CN113404098A - 沉桩模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沉桩模型试验装置及试验方法，该试验装置包括组装式模型箱、填充至模型箱内且每隔一定深度设置有一层彩色标志层的试验土体、用于向模型桩施加压力并使模型桩沉入试验土体内的荷载施加装置、以及用于对模型桩和试验土体进行监测的监测系统，其中，该模型箱包括：呈U型且于U型开口侧可拆卸地对接的第一半模型室和第二半模型室；透明挡板，可拆卸地封挡于第一半模型室的U型开口侧；移动支架，包括横跨于第一半模型室的上方的横梁，横梁上沿长度方向滑动装设有供荷载施加装置连接的水平移动装置。本发明的沉桩模型试验装置可以灵活地拆卸、组装，可适用于多种不同的试验内容，无需每次试验重新制作，提高了试验效率，节省了成本。

Description

沉桩模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及建筑施工试验领域，特别涉及一种沉桩模型试验装置及试验方法。

背景技术

在高层建筑、大跨度桥梁、港口高桩码头以及海上风机等工程施工中都会遇到软土地基问题，需要面临如何满足建(构)筑物承载力需求的问题。桩基础是沿海地区广泛采用的一种基础形式，被广泛用于为上部结构规模大、表层与中间层地基软弱的建(构)筑物基础或水中建(构)筑物基础提供竖向承载力，以及为承受地震力、波浪力以及土压力等水平力的建(构)筑物提供水平承载力。

沉桩施工过程中，桩的连续贯入过程对桩周土体影响显著，主要表现为土体结构破坏、土体变形以及超孔隙水压力响应，从而改变桩的周边环境状态、影响自身贯入阻力及桩基承载力时效。此外，进行群桩施工时，相邻桩体间存在相互作用，桩间土体的位移和超孔隙水压力存在叠加效应。因此，深入研究桩体连续贯入阶段临近土体的变形和超孔隙水压力响应以及贯入结束后土体的固结效应是非常有必要的。

现阶段，对沉桩的研究主要包括：试验研究、理论研究以及数值研究等。其中试验研究中的现场试验更符合实际情况，但存在成本高、场地环境复杂、试验结果随机性较大以及可重复性差等缺点。相较于现场试验，室内模型试验具有试验场地环境可控、成本相对较小、可重复性以及试验效率高等优点，是深入研究桩体连续贯入机理的一种有效方法。

然而，室内模型试验所采用的模型箱多为整体式的，只能针对某一特定试验环境、单一的沉桩方式(如静压、锤击或振动)以及固定的桩体数量，模型箱无法根据试验内容进行拆卸、组装，只能重新制作，既降低了试验效率同时也不利于成本控制。此外，由于整体式的模型箱无法拆卸，难以在沉桩模型试验结束后对桩周土体进行取样，而常规取样方式会造成土样扰动，影响试验结果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种沉桩模型试验装置及试验方法，该沉桩模型试验装置可以灵活地拆卸、组装，可适用于多种不同的试验内容，无需每次试验重新制作，提高了试验效率，节省了成本。

本发明通过如下方案来实现：一种沉桩模型试验装置，包括组装式模型箱、填充至所述模型箱内且每隔一定深度设置有一层彩色标志层的试验土体、用于向模型桩施加压力并使所述模型桩沉入所述试验土体内的荷载施加装置、以及用于对所述模型桩和所述试验土体进行监测的监测系统，其中，所述模型箱包括：

