本發(fā)明涉及一種樁-土相互作用試驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種足尺樁徑的樁-土相互作用的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

樁基礎(chǔ)以其承載力大、穩(wěn)定性好、沉降小、能適應(yīng)各種地質(zhì)條件和荷載情況等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用高層建筑、鐵路橋梁、核電站、大型動(dòng)力機(jī)械基礎(chǔ)、碼頭和海洋平臺(tái)等基礎(chǔ)工程中。特別是當(dāng)上部結(jié)構(gòu)的荷載復(fù)雜而巨大，而淺部土層狀態(tài)不佳時(shí)，樁基礎(chǔ)更成為設(shè)計(jì)師的首要考慮對(duì)象。但是由于樁-土及上部荷載的不同導(dǎo)致樁-土力學(xué)行為的復(fù)雜性，目前仍有很多問題沒有得到徹底解決。因此，室內(nèi)樁-土物理模型試驗(yàn)是研究樁-土相互作用的最有效最可靠的方法。國(guó)內(nèi)外已開展的相關(guān)試驗(yàn)主要分為兩種類型：一種是室內(nèi)按比例縮尺模型，一種是現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)。室內(nèi)按比例縮尺模型試驗(yàn)，尺寸較小，試驗(yàn)材料可操作性和裝置性較強(qiáng)，獲得的可供分析的數(shù)據(jù)較為完整和全面，但因尺寸太小無法與真實(shí)的樁-土之間的相互作用相差較多。現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)一般為工程類試樁，但受成本高、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、影響參數(shù)難以控制及試驗(yàn)場(chǎng)地條件等問題限制，難以對(duì)土-樁相互動(dòng)力作用進(jìn)行裝置研究，因此研究出一種既能最大程度的模擬足尺又能節(jié)約成本的樁土相互作用的試驗(yàn)裝置就顯的非常有必要。

目前，在樁-土相互作用研究領(lǐng)域，模擬足尺模型的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法來測(cè)試樁-土動(dòng)力相互作用的相關(guān)參數(shù)很少，主要是各種的縮尺樁土模型，如勝利石油管理局鉆井工藝研究院沈琛等人發(fā)明專利“樁土作用室內(nèi)試驗(yàn)裝置”(cn1566924a)、河海大學(xué)劉平等人的發(fā)明專利“一種樁土接觸面力學(xué)特性測(cè)試裝置和測(cè)試方”(cn102628767a)，還有用于海洋工程的相關(guān)專利，如上海交通大學(xué)呂豪杰等人的發(fā)明專利“波浪荷載下樁土模擬裝置及方法”(cn106404567a)、中國(guó)海洋石油總公司的姜偉等人的專利“一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機(jī)理試驗(yàn)裝置”(cn101592588a)、重慶科技學(xué)院蘇堪華等人的專利“模擬深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝”(cn202442878u)及浙江海洋學(xué)院的張心等人的專利“一種自升式平臺(tái)樁土相互作用試驗(yàn)裝置”(cn204359543u)。此類裝置與方法，施加的靜載較多，分別對(duì)土體和樁體施加不同的類型的荷載較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種足尺樁徑的樁-土相互作用的試驗(yàn)裝置。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種足尺樁徑的樁-土相互作用的試驗(yàn)裝置，該裝置包括模型箱支架、模型箱、預(yù)制樁、彈簧組件、加載單元和數(shù)據(jù)采集單元，所述的模型箱固定于模型箱支架上，所述的模型箱內(nèi)設(shè)有試驗(yàn)土體，所述預(yù)制樁垂直于模型箱底面埋設(shè)于試驗(yàn)土體中，所述的模型箱底面和模型箱支架頂面對(duì)應(yīng)于安裝預(yù)制樁位置處設(shè)有與預(yù)制樁大小匹配的開孔，預(yù)制樁在所述的開孔內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，所述的彈簧組件設(shè)置在預(yù)制樁底部并與預(yù)制樁底面連接，所述的加載單元作用于模型箱中試驗(yàn)土體和預(yù)制樁上表面，所述的數(shù)據(jù)采集單元用于采集表征樁-土相互作用的相關(guān)數(shù)據(jù)；

加載單元對(duì)模型箱中的試驗(yàn)土體和預(yù)制樁加載，數(shù)據(jù)采集單元獲取加載過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

