CN114134949A - 一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置及方法，所述试验装置包括框架，所述框架内设有透明试验罩，所述透明试验罩内自下而上依次填充多层填筑层；多层填筑层绕试验桩填筑，将桩体围于其中，试验桩的周侧填筑层内布置有朝向试验桩的多个土压力计；所述顶部筑层的上表面覆盖加压板，所述加压板由液压加载系统进行压力加载；所述试验桩的上端与桩基拔升系统相连接，所述桩基拔升系统用于向上提升试验桩；所述透明实验罩下方设有辅助桩和用于升降辅助桩的辅助桩升降系统。本发明考虑了库岸高填方沉降对桩基的负摩阻作用，采用拔桩试验模式模拟再现了该过程的发生机理，并对负摩阻参数实施精确测试。

Description

一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置及 方法

技术领域

本发明属于岩土工程新型试验技术领域，尤其是涉及一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置及方法。

技术背景

近几十年，为开发利用水电资源，我国在西部山区大力兴建水电项目。同时，为解决库区人民移民问题及考虑到人们生产生活需求，水电站库岸高填方及其基础设施配套工程应运而生。但是也涌现了诸多岩土工程问题，例如当水库发电时，水库蓄水位骤降会引起高填方内地下水位的同步下降，从而使填方土体发生固结沉降。该过程中填方土体相对于其内部的基础设施桩基将发生向下的位移，因此，引起对桩侧向下拖拽的负摩阻力，严重者可导致桩基础破坏。该情形下，如何有效确保库岸高填方中桩基的安全将直接关系到库区人民的生活质量和安全。

为解决上述问题，最根本的手段是精准测量高填方中桩基负摩阻力的参数，从而为桩基础设计提供合理的参数依据。然而目前为止，业内尚未对此投入足够的重视，相对应的桩基负摩阻力参数测试设备和方法亦未及时跟进，因此延缓了该领域岩土工程测试技术的发展。

发明内容

基于桩基负摩阻力问题在库岸高填方基础设施建设中的普遍性和重要影响，以及当前尚缺少合适的仪器设备开展桩基负摩阻参数测试，本发明旨在结合现有的高新技术，提供一种能测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的装置及方法，以弥补该领域土工测试技术的不足。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，所述测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置包括框架，所述框架内设有透明试验罩，所述透明试验罩内自下而上依次填充多层填筑层；多层填筑层绕试验桩填筑，将桩体围于其中，试验桩的周侧填筑层内布置有朝向试验桩的多个土压力计；

所述试验桩上端穿出顶部填筑层，所述试验桩下端首先由其下部的辅助桩抵住从而与透明试验罩底部平齐；

所述顶部筑层的上表面覆盖加压板，所述加压板由液压加载系统进行压力加载；

所述试验桩的上端与桩基拔升系统相连接，所述桩基拔升系统用于向上提升试验桩；

所述透明实验罩下方设有辅助桩和用于升降辅助桩的辅助桩升降系统，所述辅助桩的平面尺寸与试验桩的平面尺寸相同，且拔升试验桩时所述辅助桩始终与试验桩之间保持一定的间隙跟进，以使得辅助桩作为试验桩拔出后的空间填充；

所述测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置还包括位移监测器和压力传感器，所述位移传感器用于监测试验过程中试验桩被桩基拔升系统所拔升的高度，所述压力传感器用于监测液压加载系统对加压板的竖向压力。

在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

作为本发明的优选技术方案：所述液压加载系统包括变频器、升降台、液压升降机和加压柱，所述升降台由变频器驱动液压升降机形成升降，所述升降台下端固定加压柱，所述升降台用于向下驱动加压柱形成对加压板的压力加载。