呈U型的第一半模型室；

呈U型的第二半模型室，所述第二半模型室的U型开口侧可拆卸地对接于所述第一半模型室的U型开口侧；

透明挡板，所述透明挡板可拆卸地封挡于所述第一半模型室的U型开口侧；

移动支架，所述移动支架包括横跨于所述第一半模型室的上方且平行于所述透明挡板的横梁，所述横梁上沿长度方向滑动装设有供所述荷载施加装置连接的水平移动装置。

本发明沉桩模型试验装置的进一步改进在于，所述第一半模型室的底端封挡有底板，且所述第一半模型室的底部设有排水阀门。

本发明沉桩模型试验装置的进一步改进在于，所述第一半模型室和所述第二半模型室均由多个模型室模块沿轴向拼接而成。

本发明沉桩模型试验装置的进一步改进在于，所述第一半模型室的外壁箍设有第一U型箍，所述第二半模型室的外壁对应于所述第一U型箍的位置处箍设有第二U型箍，所述第一U型箍的开口侧及所述第二U型箍的开口侧均相对向外形成用于对接的连接耳。

本发明沉桩模型试验装置的进一步改进在于，所述移动支架包括相对固定于所述第一半模型室的外壁的两钢支撑，两所述钢支撑的顶部延伸出所述第一半模型室，所述横梁的两个端部分别固定于两所述钢支撑的顶部。

本发明沉桩模型试验装置的进一步改进在于，所述第一半模型室的U型开口侧的相对内壁上设有供所述透明挡板插设的凹槽。

本发明还提供了一种沉桩模型试验方法，包括步骤：

组装模型箱，组装呈U型的第一半模型室，于所述第一半模型室的U型开口侧封挡透明挡板；

于所述模型箱内填充试验土体，并在每隔一定深度时设置一层彩色标志层；

安装移动支架，于所述第一半模型室的上方横跨设置横梁，于所述横梁上沿长度方向滑动装设水平移动装置，将荷载施加装置连接于所述水平移动装置上；

进行沉桩，提供模型桩，利用所述荷载施加装置对所述模型桩桩顶施加外部荷载，使所述模型桩沉入所述试验土体内，在沉桩的过程中，利用监测系统对所述模型桩和所述试验土体进行监测。

本发明还提供了另一种沉桩模型试验方法，包括步骤：

组装模型箱，组装呈U型的第一半模型室以及呈U型的第二半模型室，将所述第二半模型室的U型开口侧与所述第一半模型室的U型开口侧对接连接；

于所述模型箱内填充试验土体；

安装移动支架，于所述第一半模型室的上方横跨设置横梁，于所述横梁上沿长度方向滑动装设水平移动装置，将荷载施加装置连接于所述水平移动装置上；

进行沉桩，提供模型桩，利用所述荷载施加装置对所述模型桩桩顶施加外部荷载，使所述模型桩沉入所述试验土体内，在沉桩的过程中，利用监测系统对所述模型桩和所述试验土体进行监测。

本发明沉桩模型试验方法的进一步改进在于：

所述第一半模型室的底端封挡有底板，且所述第一半模型室的底部设有排水阀门；

在填充完试验土体之后且在进行沉桩之前，对所述试验土体进行饱和处理，打开所述排水阀门向所述模型箱内加压注水，使水体从所述试验土体的底部自下而上运移，直至所述水体漫过所述试验土体表面时，关闭所述排水阀门，静置一段时间。

本发明沉桩模型试验方法的进一步改进在于：

所述第一半模型室和所述第二半模型室均由多个模型室模块沿轴向拼接而成；

在沉桩结束后，对所述模型箱进行逐层拆卸，并对桩周土体进行取样。

本发明包括但不限于以下有益效果：

1、通过第一半模型室、第二半模型室、透明挡板及移动装置的设置，使得该模型箱可以灵活地拆卸、组装，能够进行静压、锤击以及振动等沉桩半模型试验或全模型试验，可进行单桩或多桩试验的数据监测，具备可视化特点，能够更直观的观测到沉桩过程中试验土体的位移变化，模型箱的尺寸可调节，适用范围广。

2、通过第一半模型室和第二半模型室的多模型室模块的拼接结构形式，使得该模型箱的拆卸和组装更加灵活，在沉桩模型试验结束后，可以对模型箱进行逐层拆卸，便于对桩周土体进行取样，有利于研究桩体贯入对临近土体的扰动影响。

