CN210263181U - 室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，属于基础工程及地基处理领域，装置包括桩土作用机构、压力室加荷机构及数据采集机构，本实用新型以恢复桩周土在地层当中的实际应力状态为目的，通过两套液压装置对桩周土同时施加上覆土压力及水平侧压力，在桩顶竖向加载情况下，测量任意深度某一土层桩侧摩阻力的室内试验装置。测出桩侧摩阻力与桩身位移的关系曲线以分析桩侧摩阻力随桩身位移的发挥性能，准确得到任意深度土层的极限侧摩阻力值，解决现有工程实践设计中桩基侧摩阻力合理取值的问题，为桩基工程设计侧摩阻力取值提供重要参数依据。

Description

室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置

技术领域

本实用新型涉及室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，属于基础工程及地基处理领域。

背景技术

随着摩擦桩及端承摩擦桩在建筑中的大量应用，对桩侧摩阻力取值的准确度要求也越来越高，如何准确评估桩基侧摩阻力已经成为桩基础设计的核心问题之一，同时对桩侧摩阻力的作用机理及发挥性状的研究，也具有重要的工程理论分析及实际应用价值。

目前桩基侧摩阻力设计规范中，通常根据土层密实及坚硬程度给出单桩极限侧摩阻力经验值，给出的侧摩阻力值一般为固定值，尚未考虑埋深对土层侧摩阻力的影响，导致估值较低偏于保守造成浪费或估值较高存在安全隐患。虽然工程中，桩施工后一般需要进行现场静载试验来确定桩的承载力，但由于其在设计及施工完成后，以验证为主，对侧摩阻力设计的指导作用较小，并且需要消耗大量的人力物力。室内试验由于其费用低，并且能在设计之初估算桩的侧摩阻力，对桩基设计具有较好的指导作用。综上所述，在复杂多变的工程实际中，亟需一种室内能够综合考虑桩周土层埋深的侧摩阻力测试装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，从而实现室内模拟任意深度桩周土受力状态的桩侧摩阻力。

本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，其特征在于，包括：桩土作用机构、压力室加荷机构及数据采集机构，

其中桩土作用机构包括底座、立柱、试验底板、桩垫块、试验桩、桩周土试样、测量顶块和横梁，所述立柱设置于底座上，立柱与底座呈垂直设置，立柱的下部悬固有试验底板，试验底板呈水平设置，试验底板的上表面中央位置设置有圆形凸台；所述桩垫块通过位于试验底板中心的贯穿孔装配在试验底板上，桩垫块的顶面与试验底板的圆形凸台顶面齐平，桩垫块上部设置有试验桩；所述试验桩环周设置有桩周土试样，桩周土试样的外壁与试验底板的圆形凸台环周对齐，试验桩上部设置有与其同轴设置的测量顶块，且测量顶块设置在中空圆柱形凸起内部；所述横梁设置在立柱上部，横梁与立柱呈垂直设置；

其中压力室加荷机构包括压力室顶盖、压力室侧壁、试样顶板、第一液压管、侧向液压泵、第二液压管、竖向液压泵、第一溢流阀及第二溢流阀，所述压力室顶盖与试验底板呈平行设置，压力室顶盖通过压力室螺栓与底座紧固连接；所述压力室侧壁的底部通过底板U型橡胶卡槽与试验底板相连接，压力室侧壁的顶部通过顶盖U型橡胶卡槽与压力室顶盖相连接；所述试样顶板置于桩周土试样顶部，试样顶板呈水平布置，试样顶板的外边缘与压力室侧壁紧密贴合，且在试样顶板的底部边缘处设置有第二液压密封圈，试样顶板、桩周土试样及压力室侧壁所围成的封闭空间为侧向压力室，试样顶板的上表面中心有中空圆柱形凸起，该中空圆柱形凸起穿过压力室顶盖延伸至其外部，并在压力室顶盖的底部与中空圆柱形凸起接触处设置有第一液压密封圈，试样顶板、压力室侧壁及压力室顶盖所围成的封闭空间为竖向压力室；所述侧向液压泵设置在底座上，侧向液压泵通过第一液压管与侧向压力室内部连通；所述竖向液压泵通过第二液压管与竖向压力室内部连通；所述第一溢流阀的下部固定在试样顶板上并穿过试样顶板与侧向压力室连通，第一溢流阀的上部穿过压力室顶盖与外部管路连接；所述第二溢流阀通过过孔固定在压力室顶盖上，第二溢流阀的上部与外部管路连接，第二溢流阀的下部与竖向压力室连通；

