CN114263222B - 砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置及方法，该装置以模型箱为基础，所述模型箱内设有多个带有切口的模型管桩，所述模型管桩内设有应变片，所述模型管桩的上部外侧套设有试验承台，所述试验承台下方落砂土；模型管桩顶端的管桩侧面和试验承台的底板的接触处通过热熔胶固定粘连，构成模型群桩抗拔试验装置；所述模型管桩的顶部和所述试验承台的顶板之间浇筑高强度石膏，构成模型群桩抗压试验装置。本发明的研究具有结构简单、操作便捷、适用范围广、可循环使用的优点，可以方便地进行各类模型群桩在倾斜荷载下的受力变形规律研究。

Description

砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置 及方法

技术领域

本发明涉及偏心荷载下群桩受力分析技术领域，尤其涉及一种用于对偏心荷载下群桩受力进度模拟试验的装置及方法。

背景技术

近年来，随着中国桥梁建设及高层建筑的迅速发展，偏心荷载下的群桩的受力分析已经成为工程界关注的热点和难点之一。

在群桩模型试验过程中，受限于砂土的密实度，模型管桩的孔径、壁厚及桩长的影响，群桩很难直接打入模型砂土中，若是将模型群桩和承台直接预制成整体，则自上而下直接将群桩打入砂土中，首先是需要较大的冲击力，其次是在打入过程中会由于冲击力的作用强烈扰动桩周围土体，再者是难以保证群桩的垂直度及水平度。

现有技术中的关于偏心荷载下的桩的研究都是基于单桩，例如，Meyerhof, G. G.通过松砂和软土中垂直偏心和中心倾斜荷载下的单桩模型试验揭示了刚性单桩的承载力理论；以及，通过对层状砂中柔性桩和小型群桩的模型试验研究指出：桩的极限承载力和荷载的偏心大小、荷载倾角和上覆土层厚度有关；又如，通过对层状砂中柔性桩和小型群桩的模型试验研究指出：桩的极限承载力和荷载的偏心大小、荷载倾角和上覆土层厚度有关；且文献中仅揭示了试验结果，并未公布相关试验装置及方法。

因此需要寻求一种切实可靠的适用于群桩的偏心荷载下的受力研究理论和方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置及方法，本发明的研究具有结构简单、操作便捷、适用范围广、可循环使用的优点，可以方便地进行各类模型群桩在倾斜荷载下的受力变形规律研究。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明首先提出一种砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置，该装置以模型箱为基础，所述模型箱内设有多个带有切口的模型管桩，所述模型管桩外侧设有应变片，所述模型管桩的上部外侧套设有试验承台，

所述模型管桩顶端的管桩侧面和试验承台的底板的接触处通过热熔胶固定粘连，构成模型群桩抗拔试验装置；所述模型管桩的顶部和所述试验承台的顶板之间浇筑高强度石膏，构成模型群桩抗压试验装置。

需要说明的是，在本发明中所指的模型箱，也即常规受力试验所使用的模型箱，模型箱能够满足装载砂土以及试验装置的大小要求即可，不许对模型箱做出改进，模型箱可以根据实际需求确定是否需要封闭。

在本发明中所使用的模型群桩可以是由现有技术中的单桩结构组成，单桩结构通常包括中空的桩体，桩体外壁贴有应变片，本发明不改变桩体内的应变测量结构，本发明提供的是一种群桩受力试验装置和方法的设计。

进一步地，所述模型群桩抗拔试验装置能够保证所述模型管桩在试验受拉力过程中不会脱离承台底板，起到抗拔作用。

进一步地，所述模型群桩抗压试验装置能够保证所述模型管桩在试验受压过程中均承受来自上部承台顶板的力，和实际工程相符。

进一步地，包括桩孔定位板，所述桩孔定位板上设有多个与所述模型管桩的大小位置对应的预留桩孔，所述桩孔定位板与所述模型箱的内部截面大小一致。

进一步地，包括垂直度水平度定位板，所述垂直度水平度定位板设有多个与所述模型管桩的大小位置对应的预留桩孔，所述垂直度水平度定位板与所述模型箱的内部截面大小一致。

在本发明中，桩孔定位板和垂直度水平度定位板主要是起到安装辅助作用，在模型搭建后实际运作的时候，它们可以不参与其中，但它们又是本发明不可缺少的部分。

进一步地，所述切口外露于所述试验承台。所述切口可以部分或全部外露于所述试验承台，切口主要是为了引出模型管桩内的走线。

进一步地，所述试验承台的侧面设有导线引线孔。

进一步地，所述试验承台包括承台底板，承台底板上设置承台框架，所述承台框架上支撑有承台顶板。

进一步地，所述承台顶板上设有接长杆。

在上述装置的基础上，本发明提供一种砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验方法，所述方法基于上述的装置实现，所述方法包括以下步骤：

