CN115030235A - 一种研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置 - Google Patents

一种研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置 Download PDF

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周传波
夏宇磬
蒋楠
蒙贤忠
黄一文
吕国鹏
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    • E02D33/00—Testing foundations or foundation structures

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Abstract

本发明公开了一种用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，包含模型试验框架、吸波装置、岩土体模拟材料、桩基、反力架、液压加载设备、爆源及动态数据监测采集系统。模型试验框架上部敞口，底部及四壁采用珍珠棉铺设吸收爆炸应力波以模拟无限岩土体，模型箱内部铺设相似材料如岩体及土体层以模拟实际工程中的岩土体。数据监测系统采集记录炸药爆炸过程中桩基的动态响应参数，液压加载设备用以测量爆炸前后桩基极限承载力的劣化。本发明的有益效果是：可以真实测量实际工况中地下桩基受临近隧道爆破开挖产生的应力波作用下动态响应及其失效，另一方面，本装置便于更换桩基种类，以便研究不同桩基类型受隧道爆破应力波作用下的响应及失效机制。

Description

一种研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置
技术领域
本发明设计爆破工程领域，尤其涉及一种研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置。
背景技术
随着大规模的城市轨道交通等市政工程(包括地铁隧道、车站通道等)不断建设与开发，大量邻近建筑桩基隧道隧道工程不断涌现，钻爆法作为一种经济、高效的手段仍是现在和将来岩石隧道地下工程的主要开挖方法，钻爆过程中炸药能量并不能完全用于隧道开挖，除一部分能量用来破碎剥离岩体达到工程开挖的目的外，一部分能量不可避免的以爆炸冲击波的形式传递给周围岩体，造成周围岩体损伤，还有一部分能量以应力波的形式向外传播，造成更远范围内(建)构筑物的振动。城区隧道爆破多在城市中心地下岩层中进行，隧道穿行区域上方，建筑结构密集，隧道爆破爆源与建筑基础相邻，城区下穿隧道爆破作业过程中产生的振动动力扰动效应不可避免地对邻近既有桩基结构安全产生重大影响。
目前针对隧道爆破开挖作用下临近桩基失效机制研究较多的是采用数值模拟手段建立相关数值有限元模型研究爆破应力波作用习桩基的动力响应特征，数值模拟缺少真实数据的校正与检验，得到的相关研究结论值得进一步商榷。少部分学者采用现场试验的方法，浇筑桩基、布设传感器并引爆爆源来研究相关问题，但地下岩土体类型不一，地下桩基结构种类繁多，现场实验所耗时间较久，实验昂贵，且监测数据准确性难以保障，相关数据的真实性及丰富性难以保证。
基于此，针对地下岩土体、桩基类型的多样性不易进行试验及地下桩基相关响应参数如桩基加速度、应变、位移等不易获取等问题，采用模型试验及相关数据采集设备，液压加载系统对地下桩基受临近隧道爆破开挖作用下的响应及失效机制进行研究是一个较好的选择。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，以克服上述现有研究手段及技术的不足。
所述模型试验装置包括模型试验框架、吸波装置、岩土体模拟材料、桩基、反力架、液压加载设备、爆源及动态数据监测采集系统；所述反力架及液压加载设备布设于模型试验框架上方；
所述模型试验框架上部敞口，框架底部及四壁铺设吸波装置，用来模拟无限岩土体条件；
所述吸波装置内铺设岩土体模拟材料，并预留桩基孔洞，以浇筑或铺设桩基；
所述反力架及液压加载设备用于对桩基施加荷载；
所述爆源埋置于岩土体模拟材料内，用于模拟隧道爆破开挖时产生的爆破应力波；
所述动态数据监测采集系统用于监测爆破过程中岩土体模拟材料及桩基动态响应参数。
进一步地，所述模型试验框架为钢板连接的一体式框架，用于抵抗模型试验框架内模拟岩土体的侧向土压力。
进一步地，所述吸波装置紧贴模型试验框架底部及四壁，用于吸收传播至装置试验框架处的爆破应力波，避免爆破应力波在装置试验框架边界处的反射叠加，用来模拟实际工程中的无限岩土体特性。
进一步地，所述吸波装置为厚度大于3cm的吸波材料。
进一步地，所述吸波装置至少为珍珠棉或泡沫板中的一种。
进一步地，所述反力架及液压加载设备可以移动到模型试验框架上方任意位置处，用于测量爆破前后桩基极限承载力大小。
进一步地，所述爆源采用柱状不耦合装药方式，以模拟隧道爆破开挖过程中产生的爆破应力波对临近桩基的作用。
进一步地，所述爆源包括黑火药或高氯酸钾。
进一步地，浇筑模拟岩土体材料时需要预留炮孔。
进一步地，所述动态数据监测采集系统包括应变片、加速度计和位移计，布设于桩基及其周边岩土体内不同位置处，用于采集爆源爆炸过程中桩基各项参数的动态响应。
与现有的技术，本发明具有以下优点：
1、可以便捷测量、获取地下桩基动力响应数据，不测点位不受限制，实验数据较为丰富，且相关传感器便于回收、多次利用。
2、便于模拟多种类、多工况地质条件下的岩土体，相关模拟岩土体材料易于获得、便于浇筑。
