CN115404923B - 一种余震作用下桩基特性试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余震作用下桩基特性试验装置及使用方法，包括地基土层、持力土层、承台、起降结构、起降台和桩基，地基土层的下方设置起降结构，起降结构和地基土层的截面一一对应，起降结构内设置起降台，所述起降台对余震效果进行模拟，所述起降结构的下方设置持力土层，所述桩基穿过地基土层、持力土层和承台设置，所述桩基的上端连接承台。该试验装置能够实现对不同厚度地基土产生不均匀沉降对桩基受力和变形特性的影响的研究，通过提供可以控制桩周不同区域地基土的初步不均匀沉陷量，模拟地基土在第一次地震作用下的初次不均匀沉降，进而研究在余震作用下不均匀沉降地基土对桩基的受力与变形特性，弥补和补充传统试验装置存在的不足。

Description

一种余震作用下桩基特性试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及余震工程模型领域，具体为一种余震作用下桩基特性试验装置及使用方法。

背景技术

随着我国桩基础工程的不断系统化、一体化，桩基础由于其承载力高、稳定性好等特点广泛应用于各类复杂地质环境中。目前地基土不均匀沉降导致建筑物倒塌事故屡见不鲜，在建筑物第一次地震后，地基土产生不均匀沉降，使得桩基产生不均匀沉降、倾斜、桩基水平变位大等隐患。在余震作用下，原本桩基在不均匀沉降的土层存在的隐患被放大，导致建筑物上部结构产生梁体开裂等突出病害，严重时会发生落梁、垮塌等恶性事故。

综上，桩基础在地基土不均匀沉降中的受力与变形特性研究是目前基础工程中的热点，为了探明桩基础在地基土沉降中的受力与变形特性机理，很多学者做了大量的室内模型试验。但是现有的试验装置仅能模拟地基土一次地震作用下的沉降，对于余震作用下地基土的不同厚度下不均匀沉降不能很好的模拟，而余震情况下的地基土的沉降研究是地震研究中非常重要的一部分。

因而，为更好的表征现阶段迫切需要一种能够模拟余震作用下桩基的受力与变形特性试验装置。

发明内容

针对现有技术中存在的不能对余震情况下的桩基受力与变形特性进行针对性的模拟问题，依据实际工程中，地基土层厚度是非线性分布的，又因不同地基土层厚度在地震荷载作用下产生的沉陷量不同，本发明提供一种余震作用下桩基特性试验装置及使用方法，该试验装置能够实现对不同厚度地基土产生不均匀沉降对桩基受力和变形特性的影响的研究，通过提供可以控制桩周不同区域地基土的初步不均匀沉陷量，模拟地基土在第一次地震作用下的初次不均匀沉降，进而研究在余震作用下不均匀沉降地基土对桩基的受力与变形特性，弥补和补充传统试验装置存在的不足。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种余震作用下桩基特性试验装置，包括地基土层、持力土层、承台、起降结构、起降台和桩基，所述地基土层的下方设置起降结构，所述起降结构和地基土层的截面一一对应，所述起降结构内设置起降台，所述起降台对余震效果进行模拟，所述起降结构的下方设置持力土层，所述桩基穿过地基土层、持力土层和承台设置，所述桩基的上端连接承台。

进一步的，所述起降结构包括横向夹板，所述横向夹板设置在起降台上，所述起降台带动横向夹板对余震效果进行模拟；所述横向夹板包括支撑台，所述起降台包括弹性连接件和起降装置，所述起降装置设置在弹性连接件的下方，所述弹性连接件的上方设置支撑台。

进一步的，所述起降装置包括垫板、助推装置、活动台，所述垫板设置在持力土层上，所述垫板的上方设置助推装置，所述助推装置连接动力结构，所述助推装置的上方通过弹性连接件连接活动台。

进一步的，所述起降装置设置有多个，多个起降装置等距阵列设置于支撑台的下方。

进一步的，所述起降台包括信号接收模块，所述信号接收模块设置在垫板的内部，所述信号接收模块连接控制终端，所述控制终端内部设置有信号输出模块，通过操纵控制终端控制信号输出模块的输出，根据信号输出模块的输出信号实现垫板的调控。

进一步的，所述地基土层、支撑台、持力土层的硬度依次增加。

进一步的，所述模型箱设置在地基土层、持力土层、起降结构的外侧，所述模型箱的底面设置为平面。

进一步的，一种基于上述余震作用下桩基特性试验装置的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：

S1：将模型箱放置在振动台上，依次放入持力土层和起降结构，之后放置桩基，在桩基上连接承台，并在桩基上设置应变片以及位移传感器，最后放置地基土层；

S2：根据实验要求，对起降结构进行调控，实现一次地震模拟；

S3：在地基土层的基础上对模型箱施加地震载荷，实现余震模拟。

进一步的，放入持力土层后，先安装起降台，在安装起降台时，首先将弹性连接件安装到起降装置内，组合成起降台，后安装横向夹板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种余震作用下桩基特性试验装置，通过提供可以控制桩周不同区域地基土的初步不均匀沉陷量，模拟地基土在第一次地震作用下的初次不均匀沉降，进而研究在余震作用下不均匀沉降地基土对桩基的受力与变形特性，弥补和补充传统试验装置存在的不足。

