CN113897938B - 一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其包括桩柱模型和纵向测力计，桩柱模型包括桩柱基座、中间桩柱模型和顶部桩柱模型，在桩柱基座的顶部纵向叠加有若干中间桩柱模型。优点：通过在桩柱模型的不同高度位置设置纵向测力计，可以对桩侧不同深度位置的桩柱与土体的竖向相互作用力进行测量，同时，在桩柱模型的不同高度位置还设置了水平测力计，可对不同深度地基土体与桩柱的水平作用力进行测量。并且，桩柱主体可以重复使用，在对不同材质、不同尺寸、不同粗糙度桩体进行试验时，只需要更换桩柱表层即可，一方面可以降低试验成本，起到节能环保的作用，另一方面可以加快试验进度，提高效率。

Description

一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统

技术领域：

本发明涉及桩柱基础冻拔力测试技术领域，具体地说涉及一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统。

背景技术：

桩柱基础是高层建筑、桥梁、电力杆塔等基础应用最为广泛的基础形式，其承载能力由桩柱体侧边和土体的静摩擦力以及桩柱体底端和土体的作用力所提供。桩柱体底部的力由于作用面积有限，受力相对简单，比较容易测量；而桩柱侧边由于面积大，作用土层的土质、密实度、含水率等土质参数变异性大，因此存在局部无法测量的问题，整体承载力分析的结果往往导致设计过于保守，这对于桩柱基础的节约化设计和安全运营存在一定的制约。常规方法通常采用静力触探、直剪试验等确定界面参数，但这些方法均属于间接方法，和实际桩柱体与土体作用过程存在一定的偏差。

同时，寒区桩柱基础在冻融循环作用下存在冻拔融沉的问题，冬季土体冻结与桩柱表面胶结，土体冻胀带动桩柱体向上运动产生冻拔；夏季土体融化，桩柱体与地基土体胶结程度急剧较降低，桩柱体在自重和上覆荷载作用下发生融沉。单次的冻拔融沉量过大或者累年的冻融循环作用导致桩柱体冻拔融沉量向一个方向累计均会导致工程结构过度变形、开裂、甚至破坏丧失功能，甚者酿成安全事故，这是在我国青藏高原、东三省和内蒙古东北部地区的桥梁墩柱、电力杆塔等基础冻害问题的主要形式。该类问题是周期温度边界条件下，地基土体水热力耦合作用下与桩柱基础相互作用过程，需要准确测量桩柱与土接触底部的法向作用力、侧向与土的法向作用力以及切向作用力，常规方法通常在下部或上部设置拉力计和压力计，只能测量整体的冻拔力，不能对桩侧不同深度位置的桩柱与土体的相互作用力进行测量，该方法不能揭示地基土体水热状态与桩土相互作用力的定量关系，严重制约了地基土体与桩柱作用过程的影响因素分析、冻拔融沉机理探究和冻拔融沉防治措施研发等工作的开展。并且，为了研究不同材质（混凝土、钢和木材等）、不同尺寸、不同粗糙度桩柱在不同土质、水分、温度、荷载条件下的冻拔力，需要制作若干个桩柱模型，且桩柱模型内部为实心，耗费材料多，导致试验成本增加，尤其是在进行混凝土桩柱的相关试验时，混凝土桩柱浇筑后需要的定型时间长，影响试验进度。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，可以对桩侧不同深度位置的桩柱与土体的相互作用力进行测量。

本发明由如下技术方案实施：一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其包括桩柱模型和纵向测力计，所述桩柱模型包括桩柱基座、中间桩柱模型和顶部桩柱模型，在所述桩柱基座的顶部纵向叠加有若干所述中间桩柱模型，在上下相邻的所述中间桩柱模型之间、最下方的所述中间桩柱模型与所述桩柱基座之间、最上方的所述中间桩柱模型与所述顶部桩柱模型之间均可拆卸连接有所述纵向测力计；且在上下相邻的所述中间桩柱模型的端部之间、最下方的所述中间桩柱模型的底端与所述桩柱基座的顶端之间、最上方的所述中间桩柱模型的顶端与所述顶部桩柱模型的底端之间均预留有形变缝隙。

