CN113585364A - 一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置及其试验方法，装置包括模型框架、传力支架、微型土压力盒、导管、套管、应变片、微型桩、千斤顶、位移千分表和钢块。将模型框架内填土压实，根据不同桩间距放置微型桩，以实现不同桩间距的桩土相互作用模拟试验，将微型土压力盒与应变片布置于微型桩周围，千斤顶作用于传力支架再作用于土体，传力支架将千斤顶所产生的集中荷载转化为均布荷载，从而实现本试验装置所需要的推力。使用水平分级加载的方式推动滑坡体沿着预设滑面滑动破坏，用微型土压力盒测量微型桩所受土压力，用应变片监测微型桩在土压力下的机械变形。

Description

一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于岩土滑坡测试技术领域，具体涉及一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置及其试验方法。

背景技术

不同于普通抗滑桩，微型桩的桩径小、长细比大，其抗弯刚度小，更接近柔性材料的性质，因此在实际工程设计施工时经常以微型桩群桩的形式出现。这时在抗滑过程中，微型桩除了靠自身抗弯和抗剪性能抵抗滑坡推力外，还会和周围的桩间岩土体产生较为复杂的桩-土相互作用以此来承担一部分的滑坡推力。在理论计算中，坡体假定是一种理想材料，但在实际中，坡体未必满足这些极限条件，所以理论计算出的滑坡推力与实际不符。在土体发生变形需要进行分析研究时，常假设微型桩不发生位移，这是违背实际规律的。

近年来，国内外研究者们做了许多有关微型桩的物理模型试验、数值模拟试验以及现场试验等，研究的方面也较为广泛包括微型桩的承载能力、“土拱效应”以及桩身内力计算等，但目前对于微型桩的试验研究，大部分还是集中在微型桩的承载能力和桩身内力计算理论上，在微型桩的破坏变形特征及加固作用机理方面还有所欠缺。在现有的物理模型试验中，加载的滑坡推力为集中力，若要真实的模拟滑坡推力的均布荷载则需采取一定的手段。

发明内容

本发明提供了一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置及其试验方法，能够将集中荷载转化为均布荷载，更好的模拟滑坡推力，揭示微型桩加固边坡的作用机理。

为达到上述目的，本发明所述一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，包括模型箱、应变片和土压力盒，所述模型箱用于放置土体，进行试验时：将微型桩插入土体中，应变片布置在微型桩表面，土压力盒放置在土体中；模型箱的一侧设置有传力支架，所述传力支架与千斤顶连接装置连接，模型箱设置有传力支架的一侧无侧壁；所述传力支架用于将千斤顶的集中荷载转变为均布荷载再作用于土体，模拟滑坡推力。

进一步的，传力支架包括连接板、连接杆和传力框架，所述连接板一侧和千斤顶连接装置相接，另一侧与多根连接杆的第一端固定连接，多根连接杆呈辐射状排布，所有连接杆第二端固定在传力框架一端，传力框架另一端与传力板固定连接。

进一步的，传力支架包括第一边框，所述第一边框包括四根首尾连接的第二连接杆，第一边框的四个顶点处分别固定和支撑杆第一端连接，四根支撑杆的第二端与传力板固定连接。

进一步的，四根所述支撑杆中部设置有四根位于同一平面的第三连接杆；四根第三连接杆两两相对设置，分别位于四根第二连接杆正下方。

进一步的，传力支架上端和下端均安装有套管，所述套管在导管上。

进一步的，模型箱的一侧侧壁包括由自下至上依次设置的第一可拆卸钢板、第二可拆卸钢板和第三可拆卸钢板。

基于上述的模型试验装置及的桩土共同作用的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，制作微型桩待用；

步骤2，在模型箱内壁对滑面及坡面做标记，在距离模型箱底部设定位置用标记出预设滑面的位置，在微型桩桩身固定若干应变片，在应变片外布置土压力盒；

步骤3，在模型箱内填一层土，将多根微型桩排成一列，固定在模型箱中，再将模型箱用黄土分层填夯，得到试验土体；然后每隔固定距离取六个环刀土样，做土体物理力学参数测试；

步骤4，在预设的滑面分界线位置，铺设一层塑料薄膜作为预设滑裂面；

步骤5，填土夯实完毕后，在微型桩顶部安装位移千分表，记录桩顶位移，并根据预设滑面进行削坡，整个土体静置平衡后待用；

步骤6，将千斤顶连接装置与传力支架连接，通过千斤顶分级施加荷载，使其对传力支架产生推力，作用于试验土体使其发生滑坡变形，对桩顶位移，桩身应变和土体压力进行采集和记录，当各项数据不再有变化起伏之后，再继续施加荷载，直至发生滑坡破坏；

