CN207689340U - 一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其包括模型桩，硬壳层，传感器，试样桶，双层底板，排水阀门，杠杆加载装置和采集仪。桩身设有侧向土压力传感器，试样桶内放置软土土样，软土上部设有水泥土硬壳层、下部设有砂土层，加载区下方设置竖向土压力传感器，利用杠杆加载设备和加载硬壳层，向软土试样施加竖向局部荷载，利用竖向、侧向土压力传感器，分别测得土中竖向附加应力和桩承受的侧向土压力沿深度方向的分布。本装置可模拟多种施工条件，并符合相似理论的要求，将边界效应控制在合理范围，从而有效模拟基坑开挖工况下的类帕斯卡效应并精确采集数据，以明确类帕斯卡效应作用机理，并指导现场施工。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，属岩土工程技术领域。
背景技术
天然软土上普遍上覆一层强度相对较高、刚度较大、固结度较高的硬壳层，具有封闭作用和应力扩散效应。但当基坑开挖导致硬壳层局部破坏，硬壳层受荷变形后，下覆软土会形成超常的孔隙水压力，并且这种压力影响范围大、类似封闭液体受荷后向周围挤压，即岩土工程中的“类帕斯卡效应”。由于类帕斯卡效应不符合传统土力学理论、又是真实存在的工程危害，故研究其作用机理和影响因素，对于完善土压力理论、保证施工安全至关重要。这就要求在室内试验中，需要有效模拟基坑开挖工况下的类帕斯卡效应，并在模拟多种条件的同时、合理消除边界效应。因此，迫切需要研制一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其可以完成基坑开挖工况下类帕斯卡效应室内模拟试验、同时采集土压力数据，降低工作量。
为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案是：一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其关键技术在于：其包括试样桶，位于试样桶内部从上到下依次设置的硬壳层、薄膜防水层、软土土样、砂土层和上底板，设于试样桶下部的下底板，以及设于试样桶外部的加载装置和采集仪；
所述试样桶中心位置设有模型桩，所述模型桩下部与上底板连接、上部位于硬壳层上的硬壳层破坏区，所述模型桩上设有侧向土压力传感器，所述硬壳层中设有硬壳层加载区，所述软土土样中设有位于硬壳层加载区下方的竖向土压力传感器，所述软土土样中设有孔隙水压力传感器，所述孔隙水压力传感器布设于侧向土压力传感器和竖向土压力传感器之间，所述试样桶下部两侧设有排水阀门；
所述加载装置包括加载杠杆、与加载杠杆铰接的加载梁以及设于加载杠杆末端下方并与其相连的加载砝码；
所述侧向土压力传感器、竖向土压力传感器和孔隙水压力传感器均与采集仪相连。
优选的，所述模型桩上设有略大于侧向土压力传感器尺寸的凹槽，所述侧向土压力传感器内嵌在凹槽上。
优选的，所述上底板上设有用于固定模型桩的凹槽。
优选的，所述硬壳层加载区为硬壳层制作时分隔出的一圆柱土体。
优选的，所述模型桩采用人工石制作。
优选的，所述硬壳层采用软土掺水泥制作。
优选的，所述硬壳层破坏区直径为试样桶桶径的1/10。
采用上述技术方案所形成的有益效果在于：
1、本实用新型可针对性模拟基坑开挖工况下的类帕斯卡效应，试验对象和条件与现场实际工况具有较高的相似性，有效控制了室内试验模拟实际工况过程的误差；可控制多种试验条件，进而模拟多种工况下的类帕斯卡效应，研究范围广。
2、所述模型桩采用人工石模拟，尺寸灵活、可实现几何相似，并具有与原型桩相同的强度和一定的抗弯刚度、可同时实现材料相似。模型桩底部固定在上底板预留的凹槽中，实现实际施工中端承桩的模拟。
3、硬壳层采用水泥土模拟，可实现实际硬壳层强度高、刚度大、固结度高的特性，采用与下覆软土同种土质制备硬壳层，也更符合实际地质情况，避免了因土样种类差异引起的系统误差。硬壳层破坏区可模拟实际工程中基坑开挖的工况，并为桩头位移提供足够的空间。
4、本实用新型实现了测定土样侧向土压力过程中系统误差的最小化，借助模型桩上预留的传感器槽，侧向土压力传感器位置与角度固定，不随软土的压缩流动而变化，可保证其测得的为严格的侧向土压力，提高了整套装置的科学性。