作为本发明的优选技术方案：所述桩基拔升系统包括提升索和卷索机，所述提绳索下端具有桩帽，所述桩帽与试验桩的上端相固定，所述提绳索在卷索机的驱动下向上提升试验桩。

作为本发明的优选技术方案：所述桩帽包括左桩帽和右桩帽，所述桩帽为吸铁石材质以使得左桩帽和右桩帽经磁力相互吸引实现对试验桩桩顶的嵌固。

作为本发明的优选技术方案：所述加压板上设有多个排水孔，所述排水孔用于在液压加载系统对压力板进行压力加载过程中进行填筑层的固结排水。

作为本发明的优选技术方案：所述辅助桩升降系统包括千斤顶，所述千斤顶上端顶住辅助桩。

作为本发明的优选技术方案：所述框架包括支撑柱、框架底座和框架立柱，所述框架底座下方固定有用于支撑框架底座的支撑柱，所述框架底座上承载透明试验罩，所述框架立柱立于框架底座上，所述框架立柱上布置液压加载系统和桩基拔升系统，所述框架底座下方布置辅助桩升降系统。

作为本发明的优选技术方案：所述液压加载系统、桩基拔升系统、土压力计、位移监测器和压力传感器分别与计算机信号连接并由计算机进行控制。

作为本发明的优选技术方案：所述透明试验罩的外侧面上设有厚度标尺，所述厚度标尺覆盖多层填筑层的整体厚度，所述厚度标尺的延伸方向呈竖直方向。

本发明还有一个目的在于，提供一种库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法。

为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

一种库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法，所述库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法基于前文所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，并包括如下步骤：

S1、装样和加载：

试验前，需进行填筑层装样；首先将辅助桩和试验桩置于中央位置，而后往透明试验罩内进行分层填筑高填方填料，同时在预设的位置处沿桩周埋设土压力计，填筑过程中需配合适度的压实，如此可模拟高填方中不同填筑层的土层结构；填筑完成后，将加压板置于填筑层顶部，继而通过液压加载系统压载加压板实现对填筑层的竖向加载，直至各个压力传感器测得的压力值总和为预先设定的竖向荷载P，后由计算机系统伺服控制整个试验过程中所施加的竖向荷载均维持在P值；

S2、拔桩试验测试：

装样和加载完成后，通过桩基拔升系统提升试验桩，桩基拔升系统的拔升力记为F，F为与拔升位移D相关的变量；开始拔桩试验测试，在此过程中控制加压板所施加的竖向荷载始终为P，通过桩基拔升系统以均匀的拔桩速率v匀速将试验桩向上拔起，该过程实时测量并反馈给计算机提升索所提供的拔升力F，同时全过程监测并反馈给计算机拔桩试验过程中的桩周土压力计的数值；拔桩过程中，以相同的速率跟进辅助桩上升，并与试验桩保持一定间距，确保拔桩过程中不发生桩孔塌壁和应力损失；

S3、做功积分求解：

以试验桩为受力分析对象，可知桩体在拔桩试验过程中受到自身重力W、桩身负摩阻力f_m以及拔升力F的作用，其中W为常数，f_m可根据摩尔库伦准则由桩周正应力、各填筑层与桩基间的负摩阻参数c、φ表示，F为与拔桩位移相关的变量；

因此，可基于试验全过程的监测数值，考虑做功积分方法构建做功平衡方程；

以三层填筑层为例，构建做功积分平衡方程：

①从拔桩位移为D_k开始，直至拔桩位移至D₃，建立首次做功积分平衡方程，该方程形如式(1)，含所有填筑层的6个未知的负摩阻参数c₃、φ₃、c₂、φ₂、c₁、φ₁；

②从拔桩位移为D₃开始，直至拔桩位移至D₂+D₃，建立第二次做功积分平衡方程，该方程形如式(2)，含填筑层一和填筑层二的4个未知的负摩阻参数c₂、φ₂、c₁、φ₁；

③从拔桩位移为D₂+D₃开始，直至拔桩位移至D₁+D₂+D₃，建立第三次做功积分平衡方程，该方程形如式(3)，仅含填筑层一的2个未知的负摩阻参数c₁、φ₁；

分别在不同的P值竖向荷载下开展试验，例如在P₁和P₂值下开展，则可分别获得如式(1)～(3)和式(4)～(6)所示的做功积分平衡方程；

P₁压力下：

P₂压力下：

式中，r为试验桩桩身半径，v为拔桩速率，t为时间，D为试验桩拔桩位移，D_kP1表示P₁条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，D_kP2表示P₂条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，F(D)表示P₁条件下随拔桩位移变化的拔升力，F’(D)表示P₂条件下随拔桩位移变化的拔升力；