步骤7，整理、分析数据。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的装置，提出了四轴对中的传力支架，集中荷载通过第一连接板传递至八根第一连接杆上，由于八根连接杆对称分布，根据结构力学，集中荷载被均匀分担至八根连接杆上，再通过平行分布的支撑杆将力平行传递至传力板，将千斤顶提供的集中荷载转化为均布荷载，更好的模拟滑坡推力，揭示微型桩加固边坡的作用机理。

四根撑杆中部设置有四根位于同一平面的第三连接杆，四根第三连接杆两两相对设置，分别位于四根第二连接杆正下方，用于稳固支撑杆，为保证施加大荷载时能够平稳传递至传力板。传力板一方面将点荷载转化为面荷载，另一方面作为挡土板，在填土时保证模型侧面的封闭性，不致土体下落

进一步的，支撑杆第二端固定有钢块，作用在于将支撑杆与传力板连接。

进一步的，传力支架上端和下端均安装有套管，套管套在导管上，千斤顶推动传力支架在导管上移动，推动土体从而模拟滑坡推力对微型桩的作用，导管用于减小摩擦力对试验负面影响。

进一步的，模型箱的一侧侧壁包括由自下至上依次设置的第一可拆卸钢板、第二可拆卸钢板和第三可拆卸钢板，在填土时分阶段安装第一至第三可拆卸钢板，保证压实性，填土完毕后将第一至第三钢板拆除进行试验。

本发明的试验方法，在模型框架内放入适量土体和微型桩，模拟一种微型桩的作用环境，并在土体上方使用千斤顶装置对土体施加水平荷载模拟水平推力，根据不同桩间距放置微型桩，以实现不同桩间距的桩土相互作用模拟试验，将微型土压力盒与应变片布置于微型桩周围，在分析桩周土压力变化时，可直接查看微型土压力盒的数据进行分析。在模拟滑坡过程中，土体作用于微型桩不仅有压力的变化，还有桩身变形，这些数据由微型桩身的应变片收集提供，所有数据均由TZT3826E静态应变测试分析系统收集，该装置能同时测量应变、位移、压力等物理量。分析观察这些数据，获得桩土相互作用规律，为抗滑桩的后续研究提供理论依据。

附图说明

图1为试验装置总体结构示意图；

图2为试验装置俯视图；

图3为模型箱的右视图；

图4为传力支架的左视图。

图5为传力支架的立体图

附图中：1、透明亚克力板，2、钢块，3、套管，4、微型桩，5、导管，6、千斤顶连接装置，7、应变片，8、微型土压力盒，9、预设滑面，10、模型箱，11、传力支架，12、试验区域，13、第三可拆卸钢板，14、第二可拆卸钢板，15、第一可拆卸钢板，16、传力板，17、传力框架，18、第一连接杆，19、第一连接板，20、第二连接杆，21、第三连接杆，22、支撑杆，23、加强板。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，包括一个3060mm×1160mm×1960mm的无盖模型箱10，试验框架右侧设置有三块钢板，正面的侧壁为透明亚克力板1，透明亚克力板1上设置有加强板23，加强板为钢板。传力支架11与千斤顶连接装置6连接，将集中荷载转化为均布荷载。传力支架11上端和下端均安装有套管3，套管3套在导管5上，千斤顶推动传力支架11在导管5上移动，推动土体从而模拟滑坡推力对微型桩的影响，导管用于减小摩擦力对试验负面影响。导管5安装在模型箱10侧壁上。微型桩4长180cm，桩直径5cm，微型桩桩身贴有应变片7，其中两组的布设位置以预设滑面9为界，分别距离滑面上下10cm处，桩身前后各布置一个应变片，随后每隔30cm布置一组应变片，每根桩共布置6组应变片，共计12个应变片，用于监测微型桩4的机械变形。微型土压力盒8竖向同应变片的布置位置埋设，水平距离桩身2cm，土压力盒应与土体紧密接触，监测滑坡发生时桩身周围的土压力变化。

模型箱10的右侧钢板由自下至上依次设置的第一可拆卸钢板15、第二可拆卸钢板14和第三可拆卸钢板13组成，在填土时分阶段安装第一至第三可拆卸钢板，保证压实性，填土完毕后将第一至第三钢板拆除进行试验。

参照图2，一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置的俯视图，传力支架11在导管5上移动，模拟滑坡推力。