其中数据采集机构包括手动式液压千斤顶、第三液压管、千斤顶油箱、侧向液压表、竖向液压表、千斤顶压力表、微型压力计、数据传输线、数据接收处理器、位移计和压力表，所述手动式液压千斤顶的上部固定在横梁上，手动式液压千斤顶的底部与测量顶块的顶部相接触，手动式液压千斤顶上设置有千斤顶手柄，手动式液压千斤顶通过第三液压管与千斤顶油箱相连接；所述侧向液压表设置在第一液压管上；所述竖向液压表设置在第二液压管上；所述千斤顶压力表设置在第三液压管上；所述微型压力计设置在桩周土试样内部，微型压力计通过数据传输线与数据接收处理器相连接；所述位移计和压力表置于底座上，同时位移计和压力表的测量端均与桩垫块相连接。

位于所述试验底板中心的贯穿孔呈阶梯状，贯穿孔上部直径小于下部直径。

所述试样顶板的底部设置有与桩周土试样截面形状相匹配的凹槽，桩周土试样顶部置于该凹槽内。

所述试样顶板的顶部设置有凹陷区。

所述试样顶板的中空圆柱形凸起内壁为阶梯形，中空圆柱形凸起上部的直径大于下部的直径。

通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：

本实用新型提出的室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，与现有桩侧摩阻力试验装置相比，充分考虑了影响桩侧摩阻力的桩周土层性质、深度和桩身位移等多种因素，利用实际工程中不同深度的桩周土土样进行桩侧摩阻力的室内试验，通过施加侧向液压和竖向液压恢复不同深度土层的受力状态，埋设微型压力计监测实际压力使液压施加更加符合实际。

本实用新型成本低，利用室内试验模拟不同深度的桩周土土样受力状态得到准确的桩侧摩阻力及桩侧摩阻力与桩位移的关系曲线，为桩基侧摩阻力的取值研究、理论分析及工程实践提供一种经济可靠的室内试验手段。本实用新型试验结果具有前瞻性，在设计阶段前即可给出准确地侧摩阻力值，为工程设计提供可靠的设计参数依据。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型中室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置的结构图。

图2为图1中A-A向截面图。

图3为图1中B处局部放大图。

图4为桩侧摩阻力与桩位移曲线图。

图中各标记如下：1-立柱，2-第一液压管，3-第二液压管，4-横梁，5-千斤顶手柄，6-测量顶块，7-手动式液压千斤顶，8-第一溢流阀，9-第一液压密封圈，10-第二溢流阀，11-压力室顶盖，12-第三液压管，13-顶盖U型橡胶卡槽，14-千斤顶压力表，15-试样顶板，16-第二液压密封圈，17-压力室侧壁，18-微型压力计，19-压力室螺栓，20-数据传输线，21-底板U型橡胶卡槽，22-千斤顶油箱，23-底座，24-数据接收处理器，25-桩垫块，26-位移计，27-压力表，28-竖向液压泵，29-侧向液压泵，30-试验底板，31-桩周土试样，32-侧向液压油，33-试验桩，34-竖向液压表，35-侧向液压表，36-竖向液压油。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，限定有“第一”、“第二”及“第三”的特征并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

本实用新型以恢复桩周土在地层当中的实际应力状态为目的，通过两套液压装置对桩周土同时施加上覆土压力及水平侧压力，在桩顶竖向加载情况下，测量任意深度某一土层桩侧摩阻力的试验装置。测出桩侧摩阻力与桩身位移的关系曲线以分析桩侧摩阻力随桩身位移的发挥性能，准确得到任意深度土层的极限桩侧摩阻力值，解决现有工程实践设计中桩基侧摩阻力合理取值的问题，为桩基工程设计桩侧摩阻力取值提供重要参数依据。

如图1、图2及图3所示，室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，包括桩土作用机构、压力室加荷机构及数据采集机构，