表示P₁条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，

表示P₂条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，且t＝D/v；

此时，先联立式(3)和式(6)，即可求得填筑层一中的2个负摩阻参数c₁、φ₁；继而将其值代入式(2)和式(5)，联立求解即可获得填筑层二中的2个负摩阻参数c₂、φ₂；同样，将已求得的c₁、φ₁、c₂、φ₂代入式(1)和式(4)，进行联立求解，即可获取填筑层三中的2个负摩阻参数c₃、φ₃；最终实现对库岸高填方中桩基负摩阻参数的求解。

本发明提供一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置及方法，具有如下有益效果：

1)、本发明考虑了库岸高填方沉降对桩基的负摩阻作用，采用拔桩试验模式模拟再现了该过程的发生机理，并对负摩阻参数实施精确测试；

2)、本发明主要根据拔桩力、桩周正应力数值的实时监测，创造性地采用拔桩做功积分的方法构建桩基负摩阻参数求解方程；

3)、本发明采用分层填筑的模式，高度还原库岸高填方多填筑层的真实工程条件。同时根据不同的层位设置积分点，实现各个填筑层桩基负摩阻参数的逐层求解；

4)、本发明采用了辅助桩及时跟进的模式，可有效填补拔桩过程中的桩孔空缺，从而避免填筑料沿桩孔塌壁；

5)、本发明采用计算机伺服系统，可接收传感监测设备反馈的监测数据，并自动对仪器功能部件进行伺服控制；

6)、本发明涉及的装置可从原理上再现桩基负摩阻力的产生过程，同时提供了关键力学信息的实测方法，并提出了通过做功积分的方法对桩基负摩阻参数进行求解，可实现负摩阻参数的精准测试。此外，装置还配套了计算机伺服控制系统，可自动控制轴向加载、自动监测、桩基拔升等步骤。

附图说明

图1为本发明提供的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置的结构图；

图2为主试验舱部位的三维视图；

图3为试验桩的三维视图；

图4为一次积分起点拔桩位置图；

图5为一次积分终点(或二次积分起点)拔桩位置图；

图6为二次积分终点(或三次积分起点)拔桩位置图；

图7为三次积分终点拔桩位置图；

图8为填筑层的常规剪切力学曲线示意图；

图9为试验全过程拔升力曲线示意图；

图10为试验全过程桩周均值正应力曲线示意图；

其中：1-框架柱，2-变频器，3-升降台，4-液压升降机，5-压力传感器，6-卷索机，7-加压柱，8-加压板，9-填筑层一，10-填筑层二，11-填筑层三，12-固定脚，13-位移监测器，14-提升索，15-信号缆线，16-计算机，17-左桩帽，17a-右桩帽，18-加压板中心孔，19-加压板排水孔，20-土压力计，21-透明试验罩，21a-试验罩底部过桩孔，22-框架底座，22a-框架底座过桩孔，23-支撑柱，24-地面，25-试验桩，25a-试验桩顶，25b-试验桩凹槽，26-辅助桩，27-千斤顶，28-厚度标尺，29-填筑层一厚度，30-填筑层二厚度，31-填筑层三厚度，32-桩侧负摩阻力，33-首次积分起点拔升高度，34-首次积分终点(或第二次积分起点)拔升高度，35-第二次积分终点(或第三次积分起点)拔升高度，36-第三次积分终点拔升高度，37-剪应力轴，38-剪位移轴，39-剪应力峰值处位移，40-常规剪切应力曲线，41-净拔升力轴，42-拔升高度轴，43-P₁条件下拔升力曲线，44-P₂条件下拔升力曲线，45-均值正应力轴，46-时间轴，47-首次积分起点时间，48-首次积分终点(或第二次积分起点)时间，49-第二次积分终点(或第三次积分起点)时间，50-第三次积分终点时间，51-P₁条件下填筑层三中桩周均值正应力曲线，52-P₁条件下填筑层二中桩周均值正应力曲线，53-P₁条件下填筑层一中桩周均值正应力曲线，54-P₂条件下填筑层三中桩周均值正应力曲线，55-P₂条件下填筑层二中桩周均值正应力曲线，56-P₂条件下填筑层一中桩周均值正应力曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，包括主试验舱、液压加载系统、桩基拔升系统、辅助桩升降系统、监测控制系统和框架等六个功能部分。主试验舱位于正中部位，由透明试验罩、加压板以及试验桩所围限，其内可分层装填高填方填筑料，同时在填筑料中沿试验桩周呈垂直向安置土压力计，用于测量桩周正向应力值。液压加载系统主要由液压升降机、升降台、变频器、加压柱及加压板组成，其中液压升降机固定于框架柱上，通过变频器驱动升降台沿升降机进行向下移动，可对加压柱进行加压，从而实现下方加压板对填筑料的加卸载。桩基拔升系统包括试验桩、桩帽、提升索、卷索机等组成部分，主要用于试验过程中拔升试验桩，以模拟桩基负摩阻力的产生过程。辅助桩升降系统包括辅助桩、千斤顶，该系统用于试验桩拔升过程中及时跟进辅助桩抬升，以填补拔桩后的桩孔空缺，防止填料往桩孔塌壁。监测控制系统包括计算机、变频器、压力传感器、位移传感器、土压力计、千斤顶、信号传输电缆等，其中信号传输电缆连接计算机控制系统和所有监测传感设备，可将监测值实时反馈给计算机进行储存，以方便计算机及时做出指令对仪器各功能部件进行控制。框架，其左右两侧的立柱用于传递液压升降系统反施给它的作用力，其底座作为试验设备的支撑平台通过支撑柱架于地面上，底座中心开有过桩孔，可容许辅助桩从中穿过。桩基负摩阻参数测试方法，即根据试验实测的数据，通过构建做功积分方程，实现对负摩阻参数的精确求解。