进一步的，本装置通过控制终端的采用以及分布的起降装置的采用对各自起降结构的上升或下沉量进行设定，根据上升或下沉量的不同来模拟一次地震作用下的不均匀沉降，当对装置施加地震荷载后不均匀地基土再次发生震陷下沉，研究在余震作用下地基土的“二次沉陷”对桩基受力以及变形特性影响。

进一步的，本装置中的多个起降装置的设置保证了每一个区域都可以单独通过控制终端对起降装置进行不同上升量的设定，从而来模拟多种试验工况，包括考虑不同地基土层厚度、不均匀沉陷量大小，一次性可以满足大多数情况下的模型试验要求；本装置通过改变桩基的设置，使得装置的适用范围广，既可以用于单桩基础，也可以用于群桩基础。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置不带桩基的外部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置不带桩基的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的单桩起降台的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的单桩横向夹板的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的单桩起降台内起降状态下的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的起降装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的控制终端的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的单桩横向夹板沉降状态下的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的外部整体结构示意图；

图10为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的多桩基的外部结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的多桩基的起降台结构示意图；

图12为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的多桩基的横向夹板结构示意图；

图13为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的多桩基的起降台起降状态下结构示意图；

图14为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的多桩基的横向夹板沉降的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的一种余震作用下桩基特性试验装置的起降装置的结构示意图；

图中：模型箱1、地基土层2、持力土层3、承台4、横向夹板5、起降台6、桩基7、支撑台8、弹性连接件9、起降装置10、垫板11、信号接收模块12、助推装置13、活动台14、控制终端15、控制面板16、信号输出模块17。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本实施例提供一种余震作用下桩基特性试验装置，依据实际工程中，地基土层的厚度是非线性分布的，又因不同地基土层的厚度在地震荷载作用下产生的沉陷量不同，该装置针对地基土层余震作用下的受力变形试验。

本装置包括模型箱1、地基土层2、持力土层3、承台4、横向夹板5、起降台6、桩基7、支撑台8、弹性连接件9、起降装置10、垫板11、信号接收模块12、助推装置13、活动台14、控制终端15、控制面板16、信号输出模块17。

所述模型箱1在土工模型试验时用以盛放试验装置内部结构，具体包括起降结构、地基土层2和持力土层3；所述地基土层2为上部土层，所述桩基7穿过其中，所述的下部与起降结构相连。

根据试验要求进行土层厚度的设定，所述地基土层2在选择时，通常选用具有压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差的细粒土、全风化岩。所述持力土层3设置为下部土层，所述桩基7深入其中，所述持力土层3的上部与起降结构相连。所述持力土层3的硬度通常大于地基土层2的硬度，所述起降结构的硬度设置在地基土层2和持力土层3之间，所述持力土层3为主要承受桩基础荷载的土层，根据试验不同的工况需求可以设置不同类别的持力层土，例如强风化花岗岩层、中风化花岗岩层等。

所述承台4用于连接桩基7，所述桩基7根据试验需要的不同，共同组成一个整体，将上部荷载较均匀分布在各个桩基7上。所述起降结构包括横向夹板5和起降台6；所述横向夹板5与上方设置的地基土层2连接，所述横向夹板5的下方与起降台6相连。

所述横向夹板5包括支撑台8和壳体，所述支撑台8设置在壳体内，所述壳体作为框架设置在支撑台8的外围，所述支撑台8用于将上方连接设置的地基土层2和弹性连接件9进行隔断，以此避免地基土层2和弹性连接件9的直接接触，所述横向夹板5将起降台6内部弹性连接件9的不同弹力传递到上部的地基土层2，使之受力均匀并产生“不均匀沉降”。所述横向夹板5用于将地震作用下地基土层2沉降变形传递到横向夹板5，模拟余震下的“二次沉降”。

所述起降台6包括弹性连接件9和起降装置10，所述起降装置10和弹性连接件9的外围设置有壳体，在本实施例中将起降装置10分为14个独立区域。所述起降台6和横向夹板5共同组成起降结构，是整个装置的核心部分，所述起降台6和横向夹板5的截面面积相同，能够有效方便实际效果的传递。

