CN113107026B - 一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,反力架可拆卸的覆盖在模型箱的顶部开口处,用于在模型箱内形成密闭空间;密闭空间内一侧设置有桩体围板结构,另一侧设置有饱和软土层,桩体围板结构顶面和底面均与驱动机构传动连接,两组驱动机构用于共同驱动桩体围板结构在竖直方向往复运动,驱动机构与桩体围板结构的连接处设置有轴力计;饱和软土层的顶部和底部均设置有施压装置,桩体置于桩体围板结构内后,桩体靠近饱和软土层一侧侧面与饱和软土层紧密接触,桩体围板结构内部空间通过导管与集水器连通。该试验装置以刚性排水桩复合地基单桩加固范围为研究对象,能够模拟复合单元中应力状态、径向排水条件及桩土相互作用。

Description

一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置
技术领域
本发明涉及岩土工程地基处理技术领域,具体的说是一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置。
背景技术
岩土工程的模型试验研究方法主要包括现场试验、常重力场(1g)小比尺室内模型试验和离心模型试验。现场试验为理论研究提供了重要的数据支撑,但限于成本及工况的唯一性,很难做到控制变量研究。自重应力场对岩土工程问题的影响很大,土工离心模型试验可以利用离心重力场,在缩尺模型中构造与原型相等的应力状态,但对设备平台要求高,试验成本高,资源有限。缩尺后的1g小模型具有明显的经济优势,广泛应用于岩土工程地基处理领域的机理研究。但1g小模型的应力水平往往远低于实际工况,无法合理地模拟地应力,且通常不满足相似原理,试验结果的定性属性超过了定量属性,因此无法用于定量评估工程的真实情况,且一般不能够直接用于指导生产实践。压缩固结试验、三轴剪切试验等常规土力学单元试验的边界条件确定、可控,能够获取可靠的试验数据,但传统单元试验只针对确定应力状态、应力历史及边界条件的均质单元土样,无法反应复合地基中桩土复合单元的应力应变关系。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,以刚性排水桩复合地基单桩加固范围为研究对象,提取具有代表性厚度的桩土复合单元,能够模拟复合单元中应力状态、径向排水条件及桩土相互作用。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:包括模型箱和反力架,反力架可拆卸的覆盖在模型箱的顶部开口处用于在模型箱内形成密闭空间;
密闭空间内一侧设置有桩体围板结构,桩体围板结构内部空间与桩体形状配适,桩体围板结构顶面和底面均与驱动机构传动连接,两组驱动机构用于共同驱动桩体围板结构在竖直方向往复运动,驱动机构与桩体围板结构的连接处设置有轴力计;
密闭空间内另一侧设置有饱和软土层,饱和软土层的顶部和底部均设置有施压装置,施压装置用于对饱和软土层的顶面或底面均匀施加压力;
桩体围板结构与饱和软土层接触的侧面为开口结构,用于使桩体置于桩体围板结构内后桩体靠近饱和软土层一侧侧面与饱和软土层紧密接触,桩体围板结构内部空间通过导管与集水器连通。
施压装置采用水囊,水囊采用柔性材料制成,水囊与饱和软土层之间铺设橡胶垫;水囊与压力泵的输出端连通,压力控制器用于控制水囊内压力。
桩体围板结构包括桩护板,桩护板用于包围覆盖桩体和软土层接触面的其余侧面,桩护板的顶部覆盖有上盖板,桩护板的底部覆盖有下盖板,桩护板与模型箱侧壁之间设置滚珠。