5、本实用新型采用杠杆加载装置，可提供长期、恒定的静荷载，同时可为加载区提供足够的下沉量；借助于杠杆的力臂，可在满足荷载要求的同时、大大减少加载砝码质量，降低工作量。
6、本实用新型试样桶底部的排水阀门设在砂土层位置，可通过旋转流量阀调整流量大小，控制软土试样孔隙水消散速率，以模拟现场软土下覆土层的渗透性，砂土层可消除底板边界效应，实现现场条件的精确模拟。
7、采用本实用新型，借助埋设于土样中的高精度微型土压力传感器，传感器沿竖直方向等间距布置，可测得土中竖向、侧向土压力分布情况，且竖向、侧向土压力传感器高度一致，可方便测得固定高度处土样侧压力传递系数。
附图说明
图1为本实用新型装置示意图；
图2为某深厚软土基坑开挖引起桩基类帕斯卡效应的室内试验实施工作图；
其中，1模型桩、2竖向土压力传感器、3侧向土压力传感器、4孔隙水压力传感器、5硬壳层、6硬壳层破坏区、7硬壳层加载区、8软土土样、9试样桶、10薄膜防水层、11加载梁、12下底板、13排水阀门、14加载杠杆、15加载砝码、16上底板、17底板凹槽、18砂土层、19采集仪。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图和具体实施方式，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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见附图1和附图2，本实施例包括试样桶9，位于试样桶9内部从上到下依次设置的硬壳层5、薄膜防水层10、软土土样8、砂土层18和上底板16，设于试样桶9下部的下底板12，以及设于试样桶外部的加载装置和采集仪19。
所述试样桶9中心位置设有模型桩1，所述模型桩1下部与上底板16连接、上部位于硬壳层5上的硬壳层破坏区6，所述模型桩1上设有侧向土压力传感器2，所述硬壳层5中设有硬壳层加载区7，所述软土土样8中设有位于硬壳层加载区7下方的竖向土压力传感器3，所述软土土样8中设有孔隙水压力传感器4，所述孔隙水压力传感器4布设于侧向土压力传感器2和竖向土压力传感器3之间，所述试样桶9下部两侧对称设有排水阀门13；可通过调节排水阀门13上的流量阀，控制试验过程中软土土样5的排水条件，模拟软土层下部土体渗透性。
所述加载装置包括加载杠杆14、与加载杠杆14铰接的加载梁11以及设于加载杠杆14末端下方并与其相连的加载砝码15；所述侧向土压力传感器2、竖向土压力传感器3和孔隙水压力传感器4均与采集仪19相连。
所述上底板16直径略小于试样桶9内径，可使上底板刚好嵌入试样桶9以防止软土土样的渗漏；所述硬壳层破坏区6直径为桶径的1/10，以提供足够的桩头位移空间。
制作时，所述上底板16上设有略大于模型桩1外径的底板凹槽17，可使模型桩底端固定在底板凹槽17内，限制模型桩1底端的位移和转动，以模拟实际工况中的端承桩。所述模型桩1采用人工石材料，几何尺寸灵活、并具有与原型桩相同的强度和一定的刚度，可同时实现几何相似和材料相似。所述硬壳层5采用水泥土（软土掺水泥）制作，以模拟实际硬壳层强度高、刚度大、固结度高的特性，其在模拟硬壳层高强度、低压缩性的同时，可实现对下部软土的封闭作用。试样桶9采用厚度为2cm的高强有机玻璃板，高度70cm，内径50cm，足以承受加载过程中的侧向土压力。试样桶9内放置软土土样8、水泥土硬壳层5和砂土层18，硬壳层5和软土土样8之间用薄膜防水层10隔开，以防止软土水分散失。水泥土硬壳层5中部开有中空的硬壳层破坏区6，硬壳层加载区7为硬壳层5制作时分隔出的一圆柱土体，可在保持上部硬壳层封闭作用的前提下、实现对下部软土土样的加载，避免对硬壳层形成扰动。
所述模型桩1上有略大于传感器尺寸的凹槽，可使侧向土压力传感器2内嵌在桩身，固定其位置和角度，使其保持竖直状态，以保证测得的为严格的侧向土压力。硬壳层加载区7下布设竖向土压力传感器3，侧向土压力传感器2和竖向土压力传感器3高度相同、等距布置。加载梁11、加载杠杆14和加载砝码15共同组成杠杆加载装置，可提供长期、恒定的静荷载和足够的加载区下沉量，借助于杠杆的力臂，可在满足加载要求的同时、大大减少加载砝码重量，减轻工作量。试样桶9底部的排水阀门13设置在砂土层18位置处，可通过旋转流量阀调整流量大小，控制软土试样孔隙水消散速率，以模拟现场软土下覆土层的渗透性，并消除底板边界效应，实现现场条件的精确模拟。侧向土压力传感器2、竖向土压力传感器3和孔隙水压力传感器4与采集仪19连接，该采集仪为美国坎贝尔公司生产的应变式采集仪，型号为CR-6，采集频率高、精度准，可实时采集软土土样加载过程中竖向、侧向土压力及孔隙水压力分布，进而分析其土压力分布和传递规律。