（1）将模型箱中的模型砂土通过落砂装置落砂至模型管桩的管桩顶端在模型箱中的标高；

（2）将桩孔定位板放置模型箱中设计的平面位置，然后将模型管桩放置在桩孔定位板中进行初步定位；同时，以封堵物封住模型管桩的切口，避免落砂落入模型管桩内；通过落砂法落砂至桩端标高以上3-5cm，保持模型管桩处于直立状态；

（3）取下模型管桩切口的封堵物，自下而上取出桩孔定位板，用毛刷轻轻扫平表层砂土，再自上而下放置垂直度水平度定位板，通过水平仪微调使各个模型管桩的垂直度及水平度满足设计要求，然后自下而上取出垂直度水平度定位板；

（4）循环步骤（2）（3）直至模型砂土施工至设计标高；

（5）自上而下穿过模型管桩放置承台底板，同时将模型管桩的相关导线通过切口引出至承台底板上方；

（6）在模型管桩顶端的管桩侧面和承台底板的接触处注满热熔胶，等待至其冷却凝固，足量的热熔胶具有足够的粘性保证管桩和承台底板不会脱空；

（7）安装承台框架，通过内六角螺丝将承台底板及承台框架安装在一起，再将此时的模型管桩的相关导线通过承台底板及承台框架侧面的导线引线孔引出承台，外接至相关测量仪器；

（8）取适量的高强度石膏，加入适量水，搅拌至半流动粘稠状态，迅速将搅拌后的高强度石膏浇筑在模型管桩顶端，确保每根模型管桩顶端均浇筑足量的石膏，在石膏未完全凝固时，迅速安装承台顶板，通过内六角螺丝将承台顶板和承台框架装配成一个整体；

（9）将倾斜偏心荷载分解成水平荷载及竖向荷载，通过接长杆分别施加水平荷载及竖向荷载，分级施加水平荷载及竖向荷载，直至土体破坏。

本发明提出了一种砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置及方法，公开了了群桩模型试验中模型管桩和模型承台的装配式试验装置及其施工流程；在本发明的试验过程中，倾斜荷载可分解成水平荷载及竖向荷载，其中水平荷载可通过水平向千斤顶施加，竖向荷载可通过竖向千斤顶施加；且本发明通过热熔胶和高强度石膏来达到的群桩的抗拔作用及保证各桩均承担来自上部承台顶板的力，且因为热熔胶及高强度石膏价格低廉，且热熔胶试验完成之后易于清理，高强度石膏硬化之后也可以直接取下，方面循环试验；本发明的群桩施工方法对模型土的扰动极小，保证了模型土和现场土的相似性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明所提供的砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置是装配式的，可循环多次使用；其中，模型管桩、定位板和承台底板配套使用，可以改变群桩桩径、桩间距的影响；本发明的装置结构简单、操作便捷、适用范围广、可循环使用的优点，可以方便的进行各类模型群桩在倾斜荷载下的受力变形规律研究；

（2）本发明的施工方法能够显著减小群桩施工对模型土的扰动的影响，在保证砂土的密实土的同时，能够保证模型群桩的垂直度及水平度；

（3）本发明中在倾斜荷载下能够实现模型管桩和承台之间的牢固连接，尽管在倾斜偏心荷载下部分管桩受压的同时有部分管桩受拉，本装置能够保证在试验过程中不改变群桩和承台的相对位置，即保证群桩不会松动及脱空。

附图说明

图1是本发明的实施例1的模型群桩的示意图。

图2是本发明的桩孔定位板的示意图。

图3是本发明的水平度垂直度定位板的示意图。

图4是本发明的实施例2的模型群桩抗拔装置示意图。

图5是本发明的实施例3的模型群桩抗压装置示意图。

图6是本发明的承台顶板的示意图。

图7是本发明的实施例4的整体结构图。

图8是本发明的实施例4的主视图。

图9是本发明的实施例4的侧视图。

图10是本发明的实施例4的俯视图。

图11是本发明的实施例5的流程图。

图中标号：模型管桩1，切口11，承台底板2，边壁21，侧面螺孔22，导线引线孔23，承台顶板24，承台框架25，压层26，内六角螺丝27，接长杆28，热熔胶3，高强度石膏4，桩孔定位板100，第一预留桩孔101，垂直度水平度定位板200，第二预留桩孔201。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

实施例1，模型群桩。

参照附图1，本实施例提供了一种有多个模型管桩1组成的模型群桩的示意图，图中多根模型管桩1按照一定的规则排列，形成有规则的模型群桩，例如排列成如图1所示的矩形阵列。

