CN210720113U - 一种桩土界面摩擦可视化试验装置 - Google Patents

Abstract

一种桩土界面摩擦可视化试验装置，属于建筑技术领域。所述桩土界面摩擦可视化试验装置，包括模型箱、加载板、反力架、伺服加载电机和千斤顶，模型箱内设置有模型桩和砂土层，砂土层内预埋有若干个土压力传感器，反力架包括刚性螺杆、反力梁和第一电动升降立柱电机，反力梁中部设置有伺服加载电机，伺服加载电机下端固定有压头，用以向模型桩施加压力，模拟模型桩复杂受力情况，伺服加载电机的两侧对称设置有千斤顶，用以向砂土层施加上覆压力。所述桩土界面摩擦可视化试验装置结构合理、操作简单，可用于研究不同桩周及桩端砂土层相对密实度、不同砂土层上覆压力、不同桩表面粗糙度和细长比的桩土接触面摩擦特性及砂土变形规律。

Description

一种桩土界面摩擦可视化试验装置

技术领域

本实用新型涉及建筑技术领域，特别涉及一种桩土界面摩擦可视化试验装置。

背景技术

随着我国城市建设的快速发展，出现了很多高层和超高层建筑，对地基承载力要求较高。桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中，随着桩基工程实际工程经验的积累和理论研究的深入，在钻孔灌注桩和预制管桩的基础上出现了许多新型桩基础，如挤扩支盘桩、螺旋桩、竹节桩、钻孔挤土桩等。在深厚软土地区的长桩一般为摩擦桩或端承摩擦桩，桩基承载力主要由侧摩阻力所提供。现有桩基规范中给出的桩侧摩阻力计算公式主要是基于现场试验数据给出的经验公式，在许多实际工程中与实测的桩侧摩阻力值偏差较大。需要结合模型试验对不同类型桩基础的桩土接触面摩擦性能进行研究，为实际工程中桩基设计提供理论依据。大量试验结果表明桩土接触面形式、桩表面粗糙度、桩周土体性质以及桩周土体应力水平会对桩侧摩擦性能产生影响，而且，桩端面所受到压力复杂，单用竖向压力对桩施加压力难以满足具体的受力条件，因此，对不同上覆压力作用下不同类型桩土接触面的摩擦特性及砂土变形进行研究具有十分重要的意义。

目前，对桩土接触面的研究主要基于现场试验和室内剪切试验(直剪试验、环剪试验)。现场试验中桩土接触面摩擦性能的研究中桩侧摩阻力值主要基于桩身钢筋应力计或光纤所测得桩身进行转换，且桩土相对位移为桩身位移，不考虑桩周土体位移，另外，实际工程中土体分布情况较为复杂，因此，无法得到准确的桩侧摩阻力桩土相对位移关系。室内剪切试验主要为桩土接触面直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以测得准确的桩土相对位移，但是，直剪试验和环剪试验不能得到距离桩土界面不同距离处的剪应力及桩土相对位移，同时，由于封闭的实验环境，使得不能对砂土的变形规律得到直观的认识，因此在分析桩土接触面摩擦特性及砂土变形规律时不能得到充分的认识和见解。

实用新型内容

为了解决现有技术中现场试验和室内剪切试验存在的技术问题，本实用新型提供了一种能够模拟不同桩周及桩端砂土层相对密实度、不同砂土层上覆压力、不同桩表面粗糙度和细长比的桩土界面摩擦可视化试验装置。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种桩土界面摩擦可视化试验装置，包括模型箱、加载板、反力架、伺服加载电机和千斤顶；

所述模型箱为上下开口的圆筒状结构，其设置在底座上，所述模型箱内设置有模型桩和砂土层，所述砂土层内预埋有若干个土压力传感器；

所述加载板为中心开有通孔的圆形板，其设置在所述砂土层的上方，并且嵌入所述模型箱内；

所述反力架固设在底座上，反力架包括刚性螺杆、反力梁和第一电动升降立柱电机，所述反力梁中部设置有伺服加载电机，用以向模型桩施加压力；所述伺服加载电机的两侧对称设置有千斤顶，用以向砂土层施加上覆压力；

