CN113529823B - 一种桩基室内模型试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种桩基室内模型试验装置及试验方法，该试验装置包括底座、立架、模型箱、模型桩、垂直辅助装置、旋转辅助装置、反力板，试验时在模型箱内放置所需测试的土样制备的泥浆，分级加压在排出泥浆中一半的水后，使用旋转辅助系统对模型箱进行180°旋转，继续加压至泥浆中剩余的水全部排出，再采用垂直辅助装置及千斤顶对模型桩进行沉桩至所需深度，并开展室内模型试验。本发明通过翻转尚未固结完成的土体，将重塑土在重力反转下进行双向排水固结，实现土样各深度范围内含水率、密度、固结的均匀性，避免了土样的不均匀带来的基础参数的偏差，同时严格控制桩体入土的垂直度，试验准确度更好。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，更具体地说，涉及一种桩基室内模型试验装置及试验方法。
背景技术
我国幅员辽阔，土质类型复杂多样，在无成熟地方经验的新区域基建开发时，土层的桩基设计参数指标仅靠室内常规土工试验常常无法满足要求，而室内模型试验因对桩基实际承载过程的还原度较高，成本远低于桩基原位承载试验，被广泛应用于工程建设和土层参数科学研究中。
因模型试验所需土样体积较大，现场难以维持原状将土样取回并放入模型箱中进行试验，需制备重塑土样，但目前比较普遍的问题就是重塑土制备时间过长、重塑土样上下的含水率和密度不均匀，导致最基础的土层参数与现场原样出现较大偏差，影响模型试验的合理性；同时因模型桩沉入重塑土样时荷载较大，极易造成桩身侧斜，在后续试验加载过程中因垂直度的偏差，导致采集的试验参数均存在较大误差，影响模型试验的准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种桩基室内模型试验装置及试验方法，该试验装置可以制备还原度更高的重塑土样，并严格控制模型桩的垂直度，试验所得的数据准确度高，试验周期短。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种桩基室内模型试验装置，包括底座、立架、模型箱、模型桩、旋转辅助装置、垂直辅助装置和反力板，所述立架固定在底座上，模型箱放置在底座上；
所述旋转辅助装置包括提升旋钮、旋转套筒、套环和钢绞线，提升旋钮固定于立架外侧，模型箱通过旋转套筒与立架铰接，提升旋钮通过设置于立架内部的滑轮组与旋转套筒相连，通过旋转提升旋钮实现旋转套筒沿立架上下滑动，从而带动模型箱的升降，套环固定于模型箱外壁，套环内穿设有绳结的钢绞线，通过拖拽钢绞线实现模型箱可绕旋转套筒旋转；
所述垂直辅助装置包括套筒导向板、卡扣承台板、水平泡、伺服千斤顶，套筒导向板水平放置于模型箱内的土样顶部，模型桩端部垂直插入套筒导向板的套筒中，卡扣承台板倒扣于模型桩顶部，水平泡分别设置于套筒导向板、卡扣承台板顶面上，伺服千斤顶放置于卡扣承台板与反力板之间。
上述方案中，所述模型箱包括外筒、限位器、集水盖板、滤石、滤纸，限位器通过水平向螺栓固定于外筒内壁。
上述方案中，所述时限位器上的竖向螺栓可伸缩，通过限位器的竖向螺栓伸缩调整套筒导向板的水平状态。
上述方案中，所述模型桩内部粘贴有应变片，应变片通过电线与静态电阻应变仪连接。
本发明还提供了一种利用所述的桩基室内模型试验装置的桩基室内模型试验方法，其试验步骤如下：
S1：采集拟测试的原状土样，测得其含水率、密度、先期固结压力，将拟测试的原状土样碾碎烘干，将土样在无气水中浸泡后充分搅拌，制备成泥浆，并根据重塑土与原状土相同密度和含水率的原则，算得制备重塑土所需排出的水体积V；