所述的加載單元包括加載板、加載桿、液壓箱和液壓控制組件，所述的加載板設(shè)置在模型箱中試驗(yàn)土體和預(yù)制樁上表面，所述的加載桿垂直于加載板上表面設(shè)置多個(gè)，加載桿下端接觸加載板上表面，所述的液壓箱通過液壓管連接加載桿，所述的液壓控制組件連接液壓箱和加載桿。

所述的液壓控制組件包括電動(dòng)機(jī)、電磁閥、液壓力傳感器和動(dòng)力控制箱，所述的液壓箱通過電磁閥連接液壓管，所述的液壓管連接至加載桿，所述的液壓力傳感器連接加載桿和動(dòng)力控制箱，所述的動(dòng)力控制箱還連接液壓箱，所述的電動(dòng)機(jī)連接液壓箱和動(dòng)力控制箱。

所述的加載板包括樁體加載板和土體加載板，所述的樁體加載板形狀和大小與所述的預(yù)制樁相匹配，所述的樁體加載板設(shè)置在預(yù)制樁上表面上，所述的土體加載板覆蓋在試驗(yàn)土體上表面。

所述的加載桿通過反力架懸掛于加載板上表面，所述的反力架固定于模型箱支架上。

所述的反力架為門字型結(jié)構(gòu)，門字型反力架橫梁上設(shè)有用于安裝加載桿的安裝孔，所述的加載桿穿過安裝孔進(jìn)行懸掛設(shè)置，且加載桿下端置于加載板上表面。

所述的彈簧組件包括彈簧頂板、彈簧和膨脹螺栓，所述的彈簧設(shè)置多個(gè)，彈簧下端通過膨脹螺栓連接地面，彈簧上端連接彈簧頂板，所述的彈簧頂板形狀和大小與模型箱底面開孔大小匹配，所述的彈簧頂板在所述的開孔內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)；

在模型箱中埋設(shè)預(yù)制樁后，所述的預(yù)制樁接觸彈簧頂板，加載單元進(jìn)行加載后，預(yù)制樁和彈簧頂板隨彈簧上下運(yùn)動(dòng)。

所述的數(shù)據(jù)采集單元包括傳感器以及對(duì)應(yīng)連接的傳感器采集儀，所述的傳感器包括應(yīng)變片、位移傳感器、土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述的應(yīng)變片貼于預(yù)制樁內(nèi)壁，所述的位移傳感器設(shè)置在模型箱中試驗(yàn)土體和預(yù)制樁表面，所述的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器埋設(shè)在試驗(yàn)土體中。

所述的模型箱為上方開口的四方體結(jié)構(gòu)，模型箱的四個(gè)側(cè)面分別設(shè)有多個(gè)排水閥門。

所述的模型箱內(nèi)壁設(shè)有一層砂礫層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明為足尺樁徑的樁-土相互作用模型試驗(yàn)裝置，樁體位于彈簧組件的上端，能隨著上部的加載在一定的范圍移動(dòng)，能最大程度的模擬足尺樁體之內(nèi)的變化，也可以根據(jù)上部加載的不同和彈簧組的不同模擬不同深度的樁土相互作用，通過加載單元對(duì)測(cè)試單元中的預(yù)制樁和試驗(yàn)土體分別施加動(dòng)靜荷載，同時(shí)開啟數(shù)據(jù)采集單元，通過傳感器測(cè)量加載過程中預(yù)制樁的應(yīng)力變化以及預(yù)制樁周圍土體總的沉降量、土壓力及孔隙水壓力三個(gè)參數(shù)，從而分析不同形式荷載下不同土體地基中樁的荷載傳遞特點(diǎn)、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的變化以及樁周土在阻止樁體變化時(shí)受到的強(qiáng)度和剛度上的損失；

(2)本發(fā)明加載板包括樁體加載板和土體加載板，改變傳統(tǒng)只采用一塊加載板的方式，從而可分別對(duì)樁體和土體進(jìn)行加載，也可以對(duì)樁體和土體同時(shí)加載，實(shí)現(xiàn)多種加載情況下樁-土之間的相互作用的測(cè)試分析，應(yīng)用范圍廣泛；

(3)本發(fā)明加載單元采用液壓加載的方式，可以通過液壓控制組件對(duì)加載大小進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)，可施加靜荷載也可以施加動(dòng)荷載，可以分析動(dòng)靜施加荷載過程中樁-土之間的相互作用；

