.静载荷试验结束时，打开变速电机1电源，反向驱动，将螺旋丝杠2和扭矩消除单元7向上提升至可操作高度后，依次拆除数据采集单元、加压单元、桩身侧向稳定单元和连接单元。

实施例1为一复合地基静载荷试验，试验过程包括桩身压入和静载荷试验检测，实施例数据说明：本发明的装置和方法可以实现将长细比较大的薄壁模型桩压入土层中，并进行复合地基静载荷试验，荷载-沉降相关曲线参见图8。

复合地基荷载-沉降相关曲线显示：在前8级荷载作用下复合地基沉降量增加不大，曲线基本呈线性缓降型；在第8级荷载施加后，复合地基沉降量突然增加很大，曲线呈非线性陡降型，这与砂土复合地基的承载特性相符合，试验取得成功。

本发明的技术方案在于：

(1)该方法采用的桩身侧向稳定单元具有制作简单、安装方便、连接牢固可靠等优点，通过内部带有螺纹的上部桩身导管、隔板和下部桩身导管等部件，对螺旋丝杠和模型桩施加侧向约束，解决了压桩过程中桩身容易出现倾斜、桩身由于弯曲和失稳而导致破坏的问题。这是本发明最为关键的创新点。

(2)本发明的桩身侧向稳定单元尺寸可调，可以灵活组装，适用性强；全部采用钢材加工制作，可重复使用，强度高，大部分组件采用螺栓连接，安装方便且易于更换；不仅适用于静载荷模型试验中桩身的压入，也适用于进行模型桩和复合地基、天然地基的静载荷试验检测。这是本发明最具特色的创新点。

(3)本申请采用了扭矩消除单元，该装置采用轴承工作原理，经特殊设计，通过弹性限位钢珠与加压的螺旋丝杠连接，解决了螺旋丝杠旋转加压时由于摩擦对模型桩产生扭矩时遇到的困难。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种用于静载荷模型试验的装置，该装置包括模型箱、固定于模型箱上的可控转速的旋转加压单元，其特征在于，该装置还包括桩身侧向稳定单元、连接单元和扭矩消除单元，连接单元用于将桩身侧向稳定单元和模型箱固定在一起，扭矩消除单元设置在加压单元与模型桩之间，用于消除由于加压单元旋转对待压入模型桩产生的扭矩；桩身侧向稳定单元用于保持压桩过程中模型桩和加压单元的旋转轴的垂直度和稳定性；

桩身侧向稳定单元由可组装的支架构成，包括上部构件、下部构件、中部构件，上部构件由两个方形隔板及固定在两个方形隔板之间的上部桩身导管构成；下部构件由两个方形隔板及固定在两个方形隔板上的下部桩身导管构成；所述中部构件采用隔板，所述中部构件的数量为多个；所有隔板之间自上而下均通过多根立柱一层层可拆卸固定在一起，桩身侧向稳定单元的高度不小于模型桩的桩长；所有隔板均横向布置，所有导管均位于隔板的中轴线上，上部桩身导管直径与加压单元的旋转轴的直径一致，上部桩身导管带有内螺纹，与加压单元的旋转轴配合，下部桩身导管的直径与模型桩的直径一致；

在扭矩消除单元和模型桩之间安装有数据采集单元，数据采集单元包括压力传感器（8）和数显千分表（24）；

所述加压单元包括变速电机（1）和螺旋丝杠（2），通过变速电机（1）驱动螺旋丝杠（2）向下旋转，产生压力，从而将模型桩压入土中或为静载荷试验提供压力；所述螺旋丝杠的端头直径小于带螺纹段的直径，在端头周向设置有限位凹槽；

所述扭矩消除单元（7）包括圆柱形开口空心杯座（19）、圆形限位环（18）、弹性钢珠（20）和钢珠（21），螺旋丝杠端头与扭矩消除单元（7）连接时，端头置于杯座的空心腔内，在杯座内壁上与限位凹槽同高位置安装有弹性钢珠（20），螺旋丝杠端头与扭矩消除单元连接在一起时弹性钢珠恰好位于限位凹槽（22）内，在螺旋丝杠端头与杯座内底之间固定安装有圆形限位环，圆形限位环的圆心与杯座的圆心重合，圆形限位环与杯座内壁之间的空间内安装钢珠（21），螺旋丝杠端头底面与钢珠（21）顶面相接触；杯座的外径等于模型桩直径，内径等于螺旋丝杠端头直径。