其中桩土作用机构包括底座23、立柱1、试验底板30、桩垫块25、试验桩33、桩周土试样31、测量顶块6和横梁4，所述立柱1设置于底座23上，立柱1与底座23呈垂直设置，立柱1的下部悬固有试验底板30，试验底板30呈水平设置，试验底板30的上表面中央位置设置有圆形凸台；所述桩垫块25通过位于试验底板30中心的贯穿孔装配在试验底板30上，桩垫块25的顶面与试验底板30的圆形凸台顶面齐平，桩垫块25上部设置有试验桩33；所述试验桩33环周设置有桩周土试样31，桩周土试样31的外壁与试验底板30的圆形凸台环周对齐，在桩周土试样31及试验底板30的圆形凸台外包裹弹性薄膜，在底部用橡皮筋扎紧，形成密闭空间，试验桩33上部设置有与其同轴设置的测量顶块6，且测量顶块6设置在中空圆柱形凸起内部；所述横梁4设置在立柱1上部，横梁4与立柱1呈垂直设置；

进一步，位于试样底板30中心的贯穿孔呈阶梯状，贯穿孔上部直径小于下部直径，有效的减小了试验过程中试验桩33应变引起的试样底板30与桩垫块25的摩擦。

其中，压力室加荷机构包括压力室顶盖11、压力室侧壁17、试样顶板15、第一液压管2、侧向液压泵29、第二液压管3、竖向液压泵28、第一溢流阀8及第二溢流阀10，所述压力室顶盖11与试验底板30呈平行设置，压力室顶盖11通过压力室螺栓19与底座23紧固连接；所述压力室侧壁17的底部通过底板U型橡胶卡槽21与试验底板30相连接，压力室侧壁17的顶部通过顶盖U型橡胶卡槽13与压力室顶盖11相连接；所述试样顶板15置于桩周土试样31顶部，试样顶板15呈水平布置，试样顶板15的底部设置有与桩周土试样31截面形状相匹配的凹槽，桩周土试样31顶部置于该凹槽内，使桩周土试样31在受液压的过程中更稳定，试样顶板15的外边缘与压力室侧壁17紧密贴合，且在试样顶板15的底部边缘处设置有第二液压密封圈16，试样顶板15、桩周土试样31及压力室侧壁17所围成的封闭空间为侧向压力室，试样顶板15的上表面中心有中空圆柱形凸起，该中空圆柱形凸起穿过压力室顶盖11延伸至其外部，并在压力室顶盖11的底部与中空圆柱形凸起接触处设置有第一液压密封圈9，试样顶板15的中空圆柱形凸起内壁为阶梯形，中空圆柱形凸起上部的直径大于下部的直径，有效的减小了试验过程中试验桩33应变引起的试样顶板15和测量顶块6的摩擦，试样顶板15、压力室侧壁17及压力室顶盖11所围成的封闭空间为竖向压力室，试样顶板15的顶部设置有凹陷区，使液压有足够注入空间的同时使得桩周土试样31竖向应力受力更均匀；所述侧向液压泵29设置在底座23上，侧向液压泵29通过第一液压管2与侧向压力室内部连通；所述竖向液压泵28通过第二液压管3与竖向压力室内部连通；第一液压密封圈9和第二液压密封圈16保证了试样顶板15的活动性和密封性，使试样顶板15在受到压力时会上下移动的同时保证压力室结构的密封性，同时设置的底板U型橡胶卡槽21和顶盖U型橡胶卡槽13进一步保证压力室的密封性；所述第一溢流阀8的下部固定在试样顶板15上并穿过试样顶板15与侧向压力室连通，第一溢流阀8的上部穿过压力室顶盖11与外部管路连接；所述第二溢流阀10通过过孔固定在压力室顶盖11上，第二溢流阀10的上部与外部管路连接，第二溢流阀10的下部与竖向压力室连通；

其中数据采集机构包括手动式液压千斤顶7、第三液压管12、千斤顶油箱22，侧向液压表35、竖向液压表34、千斤顶压力表14、微型压力计18、数据传输线20、数据接收处理器24、位移计26和压力表27，所述手动式液压千斤顶7的上部固定在横梁4上，手动式液压千斤顶7的底部与测量顶块6顶部相连接，手动式液压千斤顶7上设置有千斤顶手柄5，手动式液压千斤顶7通过第三液压管12与千斤顶油箱22相连接；所述侧向液压表35设置在第一液压管2上；所述竖向液压表34设置在第二液压管3上；所述千斤顶压力表14设置在第三液压管12上；所述微型压力计18设置在桩周土试样31内部，微型压力计18通过数据传输线20与数据接收处理器24相连接，本实用新型中微型压力计采用DP-YT-200G应变式微型土压力计；所述位移计26和压力表27置于底座23上，同时位移计26和压力表27的测量端均与桩垫块25相连接。