所述起降装置10包括垫板11、信号接收模块12、助推装置13、活动台14以及外侧壳体组成。所述起降装置10中的垫板11设置在底部，所述垫板11内设置信号接收模块12，所述信号接收模块12作用于助推装置13，当信号接收模块12接收到的信号为上升时，所述信号接收模块12上升推动助推装置13运动，所述助推装置13的上方设置有活动台14，所述活动台14和弹性连接件9连接。

所述桩基7穿过地基土层2、持力土层3、横向夹板5和起降台6设置，所述7根据试验内容可以作为单桩及群桩基础，穿过地基土层2，进入持力土层3的内部，用于探究在余震下土体不均匀沉降对其的受力影响，所述支撑台8的上下分别为地基土层2和弹性连接件9。所述支撑台8在本实施例中选用钢板材质，所述支撑台8根据下方设置的起降装置10分为14个小区域，每个区域独立。其中需要说明的是，各区域划分线是为了方便观察区域划分，本身并不存在，在本实施例中的区域划分和起降装置10一一对应设置；在试验前，支撑台8的各区域处于一致水平状态，无外部弹性连接件9的弹力作用，当控制终端15设置14个区域不同上升量后，起降装置10上升挤压弹性连接件9产生不一样的弹力，弹力作用下使得支撑台8上升高度不一。其作用是根据起降装置10的上升的高度不一致，使得起降装置10的上部布设的地基土层2各区域高度发生变化，模拟初次地震产生的地基土层2的不均匀沉降。

所述支撑台8的错落设置根据下部的起降台6中弹性连接件9弹力大小进行确定，实际最终根据控制终端15进行控制，目的是为了根据所需的试验工况来模拟第一次地震下地基土层2的不均匀沉降。例如：可以模拟桩基7的侧面1～5cm时是10mm沉降，5～10cm时是5mm沉降。

所述弹性连接件9的上下分别是支撑台8和活动台14。其作用是根据起降装置10中垫板11位置设定的高低来提供大小不一的弹力传递活动台14，在垫板11压力作用下，所述弹性连接件9均匀受力并将所受弹力传递给支撑台8，所述弹性连接件9在本实施例中选用弹簧。

所述起降装置10包括垫板11、信号接收模块12、助推装置13、活动台14以及外侧壳体组成，所述起降装置10的上方设置为横向夹板5，所述起降装置10的下方设置为持力土层3。所述起降装置10与弹性连接件9焊接。具有起降功能，可通过控制终端15设定不同上升量来改变弹性连接件9的弹力，模拟初次震陷时的土体的不均匀沉陷，所述控制终端15在本实施例中选用无线遥控器。所述垫板11的内部设置有信号接收模块12，所述信号接收模块12在本实施例中选用红外线接收端口，所述信号接收模块12的上方设置有助推装置13和起降装置10的壳体，垫板11与助推装置13焊接。其作用是支撑助推装置13，在信号接收模块12收到控制终端15指令后推动助推装置13提供上升力；所述信号接收模块12设置于垫板11的内部其作用是接收来自控制终端15的指令；所述助推装置13上下分别是活动台14和垫板11，所述助推装置13的作用是在垫板11提供的压力作用下产生弹力推动活动台14的升降。

所述活动台14的上下分别是弹性连接件9和助推装置13，所述活动台14的作用是将助推装置13提供的弹力均匀分配，使得上部弹性连接件9的受力均匀；所述控制终端15采用无线电连接的方式对垫板11的控制；控制终端15可以通过各按钮控制垫板11的伸缩量来对起降台6内部的活动台14个独立区域进行上升/下降量进行控制；所述控制终端15上设置控制面板16，通过控制面板16能够极大操作的便捷性，所述控制终端15作为控制端，布设不同类型的功能按钮，达到控制垫板11的伸缩量的效果，所述控制终端15内不设置有信号输出模块17，所述信号输出模块17用于将各种指令输出，与信号接收模块12相匹配，所述信号接收模块12采用红外线接收端口。

地基土桩基震动沉陷模型试验装置，同时配有具体的试验流程。该装置主要由模型箱、上下土层、余震沉陷装置等几部分组成。

余震沉陷装置主要原理在于设定起降台装置高度，推动弹簧，在弹簧作用下各区域横向夹板产生不一样的上升量来模拟一次地震下地基土不均匀沉降，根据余震的地震波来施加地震荷载，研究在余震作用下发生“二次沉陷”对桩基础结构受力变形特性的影响，从而可探明余震对桩基受力与变形特性的影响，以适应工程需要。