所述伺服加载电机和土压力传感器均通过接收装置与电脑连接。

所述桩土界面摩擦可视化试验装置还包括三维扫描识别装置，所述三维扫描识别装置包括环形架、设置在环形架内侧的金属探测仪和设置在环形架两侧的第二电动升降立柱电机，所述环形架设置在模型箱的外部，所述金属探测仪与电脑连接用于实现砂土变形的可视化，所述第二电动升降立柱电机设置在所述刚性螺杆上，用以驱动环形架上下移动。

所述砂土层包括标记砂土层和未标记砂土层，所述标记砂土层内的砂土均匀掺入了金属粉末，其设置在所述模型桩的周围，若干个所述土压力传感器均匀设置在标记砂土层内。

所述土压力传感器竖直设置或者水平设置，土压力传感器竖直设置用于测量桩周土压力，土压力传感器水平设置用于测量砂土层的上覆压力以及测量桩土摩擦力。

所述伺服加载电机的加载方式为位移控制或者荷载控制，采用荷载控制时，所述伺服加载电机的极限加载值为20kN，行程为50mm；采用位移控制时，所述伺服加载电机的加载速率为0.1-5mm/min。

所述伺服加载电机下方固设有压头，所述压头的下端面为倾斜面，所述模型桩的上端面为与压头下端面配合的倾斜面，用以使模型桩上端面与压头下端面贴合。

所述桩土界面摩擦可视化试验装置还包括若干个竖直设置的柔链，所述柔链与反力梁固连，所述柔链设置有卡槽，用以固定土压力传感器。

所述底座包括底板和环形支座，所述底板焊接在环形支座的上方，所述底板上表面从内至外依次设置有第一环形凹槽和第二环形凹槽，分别用于放置第一隔板和第二隔板。

一种桩土界面摩擦可视化试验方法，采用上述桩土界面摩擦可视化试验装置，包括如下步骤：

预制设定细长比、粗糙度和加压角度的模型桩；

将第一隔板插入底板上表面的第一环形凹槽内，在位于第一隔板内部的底板上填筑标记砂土层到设定高度，将模型桩放置在已填筑的标记砂土层上；

将第二隔板插入底板上表面的第二环形凹槽内，向第一隔板与第二隔板之间填筑标记砂土层到设定位置后抽离第一隔板，再向第二隔板和模型箱内壁之间填筑未标记砂土层后抽离第二隔板；

将加载板覆盖在填筑完成的砂土层上表面，通过千斤顶对砂土层施加上覆压力，所施加的上覆压力值通过预埋在标记砂土层中水平设置的土压力传感器读数进行调整，使上覆压力达到设定值后，第二电动升降立柱电机驱动环形架及金属探测仪上下移动对标记砂土层进行第一次扫描，通过电脑接收土体变形数据并记录；接下来，通过伺服加载电机对模型桩进行加载，加载到设定值后，停止加载，第二电动升降立柱电机驱动环形架及金属探测仪上下移动对标记砂土层进行第二次扫描，通过电脑接收土体变形数据并记录。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)本实用新型中所填筑的砂土层密实度可根据试验要求进行改变，能够研究不同砂土层密实度对桩土接触面摩擦特性的影响；

2)本实用新型中砂土层中预埋的土压力传感器可测得水平土压力和垂直土压力，并且传感器的布置采用柔链式的布置方法，保证土压力传感器的位置稳定；

3)本实用新型中模型桩为圆柱形模型桩，使桩土剪切面形式与实际桩土剪切面形式相同，模型箱为圆筒状模型箱，使边界条件与实际桩基荷载传递过程中的边界条件相似，保证试验结果的可靠性；