进一步的，在上下相邻的所述中间桩柱模型之间、最下方的所述中间桩柱模型与所述桩柱基座之间、最上方的所述中间桩柱模型与所述顶部桩柱模型之间均设置有导向结构。

进一步的，所述导向结构包括相互匹配的外卡槽和内卡槽，在所述中间桩柱模型的顶端设置所述外卡槽或所述内卡槽，在所述中间桩柱模型的底端设置有所述内卡槽或所述外卡槽；在所述桩柱基座的顶端设置有所述外卡槽或所述内卡槽，在所述顶部桩柱模型的底端设置有所述内卡槽或所述外卡槽。

进一步的，在所述中间桩柱模型的外侧和所述顶部桩柱模型的外侧圆周方向安装有至少三个水平测力计。

进一步的，所述中间桩柱模型和所述顶部桩柱模型的结构相同，所述中间桩柱模型包括桩柱主体和固定在所述桩柱主体外侧的桩柱表层；在所述顶部桩柱模型的顶端扣设有顶盖。

进一步的，所述桩柱主体包括筒体、内芯和连接板，在所述筒体的内部通过所述连接板固定有所述内芯，且所述内芯沿所述筒体的中心布置；所述内芯的顶端和底端分别与所述纵向测力计可拆卸连接。

进一步的，所述内芯的顶端和底端均开设有螺孔，在所述螺孔内螺接有螺杆，在所述桩柱基座的顶部中心位置固定有螺杆，所述纵向测力计的顶端和底端与对应的螺杆螺接。

进一步的，所述连接板与所述筒体之间通过螺栓连接。

进一步的，在所述筒体的外侧圆周方向安装有至少三个水平测力计，所述水平测力计的测试端延伸至所述桩柱表层的外侧。

进一步的，在上下相邻的所述中间桩柱模型之间、最下方的所述中间桩柱模型与所述桩柱基座之间、最上方的所述中间桩柱模型与所述顶部桩柱模型之间设置有密封圈。

本发明的优点：通过在桩柱模型的不同高度位置设置纵向测力计，可以对桩侧不同深度位置的桩柱与土体的竖向相互作用力进行测量，从而揭示出地基土体水热状态与桩土切向相互作用力的定量关系，更加有利于土体与桩柱作用过程的影响因素分析、冻拔融沉机理探究和冻拔融沉防治措施研发等工作的开展。同时，在桩柱模型的不同高度位置还设置了水平测力计，可以测得不同深度桩柱与地基土体水平作用力，从而揭示出地基土体水热状态与桩土法向相互作用力的定量关系,便于根据水平测力计和水平测力计测试数据的对比分析，可建立法向和切向力在不同深度和不同水热状态下的相互关系。并且，中间桩柱模型和顶部桩柱模型主要由桩柱主体和桩柱表层构成，其中，桩柱主体可以重复使用，在对不同材质、不同尺寸、不同粗糙度桩体进行试验时，只需要更换桩柱表层即可，一方面可以降低试验成本，起到节能环保的作用，另一方面可以加快试验进度，提高效率。

附图说明：

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为中间桩柱模型的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

桩柱模型1、纵向测力计3、桩柱基座11、中间桩柱模型12、顶部桩柱模型13、形变缝隙14、外卡槽15和内卡槽16、水平测力计17、桩柱主体18、桩柱表层19、顶盖120、筒体121、内芯122和连接板123、螺孔124、螺杆125、螺栓126、密封圈127。

具体实施方式：

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其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，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图3所示，一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其包括桩柱模型1、纵向测力计3，桩柱模型1包括桩柱基座11、中间桩柱模型12和顶部桩柱模型13，在桩柱基座11的顶部纵向叠加有若干中间桩柱模型12，本实施例中，叠加有三个中间桩柱模型12。

在上下相邻的中间桩柱模型12之间、最下方的中间桩柱模型12与桩柱基座11之间、最上方的中间桩柱模型12与顶部桩柱模型13之间均设置有导向结构，通过设置导向结构，可以进一步保证桩柱模型1整体结构的稳定性，以对抗法向作用力。具体的，导向结构包括相互匹配的外卡槽15和内卡槽16，具体的，可以是在中间桩柱模型12的顶端设置内卡槽16，在中间桩柱模型12的底端设置有外卡槽15；在桩柱基座11的顶端设置有内卡槽16，在顶部桩柱模型13的底端设置有外卡槽15。或如本实施例所示，在中间桩柱模型12的顶端设置外卡槽15，在中间桩柱模型12的底端设置有内卡槽16；在桩柱基座11的顶端设置有外卡槽15，在顶部桩柱模型13的底端设置有内卡槽16，为了便于套接，在外卡槽15和内卡槽16的表面涂有黄油令接触面光滑。

