本發(fā)明屬于地基測試領域，尤其涉及填土側摩阻力模型試驗裝置和試驗方法。

背景技術：

負摩阻力常發(fā)生于建于新填土、軟土、濕陷性黃土等土層中的樁基礎，或因地表大范圍堆載、土層中地下水位下降等原因產生，它使得樁基的承載力下降，沉降增大，對工程產生很大的危害。國內外學者在負摩阻力的作用機理、計算方法、防治措施等方面開展了較多的研究工作，并取得了不少成果。但從現(xiàn)有資料看，其研究手段多以理論分析和數(shù)值計算為主，現(xiàn)場及室內試驗成果較少。此外，對室內模型試驗，其關鍵難點在于如何模擬填土的自重對樁施加作用的過程，該問題一直沒有很好解決。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：根據現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了填土側摩阻力模型試驗裝置和試驗方法，通過開展模型試驗，為進一步研究填土中負摩阻力的分布規(guī)律及計算方法，為設計提供理論依據。

本發(fā)明目的通過下述技術方案來實現(xiàn)：

一種填土側摩阻力模型試驗裝置，包括樁基礎、模型箱、模型樁和載荷裝置，模型箱設于樁基礎上方由樁基礎支撐，樁基礎由豎直設置支撐模型箱的筒體，以及填充于筒體內的原狀巖土層構成，模型樁豎直設于模型箱內，其下端由原狀巖土層支撐，其頂端設置逐級加載的載荷裝置，模型樁與模型箱之間填充填土；模型樁為一圓柱管，管外表面粘貼砂粒，管內壁沿軸向布置若干層全橋連接的應變片，每層應變片由對稱布置的若干個應變片組成；模型箱由若干個上下間隔層疊設置的模型環(huán)，以及可拆卸式設于各模型環(huán)之間用以限制各模型環(huán)之間不能相對位移的約束構成，模型環(huán)由環(huán)狀體、承重環(huán)和擋土環(huán)構成，承重環(huán)為設于環(huán)狀體內壁底部的水平環(huán)形結構(即一水平的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))，擋土環(huán)為設于承重環(huán)下方，且高度大于等于該模型環(huán)與下方模型環(huán)之間間隙高度的豎直環(huán)形結構(即一豎直的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))；模型樁與模型箱之間填土內沿深度方向布置有若干個土壓力盒和沉降量測點。

本發(fā)明中，模型樁的管外表面粘貼砂粒，以滿足樁-土間摩擦系數(shù)的相似要求。模型環(huán)由環(huán)狀體、承重環(huán)和擋土環(huán)構成。環(huán)狀體的自重以及承重環(huán)上部填土的自重通過承重環(huán)傳遞給其下方填土，以模擬填土的自重應力。此外，每個鋼環(huán)下部設置一道擋土環(huán)，以防止填土外漏。樁頂沉降由模型樁樁頂高度的變化量測，模型樁內的應變片量測樁身應變，填土中土壓力盒量測填土壓力，沉降量測點量測土層沉降。

由于試驗時，很難按需要控制填土在自身重力作用下發(fā)生固結沉降的過程(例如，填土在填筑過程中即開始固結沉降，而當開始量測時，有相當部分的沉降已完成，而其準確量值也難以估算)，故如前所述，以環(huán)狀體的自重以及承重環(huán)上部填土的重力作用于填土上，以其產生的壓力模擬填土自重產生的壓力(試驗時，應使填土自重產生的固結沉降先期完成)。在試驗之前，周圍環(huán)狀體間有約束支承時，環(huán)狀體不產生沉降，其重力就不會傳至填土。撤去約束支承時，其重力就會傳至填土，使填土發(fā)生沉降，并在樁側產生負摩阻力。通過這種方法，可按試驗的需要，本發(fā)明可以有效地控制填土沉降的發(fā)生時間。

作為選擇，模型環(huán)的環(huán)狀體為添加有鋼砂的鋼盒。該方案中，通過向鋼盒中添加鐵砂以獲得足夠的重量，可以通過鋼砂量靈活方便地控制載荷的逐級加載。

作為選擇，在填土的沉降測量點埋入有帶引出線的鋼板，引出線與百分表連接用以量測沉降。

作為選擇，模型樁頂端設置的載荷裝置為加載平臺，加載平臺采用鋼塊或砝碼分級加載。

作為選擇，樁基礎的筒體內的原狀巖土層為強風化或中風化的軟巖。

作為選擇，模型樁為一鋁管，鋁管由軸向剖分的兩半拼合構成。該方案中，為便于固定(例如粘貼)應變片，將鋁管剖分為兩半，固定(例如粘貼)好后，再將其合為一體。

作為選擇，模型樁管內壁沿軸向布置8～10層全橋連接的應變片，每層應變片由對稱布置的4個應變片組成。該方案中，每個截面需對稱布置若干個應變片可以消除偏心影響。

作為選擇，模型箱的填土中沿深度方向布置5～6個土壓力盒。

作為選擇，模型箱的填土中沿深度方向布置5～6個沉降量測點。

一種前述填土側摩阻力模型試驗裝置的試驗方法，依次包括以下步驟：

1)填土和設樁：

架設好樁基礎，逐層布置模型箱的模型環(huán)并在模型箱中填土，安置好模型樁，此時模型箱的各模型環(huán)位置固定，相互之間不能發(fā)生相對位移，逐層填土的過程中，同時布置好土壓力盒及沉降量測點；

