CN115897675A - 一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置及其试验方法，过程装置包括框架、横梁、液压千斤顶、模型箱、模型桩、第一砂层、原状土体、第二砂层、橡胶垫板、加压气囊、反力钢板、模型箱顶盖、加压管、泄压管、钢护筒以及控制系统；其中第一砂层、原状土体、第二砂层、橡胶垫板、加压气囊和反力钢板依序铺设在所述模型箱内；所述钢护筒依序通过模型箱顶盖、反力钢板、加压气囊以及橡胶垫板后至第二砂层底部；所述模型桩插入所述钢护筒内至接触所述原状土体的表层。本发明为在室内模拟足尺静压桩沉桩提供了一个行之有效的方法，更加真实的模拟静压桩沉桩过程，为进一步研究静压桩沉桩机理提供了试验依据。

Description

一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置及其试验方法

技术领域

本发明属于桩基础工程的技术领域，具体涉及一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置及其试验方法。

背景技术

随着经济快速发展，公共基础设施建设的大力推进，桩基础被广泛于基础工程中，桩基础具有承载力高，稳定性好，沉降量小，适应性强等优点。静压法是桩基工程中一种常见的沉桩方法，静压法即使用静力压桩机提供压桩力，将预制桩压桩入土的一种施工方法。与锤击、振动和水冲沉桩等方法相比，静压法因无噪音、无振动、无环境污染、对桩冲击力小，在施工要求较高的城市市区中被广泛应用。但是静压桩在沉桩过程中常出现桩身上抬、引孔压桩、穿越地质断裂带等问题，这是由于在静力压桩过程中桩身受力复杂，目前对静压桩的理论研究也不够全面深入，需要进一步对静压桩的室内模型试验进行理论分析，而在室内试验中往往不能准确模拟上层土重对压桩过程中桩体的影响，使试验结果缺乏准确性和可靠性。因此，开发一种能够模拟足尺静压桩沉桩过程的模型试验装置迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气囊预加载室内模拟足尺沉桩试验装置及试验方法，能模拟静压桩压桩过程中上层土重对沉桩的影响，进一步研究静压桩的沉桩机理。

本发明提供一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其包括由多个反力架围设形成的框架、连接在相邻的反力架之间的横梁、安装在所述横梁上的液压千斤顶、位于所述框架内部的模型箱、由所述液压千斤顶压持的模型桩、第一砂层、原状土体、第二砂层、橡胶垫板、加压气囊、反力钢板、盖设在模型箱上表面的模型箱顶盖、均与所述加压气囊连接的加压管和泄压管、钢护筒以及均与所述液压千斤顶与加压气囊连接的控制系统；其中第一砂层、原状土体、第二砂层、橡胶垫板、加压气囊和反力钢板依序铺设在所述模型箱内；所述钢护筒依序通过模型箱顶盖、反力钢板、加压气囊以及橡胶垫板后至第二砂层底部；所述模型桩插入所述钢护筒内至接触所述原状土体的表层。

优选地，所述横梁通过导向滑套连接在相邻的反力架之间。

优选地，所述加压管和泄压管均设有相对设置且呈相反方向延伸的两个。

优选地，橡胶垫板、加压气囊、反力钢板和模型箱顶盖均设有供所述模型桩通过的桩位孔。

优选地，反力钢板和模型箱顶盖均设有分别让加压管和泄压管通过的加压管位孔和泄压管位孔。

优选地，第一砂层和第二砂层均为砂土层，其厚度不小于50mm。

本发明还提供一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的试验方法，包括如下步骤：

多个反力架围设形成的框架，横梁滑动连接在相邻的反力架之间，模型箱放置在框架内，液压千斤顶固定在横梁上且位于模型箱上方；

首先，模型箱底部平铺一层第一砂层，然后原状土体放入模型箱内，最后在原状土体上再覆盖一层第二砂层；

首先第二砂层表面依次覆盖橡胶垫板、加压气囊和反力钢板，然后将加压气囊连接的加压管和泄压管分别穿过反力钢板；

在模型箱上加模型箱顶盖，加压管和泄压管分别穿过模型箱顶盖；

首先，在钢护筒内壁涂润滑油，钢护筒依次穿过模型箱顶盖、反力钢板、加压气囊以及橡胶垫板至第二砂层底部；然后抓取钢护筒中的砂层且避免扰动第二砂层下方的原状土体；最后将模型桩插入钢护筒至接触原状土体的表层；