且在上下相邻的中间桩柱模型12的端部之间、最下方的中间桩柱模型12的底端与桩柱基座11的顶端之间、最上方的中间桩柱模型12的顶端与顶部桩柱模型13的底端之间均预留有形变缝隙14。在上下相邻的中间桩柱模型12之间、最下方的中间桩柱模型12与桩柱基座11之间、最上方的中间桩柱模型12与顶部桩柱模型13之间设置有密封圈127。密封圈127可以是弹性密封垫，也可以是由防水膜缠绕形成的防水结构；通过设置密封圈127可以防止土及土中的水分进入筒体121的内部导致桩柱模型1内部发生冻结而影响形变缝隙14的正常伸缩，进而保证试验的准确性。

在上下相邻的中间桩柱模型12之间、最下方的中间桩柱模型12与桩柱基座11之间、最上方的中间桩柱模型12与顶部桩柱模型13之间均可拆卸连接有纵向测力计3。通过在桩柱模型1的不同高度位置设置纵向测力计3，可以对桩侧不同深度位置的桩柱与土竖向体的相互作用力进行测量，从而揭示出地基土体水热状态与桩土切向相互作用力的定量关系，更加有利于土体与桩柱作用过程的影响因素分析、冻拔融沉机理探究和冻拔融沉防治措施研发等工作的开展。

在中间桩柱模型12的外侧和顶部桩柱模型13的外侧圆周方向安装有至少三个水平测力计17，通过在纵向上设置多组水平测力计17，可以测得不同高度桩柱与地基土体的水平作用力，为测算地基土体水热状态与桩柱法向相互作用力的定量关系提供重要的依据。在筒体121的外侧圆周方向安装有至少三个水平测力计17，在筒体121的侧部预先开设有螺纹孔，螺纹孔内螺接有外螺纹管，在外螺纹管的内部固定有水平测力计17，水平测力计17与筒体121之间为可拆卸连接，可根据试验需求确定安装的水平测力计17的数量，使得试验更加灵活。

具体的，中间桩柱模型12和顶部桩柱模型13的结构相同，中间桩柱模型12包括桩柱主体18和固定在桩柱主体18外侧的桩柱表层19，水平测力计17的测试端延伸至桩柱表层19的外侧。桩柱主体18可重复使用，在需要对不同材质（混凝土、钢和木材等）、不同粗糙度桩体进行试验时，只需要更换桩柱表层19即可，且桩柱表层19的厚度可以根据需求调整，可以降低试验成本投入，并且，在进行混凝土桩柱的相关试验时，桩柱表层19体积小、面积大，需要的制作时间远小于同等大小条件下整体制作时的时间，且更节省材料，可以加快试验进度，提高效率。桩柱主体18包括筒体121、内芯122和连接板123，在筒体121的内部通过连接板123固定有内芯122，且内芯122沿筒体121的中心布置；具体的，筒体121、内芯122和连接板123均为钢结构，其刚度大不易变形，且可重复使用，纵向测力计3和水平测力计17的数据线可从任意两个相邻的连接板123之间的空间向上穿出。在桩柱表层19的外侧沿纵向设有刻度线（图中未示出）, 用于在试验过程中观测桩体冻拔融沉量；在顶部桩柱模型13的顶端扣设有顶盖120，顶盖120的顶部开设有与压力加载机构匹配的凹槽。连接板123与筒体121之间通过螺栓126连接，连接板123和筒体121之间为可拆卸连接，拆装方便，不同尺寸的筒体121可以相互套接存放，节省存放空间，且连接板123及内芯122可以与不同之间的筒体121匹配，进而提高其适用范围。具体的，在筒体121侧部预留螺栓126穿过的通孔，在连接板123的侧壁上预留与螺栓126顶端匹配的螺孔，螺栓126的顶端穿过通孔后与连接板123边侧的螺孔螺接，螺栓126的长度可以根据不同尺寸的连接板123、筒体121和桩柱表层19厚度进行调节。

