一种桩基模型试验中实现侧向土压力的装置及其方法与流程

本发明属于岩土工程中桩基模型试验技术领域，具体涉及一种桩基模型试验中实现侧向土压力的装置及其方法。

背景技术：

桩基工程问题中，自重产生的应力场常对桩体结构及周围介质的变形、强度和稳定性起主导作用。而在考虑自重的相似材料模拟试验中，必须使模型试验与原型在材料强度、容重、几何尺寸、变性性质、应力状态等方面都相似，且各相似比之间要满足一定的约束条件，要同时满足这些相似条件很困难。为了得到特定的应力场，一般采用离心机试验的方法，但是在桩基模型试验中，为了真实反映实际的桩土相互作用、桩侧注浆效果等，模型试验的缩尺比例较小，使模型尺寸较大、重量较重，此时离心机的动力能力达不到试验的要求，而土体中的侧向土压力对于桩土之间的摩擦作用、桩土胶结面的形状具有重要影响，若无法得到实际应力场，这样的试验结果很难用来评价工程原型的实际力学行为和工程特性。

因此，研制一种不需要离心机，同样可以实现实际侧向土压力场的方法及装置，对于桩基模型试验的发展具有重要作用。

技术实现要素：

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种桩基模型试验中实现侧向土压力的装置及其方法，不需要离心机，同样可以实现实际侧向土压力场。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：一种桩基模型试验中实现侧向土压力的装置，包括模型箱、模型桩、多块侧压传递板、多个加压设备和多个土压力传感器，所述模型桩、侧压传递板、加压设备和土压力传感器置于所述模型箱内；所述侧压传递板的一边与所述模型箱的侧壁活动连接，所述模型箱的相邻两个侧壁上的侧压传递板咬合相接，所述加压设备设在所述模型箱的侧壁与所在侧壁上的所述侧压传递板之间；所述模型桩置于所述侧压传递板围设的空间中，所述土压力传感器设于所述模型桩上。

具体地，所述加压设备为加压气囊。

进一步，所述侧压传递板包括一组对边，为咬合边，所述咬合边上交错设有多个卯眼和多个榫头，所述模型箱的相邻两个侧壁上的侧压传递板通过所述卯眼和榫头实现咬合。

具体地，所述侧压传递板的连接边通过合页与所述模型箱的侧壁活动连接。

具体地，自所述侧压传递板的连接边向其对边的方向上，所述咬合边的卯眼渐深。

进一步，相邻的加压气囊通过气管相互连通。

具体地，所述土压力传感器于所述模型桩的轴向上间隔设置。

具体地，所述土压力传感器于所述模型桩的同一横截面上等角度环绕设置。

一种桩基模型试验中实现侧向土压力的方法，步骤如下：

S1，在模型箱内，将侧压传递板敷贴在所述模型箱的侧壁上，所述侧压传递板的一边活动连接所述模型箱，所述模型箱的相邻两个侧壁上的侧压传递板咬合相接；

S2，在所述模型箱的侧壁与所在侧壁上的所述侧压传递板之间设置加压气囊；

S3，把模型桩吊入模型箱内；

S4，填土，并在所述模型桩上设置多个土压力传感器；

S5，对所述加压气囊充气加压，所述加压气囊抵顶侧压传递板，相邻的侧压传递板加深咬合，并推挤所述模型箱内的土体，使所述模型桩所受的侧向土压力增大；通过所述模型桩上的土压力传感器获得土体的侧向土压力的反馈，通过调控所述加压气囊的压强，调控所述土体的侧向土压力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明通过加压设备和侧压传递板对土体施加侧压力，并运用模型桩上的土压力传感器实时反馈侧向土压力大小，可精准地模拟实际侧向土压力沿深度呈线性变化的状态，并可以根据不同试验条件实现不同深度的侧向土压力场，这对于研究桩基试验中，桩土相互作用、桩侧注浆效果、桩土胶结面形状等问题具有关键影响；2、相邻加压气囊的连通，有利平衡各气囊的压力，实现模型桩平均地受到各方向上的侧向土压力；3、通过在侧压传递板的两咬合边上设置斜向变化的卯眼和榫头，实现在加压过程中两块相邻侧压传递板的相互匹配地嵌入与咬合，既可以避免相邻侧压传递板移动过程中的相互阻挡，同时又可以防止模型箱中的土颗粒从侧压传递板的咬合处的缝隙中漏出。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的侧压传递板的结构示意图。

图3是本发明的另一侧压传递板的结构示意图。

图4是本发明的加压气囊布置图。

图5是本发明的加压气囊连接图。

图中：1-模型箱；2-侧向传递板；3-加压气囊；4-模型桩；5-土压力传感器，21-连接边；22-咬合边；23-摆动边；25-合页；27-卯眼；28-榫头；34-气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1～图5所示，本实施例所述的桩基模型试验中实现侧向土压力的装置，包括模型箱1、四块侧压传递板2、四个加压气囊3模型桩4、和多个土压力传感器5。模型桩4、四块侧压传递板2、四个加压气囊3和多个土压力传感器5置于模型箱1中，土体填充模型箱1内的空间。

