模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统的制作方法

本发明涉及岩土力学桩基工程技术，尤其涉及一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统。

背景技术：

嵌岩桩是指部分桩身或全部桩身嵌入岩石的一种桩基形式。由于嵌岩桩的桩端嵌入基岩，使得嵌岩桩的桩身荷载传递规律具有区别于普通桩基的特征：在基岩面以上的覆盖土层中，荷载通过桩身侧面传递至桩周土体，这与普通灌注桩相似；而在嵌岩段中，荷载主要通过桩端的侧面和端面传入岩基。嵌岩桩的承载力由上部桩土间的摩阻力、嵌岩段的摩阻力和端阻力组成。根据桩侧、桩端分担外荷载的大小，嵌岩桩又可分为侧阻嵌岩桩、端承嵌岩桩和全阻嵌岩桩。

嵌岩桩较其他类型的桩基具有显著的优点：嵌岩桩可充分发挥基岩的承载性能，提高单桩承载力；由于桩端持力层是压缩性极小的基岩，嵌岩桩的单桩沉降量和群桩效应均较小，并且施工过程中便可完成建筑物沉降；以嵌岩桩为基础的建筑物在地震中产生的地震反应小于其他基础形式，抗震性能好。上述优点使得嵌岩桩基础在桥梁、高层建筑和重型厂房等结构荷载大、沉降要求高的建筑物中得到广泛应用。

在嵌岩桩理论的应用和发展过程中，由于嵌岩桩的嵌岩条件和桩身混凝土施工质量的差异性、嵌岩桩施工工艺的多样性，以及桩身极限承载力较高，缺乏破坏性试桩资料等原因，至今工程界对嵌岩桩的承载性状存在着不同的认识。

目前，国内外学者采用现场桩基载荷试验、室内缩尺寸模型试验、理论分析及数值计算等方法针对嵌岩桩的承载机理和荷载传递规律进行了深入研究，揭示了嵌岩桩的承载机理与桩身荷载传递规律，推动了嵌岩桩理论的发展。

但以上关于嵌岩桩的研究多集中在完整均一的岩体中，对于复合岩层中的嵌岩桩研究较少，未能揭示复合岩层对桩身应力分布的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是鉴于目前现场桩基载荷试验、室内缩尺寸模型试验、理论分析及数值计算未能充分考虑复合岩层条件对桩身应力分布和荷载传递的影响，提供一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统，通过该模型试验系统获得嵌岩桩在复合岩层中的荷载传递规律。

本发明的目的是这样实现的：

一、模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统（简称系统）

本系统包括螺杆、钢梁、底座、模型箱、螺母、岩芯柱、胶结剂、砂浆、钻孔、模型桩、凹槽、应变片、水泥浆、压头、荷载传感器、双动式千斤顶和传输线；

其位置和连接关系是：

螺杆、钢梁和底座通过螺母组成外部反力框架；

在底座上设置有模型箱，在模型箱内底部设置有砂浆底层作为桩端持力层，在砂浆底层上设置有岩芯柱，在岩芯柱中浇注有砂浆；

所述的岩芯柱包括从下至上采用胶结剂粘结组成的第1、2……n岩芯层，n是自然数，1≤n≤10；

所述的砂浆包括从下至上和第1、2……n岩芯层对应的第1、2……n砂浆层，n是自然数，1≤n≤10；

岩芯柱、胶结剂和砂浆构成本系统的复合岩层，在复合岩层中心设置有钻孔；

模型桩插入钻孔，水泥浆沿模型桩和钻孔浇入密封；从上至下，钢梁底面中心、荷载传感器、双动式千斤顶、压头和模型桩的顶部端头依次连接；

在模型桩两侧分别纵向对称设置有凹槽，在凹槽内等距设置有应变片；

荷载传感器和应变片分别通过传输线与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩的桩顶荷载和桩身应力分布。