内芯122的顶端和底端分别与纵向测力计3可拆卸连接，具体的，内芯122的顶端和底端均开设有螺孔124，在螺孔124内螺接有螺杆125，在桩柱基座11的顶部中心位置固定有螺杆125，纵向测力计3的顶端和底端与对应的螺杆125螺接。纵向测力计3选择在量程内变形极小的测力计使桩连接后呈现刚性，以保证形变缝隙14的宽度，使桩柱形变时产生的拉力和压力都可以有效传递至纵向测力计3，测得竖直方向力，进而推导得出切向桩柱与土体相互作用力，为相关研究提供参考依据。

使用说明：首先，依据试验需求，在桩柱主体18固定桩柱表层19；然后，从底部开始，现将纵向测力计3底端与对应的螺杆125螺接，再将内芯122通过螺杆125螺接在纵向测力计3的上方，接着将筒体套在连接板123的外侧并通过螺杆固定，重复上述过程完成所有中间桩柱模型12和顶部桩柱模型13的连接；并且，在连接的过程中，在上下相邻的筒体的端部之间安装密封圈127即可。

待桩柱模型1安装完毕后，将其插入土中，使顶盖120上的凹槽与试验设备的压力加载装置对应，然后将纵向测力计3和水平测力计17的数据线从桩柱模型1的顶部引出后连接至数据采集器和电脑，进行试验即可。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其包括桩柱模型和纵向测力计，其特征在于，所述桩柱模型包括桩柱基座、中间桩柱模型和顶部桩柱模型，在所述桩柱基座的顶部纵向叠加有若干所述中间桩柱模型，在上下相邻的所述中间桩柱模型之间、最下方的所述中间桩柱模型与所述桩柱基座之间、最上方的所述中间桩柱模型与所述顶部桩柱模型之间均可拆卸连接有所述纵向测力计；且在上下相邻的所述中间桩柱模型的端部之间、最下方的所述中间桩柱模型的底端与所述桩柱基座的顶端之间、最上方的所述中间桩柱模型的顶端与所述顶部桩柱模型的底端之间均预留有形变缝隙；

所述中间桩柱模型和所述顶部桩柱模型的结构相同，所述中间桩柱模型包括桩柱主体和固定在所述桩柱主体外侧的桩柱表层；在所述顶部桩柱模型的顶端扣设有顶盖；

所述桩柱主体包括筒体、内芯和连接板，在所述筒体的内部通过所述连接板固定有所述内芯，且所述内芯沿所述筒体的中心布置；所述内芯的顶端和底端分别与所述纵向测力计可拆卸连接；

所述内芯的顶端和底端均开设有螺孔，在所述螺孔内螺接有螺杆，在所述桩柱基座的顶部中心位置固定有螺杆，所述纵向测力计的顶端和底端与对应的螺杆螺接。

2.根据权利要求1所述的一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其特征在于，在上下相邻的所述中间桩柱模型之间、最下方的所述中间桩柱模型与所述桩柱基座之间、最上方的所述中间桩柱模型与所述顶部桩柱模型之间均设置有导向结构。

3.根据权利要求2所述的一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其特征在于，所述导向结构包括相互匹配的外卡槽和内卡槽，在所述中间桩柱模型的顶端设置所述外卡槽或所述内卡槽，在所述中间桩柱模型的底端设置有所述内卡槽或所述外卡槽；在所述桩柱基座的顶端设置有所述外卡槽或所述内卡槽，在所述顶部桩柱模型的底端设置有所述内卡槽或所述外卡槽。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其特征在于，在所述中间桩柱模型的外侧和所述顶部桩柱模型的外侧圆周方向安装有至少三个水平测力计。

5.根据权利要求1所述的一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其特征在于，所述连接板与所述筒体之间通过螺栓连接。

6.根据权利要求5所述的一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其特征在于，在所述筒体的外侧圆周方向安装有至少三个水平测力计，所述水平测力计的测试端延伸至所述桩柱表层的外侧。

7.根据权利要求1、2、3或6所述的一种可动态监测桩柱与冻融土相互作用分布力的桩柱系统，其特征在于，在上下相邻的所述中间桩柱模型之间、最下方的所述中间桩柱模型与所述桩柱基座之间、最上方的所述中间桩柱模型与所述顶部桩柱模型之间设置有密封圈。

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