S2：在模型箱底部内壁四边安装限位器，将集水盖板放置于模型箱内的限位器上，向上拧动竖向螺栓，确保与集水盖板密贴，并在整个模型箱内壁及集水盖板顶部铺贴保鲜膜用以密封，保鲜膜在集水盖板的集水通道处预留孔洞，再将滤石、滤纸依次放置于集水盖板上，并将S1步骤中的泥浆倒入模型箱中，再在泥浆顶面依次放置滤纸、滤石、集水盖板，同样在滤石及集水盖板之间铺贴预留孔洞的保鲜膜；
S3：将伺服千斤顶放置于集水盖板和反力板之间进行加压，加压荷载等同于原状土样的先期固结压力，泥浆里的水从集水盖板中流出，重塑土样开始排水固结；
S4：待排出水体积达到S1步骤所述体积V的1/2时，在模型箱顶部内壁反向安装限位器，向下拧动竖向螺栓直至将重塑土样顶面的集水盖板顶紧，随后旋转提升旋钮将模型箱提升至半空中，拖拽模型箱外壁的钢绞线，从而实现模型箱180°旋转，再反向旋转提升旋钮，将模型箱降至底座上；
S5：重复S3步骤，直至排出水体积达到S1步骤所述体积V，制备得到原状土的先期固结压力下，含水率和密度与原土样一致的重塑土样；
S6：取出倒转之后的模型箱顶面的集水盖板，水平铺设套筒导向板，套筒导向板四角上粘贴有水平泡，通过四个限位器竖向螺栓的伸缩，可控制套筒导向板始终保持板面水平，在套筒导向板的套筒中插入模型桩，并将卡扣承台板套于模型桩顶部，卡扣承台板的四角也粘贴有水平泡，利用布置于卡扣承台板与反力板之间的伺服千斤顶实时调整的卡扣承台板水平状态，将模型桩垂直沉入至试验所需深度；
S7：利用千斤顶对模型桩加载至试验荷载，利用位移计采集模型桩沉降位移，利用静态电阻应变仪采集桩身应变，可实现单桩、群桩在各类土中的多种承载性状试验。
实施本发明的桩基室内模型试验装置及试验方法，具有以下有益效果：
1、本发明通过模型箱的旋转将尚未固结完成的重塑土在重力反转下进行双向排水固结，实现重塑土样含水率和密度均匀性较常规重塑土样提升约一倍，同时通过旋转缩短重塑土样的排水路径，重塑土样固结速度更快；重塑土样外围均采用保鲜膜包裹，避免水体在土样制备过程中外部流失，并避免了桩基试验时的水体挥发流失，保证了含水率的精度和稳定性，重塑土还原度更高；
2、本发明套筒导向板和卡扣承台板中的套筒内径略大于模型桩外径，两者直径差控制在桩基允许的垂直度偏差范围内，同时通过限位器竖向螺栓和伺服千斤顶的实施调整，保证桩基垂直度始终可控，试验的准确度更高；
3、本发明所述试验装置可实现不同土层、不同沉桩方式、沉桩后不同静置时间等多种类型的单桩、群桩的模型试验，适用性很广。
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是本发明中试验装置的结构示意图；
图2(a)是本发明中模型箱组装前的结构示意图；
图2(b)是本发明中模型箱组装完成后的结构示意图；
图3是本发明中限位器的结构示意图；
图4是本发明中集水盖板的结构示意图；
图5(a)是本发明中模型桩的等轴测结构示意图；
图5(b)是本发明中模型桩的剖面结构示意图；
图6(a)是本发明中模型箱旋转过程的左等轴测示意图；
图6(b)是本发明中模型箱旋转过程的右等轴测示意图；
图7(a)是本发明中不含模型箱的垂直辅助装置的组装示意图；
图7(b)是本发明中含模型箱的垂直辅助装置的组装示意图；
图8是本发明中套筒导向板的结构示意图；
图9是本发明中卡扣承台板的结构示意图；
图10是本发明中重塑土加压排水固结的过程示意图；
图11是滑轮组的结构示意图；
图12是滑轮组安装在立架上的示意图；