S6：液压千斤顶和加压气囊均与控制系统连接，控制沉桩过程的压桩力及上层土重。

优选地，所述原状土体放入模型箱内要避免扰动。

优选地，还包括步骤：通过多次试验，改变模型箱中的原状土体和加压气囊的压力模拟不同深度的压桩过程，最后通过多次试验结果的叠加模拟整桩的压入过程。

本发明提供了一种模拟静压桩沉桩过程的装置，为在室内模拟足尺静压桩沉桩提供了一个行之有效的方法，通过控制气囊的气压模拟上层土重，更加真实的模拟静压桩沉桩过程，为进一步研究静压桩沉桩机理提供了试验依据。

附图说明

图1为本发明实施例的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的剖视图；

图2为本发明实施例的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置向下沉的剖视图；

图3为本发明实施例的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的俯视图；

图4为本发明实施例的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的反力钢板的俯视图；

图5为本发明实施例的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的加压气囊的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开一种气囊预加载室内模拟足尺沉桩试验装置，其能模拟静压桩压桩过程中上层土重对沉桩的影响，进一步研究静压桩的沉桩机理。

如图1至图3所示，本发明气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置包括：由多个反力架1围设形成的框架、通过导向滑套(图未示)连接在相邻的反力架1之间的横梁3、安装在横梁3上的液压千斤顶2、由钢板焊接形成且位于框架内部的模型箱4、由液压千斤顶2压持的模型桩5、第一砂层71、原状土体13、第二砂层72、橡胶垫板6、加压气囊10、反力钢板9、盖设在模型箱4上表面的模型箱顶盖15、相对设置且呈相反方向延伸的两个加压管11、相对设置且沿着相反方向延伸的两个泄压管12、钢护筒8以及控制系统14。其中两个加压管11和两个泄压管12均连接至加压气囊10；第一砂层71、原状土体13、第二砂层72、橡胶垫板6、加压气囊10、反力钢板9依序铺设在模型箱4内；钢护筒8依序通过模型箱顶盖15、反力钢板9、加压气囊10以及橡胶垫板6后至第二砂层72底部；模型桩5插入钢护筒8内至接触原状土体13的表层；液压千斤顶2与加压气囊10与控制系统14连接，控制沉桩过程中的压桩力和气囊压力。

具体地，一定厚度的第一砂层71平铺在模型箱4底部，原状土体13铺设在第一砂层71上，原状土体13上覆盖一定厚度的第二砂层72；第二砂层72上加盖橡胶垫板6橡胶垫板6上覆盖加压气囊10；加压气囊10上加盖反力钢板9，最后在模型箱4上安装模型箱顶盖15，液压千斤顶2与加压气囊10与控制系统14连接，控制沉桩(即模型桩5)过程中的压桩力和气囊压力。

如图4所示，其中橡胶垫板6、加压气囊10、反力钢板9、模型箱顶盖15均设有供模型桩5通过的桩位孔5-1，橡胶垫板6的桩位孔5-1、加压气囊10的桩位孔5-1、反力钢板9的桩位孔5-1以及模型箱顶盖15的桩位孔5-1的位置和直径均一致。

反力钢板9和模型箱顶盖15均设有分别让加压管11和泄压管12通过的加压管位孔11-1和泄压管位孔12-1，反力钢板9的加压管位孔11-1和模型箱顶盖15的加压管位孔11-1的位置和直径均一致，反力钢板9的液压管位孔12-1和模型箱顶盖15的液压管位孔12-1的位置和直径均一致。

