CN114783269B - 一种桩基础沉降计算教学辅助装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种桩基础沉降计算教学辅助装置，解决目前教学活动中教学效果不佳的技术问题。桩基础沉降计算教学辅助装置包括基础模型、光源组件和箭头组件，基础模型包括依次连接的承台构件、桩土模型构件和桩端地层构件，通过设置基础模型模拟桩基沉降计算教学中的等效作用分层总和法沉降计算模型和桩端地层系统，通过设置能够发射线状光束的发光单元模拟应力扩散，通过设置箭头组件模拟承台底面的附加应力和/或桩端附加应力，并且由于线状光束可视，不会影响箭头组件的展示，从而将等效作用分层总和法计算群桩沉降时的各假定条件具象化，简便且直观，使学生易于理解，并且掌握其假定条件与实际情况的不同，以此提高教学效果，缩短教学用时。

Description

一种桩基础沉降计算教学辅助装置

技术领域

本申请属于教具技术领域，具体涉及一种桩基础沉降计算教学辅助装置。

背景技术

《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)将桩基沉降计算分为sa≤6d的密桩和单桩、单排桩、sa≥6d疏桩两类，并给出了相应的计算公式。其中sa≤6d的密桩沉降计算方法又叫等效作用分层总和法。

采用等效作用分层总和法计算群桩沉降时，其假定条件如下：(1)将等效作用荷载面规定为桩端平面；(2)等效作用面积不考虑荷载的扩散作用而采用承台投影面积；(3)等效作用面的附加应力近似取承台底平均附加压力；(4)桩身压缩变形先不考虑；(5)布桩因素的影响先不考虑。

该计算方法是在群桩基础多个条件简化后，采用分层总和法算出s’，再对s’进行假定条件的修正，最终得到最终沉降量值。即，为了使桩基沉降量更加符合实际，对s’乘以修正系数ψ、ψ_e，以此对上述假定条件(2)～(5)条进行修正。等效作用分层总和法中桩基的最终沉降量表达式为s＝ψ·ψ_e·s’。

在教学活动中，采用的是先简化，再修正的方法。因此，该方法假定条件的理解至关重要。假定条件涉及因素较多，并且很抽象、枯燥。目前教学过程中，教师是用多个平面图形进行教学，这些图形无法从多角度完美地展示计算模型，计算公式存在多个与实际情况不同的假设条件，学生在这些问题的理解上也不够深刻透彻，导致该知识点的教学时间耗时长、往往不能在有效的时间内达到如期的教学效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供一种桩基础沉降计算教学辅助装置，既简便又直观，使学生易于理解，并且掌握等效作用分层总和法假定条件与实际情况的不同。

实现本申请目的所采用的技术方案为，一种桩基础沉降计算教学辅助装置，包括：

基础模型，包括依次连接的承台构件、桩土模型构件和桩端地层构件；

光源组件，包括至少一个用于发射线状光束的发光单元，所述发光单元设于所述承台构件上、且照射于所述桩端地层构件；

箭头组件，活动设于所述承台构件的下表面和/或所述桩端地层构件的上表面。

可选的，所述桩土模型构件、所述承台构件和所述桩端地层构件的横截面积依次增大，所述承台构件具有延伸至所述桩土模型构件外的承台延伸部，所述桩端地层构件具有延伸至所述承台构件投影范围外的桩端地层延伸部；

所述光源组件设于所述承台构件与所述桩土模型构件的连接处；

所述箭头组件活动设于所述承台延伸部和/或所述桩端地层延伸部。

可选的，所述发光单元包括：

外套管，开设有展开形状呈梯形的射出孔，所述射出孔朝向所述桩端地层构件；

内套管，可转动地设于所述外套管中，且开设有透光狭缝，所述透光狭缝的长度不小于所述射出孔的最大长度；

光源，设于所述内套管中。

可选的，所述桩土模型构件呈长方体；所述桩土模型构件包括开设有桩孔的桩间土模型和嵌于所述桩孔中的多根桩，或者所述桩土模型构件为表面设有桩标记的箱体；

所述光源组件包括四个所述发光单元，四个所述发光单元分别靠近于所述桩土模型构件的四条顶边。

可选的，所述光源组件还包括开关和供电装置，所述发光单元、所述开关和所述供电装置电连接。

可选的，所述箭头组件包括上箭头机构和至少一个下箭头机构，所述上箭头机构活动设于所述承台延伸部的下表面，所述下箭头机构活动设于所述桩端地层延伸部的上表面。

可选的，所述上箭头机构通过磁吸元件设于所述承台延伸部的下表面；所述上箭头机构包括安装板和若干垂直于所述安装板的箭头，所述承台构件为中空结构，且所述箭头伸入于所述承台构件内部。