2.根据权利要求1所述的用于静载荷模型试验的装置，其特征在于，中部构件采用十字形隔板；所述立柱（15）竖向布置，采用角钢制作，高度200mm，在顶端、中间和底端分别用2mm厚等腰三角形钢片焊接成加劲肋（16），加劲肋中间开小圆孔，用来与隔板进行螺栓连接；隔板厚度不小于2mm，隔板中心位置开有圆形限位孔（17），圆形限位孔（17）的直径与模型桩（10）的直径相同，隔板根据圆形限位孔的直径不同配有多种规格，满足不同直径模型桩的安装需求，隔板四个角中部开小圆孔，位置与加劲肋（16）中小圆孔位置相同，用于螺栓连接；上部构件的两个方形隔板（3）分别位于四根立柱（15）的顶部和中部，一个中部构件的十字形隔板（6）位于四根立柱（15）的底部，通过螺栓（4）与加劲肋（16）连接，形成框架结构；两个方形隔板（3）之间的距离为100mm，方形隔板的边长为200mm-400mm；

所述下部构件的两个方形隔板安装在另一组立柱的中间和底端的加劲肋上，在该组立柱的顶端加劲肋上固定一个中部构件的十字形隔板（6），形成框架结构；下部桩身导管（11）焊接在两个方形隔板（3）的圆形限位孔（17）上；

中部构件的数量为多个时，也按照上述方式在一组立柱上形成框架结构后再通过螺栓依次将框架结构连成一体。

3.根据权利要求2所述的用于静载荷模型试验的装置，其特征在于，所述下部构件采用多种规格，每种规格的下部构件上的下部桩身导管伸出其下方方形隔板的距离不等，多种规格的下部构件上的下部桩身导管伸出其下方方形隔板的距离呈等差数列，使下部桩身导管（11）的最下端距离模型桩（10）最终位置顶面的距离不超过200mm。

4.根据权利要求3所述的用于静载荷模型试验的装置，其特征在于，等差数列为0cm、10cm、20cm、30cm。

5.根据权利要求1所述的用于静载荷模型试验的装置，其特征在于，所述螺旋丝杠（2）带螺纹段的直径为10mm-50mm，螺距为2mm-5mm；弹性钢珠（20）沿杯座（19）内壁均匀对称设置且不少于2颗；杯座壁厚不小于5mm，底厚不小于5mm。

6.根据权利要求1所述的用于静载荷模型试验的装置，其特征在于，所述的连接单元包括方形钢管（12）和若干固定螺栓（4），所述方形钢管（12）的截面尺寸不小于50mm×100mm，壁厚不小于3mm，方形钢管（12）通过螺栓将桩身侧向稳定单元与模型箱（13）连接固定，安装时方形钢管水平设置于模型箱（13）顶面，并保持方形钢管（12）与模型箱（13）的短边平行，与长边垂直状态；方形钢管（12）沿长度方向在模型箱（13）短边平面内，方形钢管的上下两端均开设有若干圆孔，根据压桩点试验要求，通过螺栓将桩身侧向稳定单元与模型箱固定在压桩点位置，连接单元将桩身侧向稳定单元、加压单元与模型箱（13）紧密连接在一起，依靠模型箱（13）自身的刚度保证整个装置的稳定。

7.根据权利要求1所述的用于静载荷模型试验的装置，其特征在于，所述压力传感器（8）量程为0t-3.0t，精度0.03%，用于测量压桩或进行静载荷试验时的压力值；所述数显千分表（24）量程为0mm-50.8mm，精度0.1%，用于测量静载荷试验时桩身的沉降量。

8.一种采用如权利要求1所述的用于静载荷模型试验的装置的试验方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

根据试验要求制作模型箱（13）并填筑试验土体（14），确定试验点位置；根据试验点位置沿模型箱（13）短边方向布置两根方形钢管（12），使试验点位于两根方形钢管（12）中间，两根方形钢管（12）中心距与桩身侧向稳定单元的宽度一致，方形钢管两端用螺栓（4）与模型箱（13）连接；