驱动机构采用千斤顶,千斤顶的输出轴与上盖板或下盖板垂直设置,轴力计设置在千斤顶的输出轴端部。
上盖板靠近水囊一侧边缘竖直向上延伸形成护板,下盖板靠近水囊一侧边缘竖直向下延伸形成护板;护板与水囊之间设置有水囊护板。
导管一端穿过上盖板与桩体围板结构内部空间连通,集水器与压力泵的输出端连通,压力控制器用于控制集水器内压力。
桩体内以及饱和软土层中的饱和软土内均匀设置有若干孔压计。
模型箱侧壁采用透明有机玻璃。
对刚性透水桩复合地基进行测试的方法,其特征在于:以桩土复合单元为试验对象,将桩土复合单元置于实际地应力状态,模拟饱和软土在不同附加应力条件下的径向排水条件,并能够考虑桩土相对位移,模拟正、负摩阻力条件的桩土相互作用,具体步骤如下:
步骤1,按照设计尺寸制作长方体刚性透水桩试块,内嵌孔压计,并将风干、碾碎的土样与无气水配置成2倍液限含水率的饱和泥浆备用;
步骤2,将与目标刚性透水桩试块相同大小的透水石安装在桩体围板结构内,在模型箱内壁均匀涂抹一层的凡士林,将下部水囊充水至设定压力,并放置下部橡胶垫;
步骤3,在透明有机玻璃内侧面布置PIV测点,然后定量将饱和泥浆倒入模型箱内,静置3天后,在土样中间位置沿径向等间距布置孔压计;
步骤4,在饱和软土顶面放置橡胶垫,然后放置上部水囊以及顶部反力架,并逐级增加上部水囊内部的压力,使饱和软土在K0应力状态下逐步径向排水固结;
步骤5,当饱和软土在预设上覆压力下固结完成,至孔隙水压力不再变化;
步骤6,在模型箱内充满无气水的条件下,释放软土层上、下水囊的压力,并将透水石替换为刚性透水桩试块,然后再将水囊压力再次加载至卸载前荷载;
步骤7,将刚性透水桩的上盖板通过导管与流体中转器、压力控制器和压力泵相连接,并将压力泵的压力调整至与软土上部气囊相同,静置待各处孔隙水压力相同,即完成将桩土复合单元置于设定埋深下正常固结的初始应力状态;
步骤8,增加软土顶部水囊压力,模拟地基附加应力增加的应力状态,软土将发生径向渗流固结;
步骤9,控制刚性透水桩两端驱动机构的升降,用于模拟桩土发生相对位移的状态,桩体相对软土向下运动时,为正摩阻力模拟;桩体相对软土向上运动时,为负摩阻力模拟;通过上、下轴力计差值换算摩阻力,通过监测孔压计的变化,获得孔压消散情况。
该种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置能够达到的有益效果为:第一,以桩土复合单元为试验对象,能够考虑不同深度的复合单元真实的地应力状态,考虑径向排水固结特征及孔压消散特征;第二,能够对复合单元的施加附加应力,在软土上、下面提供柔性荷载,使桩间土处于K0固结应力状态;第三,能够控制桩土相对位移的大小和方向,模拟复合单元的桩土相互作用,能够分别模拟正摩阻力和负摩阻力。
附图说明
图1为本发明一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置的纵立面剖面图。
图2为本发明一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置的A-A剖面俯视图。
说明书附图说明:1、模型箱,1-1、反力架,1-2、透明有机玻璃,1-3、桩护板,1-4、滚珠,1-5、上盖板,1-6、下盖板,2、饱和软土层,3、桩体,4、水囊,4-1、橡胶垫,4-2、水囊护板,5、压力泵,6、压力控制器,7、集水器,7-1、导管,8-1、孔压计,8-2、轴力计,9、千斤顶。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,如图1和图2所示:包括模型箱1和反力架1-1,反力架1-1可拆卸的覆盖在模型箱1的顶部开口处用于在模型箱1内形成密闭空间;