参照图3，第一可拆卸钢板15安装在模型箱侧壁下部，和模型箱10前后两个侧壁通过螺钉连接，进行试验时，用于保证填土压实。第二可拆卸钢板14安装在模型箱10侧壁中部，和模型箱10前后两个侧壁通过螺钉连接，在填土高度到达第一可拆卸钢板15高度时安装第二可拆卸钢板14。第三可拆卸钢板安装在模型箱10侧壁上部，和模型箱10前后两个侧壁通过螺钉连接，在填土高度到达第二可拆卸钢板14高度时安装第三可拆卸钢板13，方便进行填土压实的工作人员进出模型箱10。

参照图4和图5，传力支架11包括连接板19、连接杆18和传力框架17，连接板19一侧和千斤顶连接装置相接，另一侧与8根连接杆18的第一端焊接，8根连接杆18呈辐射状排布，从侧面看多根连接杆18呈“米”字形排布，所有连接杆18第二端焊接在传力框架17一端，传力框架17另一端与传力板16焊接。推力作用于传力支架11再作用于传力板16，将集中荷载转变为均布荷载再作用于土体，模拟滑坡推力，连接杆18为钢管。

传力框架17包括第一边框，第一边框包括四根首尾连接的第二连接杆20，第一边框的四个顶点处分别固定和支撑杆22第一端连接，四根支撑杆22的第二端与传力板16固定连接。四根支撑杆22中部设置有四根位于同一平面的第三连接杆21；四根第三连接杆21两两相对设置，分别位于四根第二连接杆20正下方。支撑杆22第二端固定有钢块2。

为验证该传力支架已将集中荷载转化为均布荷载，提取单排桩实验时的两组数据进行说明。该试验采用千斤顶加压的方式，对滑体逐级施加平行于滑面的水平荷载，千斤顶每级加载量为5kPa，施加每级荷载后对各项数据进行采集，等各项数据不再有变化起伏之后，再继续加载。单排桩的加载量为50kPa,桩身的受力端为桩前，另一端则为桩后，由于试验数据庞大，只提取初始加载量5kPa的前10s且各桩桩前距离桩顶30cm和60cm的数据作为说明。

表1距离桩顶30cm处各桩不同时间所受土压力

表2距离桩顶60cm处各桩不同时间所受土压力

由表1和表2可以看出，在初始加载量5kPa的前4s内，1#桩-5#桩的桩身土压力均为0，表明初始荷载当前只作用于土体，还未作用于桩身，第6s时各桩土压力开始出现变化，各桩同一时间不同位置受到的土压力基本一致，即可说明所施加的荷载已被传力支架转化为均布荷载。误差在允许范围内，误差来源主要有摩擦力，桩身摆放位置的误差等。

一种研究桩土共同作用的模型试验装置及其试验方法，包括以下步骤：

步骤1，制作微型桩4待用，本物理模型试验采用钢筋混凝土预制桩模拟微型桩，模型微型桩桩长1.8m，桩径为5cm，在直径5cm的PVC管里，将钢筋放置在中间后用强度等级为C20的混凝土进行浇筑，C20混凝土配比(质量比)为水：水泥：砂子：石子＝0.47：1：1.342：3.12，钢筋采用螺纹钢筋，混凝土倒入搅拌桶中搅拌不少于90s才可进行浇筑。浇筑完毕后使用插入式振捣器快插慢拔的方式进行振捣，必须连续进行。养护时间不少于7昼夜，微型桩表面用塑料薄膜覆盖。

步骤2，清理模型箱10内部，在模型箱内壁对滑面及坡面做好标记线，在模型箱10透明亚克力板1上用马克笔绘制10cm*10cm的网格区域，在距离模型箱10底部90cm的位置用红色标记线标记出预设滑面9的位置，在微型桩4桩身粘贴应变片7，布设位置以预设滑面9为界，分别距离滑面上、下10cm处，微型桩4前后各布置一个应变片7，随后沿长度方向，每隔30cm布置一组应变片，每根桩共布置6组应变片，共计12个应变片。微型土压力盒8竖向同应变片的布置位置埋设，水平距离桩身2cm，微型土压力盒应与土体紧密接触。

步骤3，在模型箱内填土厚度达到10cm时，将五根微型桩“排成一列，每根桩距离模型箱左侧内壁50cm，桩间距20cm，固定好微型桩后，再将模型箱用黄土分层填夯。分层填筑滑床，每层黄土的虚铺厚度为10cm，之后进行压实整平，压实整平之后的土层厚度6cm，打夯前对黄土进行初步整平，夯实路线应按照一定方向，由四周开始，再向中间夯实。在夯实桩周土体时动作要轻，尽量避免对微型桩4的扰动。然后每隔50cm取六个环刀土样，做相关土体物理力学参数测试。