2)樁頂加載：

采用不同的加載方式，并設樁頂最大荷載為pmax，試驗時按不同的級別施加：

第一種加載方式：先不施加樁頂荷載，而使填土在重力作用下充分固結沉降，并在樁側產生負摩阻力，待沉降完成后，再分級施加樁頂荷載：每級加載后，量測樁及土的變形和受力，穩(wěn)定后，加下一級荷載，依此逐級加至最大荷載；

第二種加載方式：先施加樁頂荷載，待變形及受力穩(wěn)定后，再使填土層在重力作用下產生固結沉降，直至穩(wěn)定；然后，重新填土及安樁，改變樁頂荷載，重復上述過程；

步驟2)中土層固結沉降的實現(xiàn)方法：

在試驗時，不需要土層沉降時，模型箱的各模型環(huán)間由約束限制，模型環(huán)不產生沉降；當需要產生土層沉降時，撤去模型箱的各模型環(huán)間約束，其重力傳至填土，使填土發(fā)生沉降，并在樁側產生負摩阻力；

3)量測：

按一定的時間間隔，量測樁頂沉降、土層沉降、樁身應變、填土壓力，直至變形及應力穩(wěn)定。

作為選擇，撤去模型箱的各模型環(huán)間約束時，自上而下逐層撤去。

作為選擇，樁頂荷載按以下級別施加：p＝0、0.2pmax、0.4pmax、0.6pmax、0.8pmax、pmax。

前述本發(fā)明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護的方案；且本發(fā)明，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領域技術人員在了解本發(fā)明方案后根據現(xiàn)有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

本發(fā)明的有益效果：通過模型試驗，結合數(shù)值計算分析及現(xiàn)場量測可以得到：

(1)填土自重及外荷載作用下樁的沉降；

(2)樁的軸力沿樁身的分布；

(3)樁側摩阻力的分布形式以及中性點位置等。

(4)不同深度填土的沉降。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的斷面結構示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的模型環(huán)的縱剖面結構示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的模型環(huán)的橫剖面結構示意圖；

其中1為模型樁、2為載荷裝置、3為筒體、4為原狀巖土層、5為填土、6為應變片、7為模型環(huán)、71為環(huán)狀體、72為承重環(huán)、73為擋土環(huán)、8為約束、9為土壓力盒、10為沉降量測點。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本發(fā)明。

參考圖1至3所示，一種填土側摩阻力模型試驗裝置，包括樁基礎、模型箱、模型樁1和載荷裝置2，模型箱設于樁基礎上方由樁基礎支撐，樁基礎由豎直設置支撐模型箱的筒體3，以及填充于筒體3內的原狀巖土層4構成，模型樁1豎直設于模型箱內，其下端由原狀巖土層4支撐，其頂端設置逐級加載的載荷裝置2，模型樁1與模型箱之間填充填土5；模型樁1為一圓柱管，管外表面粘貼砂粒，管內壁沿軸向布置若干層全橋連接的應變片6，每層應變片6由對稱布置的若干個應變片6組成；模型箱由若干個上下間隔層疊設置的模型環(huán)7，以及可拆卸式設于各模型環(huán)7之間用以限制各模型環(huán)7之間不能相對位移的約束8構成，模型環(huán)7由環(huán)狀體71、承重環(huán)72和擋土環(huán)73構成，承重環(huán)72為設于環(huán)狀體71內壁底部的水平環(huán)形結構(即一水平的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))，例如鋼片，擋土環(huán)73為設于承重環(huán)72下方，且高度大于等于該模型環(huán)7與下方模型環(huán)7之間間隙高度的豎直環(huán)形結構(即一豎直的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))；模型樁1與模型箱之間填土5內沿深度方向布置有若干個土壓力盒9和沉降量測點10。作為選擇，如本實施例所示，模型環(huán)7為一鋼環(huán)，其環(huán)狀體71為添加有鋼砂的鋼盒。在填土5的沉降測量點10埋入有帶引出線的鋼板，引出線與百分表連接用以量測沉降。模型樁1頂端設置的載荷裝置2為加載平臺，加載平臺采用鋼塊或砝碼分級加載。樁基礎的筒體3內的原狀巖土層4為強風化或中風化的軟巖(如泥巖、砂巖)。