试验罩呈透明，其外部标有厚度标尺，可方便观察和读取罩内填筑层的位置和厚度。试验罩底开有过桩孔，可容许辅助桩从中穿过。

液压升降机安装于框架柱上，其作用是通过变频器指令控制升降台沿其上下移动，实现升降台对底部加压柱的施压作用。

加压板，其上端固连加压柱，可随加压柱受压实现对下部填筑层的竖向加载。其中，加压板表面开有排水孔，用于加压过程中填筑层的固结排水，加压板中部开设中心孔，试验桩可从中穿过。

试验桩呈笔直桩，变径为r，其表面可根据实际桩体的样式设置为粗糙。桩体预先置于试验舱中部，其周围填筑填筑层。桩顶部分设置有凹槽，可恰与左、右桩帽嵌合，桩帽上部连有提升索，试验过程中可由提升索提升桩帽，连带将试验桩拔出。

桩帽为吸铁石材质，其均分为左右两个部分，试验时，可将两部分分别套装于试验桩桩顶，并相吸，实现对桩顶的嵌固，并可在其上部提升索的作用下连带拔升试验桩。试验结束后即可将桩帽分为两部分拆卸。

卷索机通过固定脚安装于升降台底部，可通过将提升索卷起实现对桩帽及其下部试验桩的提升，并可自动监测每根提升索的拔升力，从而测得总的拔升力F。

辅助桩通过千斤顶置于框架下，辅助桩顶正对于框架底座过桩孔，可自由通过框架底座过桩孔及试验罩底部过桩孔。其作用为，在试验桩拔升过程中，由计算机自动控制千斤顶，使辅助桩与试验桩保持一定的间隔及时地向上跟进，以填补拔桩后填筑层中的桩孔空缺，防止填料往桩孔塌壁。

压力传感器装于加压柱上端，用于监测升降台下移时施加的竖向压力，并由传输电缆反馈给计算机，计算机则根据预设的压力值P对其进行判断，并实时控制升降台的升降，确保所施加的总压力值为目标值。每条加压力臂上方均有压力传感器，因此各压力传感器测得压力值p的总和为实际施加给填筑层的压力值P。