密闭空间内一侧设置有桩体围板结构,桩体围板结构内部空间与桩体3形状配适,桩体围板结构顶面和底面均与驱动机构传动连接,两组驱动机构用于共同驱动桩体围板结构在竖直方向往复运动,驱动机构与桩体围板结构的连接处设置有轴力计8-2;
密闭空间内另一侧设置有饱和软土层2,饱和软土层2的顶部和底部均设置有施压装置,施压装置用于对饱和软土层2的顶面或底面均匀施加压力;
桩体围板结构与饱和软土层2接触的侧面为开口结构,用于使桩体3置于桩体围板结构内后桩体3靠近饱和软土层2一侧侧面与饱和软土层2紧密接触,桩体围板结构内部空间通过导管7-1与集水器7连通。
本实施例中,施压装置采用水囊4,水囊4采用柔性材料制成,水囊4与饱和软土层2之间铺设橡胶垫4-1;水囊4与压力泵5的输出端连通,压力控制器6用于控制水囊4内压力。水囊4内部压力由压力泵和压力控制器联合控制,通过压力控制器能够控制向水囊4内注水实现增压,控制水囊4向外排水实现减压。
进一步的,在模拟复合单元的实际应力状态过程中,反力架1-1覆盖后能够对上下水囊4提供支撑,使位于上方的水囊4能够对饱和软土提供向下的压力,位于下方的水囊能够对饱和软土提供向上的压力,饱和软土在上下水囊4的柔性荷载作用以及模型箱1侧限约束条件下,能够达到设定埋深地应力的正常固结状态。水囊4与橡胶垫4-1均为柔性材料,能够适应饱和软土沉降变形;通过压力泵5能够对软土面施加与水囊4内部压力相等的柔性荷载,使模型箱内的软土处于K0固结状态。
本实施例中,桩体围板结构包括桩护板1-3,桩护板1-3用于包围覆盖桩体3和饱和软土层2接触面的其余侧面,桩护板1-3的顶部覆盖有上盖板1-5,桩护板1-3的底部覆盖有下盖板1-6,桩护板1-3与模型箱1侧壁之间设置滚珠1-4。
本实施例中,驱动机构采用千斤顶9,千斤顶9的输出轴与上盖板1-5或下盖板1-6垂直设置,轴力计8-2设置在千斤顶9的输出轴端部。
进一步的,桩护板1-3以及上盖板1-5、下盖板1-6共同组成半包围结构,保证位于桩体围板结构内的桩体仅有一侧侧面与饱和软土层2紧密接触。在模拟桩土相互作用时,两组千斤顶9同步工作能够控制刚性透水桩试块升降,模拟桩土相对位移,桩体相对软土向下运动时,模拟正摩阻力;桩体相对软土向上运动时,模拟负摩阻力。通过上、下轴力计8-2的差值可换算桩单元的摩阻力,能够获得桩土荷载传递规律。
本实施例中,上盖板1-5靠近水囊4一侧边缘竖直向上延伸形成护板,下盖板1-6靠近水囊4一侧边缘竖直向下延伸形成护板;护板与水囊4之间设置有水囊护板4-2。
进一步的,上盖板1-5和下盖板1-6边缘的护板与水囊护板4-2能够确保桩体与软土层发生错位时结构的稳定性和密闭性。护板与水囊护板4-2之间设置滚珠,配合桩护板1-3与模型箱1侧壁之间的滚珠1-4用于消除竖向相对运动的摩阻。还能够通过在摩擦面涂抹凡士林,进一步减弱复合单元与模型箱的摩阻力。
本实施例中,导管7-1一端穿过上盖板1-5与桩体围板结构内部空间连通,集水器7与压力泵5的输出端连通,压力控制器6用于控制集水器7内压力。
进一步的,刚性透水桩内部水压能够由压力泵、压力控制器、集水器和导管联合控制,由于桩体围板结构仅有一面开口的结构特性,上盖板的导管是复合单元在外部附加荷载作用时唯一的排水通道。模拟径向排水条件时,在附加应力作用下,复合单元饱和软土中的孔隙水径向排至刚性透水桩,孔隙水通过上盖板的导管排至集水器内部。
正常固结完成时,复合单元内部孔隙水压力均匀分布且相等。通过水囊施加附加应力后,超静孔隙水压力自饱和软土向刚性排水桩方向径向消散。