二、模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

①制样

在模型桩的两侧沿纵向对称设置凹槽，在凹槽内设置分布式应变片，传输线与应变片连接，并引至凹槽外；

第1、2……n岩芯层从下至上采用胶结剂粘结组成岩芯柱；

模型箱的底部填筑一定高度的砂浆；

将岩芯柱居中放置在模型箱内，置于底部砂浆之上；

第1、2……n砂浆层在模型箱中分层填筑，并与第1、2……n岩芯层相对应，组成复合岩层；

从岩芯柱的顶部由上至下，居中钻取钻孔，钻孔内居中放置模型桩；

在钻孔孔壁和模型桩之间浇筑水泥浆；

待水泥浆凝结硬化达到指定强度后完成制样；

②组装

将底座置于水平地面上，模型箱居中放于底座上部，钢梁通过螺母水平固定在螺杆上，螺杆、钢梁和底座组成反力框架；

调整左右螺杆上的螺母使钢梁保持水平，并与模型桩桩顶保持一距离；

模型桩的桩顶放置压头，后依次由下至上放置双动式千斤顶和荷载传感器，双动式千斤顶上部作用力通过荷载传感器作用在钢梁上，钢梁提供支撑反力；

③试验

通过双动式千斤顶向模型桩桩顶分级施加竖向荷载，传输线与应力应变采集仪连接，可实时采集桩身应变和桩顶荷载，得到桩身应力分布和桩身荷载传递规律。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用胶结剂粘结不同强度的岩芯，获得复合岩芯柱；

②砂浆分层填筑，并与岩芯一一对应，组成复合地层；

③模型箱在试验中可提供侧限约束；

④底座、螺杆和钢梁组成稳定坚固的反力框架，为桩顶荷载提供反力支撑；

⑤模型桩两侧沿纵向等距布置的分布式应变片在试验中可实时获得桩身应变，推算得到得到桩身应力分布；

⑥应力应变采集仪与荷载传感器和应变片连接，可实时采集桩顶竖向荷载和桩身应力分布，获得复合岩层中嵌岩桩桩身荷载传递规律；

⑦装置可拆卸，方便脱模后二次使用。

总之，本系统可以模拟复合岩层中嵌岩桩的承载特性。运用荷载传感器和应变片可实时采集桩顶荷载和桩身应力分布，得到复合岩层中嵌岩桩的桩身荷载传递规律；同时，本系统标准统一，可实现多次工业复制。

附图说明

图1是本系统的结构示意图；

图2是本系统的岩芯柱示意图；

图3是本系统的模型桩示意图。

图中：

1—螺杆；

2—钢梁；

3—底座；

4—模型箱；

5—螺母；

6—岩芯柱，

6-1、6-2……6-n—第1、2……n岩芯层，n是自然数，1≤n≤10；

7—胶结剂；

8—砂浆，

8-0—砂浆底层，

8-1、8-2……8-n—第1、2……n砂浆层，n是自然数，1≤n≤10；

9—钻孔；

10—模型桩；

11—凹槽；

12—应变片；

13—水泥浆；

14—压头；

15—荷载传感器；

16—双动式千斤顶；

17—传输线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1、2、3，本系统包括螺杆1、钢梁2、底座3、模型箱4、螺母5、岩芯柱6、胶结剂7、砂浆8、钻孔9、模型桩10、凹槽11、应变片12、水泥浆13、压头14、荷载传感器15、双动式千斤顶16和传输线17；

其位置和连接关系是：

螺杆1、钢梁2和底座3通过螺母5组成外部反力框架；

在底座3上设置有模型箱4，在模型箱4内底部设置有砂浆底层8-0作为桩端持力层，在砂浆底层8-0上设置有岩芯柱6，在岩芯柱6中浇注有砂浆8；

所述的岩芯柱6包括从下至上采用胶结剂7粘结组成的第1、2……n岩芯层6-1、6-2……6-n，n是自然数，1≤n≤10；

所述的砂浆8包括从下至上和第1、2……n岩芯层6-1、6-2……6-n对应的第1、2……n砂浆层8-1、8-2……8-n，n是自然数，1≤n≤10；

岩芯柱6、胶结剂7和砂浆8构成本系统的复合岩层，在复合岩层中心设置有钻孔9；

模型桩10插入钻孔9，水泥浆13沿模型桩10和钻孔9浇入密封，从上至下，钢梁2底面中心、荷载传感器15、双动式千斤顶16、压头14和模型桩10的顶部端头依次连接；

在模型桩10两侧分别纵向对称设置有凹槽11，在凹槽11内等距设置有应变片12；

荷载传感器15和应变片1分别通过传输线17与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩10的桩顶荷载和桩身应力分布。

工作机理：

螺杆1、钢梁2和底座3组成外部反力框架；

模型桩10顶部设置有压头14，可保证模型桩10桩顶在荷载作用下完整，使桩身位移保持竖向；

压头14、双动式千斤顶16、荷载传感器15由下至上依次放置，双动式千斤顶16上部反力通过荷载传感器15作用在钢梁4上，下部作用在压头14上，双动式千斤顶16在试验中提供桩顶竖向荷载；

模型箱4为岩芯柱6和砂浆8组成的复合岩层提供侧限约束；

荷载传感器15和应变片1分别通过传输线17与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩10的桩顶荷载和桩身应力分布。