位移传感器安装于升降台底面，可监测试验过程中试验桩的拔升高度，并将监测结果通过信号回馈给计算机系统进行储存。

土压力计分布于各个填筑层中，并沿试验桩周围呈垂直向安置，用于实时测量试验过程中桩周正向应力值。

计算机为监测控制系统的核心，其连接有信号传输电缆，可接受来自所有传感监测设备反馈的实时数据，同时可对相应功能部件发出实时指令，自动控制试验过程。

框架通过支撑柱架于地面上，一方面起到保护试验设备和提供支撑反力的作用，另一方面为辅助桩提供空间，同时可使辅助桩从其底座过桩孔穿过。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。

一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其结构如图1所示，主要包括主试验舱、液压加载系统、桩基拔升系统、辅助桩升降系统、监测控制系统和框架等六个功能部分。基本框架由框架底座22通过支撑柱23架设于地面24上，其中计算机16设于框架外，可由试验人员操作，实现对试验的自动控制。具体地，中部，透明试验罩21、加压板8以及试验桩25围限出主试验舱，舱内分层填筑高填方填筑料，分别为填筑层一9、填筑层二10、填筑层三11，同时土压力计20沿试验桩25周呈垂直向安置于各填筑层中，用于测量桩周正向应力值。其中试验桩25位于主试验舱正中，与之对应的试验罩底部及框架底座分别开设过桩孔21a、22a，可容许底部的辅助桩26从中穿过。加压板8表面开有排水孔19，其中部开设中心孔18，试验桩25可从中穿过。上部，加压板8与其上部的加压柱7固连，加压柱7通过压力传感器5直抵其上端的升降台底面，升降台3在变频器2的指令下沿固定于框架柱1上的升降机4上下升降，可对加压柱7施压，实现加压板8对其下部填筑层(填筑层一9、填筑层二10、填筑层三11)加载。此外，试验桩顶设有凹槽，桩帽可分左右两部分(左桩帽17和右桩帽17a)套装其上并与其嵌合，左、右桩帽上端分别连接提升索14，其上部的卷索机6通过固定脚12安装于升降台底面，试验过程中可由卷索机6卷起提升索14，从而实现将试验桩25向上拔起以模拟桩基负摩阻力的产生。升降台底面中心位置装有位移传感器13，用于监测试验过程中试验桩25的拔升高度。底部，辅助桩26通过千斤顶27置于框架下，位于左右支撑柱23之间，辅助桩顶正对于框架底座过桩孔22a。在试验桩25拔升过程中，通过计算机16自动控制千斤顶27，辅助桩26可自由通过框架底座过桩孔22a及试验罩底部过桩孔21a，并与试验桩25保持一定的间隔及时地向上跟进，以填补拔桩后填筑层中的桩孔空缺，从而防止填料往桩孔塌壁及塌壁所引起的应力损失。

图2展示了主试验舱部位的三维视图，可见加压板8压陷于透明试验罩21内，其表面开有排水孔19，上部固连加压柱7，每个加压柱上可施加p值(详见图中标号7a所指示)竖向荷载。加压板8中部开设中心孔18，试验桩25从中心孔18内穿过。桩帽分为左右两部分(左桩帽17和右桩帽17a)套装于试验桩25桩顶，提升索14连接左、右桩帽顶部，试验过程中可施加拔升力将试验桩25拔起。透明试验罩外表面标有厚度标尺28，罩底正中可见有辅助桩26穿过。提升索14分别作用于左、右桩帽顶部，拔升力分别为F/2，如图中标号14a所指示，两者的合力为F。

图3为试验桩25立体视图，可见桩身笔直，桩顶25a部分开设凹槽25b，可容许左、右桩帽(左桩帽17和右桩帽17a)嵌合其内，实现套装。

图4至图7展示了试验过程中几个关键的拔桩位置。该过程在加压板P值压力下进行，通过提升索14向上以均匀速率v匀速提升，将试验桩25匀速拔起。可见在桩体拔起过程中，填筑层(填筑层一9、填筑层二10、填筑层三11)相对于桩体25向下移位，因此，对桩体25产生向下的摩阻力f_m32，如此即模拟了桩基负摩阻力。图4为拔桩过程中拔升力F最大点所对应的拔桩位置，拔桩位移记为D_k33。图5为试验桩拔升至桩底与填筑层三11顶面平齐时的拔桩位置，该位置之后继续拔桩时，则桩基负摩阻力只产生于填筑层二10和填筑层一9。同样，图6为试验桩拔升至桩底与填筑层二10顶面平齐时的拔桩位置，该位置之后继续拔桩时，则桩基负摩阻力均来自填筑层一9的作用。图7为试验桩完全拔出填筑层时的拔桩位置，该位置之后，桩身只受重力和拔升力的作用。试验过程中，可见辅助桩26始终以一定间隔及时跟进试验桩，一方面可防止拔桩后留下的桩孔空隙引起的填筑层塌壁或应力损失，另一方面以一定的间隔跟进也避免了辅助桩26本身对试验桩25拔桩的力学影响。