其中，如图2和图3所示，图2和图3是相互匹配咬合的侧压传递板2。所述侧压传递板2为一方形板体，具有四条边，分别为连接边21、咬合边22、摆动边23和另一条咬合边22。同一侧压传递板2上，连接边21和摆动边23为一组对边，两条咬合边22为一组对边。连接边21上设有合页25，咬合边22上设有多个榫头28和多个卯眼27，榫头28和卯眼27交错设置。而且，自连接边21向摆动边23方向上，咬合边22的卯眼27渐深，具体是，越靠近摆动边23的卯眼27的深度越大，越靠近连接边21的卯眼27的深度越小。所述四块侧压传递板2与模型箱1的四个侧壁一一对应，侧压传递板2的连接边21通过合页25活动连接模型箱1的侧壁，使侧压传递板2可以绕其连接边21转动。相邻的侧压传递板2通过咬合边22相互连接，侧压传递板2的摆动幅度受限于咬合边22上的卯眼27的大小。

所述四个加压气囊3与四块侧压传递板2一一对应，加压气囊3置于模型箱1的侧壁与所在侧壁上的侧压传递板2之间。相邻的加压气囊3通过气管34相互连通。

所述模型桩4竖立于模型箱1的中心，具体为四块侧压传递板2所围设的空间。模型桩4的侧壁上轴向等距离地设置多个土压力传感器5。模型桩4的同一横截面上，多个土压力传感器5等角度环绕设置。

本实施例所述的桩基模型试验中实现侧向土压力的工作原理：通过对加压气囊3充气加压，加压气囊3抵顶侧压传递板2，侧压传递板2的摆动边23向模型箱1内部摆动，相邻的侧压传递板2加深咬合，并推挤模型箱1内的土体，使模型桩4所受的侧向土压力增大。通过观察模型桩4上的土压力传感器5，控制加压气囊3充气压强，使土体的侧向土压力达到试验要求。

本实施例所述的桩基模型试验中实现侧向土压力的方法，步骤如下：

S1，设置侧压传递板2，

在模型箱1的四个侧壁各设一个侧压传递板2，侧压传递板2敷贴在模型箱1的侧壁上，侧压传递板2通过其连接边21上的合页25活动连接模型箱1，相邻的侧压传递板2通过其咬合边22相互连接；

S2，设置加压气囊3，

在模型箱1的四个侧壁各设一个加压气囊3，加压气囊3置于模型箱1的侧壁与所在侧壁上的侧压传递板2之间，相邻的加压气囊3通过气管34连通；

S3，设置模型桩4，

把模型桩4吊入模型箱1内；

S4，填土，

向模型箱1分层填土密实，并在模型桩4上设置多个土压力传感器5，其中，模型桩4的侧壁上轴向等距离地设有多个土压力传感器5，模型桩4的同一横截面上，多个土压力传感器5等角度环绕设置；

S5，加压气囊3充气，

对加压气囊3充气加压，加压气囊3抵顶侧压传递板2，相邻的侧压传递板2加深咬合，并推挤模型箱1内的土体，使模型桩4所受的侧向土压力增大；通过观察模型桩4上的土压力传感器5，控制加压气囊3充气压强，使土体的侧向土压力达到试验要求。

可见，侧压传递板的摆动幅度受限于自身的卯眼大小，及相邻两块侧压传递板的卯眼大小。本实施例为优选实施例，自侧压传递板的连接边向摆动边方向上，咬合边的卯眼梯度渐深，是为了在侧压传递板摆动时，相邻两块侧压传递板能匹配相接。在其他实施例中，侧压传递板只要预留足够的深度以满足侧压传递板的摆动，同一咬合边上的卯眼不限于梯度渐深的设置。而且，根据不同的土体要求，可以调整卯眼深度与榫头的大小，以相邻两块侧压传递板匹配咬合为准。而本实施例中，通过在侧压传递板的两咬合边上设置斜向变化的卯眼和榫头，实现在加压过程中两块相邻侧压传递板的相互匹配地嵌入与咬合，既可以避免相邻侧压传递板移动过程中的相互阻挡，同时又可以防止模型箱中的土颗粒从侧压传递板的咬合处的缝隙中漏出。

与现有技术相比，本发明无需依赖离心机，不存在离心机试验方法的动力不足等缺陷，本发明通过气囊和侧压传递板对土体施加侧压力，并运用模型桩上的土压力传感器实时反馈侧向土压力大小，可精准地模拟实际侧向土压力沿深度呈线性变化的状态，并可以根据不同试验条件实现不同深度的侧向土压力场，这对于研究桩基试验中，桩土相互作用、桩侧注浆效果、桩土胶结面形状等问题具有关键影响。

再者，相邻加压气囊的连通，有利平衡各气囊的压力，实现模型桩平均地受到各方向上的侧向土压力。

本实施例所述桩基模型试验中实现侧向土压力的装置及其方法的其它结构参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。