4)本实用新型中采用反力梁可以通过第一电动升降立柱电机来控制高度，用来保证不同细长比的模型桩完成试验；

5)本实用新型中采用桩周及其下端完全埋入土体的方法，使得试验装置可以测量桩下端和桩周的摩擦性质变化；

6)本实用新型中采用千斤顶对砂土层施加上覆压力，可以通过改变千斤顶所施加荷载调节上覆压力；

7)本实用新型中采用位移控制或者荷载控制伺服加载电机进行桩土接触面剪切试验的加载，可满足各种不同剪切速度、不同荷载压力情况下的各种桩土接触面的剪切试验要求；

8)本实用新型中采用的环形三维扫描识别装置通过第二电动升降立柱电机固定到刚性螺杆上，并且控制扫描速度，保证标记土体被充分识别；

9)本实用新型所有部位压力变化都可通过接收装置和电脑实时显示，并且砂土变形情况可通过三维扫描识别装置扫描后在电脑上获得三维图，实现实验数据的实时观测以及桩土摩擦试验前后的砂土变形对比；

10)本实用新型中采用下端面为倾斜面的压头，并且与模型桩的上端面配合，能够模拟不同压力环境下的桩土摩擦剪切工况。

本实用新型的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的桩土界面摩擦可视化试验装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的模型桩上端面与压头下端面配合的示意图。

说明书附图中的附图标记包括：

1、模型箱，2、底板，3、环形支座，4、标记砂土层，5、未标记砂土层，6、土压力传感器，7、加载板，8、刚性螺杆，9、反力梁，10、第二电动升降立柱电机，11、伺服加载电机，12、第一电动升降立柱电机，13、环形架，14、千斤顶，15、模型桩，16、压头，17、柔链。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本实用新型实施例提供了一种能够模拟不同桩周及桩端砂土层相对密实度、不同砂土层上覆压力、不同桩表面粗糙度和细长比的桩土界面摩擦可视化试验装置。

如图1至图2所示，一种桩土界面摩擦可视化试验装置，包括模型箱1、加载板7、反力架、伺服加载电机11和千斤顶14。模型箱1为上下开口的圆筒状结构，其设置在底座上，模型箱1内设置有模型桩15和砂土层，砂土层内预埋有若干个土压力传感器6，用以测量模型桩15的桩周及下端的水平土压力和垂直土压力，其中，土压力传感器6竖直设置或者水平设置，土压力传感器6竖直设置用于测量桩周土压力，土压力传感器6水平设置用于测量砂土层的上覆压力以及桩土摩擦力，土压力传感器6用于测量砂土层的上覆压力时，根据土压力传感器6的读数调整千斤顶14进而控制砂土层的上覆压力，土压力传感器6用于测量桩土摩擦力时，在伺服加载电机11向模型桩15施加压力过程中通过观测土压力传感器6读数得到桩土摩擦力。砂土层包括标记砂土层4和未标记砂土层5，标记砂土层4为掺入金属粉末的砂土层，即标记砂土层4内的砂土均匀掺入了金属粉末，其设置在模型桩15的周围，未标记砂土层5为没有掺入金属粉末的砂土层，其设置在标记砂土层与模型箱1内壁之间，若干个土压力传感器6均匀设置在标记砂土层4内，模型桩15可设置在模型箱1的轴线处。加载板7为中心开有通孔的圆形板，其设置在砂土层的上方，并且嵌入模型箱1内。桩土界面摩擦可视化试验装置还包括若干个竖直设置的柔链17，柔链17与反力梁9固连，所述柔链17设置有卡槽，用以固定土压力传感器6。

本实施例中，模型箱1由厚度为10mm的PC耐力板制成，其直径为900mm，模型箱1内部填筑一定密实度的标记砂土层4和未标记砂土层5，砂土密实度根据实验要求确定，环形支座3为两块50mm厚的环形钢板，高度为200mm。模型桩15下端端部完全置于砂土层中，通过柔链17固定均匀布置于模型桩15四周，柔链17连接于顶部反力梁9保证垂直布置，使土压力传感器6的测量结果更具有参照意义，根据实际工程需要设定模型桩15上端面的倾斜面即设定模型桩15的加压角度。土压力传感器6的型号为：BX-1型，均匀布置于模型桩15位于标记砂土层4内部的部分的四周。