图8展示了填筑层的一般剪切力学行为。由于填筑层并非超固结状态，因此其剪切力-剪位移曲线40无明显的应变软化现象。剪切至峰值时，剪位移记为d_k39，之后继续剪切，则剪应力基本呈略微下降的水平状继续随剪位移延伸，剪切强度参数完全发挥。

根据图8所示的填筑层剪切力学特性，图9展示了两种不同的P值竖向荷载条件下，拔桩过程中净拔升力(F-W)41随拔桩位移D42的变化曲线(43或44)。可见随着拔桩位移的增加，所需净拔升力先由0值上升至峰值，对应的位移记为D_k33，说明此位移之后填筑层与桩身之间的负摩阻参数真正完全发挥。而后随着拔桩位移的增加，桩身与填筑层的接触面积减小，因此净拔桩力开始持续减小，并于桩体完全拔出填筑层后(对应拔桩位移为D₃+D₂+D₁36)减小至0值。

图10分别展示了两种不同的P值竖向荷载条件下，拔桩试验过程中，土压力计分层记录的桩周均值正应力数值45随试验时间46变化的示意图。各层填筑层中的桩周均值正应力数值取该层中所有土压力计所测数值的均值，同时进行试验全过程的实时记录，获取各填筑层中桩周均值正应力随拔桩试验时间的连续曲线(51～56)。

具体地，本发明所提供的一种库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法包括如下步骤：

S1、装样和加载：

试验前，需进行填筑层装样。首先将辅助桩和试验桩置于如图1所示的位置，而后往试验罩内进行分层填筑高填方填料，同时在预设的位置处沿桩周埋设土压力计，填筑过程中需配合适度的压实，如此可模拟高填方中不同填筑层的土层结构。填筑完成后，将连有加压柱的加压板置于填筑层顶部，继而通过下降升降台，实现对填筑层的竖向加载，直至各个压力传感器测得的压力值总和为预先设定的竖向荷载P，后由计算机系统伺服控制整个试验过程中所施加的竖向荷载均维持在P值。

S2、拔桩试验测试：

装样和加载完成后，将连有提升索的左右桩帽套装于试验桩桩顶，并通过卷索机先将提升索卷至初步拉紧状态，此时卷索机自动测得的提升索拔升力F开始有数值。而后，即可开始拔桩试验测试，该过程中需伺服控制加压板施加的竖向荷载始终为预设值P，通过卷索机卷起提升索，以均匀的拔桩速率v匀速将试验桩向上拔起，该过程实时测量并反馈给计算机提升索所提供的拔升力F，同时全过程监测并反馈给计算机拔桩试验过程中的桩周土压力计的数值。拔桩过程中，以相同的速率跟进辅助桩上升，并与试验桩保持一定间距，确保拔桩过程中不发生桩孔塌壁和应力损失。

S3、做功积分求解：

以试验桩为受力分析对象，可知桩体在拔桩试验过程中受到自身重力W、桩身负摩阻力f_m以及拔升力F的作用，其中W为常数，f_m可根据摩尔库伦准则由桩周正应力、各填筑层与桩基间的负摩阻参数c、φ表示，F为与拔桩位移相关的变量。