可选的，所述上箭头机构可滑动地安装于所述承台延伸部上；所述上箭头机构包括安装板、若干垂直于所述安装板的箭头和操作位，所述承台延伸部为中空结构，所述安装板和所述箭头均位于所述承台延伸部内部，所述操作位凸出于所述承台构件外，所述承台延伸部的底面上设有用于供所述箭头穿过的过孔。

可选的，所述下箭头机构通过磁吸元件设于所述桩端地层延伸部的上表面；所述下箭头机构包括安装框架和连接于所述安装框架的若干箭头；

当所述下箭头机构设置为两个以上时，所述两个以上下箭头机构的安装框架的尺寸不同，和/或所述两个以上下箭头机构的箭头长度不同。

可选的，所述安装框架的其中两相对边为可折叠结构；

所述桩端地层构件具有容纳所述下箭头机构的存放腔。

由上述技术方案可知，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置主要包括三个部分：基础模型、光源组件和箭头组件。基础模型包括依次连接的承台构件、桩土模型构件和桩端地层构件。其中承台构件用于模拟桩上的承台，桩土模型构件用于模拟桩和桩间土，桩土模型构件与承台构件下表面连接，各桩与承台构件共同模拟实际建筑中的群桩基础，为了进行桩基础的沉降计算，将群桩基础中的桩和桩间土不分，视为一个整体，形成实体深基础；桩端地层构件设于桩土模型构件的底面上，用于模拟桩端地层系统。

实际建筑中，荷载通过承台传递下去，桩侧摩阻力所承担的部分荷载可视为自桩边顶部的侧边沿水平方向向下产生一角度为α的应力扩散面，应力扩散后桩端底面产生一应力扩散底面。本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置设置有光源组件，光源组件包括至少一个用于发射线状光束的发光单元，发光单元设于承台构件上、且照射于桩端地层构件。通过发光单元可以按照一定角度向下发射一线状光束，该线状光束与持力层(桩端地层构件)顶面土体产生一交角，从而在桩端底面、持力层顶面，形成线状光斑，该线状光斑用于模拟显示应力扩散后面积，该线状光斑的位置会根据射线角度的不同而不同。

本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置设置有箭头组件，箭头组件活动设于承台构件的下表面和/或桩端地层构件的上表面，箭头组件用于模拟承台底面的附加应力和/或桩端附加应力。由于应力不可视、难以表达，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置通过箭头组件将附加应力实体化，并且附加应力的大小、方向可以通过箭头组件中箭头的长短、箭头方向来表现。

与现有技术相比，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置，通过设置基础模型模拟桩基沉降计算教学中的等效作用分层总和法沉降计算模型和桩端地层系统，通过设置能够发射线状光束的发光单元模拟应力扩散，通过设置箭头组件模拟承台底面的附加应力和/或桩端附加应力，并且由于线状光束可视，不会影响箭头组件的展示，从而将等效作用分层总和法计算群桩沉降时的各假定条件具象化，既简便又直观，使学生易于理解，并且掌握其假定条件与实际情况的不同，以此提高教学效果，缩短教学用时。

附图说明

图1为本申请实施例中桩基础沉降计算教学辅助装置的结构示意图。

图2为图1的桩基础沉降计算教学辅助装置未安装箭头组件时的结构示意图。

图3为图1的桩基础沉降计算教学辅助装置中桩土模型构件的展开结构图。

图4为图1的桩基础沉降计算教学辅助装置中桩端地层构件的结构示意图。

图5为图1的桩基础沉降计算教学辅助装置中桩端底面投影面积及应力扩散后面积的示意图。

图6为图1的桩基础沉降计算教学辅助装置中发光单元的结构示意图。

图7为图1的桩基础沉降计算教学辅助装置中下箭头机构处于折叠状态下的结构示意图。

附图标记说明：100-桩基础沉降计算教学辅助装置；110-承台构件，111-承台延伸部；120-桩土模型构件，121-桩标记；130-桩端地层构件，131-桩端地层延伸部，132-存放腔；140-发光单元，141-外套管，1411-射出孔，142-内套管，1421-透光狭缝，1422-操作部，143-光源；150-上箭头机构，151-上箭头机构的箭头，152-安装板，153-操作位；160-下箭头机构，161-下箭头机构的箭头，162-安装框架；170-线状光束；180-线状光斑；190-承台构件投影。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