图中：1—底座，2—立架，3—模型箱，3-1—外筒，3-2—限位器，3-3—集水盖板，3-3-1—排水通道，3-3-2—集水管，3-3-3—真空泵，3-4—滤石，3-5—滤纸，4—模型桩，4-1—应变片，4-2—电线，4-3—静态电阻应变仪，5—旋转辅助装置，5-1—提升旋钮，5-2—旋转套筒，5-3—套环，5-4—钢绞线，5-5—滑轮组，6—垂直辅助装置，6-1—套筒导向板，6-1-1—导向板，6-1-2—导向套筒，6-2—卡扣承台板，6-2-1—承台板，6-2-2—卡扣套筒，6-3—水平泡，6-4—伺服千斤顶，7—反力板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至10均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。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。
本发明实施例一中提供的一种桩基室内模型试验装置，其结构具体如图1所示，包括底座1、立架2、模型箱3、模型桩4、旋转辅助装置5、垂直辅助装置6、反力板7。所述立架2固定在底座1上，模型箱3放置在底座1上，模型箱3通过旋转套筒5-2与立架2铰接，旋转套筒5-2可沿立架2上下滑动，模型箱3可绕旋转套筒5-2进行360°旋转。
上述桩基室内模型试验装置的模型箱3的结构如图2所示，包括外筒3-1、限位器3-2、集水盖板3-3、滤石3-4、滤纸3-5，限位器3-2通过水平向螺栓固定于外筒3-1内壁，通过正向或反向旋转水平向螺栓可实现限位器3-2的拆装，同时限位器3-2上的竖向螺栓可伸缩，限位器3-2的结构如图3所示。
上述桩基室内模型试验装置的集水盖板3-3的结构如图4所示，包括排水通道3-3-1、集水管3-3-2、真空泵3-3-3，土样中排出的水通过内设坡度的排水通道3-3-1汇集至集水管3-3-2中，并通过真空泵3-3-3收集读得水体积数据。
上述桩基室内模型试验装置的模型桩4的结构如图5所示，其内部粘贴有应变片4-1，应变片4-1通过电线4-2与静态电阻应变仪4-3连接。
上述桩基室内模型试验装置的旋转辅助装置5的结构和操作过程如图6所示，所述旋转辅助装置5包括提升旋钮5-1、旋转套筒5-2、套环5-3、钢绞线5-4，提升旋钮5-1固定于立架2外侧，并通过设置于立架2内部的省力滑轮组5-5与旋转套筒5-2相连，旋转提升旋钮5-1可实现旋转套筒5-2的升降，从而带动模型箱3的升降，套环5-3固定于外筒3-1外壁，套环5-3内穿设置有绳结的钢绞线5-4，通过拖拽钢绞线5-4实现已提升至半空的模型箱3的旋转。
上述桩基室内模型试验装置的垂直辅助装置6的结构如图7所示，包括套筒导向板6-1、卡扣承台板6-2、水平泡6-3、伺服千斤顶6-4，套筒导向板6-1水平放置于模型箱3的土样顶部，模型桩4端部垂直插入套筒导向板6-1的套筒中，卡扣承台板6-2倒扣于模型桩4顶部，水平泡6-3分别设置于套筒导向板6-1、卡扣承台板6-2顶面上，伺服千斤顶6-4放置于卡扣承台板6-2与反力板7之间，在伺服千斤顶6-4加载沉桩的过程中，限位器3-2的竖向螺栓伸缩可调整套筒导向板6-1的水平状态，伺服千斤顶6-4可调整卡扣承台板6-2的水平状态，从而保证模型桩4的垂直沉入。
上述桩基室内模型试验装置的套筒导向板6-1的结构如图8所示，包括导向板6-1-1、导向套筒6-1-2，套筒6-1-2贯穿导向板6-1-1，套筒6-1-2内径略大于模型桩4外径。
上述桩基室内模型试验装置的卡扣承台板6-2的结构如图9所示，包括承台板6-2-1、卡扣套筒6-2-2，卡扣套筒6-2-2焊接与承台板6-2-1下侧，且不贯穿承台板6-2-1，卡扣套筒6-2-2内径略大于模型桩4外径。
