本發(fā)明涉及樁基礎(chǔ)制作技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)碳酸鹽地層分布范圍達(dá)346萬(wàn)km2，約占國(guó)土面積1/3，大部分區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖溶現(xiàn)象十分頻繁，為地下溶洞形成提供了充分的條件。樁基礎(chǔ)具有荷載傳遞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠有效降低基礎(chǔ)的不均勻沉降，在一定程度上可以減小溶洞對(duì)基礎(chǔ)的不利影響，因此，樁基礎(chǔ)已被廣泛應(yīng)用于巖溶地區(qū)的工程建設(shè)中。當(dāng)溶洞頂板的厚度不符合上部荷載的設(shè)計(jì)要求，基樁底部的作用力可使溶洞頂板發(fā)生坍塌，基樁需要穿過(guò)溶洞并嵌入到溶洞底板一定深度范圍以提高基樁極限承載力，此即為穿越溶洞型基樁。在樁頂豎向荷載作用下，基樁壓縮位移產(chǎn)生的向下拖拽力可使溶洞頂板的巖體處于受拉狀態(tài)，當(dāng)張拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，則巖體將發(fā)生張拉破壞，使樁身側(cè)摩阻力的受力面積降低，另外，張拉破壞區(qū)使溶洞頂板以上巖土體所受的支承作用進(jìn)一步降低，不利于樁身側(cè)摩阻力的發(fā)揮。目前尚無(wú)計(jì)算此類基樁極限承載力的成熟方法，在具體的工程實(shí)踐中，通常借鑒嵌巖樁的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行極限承載力設(shè)計(jì)，即只考慮穿越溶洞型基樁嵌巖段的樁端承載力，忽略溶洞頂板以上巖土體對(duì)樁身的側(cè)摩阻力。顯然，此種計(jì)算方法得到的結(jié)果是偏保守的。

當(dāng)前對(duì)穿越溶洞型基樁的承載特性研究成果尚少，對(duì)此類基樁的受力變形規(guī)律和失穩(wěn)破壞機(jī)理的研究尚處于起步階段，已有的研究成果尚未揭示溶洞頂板張拉破壞區(qū)域的機(jī)理及其與跨徑、樁徑等因素之間的關(guān)系，且尚未闡明溶洞以上地層側(cè)摩阻力損失的規(guī)律和機(jī)制，因此，發(fā)明一種穿越溶洞型基樁極限承載力模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法對(duì)于研究其失穩(wěn)破壞模式與機(jī)制，并提出穿越溶洞型基樁的極限承載力計(jì)算方法，豐富巖溶地區(qū)基樁極限承載力的設(shè)計(jì)理論，具有重大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穿越溶洞型基樁極限承載力模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，能將溶洞頂板以上巖土體對(duì)樁身的側(cè)摩阻力加入到極限承載力分析中，可實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)、應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)和變形破壞過(guò)程的同步采集，應(yīng)用范圍廣泛，可為研究穿越溶洞型基樁極限承載力提供必備的試驗(yàn)條件。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：包括試驗(yàn)箱、荷載控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、基樁模型、溶洞模型和分析顯示模塊；

所述基樁模型和溶洞模型都設(shè)置在試驗(yàn)箱中，并通過(guò)試驗(yàn)箱中填充的地層模型固定于所述試驗(yàn)箱內(nèi)；

所述試驗(yàn)箱內(nèi)側(cè)的四個(gè)側(cè)面和底面覆蓋光滑膜；

所述基樁模型頂部設(shè)有速度加載裝置，速度加載裝置與所述荷載控制模塊相連；

所述基樁模型頂部設(shè)有位移檢測(cè)裝置，位移檢測(cè)裝置與數(shù)據(jù)采集模塊相連；

所述基樁模型表面設(shè)有若干個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集模塊相連；

所述溶洞模型內(nèi)設(shè)有加熱裝置；

所述數(shù)據(jù)采集模塊和荷載控制模塊都與分析顯示模塊相連。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)方法容易操作，能將溶洞頂板以上巖土體對(duì)樁身的側(cè)摩阻力加入到極限承載力分析中，通過(guò)位移傳感器和應(yīng)變片，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊，可實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)、應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)和變形破壞過(guò)程實(shí)現(xiàn)同步采集，應(yīng)用范圍廣泛；可用于研究穿越溶洞型基樁的失穩(wěn)破壞模式和機(jī)制，并建立其極限承載力計(jì)算方法。