附图说明

图1示出了本发明用于半模型试验时的模型箱结构示意图。

图2示出了本发明用于全模型试验时的模型箱结构示意图。

图3示出了本发明第一U型箍的结构示意图。

图4示出了采用本发明在进行单桩沉桩半模型试验时监测系统的安装示意图。

图5示出了采用本发明在进行双桩沉桩半模型试验时监测系统的安装示意图。

图6示出了采用本发明沉桩模型试验方法进行半模型试验时高速摄像机的布置图。

具体实施方式

本发明提供了一种沉桩模型试验装置及试验方法，该沉桩模型试验装置可以灵活地拆卸、组装，可适用于多种不同的试验内容，无需每次试验重新制作，提高了试验效率，节省了成本。

下面以具体实施例结合附图对该沉桩模型试验装置及试验方法作进一步说明。

参阅图1、图2和图4，图1示出了本发明用于半模型试验时的模型箱结构示意图，图2示出了本发明用于全模型试验时的模型箱结构示意图，图4示出了采用本发明在进行单桩沉桩半模型试验时监测系统的安装示意图。

一种沉桩模型试验装置，包括组装式模型箱1、填充至该模型箱1内且每隔一定深度设置有一层彩色标志层21的试验土体2、用于向模型桩3施加压力并使该模型桩3沉入该试验土体2内的荷载施加装置4、以及用于对该模型桩3和该试验土体2进行监测的监测系统，其中，该模型箱1包括：

呈U型的第一半模型室11；

呈U型的第二半模型室12，该第二半模型室12的U型开口侧可拆卸地对接于该第一半模型室11的U型开口侧；

透明挡板13，该透明挡板13可拆卸地封挡于该第一半模型室11的U型开口侧；

移动支架14，该移动支架14包括横跨于该第一半模型室11的上方且平行于该透明挡板13的横梁141，该横梁141上沿长度方向滑动装设有供该荷载施加装置4连接的水平移动装置142。

具体来说，该透明挡板13为钢化玻璃或透明有机玻璃板。该第一半模型室11及该第二半模型室12可以采用有机玻璃材质。该第一半模型室11的U型开口侧的相对内壁上设有供该透明挡板13插设的凹槽113。该移动支架14包括相对固定于该第一半模型室11的外壁的两钢支撑143，两该钢支撑143的顶部延伸出该第一半模型室11，该横梁141的两个端部分别固定于两该钢支撑143的顶部，具体地，该钢支撑143为U型槽钢钢架，该横梁141为工字钢梁，通过钢支撑143和横梁141组成反力架，该横梁141上安装供滑轮移动的导轨，该水平移动装置142通过滑轮装设于该导轨上，该荷载施加装置4固定在该水平移动装置142的下方，通过水平移动装置142的移动，使得该荷载施加装置4可以沿该横梁141移动，为该横梁141下方的模型桩3施加压力。其中，该荷载施加装置4根据试验内容进行选择，如：需模拟静压桩时，可采用微型液压千斤顶；需模拟锤击桩时，的采用微型液压锤；需模拟振动桩时，可采用微型振动锤。

本发明沉桩模型试验装置中的模型箱1为组装式结构，其根据试验内容需要可以组装成用于半模型试验的第一种模型箱结构(如图1所示)，也可以组装成用于全模型试验的第二种模型箱结构(如图2所示)：

对于第一种模型箱结构来说，其仅需要将透明挡板13封挡于第一半模型室11的U型开口侧即可，无需第二半模型室12。该第一种模型箱结构适用于试验空间需求相对较小的应用场合，采用该第一种模型箱结构，能够通过透明挡板13从箱外直接观察到箱内试验情况，如图4的单桩沉桩半模型试验，在沉桩过程中，可以更直观的观察到彩色标志层21(即试验土体2)的位移变化。