因此，可基于试验全过程的监测数值，考虑做功积分方法构建做功平衡方程。以三层填筑层为例，构建做功积分平衡方程：

①从拔桩位移为D_k(对应于净拔升力峰值点，该点之后负摩阻强度真正完全发挥，如图9)开始，直至拔桩位移至D₃(填筑层三顶面)，建立首次做功积分平衡方程，该方程形如式(1)，含所有填筑层的6个未知的负摩阻参数c₃、φ₃、c₂、φ₂、c₁、φ₁；②从拔桩位移为D₃开始，直至拔桩位移至D₂+D₃(填筑层二顶面)，建立第二次做功积分平衡方程，该方程形如式(2)，含填筑层一和填筑层二的4个未知的负摩阻参数c₂、φ₂、c₁、φ₁；③从拔桩位移为D₂+D₃开始，直至拔桩位移至D₁+D₂+D₃(填筑层一顶面)，建立第三次做功积分平衡方程，该方程形如式(3)，仅含填筑层一的2个未知的负摩阻参数c₁、φ₁。

分别在不同的P值竖向荷载下开展试验，例如在P₁和P₂值下开展，则可分别获得如式(1)～(3)和式(4)～(6)所示的做功积分平衡方程。

P₁压力下：

P₂压力下：

式中，r为试验桩桩身半径，v为拔桩速率，t为时间，D为试验桩拔桩位移，D_kP1表示P₁条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，D_kP2表示P₂条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，F(D)表示P₁条件下随拔桩位移变化的拔升力，F’(D)表示P₂条件下随拔桩位移变化的拔升力。

表示P₁条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，

表示P₂条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，且t＝D/v。

此时，先联立式(3)和式(6)，即可求得填筑层一中的2个负摩阻参数c₁、φ₁；继而将其值代入式(2)和式(5)，联立求解即可获得填筑层二中的2个负摩阻参数c₂、φ₂；同样，将已求得的c₁、φ₁、c₂、φ₂代入式(1)和式(4)，进行联立求解，即可获取填筑层三中的2个负摩阻参数c₃、φ₃。最终实现对库岸高填方中桩基负摩阻参数的求解。

采用做功积分方法求解的优点在于，考虑了拔桩试验的力学全过程，使获得的负摩阻参数具有较强的综合性和代表性。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，所述测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置包括框架，其特征在于：所述框架内设有透明试验罩，所述透明试验罩内自下而上依次填充多层填筑层；多层填筑层绕试验桩填筑，将桩体围于其中，试验桩的周侧填筑层内布置有朝向试验桩的多个土压力计；

所述试验桩上端穿出顶部填筑层，所述试验桩下端首先由其下部的辅助桩抵住从而与透明试验罩底部平齐；

所述顶部筑层的上表面覆盖加压板，所述加压板由液压加载系统进行压力加载；

所述试验桩的上端与桩基拔升系统相连接，所述桩基拔升系统用于向上提升试验桩；

所述透明实验罩下方设有辅助桩和用于升降辅助桩的辅助桩升降系统，所述辅助桩的平面尺寸与试验桩的平面尺寸相同，且拔升试验桩时所述辅助桩始终与试验桩之间保持一定的间隙跟进，以使得辅助桩作为试验桩拔出后的空间填充；

所述测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置还包括位移监测器和压力传感器，所述位移传感器用于监测试验过程中试验桩被桩基拔升系统所拔升的高度，所述压力传感器用于监测液压加载系统对加压板的竖向压力。

2.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述液压加载系统包括变频器、升降台、液压升降机和加压柱，所述升降台由变频器驱动液压升降机形成升降，所述升降台下端固定加压柱，所述升降台用于向下驱动加压柱形成对加压板的压力加载。

3.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述桩基拔升系统包括提升索和卷索机，所述提绳索下端具有桩帽，所述桩帽与试验桩的上端相固定，所述提绳索在卷索机的驱动下向上提升试验桩。

4.根据权利要求3所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述桩帽包括左桩帽和右桩帽，所述桩帽为吸铁石材质以使得左桩帽和右桩帽经磁力相互吸引实现对试验桩桩顶的嵌固。

5.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述加压板上设有多个排水孔，所述排水孔用于在液压加载系统对压力板进行压力加载过程中进行填筑层的固结排水。

6.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述辅助桩升降系统包括千斤顶，所述千斤顶上端顶住辅助桩。

7.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述框架包括支撑柱、框架底座和框架立柱，所述框架底座下方固定有用于支撑框架底座的支撑柱，所述框架底座上承载透明试验罩，所述框架立柱立于框架底座上，所述框架立柱上布置液压加载系统和桩基拔升系统，所述框架底座下方布置辅助桩升降系统。