反力架1由5mm厚度的钢板焊接而成，由多个反力架1围设形成的框架的外形尺寸大于模型箱4的外形尺寸至少1000mm；横梁3由5mm厚度的钢板焊接而成，其宽度和高度不小于200mm，长度与反力架1的长度相同，横梁3与反力架1通过导向滑套连接，横梁3可沿导向滑套和导轨滑动；液压千斤顶2安装在横梁3上，规格根据试验需要选用；模型箱4由5mm厚度的钢板焊接而成，形状可为方形或圆柱形，尺寸应根据试验需要确定；模型桩顶盖15为刚性钢板；模型桩5的尺寸材料取决于试验要求；钢护筒8为管壁厚为5mm的无缝钢管，其内径略大于模型桩5的直径，高度略大于加压气囊10的厚度，可以防止加压气囊10对模型桩5施加作用力，影响桩身受力；反力钢板9为5mm厚度的厚钢板焊接而成的箱型无底护板，长宽尺寸略小于模型箱4长宽尺寸，高度与加压气囊10厚度相等，用以限制加压气囊10位移和施力方向，使加压气囊10对模型箱4中原状土13施加竖向压力；橡胶垫板6的材质为橡胶，长宽尺寸略小于模型箱4的长宽尺寸，其厚度不小于10mm；第一砂层71和第二砂层72均为砂土层，其用于土体固结排水，其厚度不小于50mm；加压气囊10由高强橡胶制成，长宽尺寸略小于模型箱4的长宽尺寸，厚度不小于30mm，加压气囊10上部连接加压管11和泄压管12，通过控制加压气囊10中的气压大小模拟不同的上层土重；加压管11和泄压管12为高强橡胶软管，其直径为30mm；控制系统14通过计算机控制加压气囊10的压力、液压千斤顶2的移动与加载。通过多次试验，改变模型箱4中的原状土体13和加压气囊10的压力模拟不同深度的压桩过程，最后通过多次试验结果的叠加模拟整桩的压入过程。

在本实施例中，反力架1由5mm厚的工字钢焊接而成，由多个反力架1围设形成的框架的外形尺寸为3000mm×3000mm×5000mm；液压千斤顶2为电脑控制0-100吨电液伺服千斤顶；横梁3由5mm的厚工字钢焊接而成，尺寸为3000mm×3000mm×400mm；模型箱4由5mm厚钢板焊接而成，尺寸为2000mm×2000mm×2000mm。

箱顶钢板15的加压管位孔11-1和泄压管位孔12-1的直径为35mm，箱顶钢板15的加压管位孔11-1和泄压管位孔12-1均位于一组对边中点的连线上，箱顶钢板15的加压管位孔11-1距离箱顶钢板15外边缘的距离为500mm，箱顶钢板15的泄压管位孔12-1距离箱顶钢板15外边缘的距离为800mm。

模型桩5的桩位孔5-1的直径为80mm，其位于模型桩5的中心；模型桩5为混凝土材质，直径为60mm，长度1000mm，其上安装多种测试传感器。钢护筒8为管壁厚10mm的无缝钢管，内径65mm，高度230mm，防止加压气囊10对模型桩5施加作用力。

橡胶垫板6材质为橡胶，尺寸1900mm×1900mm，厚度10mm。第一砂层71和第二砂层72为砂土层且用于原状土体13固结排水，其厚度30mm。反力钢板9为5mm的厚钢板焊接而成的箱型无底护板，尺寸1900mm×1900mm×200mm，可以限制加压气囊10位移和施力方向，使加压气囊10对模型箱4内的原状土13施加竖向压力。

加压气囊10由高强橡胶制成，尺寸1900mm×1900mm×200mm；加压管11和泄压管12为高强橡胶软管，直径30mm。

通过控制系统14控制加压气囊10的压力、液压千斤顶2的移动与加载。

通过多次试验，改变模型箱4中的原状土和加压气囊的压力模拟不同深度的压桩过程，最后通过多次试验结果的叠加模拟整桩的压入过程。

本发明还公开一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩的试验方法，包括如下步骤：

S1：多个反力架1围设形成的框架，横梁3滑动连接在相邻的反力架1之间，模型箱4放置在框架内，液压千斤顶2固定在横梁3上且位于模型箱4上方；

S2：首先，模型箱4底部平铺一层第一砂层71，然后原状土体13缓缓放入模型箱4内避免扰动，最后在原状土体13上再覆盖一层第二砂层72，用于原状土体13的固结排水；

S3：首先第二砂层72表面依次覆盖橡胶垫板6、加压气囊10和反力钢板9，然后将加压气囊10连接的加压管11、泄压管12分别穿过反力钢板9上的加压管位孔11-1、泄压管位孔12-1；

S4：在模型箱4上加模型箱顶盖15，加压管11、泄压管12分别穿过模型箱顶盖15上的加压管位孔11-1、泄压管位孔12-1；

S5：首先，在钢护筒8内壁涂抹凡士林等润滑油，钢护筒8依次穿过模型箱顶盖15的桩位孔5-1、反力钢板9的桩位孔5-1、加压气囊10的桩位孔5-1以及橡胶垫板6的桩位孔5-1至第二砂层72底部；然后缓慢用工具抓取钢护筒8中的砂层并避免扰动第二砂层72下方的原状土体13；最后将模型桩5插入钢护筒8至接触原状土体13的表层；