步骤4，以90cm为滑面分界线，铺设一层塑料薄膜作为预设滑裂面，注意不要扰动其埋设位置。

步骤5，整个模型箱试验区域12填土夯实完毕后，在微型桩4顶部安装位移千分表，记录桩顶位移，并根据预设滑面9进行削坡，整个土体静置48h平衡后待用。

步骤6，将静态应变测试分析系统与计算机连接，开机预热设备待用。微型土压力盒8和应变片7收集的数据均由TZT3826E静态应变测试分析系统收集，在计算机上显示结果，实时监测各测点的测量情况。

步骤7，将千斤顶连接装置6与传力支架11连接，传力支架11上安装有套管3，通过千斤顶分级施加荷载，使其对传力支架11产生推力，作用于土体使其发生滑坡变形，对桩顶位移，桩身应变和土体压力等各项数据进行采集和记录，等各项数据不再有变化起伏之后，再继续施加荷载，直至发生滑坡破坏。

步骤8，整理、分析数据。

本方法将模型框架内填土压实，可根据不同桩间距放置微型桩，以实现不同桩间距的桩土相互作用模拟试验，使用千斤顶水平分级加载的方式推动滑坡体沿着预设滑面滑动破坏。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(10)、应变片(7)和土压力盒(8)，所述模型箱(10)用于放置土体，进行试验时：将微型桩(4)插入土体中，应变片(7)布置在微型桩(4)表面，土压力盒(8)放置在土体中；

模型箱(10)的一侧设置有传力支架(11)，所述传力支架(11)与千斤顶连接装置(6)连接，模型箱(10)设置有传力支架(11)的一侧无侧壁；所述传力支架(11)用于将千斤顶的集中荷载转变为均布荷载再作用于土体，模拟滑坡推力。

2.根据权利要求1所述的一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，所述传力支架(11)包括连接板(19)、连接杆(18)和传力框架(17)，所述连接板(19)一侧和千斤顶连接装置(6)相接，另一侧与多根连接杆(18)的第一端固定连接，多根连接杆(18)呈辐射状排布，所有连接杆(18)第二端固定在传力框架(17)一端，传力框架(17)另一端与传力板(16)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，所述传力支架(11)包括第一边框，所述第一边框包括四根首尾连接的第二连接杆(20)，第一边框的四个顶点处分别固定和支撑杆(22)第一端连接，四根支撑杆(22)的第二端与传力板(16)固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，四根所述支撑杆(22)中部设置有四根位于同一平面的第三连接杆(21)；四根第三连接杆(21)两两相对设置，分别位于四根第二连接杆(20)正下方。

5.根据权利要求1所述的一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，所述模型箱(10)正面的侧壁为透明板，透明板上设置有加强板(23)。

6.根据权利要求1所述的一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，所述传力支架(11)上端和下端均安装有套管(3)，所述套管(3)套在导管(5)上。

7.根据权利要求1所述的一种用于研究桩土共同作用的模型试验装置，其特征在于，所述模型箱(10)的一侧侧壁包括由自下至上依次设置的第一可拆卸钢板(15)、第二可拆卸钢板(14)和第三可拆卸钢板(13)。

8.基于权利要求1所述的模型试验装置及的桩土共同作用的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制作微型桩(4)待用；

步骤2，在模型箱(10)内壁对滑面及坡面做标记，在距离模型箱(10)底部设定位置用标记出预设滑面(9)的位置，在微型桩(4)桩身固定若干应变片(7)，在应变片(7)外布置土压力盒(8)；

步骤3，在模型箱(10)内填一层土，将多根微型桩(4)排成一列，固定在模型箱(10)中，再将模型箱(10)用黄土分层填夯，得到试验土体；然后每隔固定距离取六个环刀土样，做土体物理力学参数测试；

步骤4，在预设的滑面分界线位置，铺设一层塑料薄膜作为预设滑裂面；

步骤5，填土夯实完毕后，在微型桩(4)顶部安装位移千分表，记录桩顶位移，并根据预设滑面(9)进行削坡，整个土体静置平衡后待用；

步骤6，将千斤顶连接装置(6)与传力支架(11)连接，通过千斤顶分级施加荷载，使其对传力支架(11)产生推力，作用于试验土体使其发生滑坡变形，对桩顶位移，桩身应变和土体压力进行采集和记录，当各项数据不再有变化起伏之后，再继续施加荷载，直至发生滑坡破坏；

步骤7，整理、分析数据。

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