可實(shí)現(xiàn)不同基樁直徑、高度和樁身強(qiáng)度的試驗(yàn)，亦可實(shí)現(xiàn)不同溶洞形狀、大小以及與基樁相對(duì)位置的溶洞模擬。通過(guò)高速攝像機(jī)亦可實(shí)現(xiàn)“基樁-溶洞-地層”系統(tǒng)變形破壞過(guò)程的直觀監(jiān)測(cè)?？傊?，該試驗(yàn)系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法可為研究穿越溶洞型基樁極限承載力提供必備的試驗(yàn)條件。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中試驗(yàn)箱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是2中試驗(yàn)箱的底板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是2中試驗(yàn)箱的槽型壁板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖1中基樁模型和溶洞模型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、試驗(yàn)箱；2、荷載控制模塊；3、數(shù)據(jù)采集器；4、高速攝像機(jī)；5、分析顯示模塊；6、基樁模型；7、溶洞模型；8、透明面板；9、槽型壁板；10、底板；11、圓孔；12、插孔；13、凹槽；14、滑槽；15、插銷。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1和圖5所示，為本發(fā)明一種穿越溶洞型基樁極限承載力模型試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法的一個(gè)實(shí)施例，包括試驗(yàn)箱1、荷載控制模塊2、數(shù)據(jù)采集模塊、基樁模型6、溶洞模型7和分析顯示模塊5。

所述基樁模型6和溶洞模型7都設(shè)置在試驗(yàn)箱1中，并通過(guò)試驗(yàn)箱1中填充的地層模型固定；試驗(yàn)箱1用于裝地層、基樁模型6和溶洞模型7，為模擬實(shí)驗(yàn)提供必要的模型及模擬環(huán)境。

所述試驗(yàn)箱1內(nèi)側(cè)的四個(gè)側(cè)面和底面覆蓋光滑膜，用于降低表面摩擦力；

所述基樁模型6頂部設(shè)有速度加載裝置，速度加載裝置與所述荷載控制模塊2相連，用于對(duì)樁頂施加分級(jí)分級(jí)荷載；通過(guò)速度加載裝置給基樁模型6頂部施加一個(gè)穩(wěn)定的豎直向下速度，推動(dòng)基樁模型6壓縮變形，通過(guò)位移控制基樁模型6實(shí)現(xiàn)的分級(jí)荷載。

所述基樁模型6頂部設(shè)有位移檢測(cè)裝置，位移檢測(cè)裝置與數(shù)據(jù)采集模塊相連，用于獲取基樁模型6樁頂?shù)奈灰茢?shù)據(jù)；

所述基樁模型6表面設(shè)有若干個(gè)應(yīng)變片，若干個(gè)應(yīng)變片按照一定間距設(shè)置；應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集模塊相連，用于獲取樁身的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；通過(guò)給樁頂施加穩(wěn)定速度，進(jìn)而使得基樁模型6受到應(yīng)力作用，進(jìn)而檢測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)；設(shè)置若干個(gè)應(yīng)變片可以檢測(cè)不同位置的應(yīng)變，使結(jié)果更準(zhǔn)確。

所述溶洞模型7內(nèi)設(shè)有加熱裝置，用于對(duì)溶洞模型7進(jìn)行加熱；通過(guò)加熱裝置使溶洞模型7融化，形成溶洞，進(jìn)而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

所述數(shù)據(jù)采集模塊和荷載控制模塊2都與分析顯示模塊5相連，通過(guò)分析顯示裝置能顯示分析并存儲(chǔ)所提取的位移量、應(yīng)力、應(yīng)變量等數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)能將溶洞頂板以上巖土體對(duì)樁身的側(cè)摩阻力加入到極限承載力分析中，可實(shí)現(xiàn)位移數(shù)據(jù)、應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)和變形破壞過(guò)程的同步采集，應(yīng)用范圍廣泛，可為研究穿越溶洞型基樁極限承載力提供必備的試驗(yàn)條件。

數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集器3和高速攝像機(jī)4；

所述數(shù)據(jù)采集器3和高速攝像機(jī)4都與分析顯示模塊5相連，用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸和存儲(chǔ)，且高速攝像機(jī)4與透明面板8相對(duì)設(shè)置；

所述數(shù)據(jù)采集器3與位移檢測(cè)裝置和應(yīng)變片相連。

高速攝像機(jī)4為超高速攝像機(jī)4，能準(zhǔn)確清楚的觀測(cè)到“溶洞-基樁-底層”系統(tǒng)的變形破壞過(guò)程。

數(shù)據(jù)采集器3和高速攝像機(jī)4都與分析顯示模塊5相連，實(shí)現(xiàn)加載數(shù)據(jù)、應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)傳輸和存儲(chǔ)。