本实施例中,桩体3内以及饱和软土层2中的饱和软土内均匀设置有若干孔压计8-1。在刚性透水桩及饱和软土中沿径向布置孔压计8-1,获取试验过程中复合单元孔隙水压力的发展变化,通过孔压计测试数据,获得孔压消散规律。
本实施例中,模型箱1侧壁采用透明有机玻璃1-2。使用PIV技术观测有机玻璃内侧标记物位移随软土排水固结的发展变化,能够获取复合单元软土的径向、竖向变形。
进一步的,复合单元中的刚性透水桩试块及软土的横截面积均根据实际复合地基置换率进行换算,本实施例中模型箱内部横截面尺寸范围为:长1.0±0.5 m,宽0.3±0.2m,复合单元模型高度取0.3±0.1 m。
利用上述试验装置对刚性透水桩复合地基进行测试的方法:以桩土复合单元为试验对象,将桩土复合单元置于实际地应力状态,模拟饱和软土在不同附加应力条件下的径向排水条件,并能够考虑桩土相对位移,模拟正、负摩阻力条件的桩土相互作用,具体步骤如下:
步骤1,按照设计尺寸制作长方体刚性透水桩试块,内嵌孔压计,并将风干、碾碎的土样与无气水配置成2倍液限含水率的饱和泥浆备用;
步骤2,将与目标刚性透水桩试块相同大小的透水石安装在桩体围板结构内,在模型箱内壁均匀涂抹一层的凡士林,将下部水囊充水至设定压力,并放置下部橡胶垫;
步骤3,在透明有机玻璃内侧面布置PIV测点,然后定量将饱和泥浆倒入模型箱内,静置3天后,在土样中间位置沿径向等间距布置孔压计;
步骤4,在饱和软土顶面放置橡胶垫,然后放置上部水囊以及顶部反力架,并逐级增加上部水囊内部的压力,使饱和软土在K0应力状态下逐步径向排水固结;
步骤5,当饱和软土在预设上覆压力下固结完成,至孔隙水压力不再变化;
步骤6,在模型箱内充满无气水的条件下,释放软土层上、下水囊的压力,并将透水石替换为刚性透水桩试块,然后再将水囊压力再次加载至卸载前荷载;
步骤7,将刚性透水桩的上盖板通过导管与流体中转器、压力控制器和压力泵相连接,并将压力泵的压力调整至与软土上部气囊相同,静置待各处孔隙水压力相同,即完成将桩土复合单元置于设定埋深下正常固结的初始应力状态;
步骤8,增加软土顶部水囊压力,模拟地基附加应力增加的应力状态,软土将发生径向渗流固结;
步骤9,控制刚性透水桩两端驱动机构的升降,用于模拟桩土发生相对位移的状态,桩体相对软土向下运动时,为正摩阻力模拟;桩体相对软土向上运动时,为负摩阻力模拟;通过上、下轴力计差值换算摩阻力,通过监测孔压计的变化,获得孔压消散情况。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:包括模型箱(1)和反力架(1-1),反力架(1-1)可拆卸的覆盖在模型箱(1)的顶部开口处用于在模型箱(1)内形成密闭空间;
密闭空间内一侧设置有桩体围板结构,桩体围板结构内部空间与桩体(3)形状配适,桩体围板结构顶面和底面均与驱动机构传动连接,两组驱动机构用于共同驱动桩体围板结构在竖直方向往复运动,驱动机构与桩体围板结构的连接处设置有轴力计(8-2);
密闭空间内另一侧设置有饱和软土层(2),饱和软土层(2)的顶部和底部均设置有施压装置,施压装置用于对饱和软土层(2)的顶面或底面均匀施加压力;
施压装置采用水囊(4),水囊(4)采用柔性材料制成,水囊(4)与饱和软土层(2)之间铺设橡胶垫(4-1);水囊(4)与压力泵(5)的输出端连通,压力控制器(6)用于控制水囊(4)内压力;
桩体围板结构与饱和软土层(2)接触的侧面为开口结构,用于使桩体(3)置于桩体围板结构内后桩体(3)靠近饱和软土层(2)一侧侧面与饱和软土层(2)紧密接触,桩体围板结构内部空间通过导管(7-1)与集水器(7)连通;