作為示例，設計一種與現(xiàn)場原形幾何相似比為25的側摩阻力測試裝置并進行試驗：

1.原型的參數(shù)：

樁直徑為0.8m，長度為20m；樁側土層為填土，樁底以下為強風化、中風化的砂巖。

樁頂豎向荷載為6000kn。

2.室內模型試驗：

(1)相似比：

按照相似理論，樁側填土的內摩擦應等于實際填土的內摩擦角，即cφ＝1，而黏聚力的相似比cc＝25(即模型土的黏聚力為原型土的1/25)，同樣，其變形模量的ce＝25。

幾何相似比(原型/模型)為cl＝25，填土重度的相似比cγ＝2.5由此可確定試驗所需的相似材料。

(2)試驗設備：

1)模型箱(如圖1至3所示)：

①根據模型樁1的長度、直徑，為消除邊界影響，采用直徑800mm、高度1600mm的圓柱型模型箱。模型樁1的樁長為0.8m，外徑30mm、內徑28mm，樁身材料為鋁管或其他材料，并在鋁管外表面粘貼砂粒，以滿足樁-土間摩擦系數(shù)的相似要求。

②為模擬填土的自重作用，擬采用分離式模型環(huán)7組成模型箱的外壁：在模型樁1埋好以前，各模型環(huán)7通過約束8位置固定，相互之間不能發(fā)生位移。模型樁1埋設好后，取掉模型環(huán)7之間的約束8，使土層在模型環(huán)7自重作用下發(fā)生沉降。

2)作用在樁頂上的荷載：

模型樁1樁頂最大豎向荷載為384n，可采用在樁頂剛性支架上設置加載平臺，采用鋼塊或砝碼等重物分級加載。

(3)量測元件及布置方式：

1)采用百分比量測樁頂位移及填土的沉降。

2)在模型樁1樁身布置8～10個截面量測應變，由應變可推得樁身軸力、摩阻力的分布情況。為消除偏心影響，每個截面需對稱布置4個應變片。采用全橋連接。

3)填土中不同深度布置5～6個土壓力量測斷面，通過土壓力盒9量測土中豎向壓力隨深度的變化。

4)填土中不同深度布置5～6個沉降量測點10，通過百分表量測填土在不同深度處的沉降。

(4)試驗過程：

1)填土和設樁：

在模型箱中填充填土5，并安置好模型樁1。此時模型環(huán)7位置固定，相互之間不能發(fā)生相對位移。逐層填土的過程中，同時布置好土壓力盒9及沉降量測點10。

2)樁頂加載：

在實際工程中，上部結構在樁頂產生的壓力是逐漸增加的，填土施加在樁側的摩阻力也是隨填土層的固結沉降逐步發(fā)生的，這樣，就存在一個樁頂壓力、填土摩阻力施加的先后順序的問題。為反映出這一因素對負摩阻力的影響，在模型試驗時，將采用不同的加載方式。

①設樁頂最大荷載為pmax，試驗時按不同的級別施加，如p＝0、0.2pmax、0.4pmax、0.6pmax、0.8pmax、pmax。

②第一種加載方式：先不施加樁頂荷載，而使填土5在重力作用下充分固結沉降，并在樁側產生負摩阻力。待沉降完成后，再分級施加樁頂荷載：每級加載后，量測樁及土的變形和受力，穩(wěn)定后，加下一級荷載，依此逐級加至最大荷載。

③第二種加載方式：先施加樁頂荷載，待變形及受力穩(wěn)定后，再使填土5在重力作用下產生固結沉降，直至穩(wěn)定。然后，重新填土及安樁，改變樁頂荷載，重復上述過程。也就是說，對上述每一級的樁頂荷載，都需重新進行填土設樁加載土層沉降量測的試驗過程。

前述2)樁頂加載中土層沉降的實現(xiàn)：

由于試驗時，很難按需要控制填土在自身重力作用下發(fā)生固結沉降的過程(例如，填土在填筑過程中即開始固結沉降，而當開始量測時，有相當部分的沉降已完成，而其準確量值也難以估算)，故如前所述，以土周圍模型環(huán)7的重力作用于填土上，以其產生的壓力模擬填土自重產生的壓力(試驗時，應使填土自重產生的固結沉降先期完成)。在試驗時，周圍模型環(huán)7間有約束8支承時，模型環(huán)7不產生沉降，其重力就不會傳至填土5。撤去約束8支承時，其重力就會傳至填土5，使填土5發(fā)生沉降，并在樁側產生負摩阻力。通過這種方法，可按試驗的需要，有效地控制填土沉降的發(fā)生時間。

4)量測：

按一定的時間間隔，量測樁頂沉降、土層沉降、樁身應變、填土壓力等，直至變形及應力穩(wěn)定。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。