参见附图2，采用该装置进行基坑开挖引起的类帕斯卡效应室内试验的具体过程如下：将上底板16与试样桶9固定，在试样桶9内依次铺设砂土层18、软土土样8和硬壳层5，在软土土样8中部布置模型桩1，模型桩1底端与上底板预留底板凹槽17连接，模型桩1预留的凹槽上放置侧向土压力传感器2，竖向土压力传感器3布置于硬壳层加载区7的正下方，竖向、侧向土压力传感器等间距布置，高度相同。试样制备完成后，采用杠杆加载装置进行加载，调整加载砝码15的质量，通过加载梁11使外荷载竖直地作用在硬壳层加载区7上。通过采集仪18实时采集侧向土压力传感器2、竖向土压力传感器3及孔隙水压力传感器4的读数，得到竖向、侧向土压力沿深度分布规律，进而分析得出基坑开挖工况下，软土侧向土压力传递规律，以分析类帕斯卡效应的形成机理和影响因素。试验过程中，可通过调整荷载大小、改变加载时间、控制排水开关、改变硬壳层破坏面积等，模拟不同的施工工况，得到桩顶位移、土体竖向土压力和桩侧土压力沿深度方向的分布。
本实用新型装置结构清析，方法成熟，可模拟多种施工条件，并符合相似理论的要求，将边界效应控制在合理范围，从而有效模拟基坑开挖工况下的类帕斯卡效应并精确采集数据，进而分析深厚软土中类帕斯卡效应的形成机理及影响因素，最终提供相应的解决方案，用以完善土压力计算理论，指导现场施工。
Claims (7)
1.一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征在于：其包括试样桶（9），位于试样桶（9）内部从上到下依次设置的硬壳层（5）、薄膜防水层（10）、软土土样（8）、砂土层（18）和上底板（16），设于试样桶（9）下部的下底板（12），以及设于试样桶外部的加载装置和采集仪（19）；
所述试样桶（9）中心位置设有模型桩（1），所述模型桩（1）下部与上底板（16）连接、上部位于硬壳层（5）上的硬壳层破坏区（6），所述模型桩（1）上设有侧向土压力传感器（2），所述硬壳层（5）中设有硬壳层加载区（7），所述软土土样（8）中设有位于硬壳层加载区（7）下方的竖向土压力传感器（3），所述软土土样（8）中设有孔隙水压力传感器（4），所述孔隙水压力传感器（4）布设于侧向土压力传感器（2）和竖向土压力传感器（3）之间，所述试样桶（9）下部两侧设有排水阀门（13）；
所述加载装置包括加载杠杆（14）、与加载杠杆（14）铰接的加载梁（11）以及设于加载杠杆（14）末端下方并与其相连的加载砝码（15）；
所述侧向土压力传感器（2）、竖向土压力传感器（3）和孔隙水压力传感器（4）均与采集仪（19）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征为：所述模型桩（1）上设有略大于侧向土压力传感器（2）尺寸的凹槽，所述侧向土压力传感器（2）内嵌在凹槽上。
3.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征为：所述上底板（16）上设有用于固定模型桩的凹槽（17）。
4.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征为：所述硬壳层加载区（7）为硬壳层（5）制作时分隔出的一圆柱土体。
5.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征为：所述模型桩（1）采用人工石制作。
6.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征为：所述硬壳层（5）采用软土掺水泥制作。
7.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起的桩基类帕斯卡效应室内试验系统，其特征为：所述硬壳层破坏区（6）直径为试样桶（9）桶径的1/10。
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