每根模型管桩1内均设有用于测试受力的应变片，上端的一侧均设有切口11，切口11主要用于引出应变片的导线，在本实施例中，多根模型管桩1的切口11的方向一致，实际中也可以根据需要布置，切口深度可以根据实验需要布置，通常为模型管桩1端部以下1-2cm，确保在试验装置搭建后，切口11至少有部分能够露出。

实施例2，模型管桩抗拔装置。

参照附图4，本实施例提供了一种以实施例1的模型群桩为试验对象的模型群桩抗拔装置，其目的是为了使模型群桩在试验中受到拉力的过程中不会与承台底板脱离，从而确保拉拔试验的准确有效。

在模型群桩的上端部位置套设承台底板2，承台底板2上设有多个与模型群桩的模型管桩1的位置和尺寸完全对应的预留桩孔，将承台底板2套在模型群桩时，模型管桩1分别穿过所对应的预留桩孔，承台底板2的四周具有边壁21，边壁21上设有多个侧面螺孔22，用于后续安装，边壁21的至少一侧还设有导线引线孔23，用于模型管桩1中应变片的导线的走线。

模型管桩1和承台底板2的接触部位注入足量的热熔胶3，确保模型管桩1和承台底板2在4.8 N/in²的剥离强度下不会脱离。

本实施例的其他实施方式与实施例1相同。

实施例3，模型管桩抗压装置。

参照附图5，本实施例在实施例2的基础上进一步提供一种模型管桩抗压装置。

在实施例2的模型管桩抗拔装置中，在露出的模型管桩1的顶部浇筑高强度石膏4，高强度石膏4的高度不低于承台高度，相当于通过高强度石膏将模型管桩1和承台顶板之间的空隙填实，确保模型管桩在试验受压过程中均能够承受来自上部承台顶板的力（承台顶板是试验承台的顶部盖板，在下个实施例里面会详细描述）。

本实施例的其他实施方式与实施例1或2相同。

实施例4，群桩模型试验装置。

参照附图6-10，在实施例3的基础上，在试验承台外部设置承台框架25，通过螺栓将承台框架25和承台的边壁21固定，在承台框架25的边壁顶部设有多个顶部螺孔，在承台框架25上部可以盖合承台顶板24，并通过内六角螺丝27将承台顶板24固定在承台框架25上，承台顶板24下部有压层26，可以挤压高强度石膏4形成稳定的接触。

如图6所示，承台顶板24的外部设置接长杆28，用于提供试验荷载，如图7所示，可以按照图7中箭头所示的方向提供竖向荷载F _v 和水平荷载F _h 。

最终形成如图7-10所示的群桩模型试验装置。

本实施例的其他实施方式可以参照实施例1-3中的任一项。

实施例5，群桩模型试验方法。

参照附图1-11。

本发明的砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验方法基于实施例4所构建的群桩模型试验装置，其实现方法如下：

（1）将模型箱中的模型砂土通过落砂装置落砂至模型管桩1的底端在模型箱中的标高（标高可以预先在模型箱中标定，模型箱为现有技术，本发明的附图中未体现）；

（2）将如图2所示的桩孔定位板100放置模型箱中设计的平面位置，桩孔定位板100上设有与模型群桩中的多个模型管桩1形状大小位置一致的多个第一预留桩孔101，然后将如图1所示的模型管桩构成的模型群桩放置在桩孔定位板100中进行初步定位；通过透明胶带封住每根模型管桩1上端的切口11，避免落砂落入管桩中心内部；通过落砂法落砂至模型管桩的底端标高以上3-5cm，由于砂土的自稳能力，此时模型管桩1能够保证直立的状态；

（3）取下透明胶带，然后自下而上取出桩孔定位板100，用尼龙毛刷轻轻扫平表层砂土，再自上而下放置如图3所示的垂直度水平度定位板200，垂直度水平度定位板200上也设有与模型群桩中的多个模型管桩1形状大小位置一致的多个第二预留桩孔201，通过水平仪微调分别确定模型管桩此时的垂直度及水平度满足设计要求，然后自下而上取出垂直度水平度定位板（图3）（若需要测量桩身应变等数据，相关引线可通过桩顶端引出同时穿过定位板）；

（4）循环步骤（2）（3）直至模型砂土施工至设计标高；

（5）自上而下向模型管桩形成的模型群桩上放置承台底板2，同时将模型管桩1的相关导线通过切口11引出模型管桩1至承台底板2的上方；

（6）在模型管桩1的顶端的管桩侧面和承台底板2的接触处注满热熔胶，等待至其冷却凝固，足量的热熔胶具有足够的粘性保证管桩和承台底板不会脱空；

（7）安装承台框架25，通过内六角螺丝将承台底板及承台框架安装在一起，在再将此时的模型管桩的相关导线通过承台底板及承台框架侧面的导线引线孔引出承台，外接至相关测量仪器；