在本申请实施例中，一种桩基础沉降计算教学辅助装置100，其结构如图1和图2所示，该桩基础沉降计算教学辅助装置100主要包括三个部分：基础模型、光源组件和箭头组件。光源组件和箭头组件均安装于基础模型上，分别用于模拟应力扩散面和附加应力。下面对基础模型、光源组件和箭头组件的具体结构进行详细介绍：

请参阅图1和图2，基础模型包括依次连接的承台构件110、桩土模型构件120和桩端地层构件130。其中：

承台构件110用于模拟桩上的承台，承台构件110的下表面与桩土模型构件120连接，具体可采用螺纹紧固件连接、粘接、卡扣连接、磁吸吸附等连接方式。

桩土模型构件120用于模拟桩和桩间土，当群桩基础的桩数超过9根，且桩的排数超过2排时，群桩基础的群桩承载力计算可以采用实体深基础法。为了进行桩基础沉降计算，必须进行进一步的简化，才能进行计算。为了进行桩基础的沉降计算，将群桩基础中的桩和桩间土视为一体，也就是说将桩和桩间土不分，视为一个整体，形成实体深基础。由此，桩土模型构件120整体呈长方体。

为便于学生对“实体深基础”的理解，在某些实施例中，该桩土模型构件120由桩间土模型和9根以上桩构成，桩间土模型中开设有桩孔，桩嵌于桩孔中并且与桩孔间隙配合，便于教学时取出桩。本实施例中，桩土模型构件120为长方体箱体，箱体的上表面和/或下表面上设有桩标记121，桩标记121按照桩在桩间土中的分布情况而设置，例如可以通过3×3的桩标记121矩阵模拟9根以3×3矩阵分布的桩，该长方体箱体展开后的结构如图3所示。

桩端地层构件130设于桩土模型构件120的底面上，用于模拟桩端地层系统。桩土模型构件120的下表面与桩端地层构件130连接，具体可采用螺纹紧固件连接、粘接、卡扣连接、磁吸吸附等连接方式。参见图4，本实施例中，桩端地层构件130采用中空结构并且具有一定厚度，使得桩端地层构件130的内部腔室可作为容纳其他物体的存放腔132。

实际建筑中，荷载通过承台传递下去，桩侧摩阻力所承担的部分荷载可视为自桩边顶部的侧边沿水平方向向下产生一角度为α的应力扩散面，应力扩散后桩端底面产生一应力扩散底面，参见图5，本实施例中，桩土模型构件120的底面为ABCD，应力扩散底面为abcd。为方便展示应力扩散，本实施例中，桩土模型构件120、承台构件110和桩端地层构件130的横截面积依次增大，承台构件110具有延伸至桩土模型构件120外的承台延伸部111，桩端地层构件130具有延伸至承台构件投影190范围外的桩端地层延伸部131，如图1所示。

为了具象化上述应力扩散过程，参见图1和图2，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置100设置有光源组件，光源组件包括至少一个用于发射线状光束170的发光单元140，发光单元140设于承台构件110上、且照射于桩端地层构件130的延伸部上。通过发光单元140可以按照一定角度向下发射一线状光束170，该线状光束170与持力层(桩端地层构件130)顶面土体产生一交角，从而在桩端底面、持力层顶面，形成线状光斑180，该线状光斑180用于模拟显示应力扩散后面积，该线状光斑180的位置会根据射线角度的不同而不同。

光源组件设于承台构件110与桩土模型构件120的连接处，基于本实施例中桩土模型构件120为长方体，相应的光源组件包括四个发光单元140，四个发光单元140分别靠近于桩土模型构件120的四条顶边。