对于第二种模型箱结构来说，需要将第二半模型室12与第一半模型室11对接连接，无需封挡透明挡板13，通过第一半模型室11和第二半模型室12对接形成试验空间相对较大的模型箱，该第二种模型箱结构适用于试验空间要求较大的试验内容，但无法从向外直接观察到箱内试验情况。

上述两种模型箱结构可根据试验需要灵活选择。

作为一较佳实施方式，该第一半模型室11的底端封挡有底板111，且该第一半模型室11的底部设有排水阀门112。

具体来说，该底板111为有机玻璃材质，通过该底板111和该排水阀门112的设置，以便于在进行沉桩试验时向模型箱1内注水以对试验土体2进行饱和处理。当然，对于该第二种模型箱结构来说，该第二半模型室12也可以设置底板和排水阀门，在对接该第一半模型室11和该第二半模型室12时，应同时对接两块底板，在对试验土体进行饱和处理时，利用两个排水阀门共同注水，以加快饱和处理的时间。

作为一较佳实施方式，该第一半模型室11和该第二半模型室12均由多个模型室模块沿轴向拼接而成。

具体来说，相邻模型室模块之间(包括第一半模型室11的相邻模型室模块之间、第二半模型室12的相邻模型室模块之间、以及第一半模型室11与第二半模型室12之间进行对接的相邻模型室模块之间)设有彼此适配的凹凸口，便于拼接的同时，提高了拼接后的防水性能。为了进一步提高防水性能，可以于上述相邻模型室模块之间增设防水垫圈。通过采用上述拼接结构形式，使得该模型箱的拆卸和组装更加灵活，在组装时，可先逐层对接该第一半模型室11和该第二半模型室12，再沿模型箱1的轴向自下而上依次拼接，在沉桩模型试验结束后，可以对该模型箱自上而下逐层拆卸，便于对桩周土体进行取样，有利于研究桩体贯入对临近土体的扰动影响。

作为一较佳实施方式，配合图3，图3示出了本发明第一U型箍的结构示意图。该第一半模型室11的外壁箍设有第一U型箍114，该第二半模型室12的外壁对应于该第一U型箍114的位置处箍设有第二U型箍121，该第一U型箍114的开口侧及该第二U型箍121的开口侧均相对向外形成用于对接的连接耳。

通过上述连接耳的设置，使得该第一U型箍114既能实现与该第一半模型室11上两钢支撑143的固定，又能实现与相应该第二U型箍121的对接，使得两钢支撑143的固定更加稳固，使得该第一半模型室11与该第二半模型室12的对接更加紧密。

本发明还提供了一种沉桩模型试验方法，配合图4～图6，图4示出了采用本发明在进行单桩沉桩半模型试验时监测系统的安装示意图，图5示出了采用本发明在进行双桩沉桩半模型试验时监测系统的安装示意图，图6示出了采用本发明沉桩模型试验方法进行半模型试验时高速摄像机的布置图。包括步骤：

步骤11、组装模型箱1，组装呈U型的第一半模型室11，于该第一半模型室的U型开口侧封挡透明挡板13。形成用于半模型试验的第一种模型箱结构。

步骤12、于该模型箱内分层填充试验土体2，并在每隔一定深度时设置一层彩色标志层21(可以采用染色粉细砂)。以便于在沉桩的过程中，通过该透明挡板13直观的观察到彩色标志层21(即试验土体2)的位移变化。

步骤13、安装移动支架14，于该第一半模型室11的上方横跨设置横梁141，于该横梁141上沿长度方向滑动装设水平移动装置142，将荷载施加装置4连接于该水平移动装置142上。

步骤14、进行沉桩，提供模型桩3，利用该荷载施加装置4对该模型桩桩3顶施加外部荷载，使该模型桩3沉入该试验土体2内，在沉桩的过程中，利用监测系统对该模型桩3和该试验土体2进行监测。