如图1至图2所示，反力架固设在底座上，底座包括底板2和环形支座3，底板2焊接在环形支座3的上方，底板2上表面从内至外依次设置有第一环形凹槽和第二环形凹槽，分别用于放置第一隔板和第二隔板，第一隔板和第二隔板之间的径向距离小于等于5cm。反力架包括刚性螺杆8、反力梁9和第一电动升降立柱电机12，刚性螺杆8固设在底板2上。反力梁9中部设置有伺服加载电机11，用以向模型桩15施加压力；伺服加载电机11的两侧对称设置有千斤顶14，用以向砂土层施加上覆压力。伺服加载电机11的加载方式为位移控制或者荷载控制，采用荷载控制时，伺服加载电机11的极限加载值为20kN，行程为50mm；采用位移控制时，伺服加载电机11的加载速率为0.1-5mm/min。伺服加载电机11下方固设有压头16，压头16的下端面为倾斜面，模型桩15的上端面为与压头16下端面配合的倾斜面，用以使模型桩15上端面与压头16下端面贴合，模型桩15上端面与压头16下端面的倾斜程度根据实验要求设定，压头16和模型桩15均可预制。伺服加载电机11和土压力传感器6均通过DH-3817动静态应变测试系统与电脑连接。

本实施例中，两根刚性螺杆8对称固设在底板2上，底板2为50mm厚的钢板，其直径为1000mm，两根刚性螺杆8的上部均与反力梁9连接，伺服加载电机11位于模型桩15上方并与反力梁9固连，用以向位于模型箱1对称中心处圆柱形模型桩15施加压力，加载过程中伺服电机所施加荷载及位移可通过接收装置采集，通过第一电动升降立柱电机12控制反力梁9的高度便于对不同细长比的模型桩15进行试验。模型桩15可采用预埋或现浇的方式填筑于模型箱1内，两个千斤顶14的上端均与反力梁9连接并对称设置在伺服加载电机11的两侧，用以向砂土层施加上覆压力。接收装置为DH-3817动静态应变测试系统，将其接收到的土压力传感器6和伺服加载电机11的数据并传输到电脑上。伺服加载电机11可采用现有技术，实现位移控制或者荷载控制，伺服加载电机11通过接收装置与电脑连接，通过电脑调节控制伺服加载电机11向模型桩15施加压力。

如图1所示，桩土界面摩擦可视化试验装置还包括三维扫描识别装置，三维扫描识别装置包括环形架13、设置在环形架13内侧的金属探测仪和设置在环形架13两侧的第二电动升降立柱电机10，环形架13设置在模型箱1的外部，金属探测仪与电脑连接用于实现砂土变形的可视化，第二电动升降立柱电机10设置在刚性螺杆8上，用以驱动环形架13上下移动。

标记砂土层4与未标记砂土层5的区别在于标记砂土层4内均匀散布金属粉末，金属粉末用于标记，便于金属探测仪识别以生成三维图像。第二电动升降立柱电机10驱动环形架13及金属探测仪上下移动对标记砂土层4进行扫描，用以记录试验前后桩周土体的变形，同时还可以控制环形架13上下移动的速度，用以保证标记砂土层4被充分识别，金属探测仪可采用现有技术，其包括高频振荡器、振荡检测器、音频振荡器和功率放大器，本实施例中，模型箱1材料采用PC耐力板，便于金属探测仪扫描，金属探测仪采用金成脉冲王金属探测器，金属探测仪与电脑连接，将其扫描标记砂土层4得到的数据传到电脑中，电脑通过三维重建算法将该数据构建成三维图，并在电脑上显示来实现土体变形的可视化。

一种桩土界面摩擦可视化试验方法，采用上述桩土界面摩擦可视化试验装置，包括如下步骤：

预制设定细长比、粗糙度和加压角度的模型桩15；

将第一隔板插入底板2上表面的第一环形凹槽内，在位于第一隔板内部的底板2上填筑标记砂土层4到设定高度，优选为5cm，将模型桩15放置在已填筑的标记砂土层4上；

将第二隔板插入底板2上表面的第二环形凹槽内，向第一隔板与第二隔板之间填筑标记砂土层4到设定位置后抽离第一隔板，再向第二隔板和模型箱1内壁之间填筑未标记砂土层5后抽离第二隔板；