具体参见图6，本实施例中，该发光单元140包括外套管141、内套管142和光源143。光源143设于内套管142中，用于发射光，光源143与内套管142过渡配合或间隙配合，使得光源143与内套管142之间可以相对转动。内套管142可转动地设于外套管141中，内套管142的管壁上沿其轴向开设有透光狭缝1421，透光狭缝1421的长度应当尽可能长，其长度为内套管142长度的0.5～0.95倍。外套管141的管壁上开设有展开形状呈梯形的射出孔1411，该射出孔1411的出光方向朝向桩端地层构件130，透光狭缝1421的长度不小于射出孔1411的最大长度(梯形的底边)。本实施例中，光源143采用强光源，例如强光手电所使用的元件，强光源可保证形成的线状光斑180为直线。该光源组件还包括开关和供电装置，发光单元140、开关和供电装置电连接。供电装置可采用蓄电池、充电电池或者供电插头，供电装置具体设置在承台构件110上，缩短导线的长度。

由于内套管142在教学时需要转动一定角度，为了便于操作内套管142，参见图6，本实施例中，该内套管142的端部设有操作部1422，手指拨动该操作部1422即可转动内套管142。在其他实施例中，还可在外套管141与内套管142之间，和/或内套管142与光源143之间设置保持架，便于外套管141、内套管142和光源143的径向位置的相对固定。

由于外套管141上设置梯形孔，使得内套管142转动时，透光狭缝1421的出光角度以及透光狭缝1421与射出孔1411的重合长度均发生改变。具体的，当射出的线状光束170自桩土模型构件120向桩端地层构件130的延伸部131外围移动时，线状光束170的长度也会逐渐增加，使得四个发光单元140所发射的四条线状光束170始终围成一个矩形框，例如图5的矩形abcd。

具体参见图1，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置100设置有箭头组件，箭头组件活动设于承台构件110的下表面和/或桩端地层构件130的上表面，箭头组件用于模拟承台底面的附加应力和/或桩端附加应力。由于应力不可视、难以表达，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置100通过箭头组件将附加应力实体化，并且附加应力的大小、方向可以通过箭头组件中箭头的长短、箭头方向来表现。参见图1，本实施例中，承台延伸部111的下表面和桩端地层延伸部131的上表面均设有箭头组件。

箭头组件包括上箭头机构150和至少一个下箭头机构160，上箭头机构150活动设于承台延伸部111的下表面，下箭头机构160活动设于桩端地层延伸部131的上表面。具体参见图1，上箭头机构150可滑动地安装于承台构件110上。上箭头机构150包括安装板152、若干垂直于安装板152的箭头151和操作位153，承台构件110为中空结构，安装板152和箭头151均位于承台延伸部111的内部，操作位153凸出于承台构件110外，承台延伸部111的底面上设有用于供箭头151穿过的过孔(图中未示出)。通过操作该操作位153，可使得安装板152带动各个箭头151同时上升或下降，箭头151可缩回至承台构件110内部或通过过孔伸出于承台构件110下表面。

在其他实施例中，上箭头机构150还可设置为通过磁吸元件设于承台构件110的下表面。如图1所示，上箭头机构150包括安装板152和若干垂直于安装板152的箭头151，安装板152呈回字形，承台构件110为中空结构，且箭头151伸入于承台构件110内部。需要教学展示时，将该安装板152取下并翻转180°，使得箭头朝下，然后将安装板152磁吸吸附于承台构件110的下表面即可。在其他实施例中，当上箭头机构150所模拟的应力朝上时，可以将磁吸元件设于箭头151的尖端。

本实施例中，下箭头机构160通过磁吸元件设于桩端地层构件130的上表面，具体参见图7，下箭头机构160包括安装框架162和连接于安装框架162的若干箭头161，根据下箭头机构160所模拟的扩散后应力的方向，磁吸元件可具体设于箭头161的尖端和/或安装框架162上。当下箭头机构160设置为两个以上时，两个以上下箭头机构160的安装框架162的尺寸不同，以覆盖不同的应力扩散面积。为方便展示应力扩散后力的大小变化，本实施例中，上箭头机构150的箭头151的长度大于下箭头机构160的箭头161的长度。在其他实施例中，还可设置尺寸不同的安装框架162上的箭头161的长度不同。