（8）取适量的高强度石膏，加入适量水，搅拌至半流动粘稠状态，迅速将搅拌后的高强度石膏浇筑在模型管桩顶端，确保每根模型管桩顶端均浇筑足量的石膏，在石膏未完全凝固时，迅速安装承台盖板，通过内六角螺丝将承台盖板和承台框架装配成一个整体；承台盖板底面，管桩顶端在同一设计标高，通过承台顶板在石膏尚未凝固之前挤压高强度石膏，由于石膏凝固后强度很高，能够保证承台上方的力传至各个管桩，形成如图7所示的模型群桩和承台的组装结构；

（9）倾斜偏心荷载可以分解成水平荷载及竖向荷载，水平荷载及竖向荷载可通过接长杆按照如图6所示的方向施加，分级施加水平荷载及竖向荷载，直至土体破坏。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置，其特征是，包括模型箱，所述模型箱内设有多个带有切口的模型管桩，所述模型管桩外侧应变片，所述模型管桩的上部外侧套设有试验承台，

所述模型管桩顶端的管桩侧面和试验承台的底板的接触处通过热熔胶固定粘连，构成模型群桩抗拔试验装置；所述模型管桩的顶部和所述试验承台的顶板之间浇筑高强度石膏，构成模型群桩抗压试验装置，所述模型群桩抗拔试验装置能够保证所述模型管桩在试验受拉力过程中不会脱离承台底板，起到抗拔作用；

所述切口外露于所述试验承台，所述试验承台的侧面设有导线引线孔，所述试验承台包括承台底板，承台底板上设置承台框架，所述承台框架上支撑有承台顶板，所述承台顶板上设有接长杆；

包括桩孔定位板，所述桩孔定位板上设有多个与所述模型管桩的大小位置对应的预留桩孔，所述桩孔定位板与所述模型箱的内部截面大小一致；

包括垂直度水平度定位板，所述垂直度水平度定位板设有多个与所述模型管桩的大小位置对应的预留桩孔，所述垂直度水平度定位板与所述模型箱的内部截面大小一致。

2.根据权利要求1所述的砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验装置，其特征是，所述模型群桩抗压试验装置能够保证所述模型管桩在试验受压过程中均承受来自上部承台顶板的力。

3.砂土中倾斜偏心荷载下测定群桩极限承载力的模型试验方法，所述方法基于权利要求1-2中任一项所述的装置实现，所述方法包括以下步骤：

（1）将模型箱中的模型砂土通过落砂装置落砂至模型管桩的管桩顶端在模型箱中的标高；

（2）将桩孔定位板放置模型箱中设计的平面位置，然后将模型管桩放置在桩孔定位板中进行初步定位；同时，以封堵物封住模型管桩的切口，避免落砂落入模型管桩内；通过落砂法落砂至桩端标高以上3-5cm，保持模型管桩处于直立状态；

（3）取下模型管桩切口的封堵物，自下而上取出桩孔定位板，用毛刷轻轻扫平表层砂土，再自上而下放置垂直度水平度定位板，通过水平仪微调使各个模型管桩的垂直度及水平度满足设计要求，然后自下而上取出垂直度水平度定位板；

（4）循环步骤（2）（3）直至模型砂土施工至设计标高；

（5）自上而下穿过模型管桩放置承台底板，同时将模型管桩的相关导线通过切口引出至承台底板上方；

（6）在模型管桩顶端的管桩侧面和承台底板的接触处注满热熔胶，等待至其冷却凝固，足量的热熔胶具有足够的粘性保证管桩和承台底板不会脱空；

（7）安装承台框架，通过内六角螺丝将承台底板及承台框架安装在一起，再将此时的模型管桩的相关导线通过承台底板及承台框架侧面的导线引线孔引出承台，外接至相关测量仪器；

（8）取适量的高强度石膏，加入适量水，搅拌至半流动粘稠状态，迅速将搅拌后的高强度石膏浇筑在模型管桩顶端，确保每根模型管桩顶端均浇筑足量的石膏，在石膏未完全凝固时，迅速安装承台顶板，通过内六角螺丝将承台顶板和承台框架装配成一个整体；

（9）将倾斜偏心荷载分解成水平荷载及竖向荷载，通过接长杆分别施加水平荷载及竖向荷载，分级施加水平荷载及竖向荷载，直至土体破坏。

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