(4)本發(fā)明彈簧組件中彈簧根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)所需定制彈簧鋼度、中徑、有效匝數(shù)及伸縮長(zhǎng)度，彈簧的個(gè)數(shù)根據(jù)所需確定，施加荷載時(shí)，樁體隨彈簧運(yùn)動(dòng)，能最大程度的模擬足尺樁體之內(nèi)的變化；

(5)本發(fā)明數(shù)據(jù)采集單元能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集加載過程中樁的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)及土體中孔壓、土體及土體總的沉降量，省時(shí)省力；

(6)本發(fā)明模型箱的四個(gè)側(cè)面設(shè)置的排水閥門可以根據(jù)需要進(jìn)行打開和關(guān)閉，如加載時(shí)為排水模式則進(jìn)行加載時(shí)開啟排水閥門，如加載時(shí)為不排水模式則進(jìn)行加載時(shí)關(guān)閉排水閥門，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多種加載情況下樁-土之間的相互作用的測(cè)試分析；

(7)本發(fā)明在模型箱內(nèi)壁設(shè)置砂礫層能夠最大限度的減弱模型箱與試驗(yàn)土體的邊壁效應(yīng)，進(jìn)而在實(shí)用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)提高試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明足尺樁徑的樁-土相互作用的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中傳感器的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1為模型箱支架，2為彈簧，3為模型箱，4為排水閥門，5為電腦，6為土體加載板，7為加載桿，8為搭板，9為反力架，10為應(yīng)變片采集儀，11為壓力采集儀，12為位移采集儀，13為應(yīng)變片，14為位移傳感器，15為壓力傳感器，16為液壓力傳感器，17為液壓管，18為電動(dòng)機(jī)，19為動(dòng)力控制箱，20為液壓箱，21為電磁閥，22為樁體加載板，23為預(yù)制樁，24為彈簧頂板，25為膨脹螺栓，d1、d2和d3為位移傳感器，s1-1、s2-1、s3-1、s4-1、s5-1、s6-1、s1-2、s2-2、s3-2、s4-2、s5-2和s6-2為應(yīng)變片，p1-1、p2-1、p3-1、p4-1、p5-1、p6-1、p1-2、p2-2、p3-2、p4-2、p5-2、p6-2、p1-3、p2-3、p3-3、p4-3、p5-3、p6-3、p1-4、p2-4、p3-4、p4-4、p5-4和p6-4為孔隙水壓力傳感器，e1-1、e2-1、e3-1、e4-1、e5-1、e6-1、e1-2、e2-2、e3-2、e4-2、e5-2、e6-2、e1-3、e2-3、e3-3、e4-3、e5-3、e6-3、e1-4、e2-4、e3-4、e4-4、e5-4和e6-4為土壓力傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

如圖1所示，一種足尺樁徑的樁-土相互作用的試驗(yàn)裝置，該裝置包括模型箱支架1、模型箱3、預(yù)制樁23、彈簧組件、加載單元和數(shù)據(jù)采集單元，模型箱3固定于模型箱支架1上，模型箱3內(nèi)設(shè)有試驗(yàn)土體，所述預(yù)制樁23垂直于模型箱3底面埋設(shè)于試驗(yàn)土體中，模型箱3底面和模型箱支架1頂面對(duì)應(yīng)于安裝預(yù)制樁23位置處設(shè)有與預(yù)制樁23大小匹配的開孔，此處開孔略大于預(yù)制樁23直徑大小，預(yù)制樁23在開孔內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，彈簧組件設(shè)置在預(yù)制樁23底部并與預(yù)制樁23底面連接，加載單元作用于模型箱3中試驗(yàn)土體和預(yù)制樁23上表面，數(shù)據(jù)采集單元用于采集表征樁-土相互作用的相關(guān)數(shù)據(jù)；加載單元對(duì)模型箱3中的試驗(yàn)土體和預(yù)制樁23加載，數(shù)據(jù)采集單元獲取加載過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。

加載單元包括加載板、加載桿7、液壓箱20和液壓控制組件，加載板設(shè)置在模型箱3中試驗(yàn)土體和預(yù)制樁23上表面，加載桿7垂直于加載板上表面設(shè)置多個(gè)，加載桿7下端接觸加載板上表面，液壓箱20通過液壓管17連接加載桿7，液壓控制組件連接液壓箱20和加載桿7。