本发明的具体使用方法如下：

步骤一：制作符合试验要求的模型箱1，用以盛放地基土层2、持力土层3和起降结构。

步骤二：所述模型箱1的制作完毕后，进行持力土层3的装填，根据实验要求预留桩基7放入持力土层3的厚度，在桩基7的相应位置布设应变片、位移传感器。

步骤三：持力土层3装填完毕后，安装起降结构，先把弹性连接件9和起降装置10连接安装内，然后组合成起降台6，最后安装横向夹板5。

步骤四：安装起降结构后，装填地基土层2。

步骤五：全部安装完毕后，根据试验要求通过15设定不同的起降装置10高度。

步骤六：在设定好的起降装置10高度情况下使得弹性连接件9产生的弹力，则横向夹板5内的支撑台8也会产生不同的上升高度，支撑台8的上部铺满的地基土层2产生“不均匀沉降”，模拟在一次地震下地基土的不均匀沉降。

步骤七：对1施加地震荷载，地震荷载根据工程现场的余震等级进行设定，模型箱1内原本已发生“不均匀沉降”的地基土层2再次产生震陷下沉，等输入地震荷载结束时，测定桩基7的应变和位移，处理试验数据得出弯矩和位移。

步骤八：改变地基土层2的厚度，重新设定起降装置10高度，重复上述操作，研究不同土层厚度下的地基土层2在余震作用下对桩基7的受力与变形特性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种余震作用下桩基特性试验装置，其特征在于，包括地基土层（2）、持力土层（3）、承台（4）、起降结构和桩基（7），所述地基土层（2）的下方设置起降结构，所述起降结构和地基土层（2）的截面一一对应，所述起降结构内设置起降台（6），所述起降台（6）对余震效果进行模拟，所述起降结构的下方设置持力土层（3），所述桩基（7）穿过地基土层（2）和持力土层（3）设置，所述桩基（7）的上端连接承台（4）；

所述起降结构包括横向夹板（5），所述横向夹板（5）设置在起降台（6）上，所述起降台（6）带动横向夹板（5）对余震效果进行模拟；所述横向夹板（5）包括支撑台（8），所述起降台（6）包括弹性连接件（9）和起降装置（10），所述起降装置（10）设置在弹性连接件（9）的下方，所述弹性连接件（9）的上方设置支撑台（8）；

所述起降装置（10）包括垫板（11）、助推装置（13）、活动台（14），所述垫板（11）设置在持力土层（3）上，所述垫板（11）的上方设置助推装置（13），所述助推装置（13）连接动力结构，所述助推装置（13）的上方设置活动台（14），所述活动台（14）的上方与弹性连接件（9）连接；

所述起降台（6）包括信号接收模块（12），所述信号接收模块（12）设置在垫板（11）的内部，所述信号接收模块（12）连接控制终端（15），所述控制终端（15）内部设置有信号输出模块（17），通过操纵控制终端（15）控制信号输出模块（17）的输出，根据信号输出模块（17）的输出信号实现垫板（11）的调控；所述起降装置（10）设置有多个，多个起降装置（10）等距阵列设置于支撑台（8）的下方，支撑台（8）根据下方的起降装置（10）分为多个小区域，每个小区域独立。

2.根据权利要求1所述的一种余震作用下桩基特性试验装置，其特征在于，所述地基土层（2）、支撑台（8）、持力土层（3）的硬度依次增加。

3.根据权利要求1所述的一种余震作用下桩基特性试验装置，其特征在于，模型箱（1）设置在地基土层（2）、持力土层（3）、起降结构的外侧，所述模型箱（1）的底面设置为平面。

4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述的余震作用下桩基特性试验装置的使用方法，其特征在于，该使用方法包括以下步骤：

步骤一：制作符合试验要求的模型箱（1），用以盛放地基土层（2）、持力土层（3）和起降结构；

步骤二：所述模型箱（1）制作完毕后，进行持力土层（3）的装填，根据实验要求预留桩基（7）放入持力土层（3）的厚度，在桩基（7）的相应位置布设应变片、位移传感器；

步骤三：持力土层（3）装填完毕后，安装起降结构，先把弹性连接件（9）和起降装置（10）组合成起降台（6），最后安装横向夹板（5）；

步骤四：安装起降结构后，装填地基土层（2）；

步骤五：全部安装完毕后，根据试验要求通过控制终端（15）设定不同的起降装置（10）高度；

步骤六：在设定好的起降装置（10）高度情况下使得弹性连接件（9）产生的弹力，则横向夹板（5）内的支撑台（8）也会产生不同的上升高度，支撑台（8）的上部铺满的地基土层（2）产生“不均匀沉降”，模拟在一次地震下地基土的不均匀沉降；

步骤七：对模型箱（1）施加地震荷载，地震荷载根据工程现场的余震等级进行设定，模型箱（1）内原本已发生“不均匀沉降”的地基土层（2）再次产生震陷下沉，等输入地震荷载结束时，测定桩基（7）的应变和位移，处理试验数据得出弯矩和位移；

步骤八：改变地基土层（2）的厚度，重新设定起降装置（10）高度，重复上述操作，研究不同土层厚度下的地基土层（2）在余震作用下对桩基（7）的受力与变形特性。