一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法，属于桩基工程技术领域。

背景技术：

桩基础作为一种深基础形式，在基础工程中有着广泛的应用。对于预制桩，在静压或振动沉桩施工过程中势必对桩周土体产生扰动、重塑以及挤压作用，而钻孔灌注桩在施工过程中存在成孔卸荷效应和动态荷载作用的影响，削弱了桩周土层的应力，这些都将导致桩周附近土体的剪切模量和密度等参数发生变化，从而造成桩周土沿径向呈现出非均质特性。在松散或不太密实的砂土、粉土中打入挤土型桩（如预制桩），桩侧附近将产生挤土效应，土体密实度、剪切模量可能得到一定程度提高（硬化）。而在密实的砂土、粉土或高灵敏性软黏土中进行钻孔灌注桩施工，桩侧附近土体将受到钻孔扰动和松弛效应的影响，其密实度、剪切模量可能有所下降（软化）。

目前，对于沉桩过程中桩周土体非均质特性的研究，主要是通过理论分析来进行的。利用复刚度传递平面应变土体模型，对径向非均质土中桩基振动特性的研究发现，施工效应导致的土体径向非均质性，不管是在扰动程度，还是扰动范围上，均对桩基振动特性有着十分明显的影响；扰动范围、扰动土划分圈数与土体硬(软)化径向分布模式均对桩基特性有着不可忽视的影响。然而，桩侧土受施工效应的影响十分复杂，单纯的理论分析并不能真实的模拟土体实际状态，有必要设计一种能够模拟桩周扰动土体径向非均质特性的试验装置，为从试验角度研究土体扰动状态下的桩土体系提供可能，进而验证理论计算模型的合理性和准确性。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法，为模型桩提供任意圈层径向非均质的桩周土体，实现桩周扰动土体的径向分圈，克服以往只能通过理论分析来研究桩周土径向非均质性的不足。

本发明提供了一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置，包括压土装置、加载装置、套筒、反力横梁、模型桩、反力架和模型箱，压土装置通过齿形压杆与加载装置的驱动齿轮连接，加载装置置于反力架的横梁上；反力横梁通过螺栓与两端带孔的l型角钢相连，l型角钢固定于模型箱纵向的顶部；

压土装置由上下两层承压板、若干环形压土板和齿形压杆组成；齿形压杆与上承压板相连，上承压板和下承压板通过第一螺杆连接，下承压板通过传力杆与环形压土板连接，环形压土板位于土体上方；当试验中上拔套筒时，下承压板通过第二螺杆与反力横梁连接；齿形压杆向下运动时推动承压板，并带动压土板对各套筒内土体实施同步等厚压实，通过控制填土质量继而获得沿径向不同的土体密实度；待填土至一定深度后，松开上、下承压板之间的螺栓，借助齿形压杆向上运动分离上承压板，并带动吊耳上移套筒，开始下一阶段的压实填土；

套筒由多层同心薄壁钢圆筒组成，试验开始时，套筒置于模型箱底部，且圆心与上下承压板的圆心对应；

上承压板为圆形板，中间设有孔，底部沿径向均匀设有一排吊耳，套筒顶部的吊耳与其对应设置，二者通过钢丝绳连接；

加载装置由置于反力架横梁上的一对小型电动机和两对驱动齿轮组成；试验时，利用电机驱动齿轮旋转，通过机械传导带动齿形压杆作垂直运动。

反力横梁为一带有两个螺孔的圆杆，与两端带孔l型角钢连接，并设置在模型桩纵向桩顶以上20～40cm高度处；l型角钢通过螺栓固定于模型箱顶部；

模型桩为预制实心桩或中空的管桩；模型桩位于模型箱中心距离底部10～20cm处；模型箱为钢制长方体结构。

上述装置中，所述套筒为壁厚1～2mm的薄壁钢筒，用于将桩周扰动土划分为多个同心圆圈层；筒高为模型箱高度的1/3～1/4；套筒表面敷设聚酯薄膜并涂抹聚四氟乙烯涂料以减少套筒拔出时的摩阻力；距离套筒顶部处预留两个直径为4cm的圆孔，即为吊耳孔，用于上拔套筒时穿过钢丝绳。

上述装置中，上承压板为厚度1cm的带孔圆形钢板，直径比最外圈套筒的直径大10cm；上承压板中央设置与模型桩直径相同的圆孔；在上承压板边缘2cm处，沿圆周方向均匀布置四个螺孔，并与下承压板的螺孔对应，用于穿过第一螺杆与下承压板固定；上承压板底部径向焊接若干吊耳，每个套筒对应2个吊耳，用于悬挂钢丝绳上拔套筒。