如圖2-4所示，試驗(yàn)箱1由透明面板8、至少一節(jié)槽型壁板9和底板10組成；每節(jié)槽型壁板9的上部設(shè)有插孔12，下部設(shè)有與插孔12相配合插銷15；槽型壁板9前端內(nèi)側(cè)有上、下貫通且能容納透明面板側(cè)邊緣的滑槽14；底板10設(shè)有與插銷15相配合的插孔12和用于容納透明面板8底邊緣的凹槽13；透明面板8中間沿豎直方向布設(shè)若干個(gè)圓孔11，透明面板8的高度與槽型壁板9的高度相同。至少一節(jié)槽型壁板9可以是幾個(gè)槽型壁板9，幾個(gè)槽型壁板9一次堆疊，上層的槽型壁板9上的插銷15插入下層的槽型壁板9上的差空中，依次向上，達(dá)到所需試驗(yàn)箱1的高度，本結(jié)構(gòu)可拆裝，能根據(jù)需要變換高度，且拆裝簡(jiǎn)單，使用方便。透明面板8安裝在滑槽14中，容易取放；透明面板8中間沿豎直方向布設(shè)若干個(gè)圓孔11，圓孔11的作用是為了使融化后的溶洞模型7從圓孔11中流出。

基樁模型6是為半圓柱體，基樁模型6的直立平面緊貼透明面板8；溶洞模型7是采用石蠟預(yù)制的實(shí)體模型，溶洞模型7附著在基樁模型6的表面，可根據(jù)需要用相似材料制作不同直徑、不同高度、不同樁身強(qiáng)度的基樁模型6；另可根據(jù)需要用石蠟制作大小、形狀，以及與基樁模型6的相對(duì)位置不同的溶洞實(shí)體模型7，在制作過(guò)程中將電加熱器埋入石蠟中。

分析顯示模塊5為電腦。

光滑膜為熱縮膜，也可以涂一層光滑的涂層。

位移檢測(cè)裝置為位移傳感器，位移傳感器是常用的測(cè)量位移的裝置，容易操作，且容易獲得。

透明面板8為有機(jī)玻璃面板，也可以是塑料透明面板8，或者是其他硬質(zhì)的透明面板8。

加熱裝置為電加熱器，加熱裝置用于對(duì)溶洞模型7進(jìn)行加熱，最后將溶洞模型7融化制得溶洞，電加熱器是日常生活中常用的，容易取得，也可以是其他形式的加熱裝置。

穿越溶洞型基樁極限承載力模型試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)方法，其特征在于實(shí)驗(yàn)步驟為：

a、根據(jù)試驗(yàn)箱1的設(shè)計(jì)高度分節(jié)連接槽型壁板9，使上層槽型壁板9連接在下層槽型壁板9上，并使槽型壁板9與底板10連接，達(dá)到試驗(yàn)箱1所需高度；然后把透明面板8分節(jié)安裝至槽型壁板9上，并在試驗(yàn)箱1內(nèi)側(cè)的四個(gè)側(cè)面和底面覆蓋熱縮膜；

b、根據(jù)相似比確定基樁的直徑、高度和強(qiáng)度并配置相似材料，采用模鑄預(yù)制半圓柱體基樁模型6；然后，根據(jù)溶洞的大小、形狀以及與基樁模型6的相對(duì)位置，用石蠟制作溶洞模型7，并附著在基樁模型6的表面，在制作溶洞模型7的過(guò)程中，預(yù)先在石蠟中埋入電加熱器；

c、根據(jù)巖溶地層的相似比配置好模擬地層的相似材料并制作地層模型，將其填充至試驗(yàn)箱1中，填充時(shí)采用分層填筑法，并壓實(shí)磨平，待填充至基樁模型6底部的標(biāo)高時(shí)，安裝半圓柱體基樁模型6和溶洞模型7；安裝完畢后，繼續(xù)填充地層模型，在分層填筑壓實(shí)過(guò)程中，每隔指定距離在基樁模型6表面黏貼應(yīng)變片，直至完成整個(gè)地層模型的填筑，同時(shí)，把應(yīng)變片的數(shù)據(jù)線和電加熱器的導(dǎo)線從試驗(yàn)箱1的頂部引出；

d、保持溶洞模型7所處位置所對(duì)應(yīng)的透明面板8上的圓孔11通暢，接通電加熱器電源，使石蠟實(shí)體模型的溶洞模型7融化成液體，并從圓孔11滲出，在自重作用下未完全滲出的液體石蠟，采用注射器抽取完畢；

e、在基樁模型6頂部安裝速度加載裝置，并將其與荷載控制模塊2相連，同時(shí)，在樁頂安裝豎向位移傳感器，將位移傳感器和應(yīng)變片的數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集器3相連；另外，將高速攝像機(jī)4架設(shè)在透明面板8正前方，并將其與電腦相連，最后，將數(shù)據(jù)采集其器和荷載控制模塊2與電腦相連，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的最終連接。

f、啟動(dòng)荷載控制模塊2，對(duì)樁頂進(jìn)行分級(jí)加載，用數(shù)據(jù)采集器3獲取加載過(guò)程樁頂位移曲線和樁身應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時(shí)，利用高速攝像機(jī)4透過(guò)透明面板8觀測(cè)基樁模型6、溶洞模型7和地層模型的變形破壞過(guò)程。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。