8.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述液压加载系统、桩基拔升系统、土压力计、位移监测器和压力传感器分别与计算机信号连接并由计算机进行控制。

9.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述透明试验罩的外侧面上设有厚度标尺，所述厚度标尺覆盖多层填筑层的整体厚度，所述厚度标尺的延伸方向呈竖直方向。

10.一种库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法，其特征在于：所述库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法基于权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，并包括如下步骤：

S1、装样和加载：

试验前，需进行填筑层装样；首先将辅助桩和试验桩置于中央位置，而后往透明试验罩内进行分层填筑高填方填料，同时在预设的位置处沿桩周埋设土压力计，填筑过程中需配合适度的压实，如此可模拟高填方中不同填筑层的土层结构；填筑完成后，将加压板置于填筑层顶部，继而通过液压加载系统压载加压板实现对填筑层的竖向加载，直至各个压力传感器测得的压力值总和为预先设定的竖向荷载P，后由计算机系统伺服控制整个试验过程中所施加的竖向荷载均维持在P值；

S2、拔桩试验测试：

装样和加载完成后，通过桩基拔升系统提升试验桩，桩基拔升系统的拔升力记为F，F为与拔升位移D相关的变量；开始拔桩试验测试，在此过程中控制加压板所施加的竖向荷载始终为P，通过桩基拔升系统以均匀的拔桩速率v匀速将试验桩向上拔起，该过程实时测量并反馈给计算机提升索所提供的拔升力F，同时全过程监测并反馈给计算机拔桩试验过程中的桩周土压力计的数值；拔桩过程中，以相同的速率跟进辅助桩上升，并与试验桩保持一定间距，确保拔桩过程中不发生桩孔塌壁和应力损失；

S3、做功积分求解：

以试验桩为受力分析对象，可知桩体在拔桩试验过程中受到自身重力W、桩身负摩阻力f_m以及拔升力F的作用，其中W为常数，f_m可根据摩尔库伦准则由桩周正应力、各填筑层与桩基间的负摩阻参数c、φ表示，F为与拔桩位移相关的变量；

因此，可基于试验全过程的监测数值，考虑做功积分方法构建做功平衡方程；

以三层填筑层为例，构建做功积分平衡方程：

①从拔桩位移为D_k开始，直至拔桩位移至D₃，建立首次做功积分平衡方程，该方程形如式(1)，含所有填筑层的6个未知的负摩阻参数c₃、φ₃、c₂、φ₂、c₁、φ₁；

②从拔桩位移为D₃开始，直至拔桩位移至D₂+D₃，建立第二次做功积分平衡方程，该方程形如式(2)，含填筑层一和填筑层二的4个未知的负摩阻参数c₂、φ₂、c₁、φ₁；

③从拔桩位移为D₂+D₃开始，直至拔桩位移至D₁+D₂+D₃，建立第三次做功积分平衡方程，该方程形如式(3)，仅含填筑层一的2个未知的负摩阻参数c₁、φ₁；

分别在不同的P值竖向荷载下开展试验，例如在P₁和P₂值下开展，则可分别获得如式(1)～(3)和式(4)～(6)所示的做功积分平衡方程；

P₁压力下：

P₂压力下：

式中，r为试验桩桩身半径，v为拔桩速率，t为时间，D为试验桩拔桩位移，D_kP1表示P₁条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，D_kP2表示P₂条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，F(D)表示P₁条件下随拔桩位移变化的拔升力，F’(D)表示P₂条件下随拔桩位移变化的拔升力，

表示P₁条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，

表示P₂条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，且t＝D/v；

此时，先联立式(3)和式(6)，即可求得填筑层一中的2个负摩阻参数c₁、φ₁；继而将其值代入式(2)和式(5)，联立求解即可获得填筑层二中的2个负摩阻参数c₂、φ₂；同样，将已求得的c₁、φ₁、c₂、φ₂代入式(1)和式(4)，进行联立求解，即可获取填筑层三中的2个负摩阻参数c₃、φ₃；最终实现对库岸高填方中桩基负摩阻参数的求解。

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