将加载板7覆盖在填筑完成的砂土层上表面，通过千斤顶14对砂土层施加上覆压力，所施加的上覆压力值通过预埋在标记砂土层4中水平设置的土压力传感器6读数进行调整，使上覆压力达到设定值后，第二电动升降立柱电机10驱动环形架13及金属探测仪上下移动对标记砂土层4进行第一次扫描，通过电脑接收土体变形数据并记录；接下来，通过伺服加载电机11对模型桩15进行加载，加载到设定值后，停止加载，第二电动升降立柱电机10驱动环形架13及金属探测仪上下移动对标记砂土层4进行第二次扫描，通过电脑接收土体变形数据并记录。

本实用新型中，砂土层也可以替换为粘土、粉土、黄土等其他土体，以进行相应的剪切试验。砂土层根据试验密实度要求采用不同方法进行填筑，试验要求砂土层密实度较小时，砂土层填筑方法为砂雨法；试验要求砂土层密实度较大时，砂土层填筑方法为分层夯实法。

本实用新型结构合理、操作简单，针对不同影响桩土摩擦性能的影响因子，可用于研究不同桩周及桩端砂土层相对密实度、不同砂土层上覆压力、不同桩表面粗糙度和细长比的桩土接触面摩擦特性及砂土变形规律，还可测定桩土界面设定位置处的剪应力及砂土变形情况，并且为桩土接触面摩擦性能的可视化研究提供了一种有效手段。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，包括模型箱、加载板、反力架、伺服加载电机和千斤顶；

所述模型箱为上下开口的圆筒状结构，其设置在底座上，所述模型箱内设置有模型桩和砂土层，所述砂土层内预埋有若干个土压力传感器；

所述加载板为中心开有通孔的圆形板，其设置在所述砂土层的上方，并且嵌入所述模型箱内；

所述反力架固设在底座上，反力架包括刚性螺杆、反力梁和第一电动升降立柱电机，所述反力梁中部设置有伺服加载电机，用以向模型桩施加压力；所述伺服加载电机的两侧对称设置有千斤顶，用以向砂土层施加上覆压力；

所述伺服加载电机和土压力传感器均通过接收装置与电脑连接。

2.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，还包括三维扫描识别装置，所述三维扫描识别装置包括环形架、设置在环形架内侧的金属探测仪和设置在环形架两侧的第二电动升降立柱电机，所述环形架设置在模型箱的外部，所述金属探测仪与电脑连接用于实现砂土变形的可视化，所述第二电动升降立柱电机设置在所述刚性螺杆上，用以驱动环形架上下移动。

3.根据权利要求1或2所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述砂土层包括标记砂土层和未标记砂土层，所述标记砂土层内的砂土均匀掺入了金属粉末，其设置在所述模型桩的周围，若干个所述土压力传感器均匀设置在标记砂土层内。

4.根据权利要求1或2所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述土压力传感器竖直设置或者水平设置，土压力传感器竖直设置用于测量桩周土压力，土压力传感器水平设置用于测量砂土层的上覆压力以及测量桩土摩擦力。

5.根据权利要求1或2所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述伺服加载电机的加载方式为位移控制或者荷载控制，采用荷载控制时，所述伺服加载电机的极限加载值为20kN，行程为50mm；采用位移控制时，所述伺服加载电机的加载速率为0.1-5mm/min。

6.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述伺服加载电机下方固设有压头，所述压头的下端面为倾斜面，所述模型桩的上端面为与压头下端面配合的倾斜面，用以使模型桩上端面与压头下端面贴合。

7.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，还包括若干个竖直设置的柔链，所述柔链与反力梁固连，所述柔链设置有卡槽，用以固定土压力传感器。

8.根据权利要求1所述的桩土界面摩擦可视化试验装置，其特征在于，所述底座包括底板和环形支座，所述底板焊接在环形支座的上方，所述底板上表面从内至外依次设置有第一环形凹槽和第二环形凹槽，分别用于放置第一隔板和第二隔板。

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