3、便于模拟多种类型的桩基，摩擦桩、嵌岩桩、单桩或群桩等工况均易模拟试验，获取的相关试验数据丰富、真实、准确。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为一种用于研究隧道爆破开挖作用下临近桩基失效机制的模型试验装置的结构图；
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1为本实施例的一种用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置的结构图，其包含模型试验框架1、吸波装置2、岩土体模拟材料、爆源5、桩基6、反力架7、液压加载设备8和动态数据监测采集系统9，该岩土体模拟材料包括模拟岩体3和模拟土体4。所述模型试验框架1由矩形钢管作为支撑，侧面为钢板，钢板刚度较大，以抵抗岩体及土体浇筑过程中的侧向土压力，防止模型试验框架变形；所述吸波装置2的材料为泡沫或珍珠棉，该材料变形性能较好，波阻抗较低，厚度为5cm，该厚度下材料能吸收绝大部分应力波，防止了因模型尺寸限制带来的边界效应，以更好的模拟实际工程中的无限岩土体模型；根据相关现场工程实例，对岩土体材料进行相似分析，结合正交试验方法寻找对应岩土体相似材料，确定模拟岩体3及模拟土体4；浇筑岩土体过程中，预留炮孔及桩基6孔洞；所述爆源5采用黑火药、高氯酸钾等低威力炸药模拟隧道爆破开挖过程中使用的二号岩石乳化炸药，炸药采用单孔柱状非耦合装药以模拟隧道爆破开挖过程中产生的爆破应力波对临近桩基6的作用。所述桩基6采用不同材料，如混凝土及钢筋笼，用于模拟实际工程中钻孔灌注桩或采用空心钢管模拟钢管桩，桩基6类型可采用单桩或群桩，摩擦桩或嵌岩桩。所述液压加载设备8可紧固于反力架7上，反力架7与液压加载设备8均可沿水平水平方向移动以对准桩基6，进行桩基6承载力试验。
动态数据监测采集系统9，包括应变片、加速度计、土压力盒及位移计等传感器，连接线及数据采集器。各传感器可布设于桩基及其周边岩土体内不同位置处，通过数据线连接至高频数据采集器，以采集爆源爆炸过程中桩基6各项参数的动态响应。本实施例中的高频数据采集器采用的型号可以为DH5956或DH8302，高频设备采集系统采集频率高于两千，以完全捕捉爆破振动峰值信号。通过数据采集设备及液压设备可以获取爆破前后、爆破中桩基相关响应及失效数据。
与现有的技术，本发明具有以下优点：
1、可以便捷测量、获取地下桩基动力响应数据，不测点位不受限制，实验数据较为丰富，且相关传感器便于回收、多次利用。
2、便于模拟多种类、多工况地质条件下的岩土体，相关模拟岩土体材料易于获得、便于浇筑。
3、便于模拟多种类型的桩基，摩擦桩、嵌岩桩、单桩或群桩等工况均易模拟试验，获取的相关试验数据丰富、真实、准确。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，其特征在于，该模型试验装置包括模型试验框架、吸波装置、岩土体模拟材料、桩基、反力架、液压加载设备、爆源及动态数据监测采集系统；所述反力架及液压加载设备布设于模型试验框架上方，液压加载设备紧固于反力架上；
所述吸波装置内铺设岩土体模拟材料，并预留桩基孔洞，以浇筑或铺设桩基；
所述反力架及液压加载设备用于对桩基施加荷载；
所述爆源埋置于岩土体模拟材料内，用于模拟隧道爆破开挖时产生的爆破应力波；
所述动态数据监测采集系统用于监测爆破过程中岩土体模拟材料及桩基动态响应参数。
2.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，其特征在于，所述模型试验框架为钢板连接的一体式框架，用于抵抗模型试验框架内模拟岩土体的侧向土压力。
3.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，其特征在于，所述吸波装置紧贴模型试验框架底部及四壁，用于吸收传播至装置试验框架处的爆破应力波，避免爆破应力波在装置试验框架边界处的反射叠加，用来模拟实际工程中的无限岩土体特性。
4.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，其特征在于，所述吸波装置为厚度大于3cm的吸波材料。
5.根据权利要求3所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，其特征在于，所述吸波装置至少为珍珠棉或泡沫板中的一种。
6.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，所述反力架及液压加载设备可以移动到模型试验框架上方任意位置处，用于测量爆破前后桩基极限承载力大小。
7.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，所述爆源采用柱状不耦合装药方式，以模拟隧道爆破开挖过程中产生的爆破应力波对临近桩基的作用。
8.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，所述爆源包括黑火药或高氯酸钾。
9.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，浇筑模拟岩土体材料时需要预留炮孔。
10.根据权利要求1所述的用于研究爆破作用下桩基失效的模型试验装置，所述动态数据监测采集系统包括应变片、加速度计和位移计，布设于桩基及其周边岩土体内不同位置处，用于采集爆源爆炸过程中桩基各项参数的动态响应。
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