具体地，对于多桩沉桩试验来说，通过移动荷载施加装置4依次实现对多根模型桩3的沉桩过程，多根模型桩3将沿横梁141的长度方向排列。该监测系统根据监测需求进行设置，本实施方式中，该监测系统包括布设于模型桩3上和/或试验土体2内的多种传感器、用于采集多种传感器感测信息的采集仪52、以及与该采集仪52连接的计算机51。其中，多种传感器包括间隔贴设于模型桩3上的应变片、布设于试验土体2内的位移传感器、土压力传感器以及孔压传感器。在填充试验土体2的过程中，按需布设相应传感器，在提供模型桩3时，将应变片按需贴设于模型桩3上，并涂抹树脂，以防止沉桩过程中试验土体2对应变片的破坏，并起防水作用。在进行沉桩的过程中，该计算机51通过多种采集仪52一一对应地实时采集多种传感器的感测信息(包括模型桩3的应变信息以及试验土体2的位移信息、土压力信息和孔压信息)。

该试验方法适用于沉桩半模型试验，其可以进行单桩沉桩半模型试验(如图4)，也可以进行多桩沉桩半模型试验(如图5)，在沉桩过程中，除了通过位移传感器感测试验土体2的位移变化外，还可以通过透明挡板13更直观的观察彩色标志层21(即试验土体2)的位移变化。为了实时记录观察到的位移变化，本实施优选该监测系统还包括高速摄像机53，在进行沉桩试验前，将该高速摄像机53布置在模型箱外，并使镜头对准该透明挡板13，在进行沉桩试验时，通过该高速摄像机53的实时扫描记录彩色标志层21的位移变化。

本发明还提供了另一种沉桩模型试验方法，包括步骤：

步骤21、组装模型箱1，组装呈U型的第一半模型室11以及呈U型的第二半模型室12，将该第二半模型室12的U型开口侧与该第一半模型室11的U型开口侧对接连接。形成用于全模型试验的第二种模型箱结构。

步骤22、于该模型箱1内填充试验土体2。

步骤23、安装移动支架13，于该第一半模型室11的上方横跨设置横梁141，于该横梁141上沿长度方向滑动装设水平移动装置142，将荷载施加装置4连接于该水平移动装置142上。

步骤24、进行沉桩，提供模型桩3，利用该荷载施加装置4对该模型桩3桩顶施加外部荷载，使该模型桩3沉入该试验土体2内，在沉桩的过程中，利用监测系统对该模型桩3和该试验土体2进行监测。

该试验方法适用于试验空间要求较大的沉桩全模型试验，但无法从箱外直接观察到箱内试验情况。因此，在步骤21中，需将第二半模型室12与第一半模型室11对接，无需封挡透明挡板13。在步骤22中，仅需分层填充试验土体2即可，无需设置彩色标志层21。在步骤24中，仅需通过传感器和采集仪52采集模型桩3和试验土体2的相关信息，无需设置高速摄像机53观察土体位移变化。

作为一较佳实施方式：

该第一半模型室11的底端封挡有底板111，且该第一半模型室11的底部设有排水阀门112。

在填充完试验土体2之后且在进行沉桩之前，对该试验土体2进行饱和处理，打开该排水阀门112向该模型箱1内加压注水，使水体从该试验土体2的底部自下而上运移，直至该水体漫过该试验土体2表面时，关闭该排水阀门112，静置24～48小时。

作为一较佳实施方式：

该第一半模型室11和该第二半模型室12均由多个模型室模块沿轴向拼接而成。在组装模型箱1时，根据模型桩3的最终贯入深度合理设置该模型箱1的高度，并进行组装，在模型箱1组装完成后且在填充试验土体2之前，在模型箱1内壁涂抹凡士林。