为方便收纳，本实施例中，该安装框架162的其中两相对边为可折叠结构，具体参见图7，矩形的安装框架162的其中两相对边向内相对弯折，使得下箭头机构160折叠为一条形构件，由此可以方便放入桩端地层构件130的存放腔132中，如图4所示。

与现有技术相比，本申请提供的桩基础沉降计算教学辅助装置，通过设置基础模型模拟桩基沉降计算教学中的等效作用分层总和法沉降计算模型和桩端地层系统，通过设置能够发射线状光束的发光单元模拟应力扩散，通过设置箭头组件模拟承台底面的附加应力和/或桩端附加应力，并且由于线状光束可视，不会影响箭头组件的展示，从而将等效作用分层总和法计算群桩沉降时的各假定条件具象化，既简便又直观，使学生易于理解，并且掌握其假定条件与实际情况的不同，以此提高教学效果，缩短教学用时。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于，包括：

基础模型，包括依次连接的承台构件、桩土模型构件和桩端地层构件，所述桩土模型构件、所述承台构件和所述桩端地层构件的横截面积依次增大，所述承台构件具有延伸至所述桩土模型构件外的承台延伸部，所述桩端地层构件具有延伸至所述承台构件投影范围外的桩端地层延伸部；

光源组件，设于所述承台构件与所述桩土模型构件的连接处，包括至少一个用于发射线状光束的发光单元，所述发光单元设于所述承台构件上、且照射于所述桩端地层构件；通过发光单元可以按照一定角度向下发射一线状光束，该线状光束与桩端地层构件顶面土体产生一交角，从而在持力层顶面，形成线状光斑，该线状光斑用于模拟显示应力扩散后面积；

箭头组件，活动设于所述承台构件的下表面和/或所述桩端地层构件的上表面，具体设于所述承台延伸部和/或所述桩端地层延伸部，箭头组件用于模拟承台底面的附加应力和/或桩端附加应力。

2.如权利要求1所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述发光单元包括：

外套管，开设有展开形状呈梯形的射出孔，所述射出孔朝向所述桩端地层构件；

内套管，可转动地设于所述外套管中，且开设有透光狭缝，所述透光狭缝的长度不小于所述射出孔的最大长度；

光源，设于所述内套管中。

3.如权利要求2所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述桩土模型构件呈长方体；所述桩土模型构件包括开设有桩孔的桩间土模型和嵌于所述桩孔中的多根桩，或者所述桩土模型构件为表面设有桩标记的箱体；

所述光源组件包括四个所述发光单元，四个所述发光单元分别靠近于所述桩土模型构件的四条顶边。

4.如权利要求3所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述光源组件还包括开关和供电装置，所述发光单元、所述开关和所述供电装置电连接。

5.如权利要求1-4中任一项所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述箭头组件包括上箭头机构和至少一个下箭头机构，所述上箭头机构活动设于所述承台延伸部的下表面，所述下箭头机构活动设于所述桩端地层延伸部的上表面。

6.如权利要求5所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述上箭头机构通过磁吸元件设于所述承台延伸部的下表面；所述上箭头机构包括安装板和若干垂直于所述安装板的箭头，所述承台构件为中空结构，且所述箭头伸入于所述承台构件内部。

7.如权利要求5所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述上箭头机构可滑动地安装于所述承台延伸部上；所述上箭头机构包括安装板、若干垂直于所述安装板的箭头和操作位，所述承台延伸部为中空结构，所述安装板和所述箭头均位于所述承台延伸部内部，所述操作位凸出于所述承台构件外，所述承台延伸部的底面上设有用于供所述箭头穿过的过孔。

8.如权利要求5所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述下箭头机构通过磁吸元件设于所述桩端地层延伸部的上表面；所述下箭头机构包括安装框架和连接于所述安装框架的若干箭头；

当所述下箭头机构设置为两个以上时，所述两个以上下箭头机构的安装框架的尺寸不同，和/或所述两个以上下箭头机构的箭头长度不同。

9.如权利要求8所述的桩基础沉降计算教学辅助装置，其特征在于：所述安装框架的其中两相对边为可折叠结构；

所述桩端地层构件具有容纳所述下箭头机构的存放腔。

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