2、功能部件

01）螺杆1

螺杆1为钢制，直径需满足双动式千斤顶16的锚固需求，上部螺纹可配合钢梁2使用，螺杆1与底座3焊接固定。

02）钢梁2

钢梁2为钢制矩形截面构件，两端设有穿孔，可穿入螺杆，抗弯性能好，可以为双动式千斤顶16提供反力约束。

03）底座3

底座3呈圆盘状，底座3与螺杆1连接的两点间采用工字钢焊接加固，底座3直径需满足模型箱4尺寸和螺杆1的焊接要求。

04）模型箱4

模型箱4为钢制圆筒，圆筒刚度大，壁厚可满足复合地层侧限要求，模型箱4的内径和高度与复合地层的尺寸相适应。

05）螺母5

螺母5为钢制构件，与螺杆1配合使用，共4件，左右螺杆1各布置两件，每侧螺杆1上的螺母5布置在钢梁2上下侧，调节螺母5可紧固钢梁2，并使钢梁2保持水平。

06）岩芯柱6

岩芯柱6由不同强度或结构类型的第1、2……n岩芯层6-1、6-2……6-n由下至上采用胶结剂7粘结而成，第1、2……n岩芯层6-1、6-2……6-n的直径相同，每段岩芯层的高度和叠放次序依据试验模拟的复合地层而定。

07）胶结剂7

胶结剂7为市售成品粘结剂，可将第1、2……n岩芯层6-1、6-2……6-n依次牢固粘结。

08）砂浆8

砂浆8为水泥砂浆，砂浆8可分为不同强度等级的第1、2……n砂浆层8-1、8-2……8-n，第1、2……n砂浆层8-1、8-2……8-n与第1、2……n岩芯层6-1、6-2……6-n相对应，砂浆8在模型箱4中分层填筑，振捣密实，与岩芯柱6组成复合地层，每层砂浆8的厚度与每层岩芯相一致；桩端砂浆层8-0强度由持力层实际强度而定。

09）钻孔9

钻孔9沿纵向居中位于岩芯柱6内，钻孔9直径略大于模型桩10外径3-4mm，钻孔9与岩芯柱等长；

10）模型桩10

模型桩10为钢制螺纹杆，上下端面平整，外径为26mm，模型桩10的长度需考虑岩芯柱6的长度、压头14的尺寸和桩顶的最大沉降位移，模型桩10两侧沿纵向对称设置有凹槽11，凹槽11内等距布置有应变片12，传输线17与应变片12连接；

11）凹槽11

凹槽11截面为矩形，槽深2mm，槽宽4mm，凹槽11内等距黏贴有应变片12，每片应变片12均与两条传输线17连接，待应变片12和传输线17布置完成后，在凹槽11上覆盖乳胶防护。

12）应变片12

应变片12为市售电阻式应变片，应变片12尺寸需满足凹槽11宽度要求，应变片12等距黏贴在凹槽11内，每片应变片12均与两条传输线连接。

13）水泥浆13

水泥浆13用于填筑钻孔9内壁与模型桩10之间的空隙，水泥浆13为流动性好的普通硅酸盐水泥浆，掺拌时可加入适量减水剂增强流动性，水泥浆13的龄期强度依据模型试验而定。

14）压头14

压头14为钢制件，压头14上端面平整，内部有圆柱型凹槽，凹槽深度为10mm，凹槽内径与模型桩10外径相适应，试验中双动式千斤顶16作用在压头上端面，压头14可保证桩顶不受破坏，桩身保持竖向沉降。

15）荷载传感器15

荷载传感器15为圆柱形，量程与试验所需的最大轴向荷载相适应，通过传输线17与应力应变采集仪连接，可实时采集桩顶的竖向荷载。

16）双动式千斤顶16

双动式千斤顶16可采用手动稳压或机器稳压，双动式千斤顶16作用在压头14上，提供桩顶竖向荷载。

17）传输线17

传输线17与应力应变采集仪和应变片12、荷载传感器15连接，是的桩顶荷载与桩身应力分布得到准确侧量。

3、工作机理

不同强度和不同结构类型的岩芯通过不同顺序的粘结得到多种复合岩芯柱；不同强度的砂浆与岩芯段强度相对应，分层振捣填筑在模型箱内，得到模拟的复合地层。

试验中，双动式千斤顶施加桩顶竖向荷载，引起桩顶沉降和桩身荷载传递；布置于模型桩内的应变片和桩顶荷载位移传感器可实时测量桩身应变和桩顶荷载，通过计算可得到嵌岩桩在复合岩层中的桩身应力实时分布和桩身荷载传递规律。