S6：液压千斤顶2和加压气囊10均与控制系统14连接，控制沉桩过程的压桩力及上层土重；

S7：通过多次试验，改变模型箱4中的原状土体和加压气囊10的压力模拟不同深度的压桩过程，最后通过多次试验结果的叠加模拟整桩的压入过程。

本发明提供了一种模拟静压桩沉桩过程的装置，为在室内模拟足尺静压桩沉桩提供了一个行之有效的方法，通过控制气囊的气压模拟上层土重，更加真实的模拟静压桩沉桩过程，为进一步研究静压桩沉桩机理提供了试验依据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其特征在于，其包括由多个反力架(1)围设形成的框架、连接在相邻的反力架(1)之间的横梁(3)、安装在所述横梁(3)上的液压千斤顶(2)、位于所述框架内部的模型箱(4)、由所述液压千斤顶(2)压持的模型桩(5)、第一砂层(71)、原状土体(13)、第二砂层(72)、橡胶垫板(6)、加压气囊(10)、反力钢板(9)、盖设在模型箱(4)上表面的模型箱顶盖(15)、均与所述加压气囊(10)连接的加压管(11)和泄压管(12)、钢护筒(8)以及均与所述液压千斤顶(2)与加压气囊(10)连接的控制系统(14)；其中第一砂层(71)、原状土体(13)、第二砂层(72)、橡胶垫板(6)、加压气囊(10)和反力钢板(9)依序铺设在所述模型箱(4)内；所述钢护筒(8)依序通过模型箱顶盖(15)、反力钢板(9)、加压气囊(10)以及橡胶垫板(6)后至第二砂层(72)底部；所述模型桩(5)插入所述钢护筒(8)内至接触所述原状土体(13)的表层。

2.根据权利要求1所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其特征在于，所述横梁(3)通过导向滑套连接在相邻的反力架(1)之间。

3.根据权利要求1所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其特征在于，所述加压管(11)和泄压管(12)均设有相对设置且呈相反方向延伸的两个。

4.根据权利要求1所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其特征在于，橡胶垫板(6)、加压气囊(10)、反力钢板(9)和模型箱顶盖(15)均设有供所述模型桩(5)通过的桩位孔(5-1)。

5.根据权利要求1所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其特征在于，反力钢板(9)和模型箱顶盖(15)均设有分别让加压管(11)和泄压管(12)通过的加压管位孔(11-1)和泄压管位孔(12-1)。

6.根据权利要求1所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置，其特征在于，第一砂层(71)和第二砂层(72)均为砂土层，其厚度不小于50mm。

7.根据权利要求1-6任一所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

多个反力架(1)围设形成的框架，横梁(3)滑动连接在相邻的反力架(1)之间，模型箱(4)放置在框架内，液压千斤顶(2)固定在横梁(3)上且位于模型箱(4)上方；

首先，模型箱(4)底部平铺一层第一砂层(71)，然后原状土体(13)放入模型箱(4)内，最后在原状土体(13)上再覆盖一层第二砂层(72)；

首先第二砂层(72)表面依次覆盖橡胶垫板(6)、加压气囊(10)和反力钢板(9)，然后将加压气囊(10)连接的加压管(11)和泄压管(12)分别穿过反力钢板(9)；

在模型箱(4)上加模型箱顶盖(15)，加压管(11)和泄压管(12)分别穿过模型箱顶盖(15)；

首先，在钢护筒(8)内壁涂润滑油，钢护筒(8)依次穿过模型箱顶盖(15)、反力钢板(9)、加压气囊(10)以及橡胶垫板(6)至第二砂层(72)底部；然后抓取钢护筒(8)中的砂层且避免扰动第二砂层(72)下方的原状土体(13)；最后将模型桩(5)插入钢护筒(8)至接触原状土体(13)的表层；

S6：液压千斤顶(2)和加压气囊(10)均与控制系统(14)连接，控制沉桩过程的压桩力及上层土重。

8.根据权利要求7所述的所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的试验方法，其特征在于，所述原状土体(13)放入模型箱(4)内要避免扰动。

9.根据权利要求7所述的所述的气囊预加载模拟足尺静压桩沉桩过程装置的试验方法，其特征在于，还包括步骤：通过多次试验，改变模型箱(4)中的原状土体和加压气囊(10)的压力模拟不同深度的压桩过程，最后通过多次试验结果的叠加模拟整桩的压入过程。

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