桩体围板结构包括桩护板(1-3),桩护板(1-3)用于包围覆盖桩体(3)和饱和软土层(2)接触面的其余侧面,桩护板(1-3)的顶部覆盖有上盖板(1-5),桩护板(1-3)的底部覆盖有下盖板(1-6),桩护板(1-3)与模型箱(1)侧壁之间设置滚珠(1-4)。
2.如权利要求1所述的一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:驱动机构采用千斤顶(9),千斤顶(9)的输出轴与上盖板(1-5)或下盖板(1-6)垂直设置,轴力计(8-2)设置在千斤顶(9)的输出轴端部。
3.如权利要求1所述的一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:上盖板(1-5)靠近水囊(4)一侧边缘竖直向上延伸形成护板,下盖板(1-6)靠近水囊(4)一侧边缘竖直向下延伸形成护板;护板与水囊(4)之间设置有水囊护板(4-2)。
4.如权利要求1所述的一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:导管(7-1)一端穿过上盖板(1-5)与桩体围板结构内部空间连通,集水器(7)与压力泵(5)的输出端连通,压力控制器(6)用于控制集水器(7)内压力。
5.如权利要求1所述的一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:桩体(3)内以及饱和软土层(2)中的饱和软土内均匀设置有若干孔压计(8-1)。
6.如权利要求1所述的一种刚性透水桩复合地基的复合单元试验装置,其特征在于:模型箱(1)侧壁采用透明有机玻璃(1-2)。
7.使用如权利要求1所述的试验装置对刚性透水桩复合地基进行测试的方法,其特征在于:以桩土复合单元为试验对象,将桩土复合单元置于实际地应力状态,模拟饱和软土在不同附加应力条件下的径向排水条件,并能够考虑桩土相对位移,模拟正、负摩阻力条件的桩土相互作用,具体步骤如下:
步骤1,按照设计尺寸制作长方体刚性透水桩试块,内嵌孔压计,并将风干、碾碎的土样与无气水配置成2倍液限含水率的饱和泥浆备用;
步骤2,将与目标刚性透水桩试块相同大小的透水石安装在桩体围板结构内,在模型箱内壁均匀涂抹一层的凡士林,将下部水囊充水至设定压力,并放置下部橡胶垫;
步骤3,在透明有机玻璃内侧面布置PIV测点,然后定量将饱和泥浆倒入模型箱内,静置3天后,在土样中间位置沿径向等间距布置孔压计;
步骤4,在饱和软土顶面放置橡胶垫,然后放置上部水囊以及顶部反力架,并逐级增加上部水囊内部的压力,使饱和软土在K0应力状态下逐步径向排水固结;
步骤5,当饱和软土在预设上覆压力下固结完成,至孔隙水压力不再变化;
步骤6,在模型箱内充满无气水的条件下,释放软土层上、下水囊的压力,并将透水石替换为刚性透水桩试块,然后再将水囊压力再次加载至卸载前荷载;
步骤7,将刚性透水桩的上盖板通过导管与流体中转器、压力控制器和压力泵相连接,并将压力泵的压力调整至与软土上部气囊相同,静置待各处孔隙水压力相同,即完成将桩土复合单元置于设定埋深下正常固结的初始应力状态;
步骤8,增加软土顶部水囊压力,模拟地基附加应力增加的应力状态,软土将发生径向渗流固结;
步骤9,控制刚性透水桩两端驱动机构的升降,用于模拟桩土发生相对位移的状态,桩体相对软土向下运动时,为正摩阻力模拟;桩体相对软土向上运动时,为负摩阻力模拟;通过上、下轴力计差值换算摩阻力,通过监测孔压计的变化,获得孔压消散情况。
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