本发明还提供了一种桩基室内模型试验方法，采用上述的模型试验装置进行试验，其具体试验过程如下：
S1：采集拟测试的原状土样，测得其含水率、密度、先期固结压力，将拟测试的原状土样碾碎烘干，将土样在无气水中浸泡后充分搅拌，制备成泥浆，并根据重塑土与原状土相同密度和含水率的原则，并算得制备重塑土所需排出的水体积V；
S2：在模型箱底部内壁四边安装限位器，将集水盖板放置于模型箱内的限位器上，向上拧动竖向螺栓，确保与集水盖板密贴，并在整个模型箱内壁及集水盖板顶部铺贴保鲜膜用以密封，保鲜膜在集水盖板的集水通道处预留孔洞，再将滤石、滤纸依次放置于集水盖板上，并将S1步骤中的泥浆倒入模型箱中，再在泥浆顶面依次放置滤纸、滤石、集水盖板，同样在滤石及集水盖板之间铺贴预留孔洞的保鲜膜；
S3：如图10所示，将伺服千斤顶放置于集水盖板和反力板之间进行加压，加压荷载等同于原状土样的先期固结压力，泥浆里的水从集水盖板中流出，重塑土样开始排水固结；
S4：待排出水体积达到S1步骤所述体积V的1/2时，在模型箱顶部内壁反向安装限位器，向下拧动竖向螺栓直至将重塑土样顶面的集水盖板顶紧，随后旋转提升旋钮将模型箱提升至半空中，拖拽模型箱外壁的钢绞线，从而实现模型箱180°旋转，再反向旋转提升旋钮，将模型箱降至底座上；
S5：重复S3步骤，直至排出水体积达到S1步骤所述体积V，制备得到同一先期固结压力下，含水率和密度与原土样一致的重塑土样；
S6：取出倒转之后的模型箱顶面的集水盖板，水平铺设套筒导向板，套筒导向板四角上粘贴有水平泡，通过四个限位器竖向螺栓的伸缩，可控制套筒导向板始终保持板面水平，在套筒导向板的套筒中插入模型桩，并将卡扣承台板套于模型桩顶部，卡扣承台板的四角也粘贴有水平泡，利用布置于卡扣承台板与反力板之间的伺服千斤顶实时调整的卡扣承台板水平状态，将模型桩垂直沉入至试验所需深度；
S7：利用千斤顶对模型桩加载至试验荷载，利用位移计采集模型桩沉降位移，利用静态电阻应变仪采集桩身应变，可实现单桩、群桩在各类土中的多种承载性状试验。
实施例中通过模型箱的旋转将尚未固结完成的重塑土在重力反转下进行双向排水固结，实现重塑土样含水率和密度均匀性较常规重塑土样提升约一倍，同时通过旋转缩短重塑土样的排水路径，重塑土样固结速度更快；重塑土样外围均采用保鲜膜包裹，避免水体在土样制备过程中外部流失，并避免了桩基试验时的水体挥发流失，保证了含水率的精度和稳定性，重塑土还原度更高；套筒导向板和卡扣承台板中的套筒内径略大于模型桩外径，两者直径差控制在桩基允许的垂直度偏差范围内，同时通过限位器竖向螺栓和伺服千斤顶的实施调整，保证桩基垂直度始终可控，试验的准确度更高；本发明所述试验装置可实现不同土层、不同沉桩方式、沉桩后不同静置时间等多种类型的单桩、群桩的模型试验，适用性很广。
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 (4)
1.一种桩基室内模型试验方法，其特征在于，利用的桩基室内模型试验装置包括底座（1）、立架（2）、模型箱（3）、模型桩（4）、旋转辅助装置（5）、垂直辅助装置（6）和反力板（7），所述立架（2）固定在底座（1）上，模型箱（3）放置在底座（1）上；
所述旋转辅助装置（5）包括提升旋钮（5-1）、旋转套筒（5-2）、套环（5-3）和钢绞线（5-4），提升旋钮（5-1）固定于立架（2）外侧，模型箱（3）通过旋转套筒（5-2）与立架（2）铰接，提升旋钮（5-1）通过设置于立架（2）内部的滑轮组（5-5）与旋转套筒（5-2）相连，通过旋转提升旋钮（5-1）实现旋转套筒（5-2）沿立架（2）上下滑动，从而带动模型箱（3）的升降，套环（5-3）固定于模型箱（3）外壁，套环（5-3）内穿设有绳结的钢绞线（5-4），通过拖拽钢绞线（5-4）实现模型箱（3）可绕旋转套筒（5-2）旋转；