液壓控制組件包括電動(dòng)機(jī)18、電磁閥21、液壓力傳感器16和動(dòng)力控制箱19，液壓箱20通過電磁閥21連接液壓管17，液壓管17連接至加載桿7，液壓力傳感器16連接加載桿7和動(dòng)力控制箱19，動(dòng)力控制箱19還連接液壓箱20，電動(dòng)機(jī)18連接液壓箱20和動(dòng)力控制箱19。動(dòng)力控制箱19通過液壓傳感器可以獲得液壓對(duì)土體和樁體的加載數(shù)據(jù)，從而動(dòng)力控制箱19可以控制液壓箱20的加載數(shù)據(jù)。

加載板包括樁體加載板22和土體加載板6，樁體加載板22形狀和大小與預(yù)制樁23相匹配，樁體加載板22設(shè)置在預(yù)制樁23上表面上，土體加載板6覆蓋在試驗(yàn)土體上表面。加載桿7通過反力架9懸掛于加載板上表面，反力架9固定于模型箱支架1上。反力架9為門字型結(jié)構(gòu)，門字型反力架橫梁上設(shè)有用于安裝加載桿7的安裝孔，加載桿7穿過安裝孔進(jìn)行懸掛設(shè)置，且加載桿7下端置于加載板上表面。

彈簧組件包括彈簧頂板24、彈簧2和膨脹螺栓25，彈簧2設(shè)置多個(gè)，彈簧2下端通過膨脹螺栓25連接地面，彈簧2上端連接彈簧頂板24，彈簧頂板24形狀和大小與模型箱3底面開孔大小匹配，彈簧頂板24在開孔內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)；在模型箱3中埋設(shè)預(yù)制樁23后，預(yù)制樁23接觸彈簧頂板24，加載單元進(jìn)行加載后，預(yù)制樁23和彈簧頂板24隨彈簧2上下運(yùn)動(dòng)。

數(shù)據(jù)采集單元包括傳感器以及對(duì)應(yīng)連接的傳感器采集儀，傳感器包括應(yīng)變片13、位移傳感器14和壓力傳感器15，對(duì)應(yīng)地，各傳感器分別對(duì)應(yīng)連接應(yīng)變片13采集儀10、位移采集儀12和壓力采集儀11，最終應(yīng)變片采集儀10、位移采集儀12和壓力采集儀11均連接至電腦5對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本發(fā)明中壓力傳感器15包括土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，應(yīng)變片13貼于預(yù)制樁23內(nèi)壁，位移傳感器14設(shè)置在模型箱3中試驗(yàn)土體表面，土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器埋設(shè)在試驗(yàn)土體中。如圖2所示，本施實(shí)例中數(shù)據(jù)采集單元為靜態(tài)采集采用dh-3816n靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析裝置和動(dòng)態(tài)采集采用dh-3836n動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析裝置。數(shù)據(jù)采集單元對(duì)樁體和土體加載過程中的樁的應(yīng)力變化及樁周土的壓力和沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

模型箱3為上方開口的四方體結(jié)構(gòu)，模型箱3的四個(gè)側(cè)面分別設(shè)有多個(gè)排水閥門4，模型箱3內(nèi)壁設(shè)有一層砂礫層。

本實(shí)施例中，模型箱支架1高42cm，為梯形臺(tái)狀支撐鐵架，主要作用支撐模型箱3。模型箱3長(zhǎng)2m，高1.1m，上端開口，由鋼板焊接而成，密封不漏水，模型箱3底部有一圓形口，本實(shí)例中圓口直徑50.5cm，模型箱3的四個(gè)側(cè)面設(shè)有5排排水口，每排7個(gè)排水口，排水口直徑3cm。反力架9為門字型結(jié)構(gòu)，反力架9的橫梁兩端通過搭板8與反力架9的側(cè)桿相連，形成三角形支撐結(jié)構(gòu)，使得反力架9更加穩(wěn)固。反力架9由槽鋼焊接而成，位于模型箱3的外側(cè)，高1.5m，長(zhǎng)2m，主要作用支撐加載桿7。模型箱3土中埋的預(yù)制樁23為鋼筋混凝土預(yù)制管樁，樁徑0.5m，管壁厚10cm，樁長(zhǎng)1m，重327kg，模型箱3中的試驗(yàn)土體為某工程場(chǎng)地的粉質(zhì)黏土。彈簧頂板24直徑為50.5cm，下端的彈簧2組包括6個(gè)彈簧2，彈簧2高度20cm，彈簧2中徑5cm、有效匝數(shù)18個(gè)及伸縮長(zhǎng)度10cm，剛度為100n/mm。6個(gè)彈簧2下端通過螺母與固定在水泥地面的膨脹螺栓25固定一起，彈簧2組頂板與土中埋設(shè)的預(yù)制樁23直接接觸。