采用上述室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：

步骤一、设置底座23和立柱1，在立柱1下部安装试验底板30，将位移计26和压力表27置于底座23上，压力表27的测量端与桩垫块25相连，并将桩垫块25顶面与试验底板30顶面调平；

步骤二、将预制好的试验桩33置于桩垫块25上方，并将桩周土试样31的制样筒套于试验底板30的圆形凸台上，在制样筒内填筑桩周土试样31，填筑的同时在桩周土试样31内埋置微型压力计18，并将与微型压力计18相连的数据传输线20从桩周土试样31的下部试验底板30穿出与置于底座23上的数据接收处理器24相连，将桩周土试样31夯实并将顶部整平；

步骤三、取下制样筒，在桩周土试样31及试验底板30的圆形凸台外包裹弹性薄膜，在底部用橡皮筋扎紧，使桩周土试样31封闭，防止液压油进入，将已经固定好第二液压密封圈16的试样顶板15置于桩周土试样31顶部；

步骤四、在压力室顶盖11上固定好第一液压密封圈9，在试验底板30的底板U型橡胶卡槽21上放置压力室侧壁17，压力室侧壁17上部经顶盖U型橡胶卡槽13与压力室顶盖11相连接，同时试样顶板15中部的圆柱凸起从压力室顶盖11中部穿出，用压力室螺栓19将压力室顶盖11与试验底板30紧固密封；

步骤五、用第一液压管2将侧向压力室与侧向液压泵29连通，用第二液压管3将竖向压力室与竖向液压泵28连通；打开第一溢流阀8和第二溢流阀10，然后开启竖向液压泵28向竖向压力室内注入竖向液压油36，开启侧向液压泵29向侧向压力室注入侧向液压油32，压力室注满液压油后拧紧第一溢流阀8和第二溢流阀10；

步骤六、将竖向液压泵28和侧向液压泵29缓慢加压，同时观察竖向液压表34和侧向液压表35的读数，反复调节直至读数同时达到预定压应力并保持稳定；根据工程地质详细勘察报告获得桩周土试样31的天然重度γ和泊松比v的准确值，利用静止土压力系数公式

得出桩周土试样31的侧压力系数K₀；待完全稳定后，根据待模拟土层的深度h，即可算出所施加的竖向力压值，该值等于实际土层上覆土压力P₁＝hγ；此时观察数据接收处理器24的示数，根据所加侧向水平压力和与微型压力计18相连接的数据接收处理器24的示数拟合出桩周土试样31内部土压与桩周距离关系曲线图，得到桩周真实水平侧压力，该值等于实际土层水平侧压力值P₂＝K₀hγ，将得到的桩周真实水平侧压力值与实际土层水平侧压力对比，若不相同，应同时调节竖向液压泵28和侧向液压泵29直至竖向液压表34及侧向液压表35的示数和计算出的桩周真实水平测压力值分别等于实际土层上覆土压力P₁＝hr和实际土层水平侧压力P₂＝K₀hγ；

步骤七、不断调整千斤顶手柄5直至手动式液压千斤顶7底部与测量顶块6顶部刚好接触，此时将位移计26和压力表27的示数调零；

步骤八、开始试验桩33桩侧摩阻力的测试试验，首先采取等应力加荷，压动千斤顶手柄5，同时观察千斤顶压力表14，待位移计26发生变动，再采取等应变加荷，保持手动式液压千斤顶7匀速缓慢加压，不断观察位移计26的读数，每变化0.4mm读一次千斤顶压力表14、位移计26和压力表27的示数，直至位移计26示数超过6mm时，试验完成；

步骤九、整理实验数据，根据试验桩33的直径d和桩土作用接触高度l，计算出桩土作用面积S＝πdl；根据每位移0.4mm时的千斤顶压力表14的示数P₃和压力表27的示数P₄,计算出该点桩侧摩阻力为

结合位移计26的读数，绘制桩侧摩阻力与桩位移的关系曲线图。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，其特征在于，包括：桩土作用机构、压力室加荷机构及数据采集机构，