所述垂直辅助装置（6）包括套筒导向板（6-1）、卡扣承台板（6-2）、水平泡（6-3）、伺服千斤顶（6-4），套筒导向板（6-1）水平放置于模型箱（3）内的土样顶部，模型桩（4）端部垂直插入套筒导向板（6-1）的套筒中，卡扣承台板（6-2）倒扣于模型桩（4）顶部，水平泡（6-3）分别设置于套筒导向板（6-1）、卡扣承台板（6-2）顶面上，伺服千斤顶（6-4）放置于卡扣承台板（6-2）与反力板（7）之间；
试验方法的步骤如下：
S1：采集拟测试的原状土样，测得其含水率、密度、先期固结压力，将拟测试的原状土样碾碎烘干，将土样在无气水中浸泡后充分搅拌，制备成泥浆，并根据重塑土与原状土相同密度和含水率的原则，算得制备重塑土所需排出的水体积V；
S2：在模型箱底部内壁四边安装限位器，将集水盖板放置于模型箱内的限位器上，向上拧动竖向螺栓，确保与集水盖板密贴，并在整个模型箱内壁及集水盖板顶部铺贴保鲜膜用以密封，保鲜膜在集水盖板的集水通道处预留孔洞，再将滤石、滤纸依次放置于集水盖板上，并将S1步骤中的泥浆倒入模型箱中，再在泥浆顶面依次放置滤纸、滤石、集水盖板，同样在滤石及集水盖板之间铺贴预留孔洞的保鲜膜；
S3：将伺服千斤顶放置于集水盖板和反力板之间进行加压，加压荷载等同于原状土样的先期固结压力，泥浆里的水从集水盖板中流出，重塑土样开始排水固结；
S4：待排出水体积达到S1步骤所述体积V的1/2时，在模型箱顶部内壁反向安装限位器，向下拧动竖向螺栓直至将重塑土样顶面的集水盖板顶紧，随后旋转提升旋钮将模型箱提升至半空中，拖拽模型箱外壁的钢绞线，从而实现模型箱180°旋转，再反向旋转提升旋钮，将模型箱降至底座上；
S5：重复S3步骤，直至排出水体积达到S1步骤所述体积V，制备得到原状土的先期固结压力下，含水率和密度与原土样一致的重塑土样；
S6：取出倒转之后的模型箱顶面的集水盖板，水平铺设套筒导向板，套筒导向板四角上粘贴有水平泡，通过四个限位器竖向螺栓的伸缩，可控制套筒导向板始终保持板面水平，在套筒导向板的套筒中插入模型桩，并将卡扣承台板套于模型桩顶部，卡扣承台板的四角也粘贴有水平泡，利用布置于卡扣承台板与反力板之间的伺服千斤顶实时调整的卡扣承台板水平状态，将模型桩垂直沉入至试验所需深度；
S7：利用千斤顶对模型桩加载至试验荷载，利用位移计采集模型桩沉降位移，利用静态电阻应变仪采集桩身应变，可实现单桩、群桩在各类土中的多种承载性状试验。
2.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于，所述模型箱（3）包括外筒（3-1）、限位器（3-2）、集水盖板（3-3）、滤石（3-4）、滤纸（3-5），限位器（3-2）通过水平向螺栓固定于外筒（3-1）内壁。
3.根据权利要求2所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于，所述限位器（3-2）上的竖向螺栓可伸缩，通过限位器（3-2）的竖向螺栓伸缩调整套筒导向板（6-1）的水平状态。
4.根据权利要求1所述的桩基室内模型试验方法，其特征在于，所述模型桩（4）内部粘贴有应变片（4-1），应变片（4-1）通过电线（4-2）与静态电阻应变仪（4-3）连接。
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