上述装置中，下承压板为厚度1cm的带孔圆形钢板，直径比上承压板的直径大10cm；下承压板中心设有与模型桩直径相同的圆孔；在距离边缘2cm处纵向对称布置两个螺孔，用于穿过第二螺杆与反力横梁连接；在与上承压板连接处，沿圆周方向均匀布置四个螺孔，并与上承压板的螺孔对应，用于穿过第一螺杆与上承压板固定；在与上承压板吊耳对应位置，径向对称设置若干直径2cm的圆孔，用于穿过钢丝绳。

上述装置中，压土板为厚度是1cm的钢制环状板，数量与套筒数相同，径向宽度与各圈土层宽度一致，各压土板之间的间隙与套筒壁厚相同；中心压土板中央留有穿过模型桩的圆孔，其直径与桩径一致；每块压土板与下承压板通过4根沿圆周均匀分布的传力杆连接；传力杆上、下端分别通过螺栓与下承压板和压土板连接。

上述装置中，所述齿形压杆侧面标有刻度线，便于为压杆垂直运动时提供位移标准。

上述装置中，所述第一螺杆和第二螺杆直径均为30mm。

本发明的有益效果：

（1）通过对桩周土体划分圈层并控制土体密实度，实现了桩周土径向非均质特性的模拟，为分析施工效应等因素下桩-扰动土相互作用机理提供了试验分析手段；

（2）通过控制各圈层土体宽度和密实度，可考虑扰动范围、圈层数、扰动土硬(软)化等不同情况，最大限度的反映土体真实扰动状态对桩土体系力学行为的影响；

（3）借助电动机转动带动齿形压杆以恒定速率对土体进行等厚压实，可实现对桩周土体密实度的精确控制，保证了填土压实的均匀性和质量，且填土方便快捷。

附图说明

图1是本发明试验装置的结构示意图。

图2是反力横梁连接下承压板时图1的侧视图。

图3是图1中沿a-a线的剖视图。

图4是图1中沿b-b线的剖视图。

图5是本装置对套筒内土体进行压实的状态示意图。

图6是本装置对套筒上拔的状态示意图。

图7是图6的左视图。

图中：1、齿形压杆，2、模型桩，3、上承压板，4、第一螺杆，5、吊耳，6、第二螺杆，7、下承压板，8、钢丝绳，9、传力杆，10、压土板，11、套筒，12、模型土，13、模型箱，14、l形角钢，15、反力横梁，16、反力架，17、齿轮，18、电动机，19、链条。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

如图1~4所示，一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置，包括压土装置、加载装置、套筒、反力横梁、模型桩、反力架和模型箱，压土装置通过齿形压杆1与加载装置的驱动齿轮17连接，加载装置置于反力架16的横梁上，试验时，利用电机驱动齿轮旋转，通过机械传导带动齿形压杆作垂直运动；反力横梁15通过螺栓与两端带孔的l型角钢14相连，l型角钢14固定于模型箱13纵向的顶部，若模型箱13的尺寸较小，可解除l型角钢14，将第二螺杆6用螺栓直接连接于反力架16的横梁上；试验开始时，套筒11置于模型箱13底部，且圆心与上下承压板的圆心对应。

如图5，压土装置由上下两层承压板、若干环形压土板10和齿形压杆1组成；齿形压杆1与上承压板3相连，上承压板3和下承压板7通过第一螺杆4连接，下承压板7通过传力杆9与环形压土板10连接，环形压土板10位于土体上方；当试验中上拔套筒时，下承压板7通过第二螺杆6与反力横梁15连接；齿形压杆1向下运动时推动承压板，并带动压土板10对各套筒11内土体实施同步等厚压实，通过控制填土质量继而获得沿径向不同的土体密实度；

如图6、7，待填土至一定深度后，松开上、下承压板之间的螺栓，下承压板7利用第二螺杆6连接于反力横梁15，压土板10固定于套筒内土体表面，借助齿形压杆1向上运动分离上承压板3，并带动吊耳5上移套筒11，开始下一阶段的压实填土；