在沉桩结束后，对该模型箱1自上而下逐层拆卸，同时对桩周土体进行取样，以便于研究桩体贯入对临近土体的扰动影响。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种沉桩模型试验装置，其特征在于，包括组装式模型箱、填充至所述模型箱内且每隔一定深度设置有一层彩色标志层的试验土体、用于向模型桩施加压力并使所述模型桩沉入所述试验土体内的荷载施加装置、以及用于对所述模型桩和所述试验土体进行监测的监测系统，其中，所述模型箱包括：

呈U型的第一半模型室；

呈U型的第二半模型室，所述第二半模型室的U型开口侧可拆卸地对接于所述第一半模型室的U型开口侧；

透明挡板，所述透明挡板可拆卸地封挡于所述第一半模型室的U型开口侧；

移动支架，所述移动支架包括横跨于所述第一半模型室的上方且平行于所述透明挡板的横梁，所述横梁上沿长度方向滑动装设有供所述荷载施加装置连接的水平移动装置。

2.如权利要求1所述的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述第一半模型室的底端封挡有底板，且所述第一半模型室的底部设有排水阀门。

3.如权利要求1所述的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述第一半模型室和所述第二半模型室均由多个模型室模块沿轴向拼接而成。

4.如权利要求1所述的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述第一半模型室的外壁箍设有第一U型箍，所述第二半模型室的外壁对应于所述第一U型箍的位置处箍设有第二U型箍，所述第一U型箍的开口侧及所述第二U型箍的开口侧均相对向外形成用于对接的连接耳。

5.如权利要求1所述的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述移动支架包括相对固定于所述第一半模型室的外壁的两钢支撑，两所述钢支撑的顶部延伸出所述第一半模型室，所述横梁的两个端部分别固定于两所述钢支撑的顶部。

6.如权利要求1所述的沉桩模型试验装置，其特征在于，所述第一半模型室的U型开口侧的相对内壁上设有供所述透明挡板插设的凹槽。

7.一种沉桩模型试验方法，其特征在于，包括步骤：

组装模型箱，组装呈U型的第一半模型室，于所述第一半模型室的U型开口侧封挡透明挡板；

于所述模型箱内填充试验土体，并在每隔一定深度时设置一层彩色标志层；

安装移动支架，于所述第一半模型室的上方横跨设置横梁，于所述横梁上沿长度方向滑动装设水平移动装置，将荷载施加装置连接于所述水平移动装置上；

进行沉桩，提供模型桩，利用所述荷载施加装置对所述模型桩桩顶施加外部荷载，使所述模型桩沉入所述试验土体内，在沉桩的过程中，利用监测系统对所述模型桩和所述试验土体进行监测。

8.一种沉桩模型试验方法，其特征在于，包括步骤：

组装模型箱，组装呈U型的第一半模型室以及呈U型的第二半模型室，将所述第二半模型室的U型开口侧与所述第一半模型室的U型开口侧对接连接；

于所述模型箱内填充试验土体；

安装移动支架，于所述第一半模型室的上方横跨设置横梁，于所述横梁上沿长度方向滑动装设水平移动装置，将荷载施加装置连接于所述水平移动装置上；

进行沉桩，提供模型桩，利用所述荷载施加装置对所述模型桩桩顶施加外部荷载，使所述模型桩沉入所述试验土体内，在沉桩的过程中，利用监测系统对所述模型桩和所述试验土体进行监测。

9.如权利要求7或8所述的沉桩模型试验方法，其特征在于：

所述第一半模型室的底端封挡有底板，且所述第一半模型室的底部设有排水阀门；

在填充完试验土体之后且在进行沉桩之前，对所述试验土体进行饱和处理，打开所述排水阀门向所述模型箱内加压注水，使水体从所述试验土体的底部自下而上运移，直至所述水体漫过所述试验土体表面时，关闭所述排水阀门，静置一段时间。

10.如权利要求8所述的沉桩模型试验方法，其特征在于：

所述第一半模型室和所述第二半模型室均由多个模型室模块沿轴向拼接而成；

在沉桩结束后，对所述模型箱进行逐层拆卸，并对桩周土体进行取样。

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