压桩：根据待压入模型桩（10）直径选择螺旋丝杠（2），加工内部带有螺纹的上部桩身导管（5）、下部桩身导管（11）、螺旋丝杠的端头、扭矩消除单元（7）；组装下部构件，调整下部构件在两根方形钢管（12）上的位置，使试验点位于下部桩身导管（11）的中心处，通过固定螺栓（4）将下部构件固定于两根方形钢管（12）上；根据模型桩（10）长度选择若干个中部构件，中部构件通过固定螺栓（4）与下部构件连接，从下向上依次排列连接，所有中部构件连接完成后，要求待压入模型桩（10）的顶面高度不超过最上一个中部构件的顶面高度；将待压入模型桩（10）从上向下穿入上部构件的上部桩身导管（5）、中部构件的圆形限位孔（17）和下部构件的下部桩身导管（11），此时模型桩（10）底端正位于试验点位处；将上部构件通过固定螺栓（4）与中部构件连接，将螺旋丝杠（2）旋出内部带有螺纹的上部桩身导管（5），通过限位弹性钢珠（20）和限位凹槽（22）将扭矩消除单元（7）与螺旋丝杠底端的端头连接，在模型桩（10）顶和扭矩消除单元（7）之间放入橡胶垫（9）和压力传感器（8），旋转螺旋丝杠（2），使模型桩（10）、橡胶垫（9）、压力传感器（8）、扭矩消除单元（7）和螺旋丝杠（2）紧密接触在一起；

将螺旋丝杠（2）顶端与变速电机（1）相连，根据试验加压速度要求和螺旋丝杠螺距计算出电机转速并在变速电机（1）上设定该转速；

打开变速电机（1）电源，正向驱动，将螺旋丝杠（2）向下旋进，按试验要求记录压力传感器（8）数据；当模型桩（10）被压入到预定深度时，关闭变速电机（1）电源，停止加压；

打开变速电机（1）电源，反向驱动，将螺旋丝杠（2）和扭矩消除单元（7）向上提升至可操作高度后，关闭变速电机（1）电源，取出压力传感器（8）和橡胶垫（9），完成压桩；

模型桩静载荷试验：将刚性加载圆柱按试验要求置于模型桩桩顶，刚性加载圆柱的直径与模型桩直径相同，将数显千分表（24）沿轴线对称设置于刚性加载圆柱外端边缘，将压力传感器（8）放置于刚性加载圆柱上，打开变速电机（1）电源，正向驱动，将螺旋丝杠（2）和扭矩消除单元（7）向下旋进，使压力传感器（8）、刚性加载圆柱、模型桩（10）顶紧密接触在一起后，关闭变速电机（1）电源；将压力传感器（8）和数显千分表（24）读数归零；

打开变速电机（1）电源，正向驱动，将螺旋丝杠（2）向下旋进，当达到某一级荷载时，关闭变速电机（1）电源停止增加压力，同时注意观察压力传感器（8）传来的压力值；在沉降稳定期内，压力值若产生变化，此时通过正转或反转变速电机（1）加以调整，使压力稳定在设计荷载；当本级荷载测定完成后，记录压力值和沉降值，打开变速电机（1）电源进入下一级荷载测定；

静载荷试验结束时，打开变速电机（1）电源，反向驱动，将螺旋丝杠（2）和扭矩消除单元（7）向上提升至可操作高度后，依次拆除数据采集单元、加压单元、桩身侧向稳定单元和连接单元，进行下一个压桩点位的静载荷试验；

复合地基静载荷试验：选择大于模型桩直径的刚性加载板置于模型桩桩顶代替刚性加载圆柱，再安装数显千分表、压力传感器，然后按照模型桩静载荷试验的过程进行复合地基静载荷试验；

天然地基静载荷试验：不需要进行压桩，直接在试验点位置，将安装有内部带有螺纹的上部桩身导管（5）的上部构件和安装有下部桩身导管（11）的下部构件从上至下固定在一起，将螺旋丝杠（2）旋出内部带有螺纹的上部桩身导管（5），通过限位弹性钢珠（20）和限位凹槽（22）将扭矩消除单元（7）与螺旋丝杠底端的端头连接，在天然地基顶面和扭矩消除单元（7）之间放入刚性加载板（23）和压力传感器（8），旋转螺旋丝杠（2），使天然地基顶面、刚性加载板（23）、压力传感器（8）、扭矩消除单元（7）和螺旋丝杠（2）紧密接触在一起；将数显千分表（24）沿轴线对称设置于刚性加载板外端边缘，然后按照模型桩静载荷试验的过程进行天然地基静载荷试验。

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