采用上述足尺樁徑的樁-土相互作用的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的整個(gè)過程包括以下具體步驟：

(1)搭建樁-土相互作用的模型試驗(yàn)裝置，具體是模型箱3、模型箱支架1和模型箱3外側(cè)的反力架9的安裝，為了模型箱3中的預(yù)制樁23下面彈簧組件的安裝和拆卸方便，在模型箱3的下方布設(shè)一個(gè)模型箱支架1，該模型箱支架1為一個(gè)高42cm的梯形支撐鐵架，為了最大限度的減弱模型箱3與試驗(yàn)土體的邊壁效應(yīng)，利用玻璃膠將模型箱3的內(nèi)壁粘上一層厚2～3mm的砂礫層。

(2)把定制好的彈簧組件安裝好，再把預(yù)制好的鋼筋混凝土管樁放在彈簧頂板24上，將鋼筋混凝土管樁固定于反力架9橫梁上保證鋼筋混凝土管樁處于垂直位置；

(3)制備試驗(yàn)土體并將試驗(yàn)土體按照不同土層的設(shè)定厚度逐層鋪設(shè)于模型箱3柱內(nèi)的預(yù)制樁23的周圍。試驗(yàn)用土為研究區(qū)域的擾動(dòng)土體，為了保持待測(cè)量試驗(yàn)土體含水率保持不變，利用有塑料內(nèi)襯的編織袋從野外運(yùn)回的新鮮擾動(dòng)土以備試驗(yàn)。根據(jù)模型設(shè)計(jì)的土層厚度逐層鋪設(shè)。本實(shí)例土體都為粉質(zhì)黏土，將試驗(yàn)用土制成小于2mm的顆粒，稱取所需土的質(zhì)量，每5cm一層均勻攤鋪在模型箱33中，用木板刮平，然后再用抹子輕輕壓平，擊實(shí)至試驗(yàn)要求高度，將表面刨毛，確保土層在同一水平面上，再灑少量的水濕潤(rùn)，然后再逐層加土料，擊實(shí)直至完成最后一層土。

(4)在步驟(3)中鋪設(shè)試驗(yàn)土體過程中，在試驗(yàn)土體的不同層位埋設(shè)土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，在預(yù)制樁23的內(nèi)壁不同部位貼應(yīng)變片13，在土層表層埋設(shè)沉降標(biāo)尺、位移傳感器14，將沉降標(biāo)尺連接位移傳感器14，同時(shí)將土壓力傳感器、孔隙水壓力傳感器、位移傳感器14及樁體上的應(yīng)變片13連接至對(duì)應(yīng)的傳感器采集儀；本實(shí)例中具體的沉降標(biāo)尺、位移傳感器14、壓力傳感器15和應(yīng)變片13的埋設(shè)位置如圖2所示，位移傳感器14位于土體和樁體的頂端；為了測(cè)得樁端阻力，應(yīng)變片13從樁端底部開始，20cm布設(shè)一層；為了測(cè)得樁體施加動(dòng)荷載過程中樁周土的變化，傳感器從距離模型箱3底部5cm處開始布設(shè)，共6層，最下面一層間距15cm，中間4層層間距20cm，最上面一層的層間距15cm。圖2中，d開頭為位移傳感器14，s開頭為應(yīng)變片13，p開頭的為孔隙水壓力傳感器，e開頭的為土壓力傳感器。

(5)試驗(yàn)開始前對(duì)土體進(jìn)行固結(jié)后再開始對(duì)樁體和土體加載及相關(guān)參數(shù)的測(cè)量：開啟電腦5調(diào)試運(yùn)行，開啟動(dòng)力加載單元，土體施加靜載，對(duì)樁體施加動(dòng)載，也可對(duì)土體和樁體都施加靜荷，如加載時(shí)為排水模式開啟模型箱3側(cè)面的排水口的排水閥門4，如加載時(shí)為不排水模式，進(jìn)行加載時(shí)關(guān)閉排水閥門4。數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)獲取土層及樁體上端位移傳感器14及土層中不同層位的土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)的沉降量、土壓力和孔隙水壓力，同時(shí)數(shù)據(jù)采集單元對(duì)樁體上粘貼的應(yīng)變片13量測(cè)得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)變、應(yīng)力，同時(shí)數(shù)據(jù)采集單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。