其中桩土作用机构包括底座(23)、立柱(1)、试验底板(30)、桩垫块(25)、试验桩(33)、桩周土试样(31)、测量顶块(6)和横梁(4)，所述立柱(1)设置于底座(23)上，立柱(1)与底座(23)呈垂直设置，立柱(1)的下部悬固有试验底板(30)，试验底板(30)呈水平设置，试验底板(30)的上表面中央位置设置有圆形凸台；所述桩垫块(25)通过位于试验底板(30)中心的贯穿孔装配在试验底板(30)上，桩垫块(25)的顶面与试验底板(30)的圆形凸台顶面齐平，桩垫块(25)上部设置有试验桩(33)；所述试验桩(33)环周设置有桩周土试样(31)，桩周土试样(31)的外壁与试验底板(30)的圆形凸台环周对齐，试验桩(33)上部设置有与其同轴设置的测量顶块(6)，且测量顶块(6)设置在中空圆柱形凸起内部；所述横梁(4)设置在立柱(1)上部，横梁(4)与立柱(1)呈垂直设置；

其中压力室加荷机构包括压力室顶盖(11)、压力室侧壁(17)、试样顶板(15)、第一液压管(2)、侧向液压泵(29)、第二液压管(3)、竖向液压泵(28)、第一溢流阀(8)及第二溢流阀(10)，所述压力室顶盖(11)与试验底板(30)呈平行设置，压力室顶盖(11)通过压力室螺栓(19)与底座(23)紧固连接；所述压力室侧壁(17)的底部通过底板U型橡胶卡槽(21)与试验底板(30)相连接，压力室侧壁(17)的顶部通过顶盖U型橡胶卡槽(13)与压力室顶盖(11)相连接；所述试样顶板(15)置于桩周土试样(31)顶部，试样顶板(15)呈水平布置，试样顶板(15)的外边缘与压力室侧壁(17)紧密贴合，且在试样顶板(15)的底部边缘处设置有第二液压密封圈(16)，试样顶板(15)、桩周土试样(31)及压力室侧壁(17)所围成的封闭空间为侧向压力室，试样顶板(15)的上表面中心有中空圆柱形凸起，该中空圆柱形凸起穿过压力室顶盖(11)延伸至其外部，并在压力室顶盖(11)的底部与中空圆柱形凸起接触处设置有第一液压密封圈(9)，试样顶板(15)、压力室侧壁(17)及压力室顶盖(11)所围成的封闭空间为竖向压力室；所述侧向液压泵(29)设置在底座(23)上，侧向液压泵(29)通过第一液压管(2)与侧向压力室内部连通；所述竖向液压泵(28)通过第二液压管(3)与竖向压力室内部连通；所述第一溢流阀(8)的下部固定在试样顶板(15)上并穿过试样顶板(15)与侧向压力室连通，第一溢流阀(8)的上部穿过压力室顶盖(11)与外部管路连接；所述第二溢流阀(10)通过过孔固定在压力室顶盖(11)上，第二溢流阀(10)的上部与外部管路连接，第二溢流阀(10)的下部与竖向压力室连通；

其中数据采集机构包括手动式液压千斤顶(7)、第三液压管(12)、千斤顶油箱(22)、侧向液压表(35)、竖向液压表(34)、千斤顶压力表(14)、微型压力计(18)、数据传输线(20)、数据接收处理器(24)、位移计(26)和压力表(27)，所述手动式液压千斤顶(7)的上部固定在横梁(4)上，手动式液压千斤顶(7)的底部与测量顶块(6)的顶部相接触，手动式液压千斤顶(7)上设置有千斤顶手柄(5)，手动式液压千斤顶(7)通过第三液压管(12)与千斤顶油箱(22)相连接；所述侧向液压表(35)设置在第一液压管(2)上；所述竖向液压表(34)设置在第二液压管(3)上；所述千斤顶压力表(14)设置在第三液压管(12)上；所述微型压力计(18)设置在桩周土试样(31)内部，微型压力计(18)通过数据传输线(20)与数据接收处理器(24)相连接；所述位移计(26)和压力表(27)置于底座(23)上，同时位移计(26)和压力表(27)的测量端均与桩垫块(25)相连接。

2.根据权利要求1所述的室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，其特征在于，位于所述试验底板(30)中心的贯穿孔呈阶梯状，贯穿孔上部直径小于下部直径。

3.根据权利要求1所述的室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，其特征在于，所述试样顶板(15)的底部设置有与桩周土试样(31)截面形状相匹配的凹槽，桩周土试样(31)顶部置于该凹槽内。

4.根据权利要求1所述的室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，其特征在于，所述试样顶板(15)的顶部设置有凹陷区。

5.根据权利要求1所述的室内模拟桩周土受力状态的桩侧摩阻力试验装置，其特征在于，所述试样顶板(15)的中空圆柱形凸起内壁为阶梯形，中空圆柱形凸起上部的直径大于下部的直径。

Images