套筒11由多层同心薄壁钢圆筒组成，试验开始时，套筒11置于模型箱13底部，且圆心与上下承压板的圆心对应；

上承压板3为圆形板，中间设有孔，底部沿径向均匀设有一排吊耳5，套筒11顶部的吊耳5与其对应设置，二者通过钢丝绳8连接；

加载装置由置于反力架横梁15上的一对小型电动机18和两对驱动齿轮组成；试验时，利用电机驱动齿轮旋转，通过机械传导带动齿形压杆作垂直运动。

反力横梁15为一带有两个螺孔的圆杆，与两端带孔l型角钢连接，并设置在模型桩2纵向桩顶以上20～40cm高度处；l型角钢通过螺栓固定于模型箱顶部；

模型桩2为预制实心桩或中空的管桩；模型桩2位于模型箱13中心距离底部10～20cm处；模型箱13为钢制长方体结构。

上述装置中，所述套筒11为壁厚1～2mm的薄壁钢筒，用于将桩周扰动土划分为多个同心圆圈层；筒高为模型箱高度的1/3～1/4；套筒表面敷设聚酯薄膜并涂抹聚四氟乙烯涂料以减少套筒拔出时的摩阻力；距离套筒顶部处预留两个直径为4cm的圆孔，即为吊耳孔，用于上拔套筒时穿过钢丝绳。

上述装置中，上承压板3为厚度1cm的带孔圆形钢板，直径比最外圈套筒的直径大10cm；上承压板中央设置与模型桩直径相同的圆孔；在上承压板边缘2cm处，沿圆周方向均匀分布有四个螺孔，并与下承压板的螺孔对应，用于穿过第一螺杆与下承压板固定；上承压板底部径向焊接若干吊耳，每个套筒对应2个吊耳，用于悬挂钢丝绳上拔套筒。

上述装置中，下承压板7为厚度1cm的带孔圆形钢板，直径比上承压板的直径大10cm；下承压板中心设有与模型桩直径相同的圆孔；在距离边缘2cm处纵向对称布置两个螺孔，用于穿过第二螺杆与反力横梁连接；在与上承压板连接处，沿圆周方向均匀分布有四个螺孔，并与上承压板的螺孔对应，用于穿过第一螺杆与上承压板固定；在与上承压板吊耳对应位置，径向对称设置若干直径2cm的圆孔，用于穿过钢丝绳。

上述装置中，压土板10为厚度是1cm的钢制环状板，数量与套筒数相同，径向宽度与各圈土层宽度一致，各压土板之间的间隙与套筒壁厚相同；中心压土板中央留有穿过模型桩的圆孔，其直径与桩径一致；每块压土板与下承压板通过4根沿圆周均匀分布的传力杆连接；传力杆上、下端分别通过螺栓与下承压板和压土板连接。

上述装置中，所述齿形压杆1侧面标有刻度线，便于为压杆垂直运动时提供位移标准。

上述装置中，所述第一螺杆4和第二螺杆6的直径均为30mm。

本发明提供了一种模拟桩周土径向非均质性的试验方法，包括以下步骤：

①确定扰动土参数：首先通过土工试验确定土体性质与密实度、密度之间的关系，然后根据桩周土性质沿径向的变化模式，确定扰动区范围、圈层数、圈层体积和密实度，并计算各圈层土体及非扰动区域填筑相同高度所需的土体质量；

②实验装置组装：将加载装置置于反力架横梁上，通过齿形压杆将加载装置与压土装置连接；其中，上下承压板通过第一螺杆连接，上下承压板的圆心对应模型箱的中心；反力横梁通过l型角钢与模型箱连接；在模型箱内依次放置钢套筒，套筒圆心对应上下承压板的圆心；

③填筑桩端土：根据步骤①计算得到的密实度，在保证桩端土密度一致的前提下，将配制好的不同质量土体均匀铺置在各套筒内，启动电机驱动齿轮，齿形压杆向下运动推动承压板，并带动压土板对各套筒内土体实施同步等厚压实，直至达到预定厚度，其中中心压土板使用实心板；外圈套筒与模型箱侧壁之间的土体采用人工压实；

④填筑桩周土：放置模型桩，根据步骤①计算得到的各圈层密实度，将配制好的不同质量土体均匀铺置在各套筒内，启动电动机驱动齿轮旋转，齿形压杆向下运动推动承压板，并带动压土板对各套筒内土体实施同步等厚压实，直至达到预定厚度，最内侧压土板使用中心带圆孔的环形板；外圈套筒与模型箱侧壁之间的非扰动区域采用人工压实填土；

⑤上拔套筒：当土体填筑高度距离套筒顶部5～10cm时，松开上、下承压板之间的第一螺杆，通过钢丝绳将套筒与上承压板底部的吊耳相连，借助齿形压杆向上运动分离上承压板，并带动套筒上移，上拔高度为套筒高度的1/2～1/3；期间，下承压板利用第二螺杆连接于反力横梁；压土板固定于套筒内土体表面，防止上拔套筒时土体隆起和套筒发生侧移；

⑥后续填土：解除钢丝绳以及下承压板与反力横梁之间的第二螺杆，采用第一螺杆将上、下承压板重新连接，重复步骤④～⑤，完成后续填土；最后，将套筒全部拔出，对非扰动区域土体进行人工压实，平整土体表面。