采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置的制作方法

本实用新型涉及桩基测试技术领域，特别涉及采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置。

背景技术：

桩的竖向承载力试验对于控制建筑物的沉降和保证建筑物结构安全极为重要。

现有较常用的桩竖向荷载试验测试技术较传统，通过施工反力桩加载或者上部重力试块堆载进行加载，无论施工反力桩还是吊运重力试块堆载加载，都需要重型机械开展施工，占用较大的施工场地空间，并且需要较长时间进行准备工作。同时，施工完的反力桩在实验结束后废弃不用，是一种经济和资源的浪费，重力试块受到堆载高度和稳定性的要求限制，只能堆砌到一定高度，导致了桩基荷载量程不能满足高承载力桩基的测试要求。

一方面，桩基的测试技术也较为传统，较常用的桩身轴力测试技术采用振弦式应力计，或电阻应变片进行监测。这些测试技术都是单点测试，而且电子类的传感器信号具有精度不高，不稳定，易受干扰，采集频率低等特点，难以实现质量轻，体积小，灵敏度高，抗电磁干扰，并可实现分布式测量等优点。

此外，考虑到具体的桩基承载力研究问题，由于地质情况的复杂性，经常在地基土中出现软弱夹层土，对于桩基受力规律影响有明显影响。已有的试验技术并不能很好的解决这个问题，现有的桩基试验用模型箱，设计思路都是完整的一个模型箱，在地基土的制样过程中不能有针对性地控制某一层土的制样特性(包括压实度，含水率等)。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的的不足，提供了采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置及测试方法。

技术方案：

为实现上述目的，本实用新型提供了采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置，包括：

模型箱，其由至少1个分层模型箱和模型箱箱底组成，

试验桩测试装置，其设置在所述模型箱中，由试验桩和布置在所述试验桩内侧及外侧的检测传感装置组成；

以及双气压膜加载装置，其设置在所述试验桩测试装置上方，用于向所述试验桩进行荷载加载；

其中，所述双气压膜加载装置其从上至下由圆柱状正作用气压膜、与所述圆柱状正作用气压膜相连接的压力作用板、其上端与所述压力作用板相连接的压力传递杆、包覆在所述压力传递杆外侧并紧贴所述压力作用板的环状负作用气压膜、与所述压力传递杆下端连接的球铰支座和与所述球铰支座相连接的桩帽组成，其中，所述桩帽的上端面上设置有位移计，所述桩帽下端与所述试验桩连接。

优选地，上述技术方案中，所述模型箱，其由五个空心的所述分层模型箱和一个实心的模型箱箱底组成，其材料为有机玻璃。

优选地，上述技术方案中，所述分层模型箱为由一块模型箱内地基土和四块实心有机玻璃箱壁的长方体，在每块所述实心有机玻璃箱壁上开设有螺栓连接钻孔，通过在所述螺栓连接钻孔锁入固定模型箱用的螺栓以将多个分层模型箱组装连接。

优选地，上述技术方案中，所述检测传感装置，包括在试验桩上对称铺设的两条光纤、在每根所述光纤上间隔1.5米距离设置的光纤光栅应变片、上安装一个所述光纤光栅温度补偿计、桩底对称安装四个所述桩底土压力盒用于测试桩底土压力、以及桩周两侧对称埋置两组双向土压力盒与孔隙水压力计。

优选地，上述技术方案中，还包括数据采集系统，所述数据采集系统与所述试验桩测试装置，用于采集所述试验桩测试装置的参数。

应用时，采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一，制备分层模型箱土样，组装模型箱；

步骤二，在试验桩中布置安装试验桩测试装置，采用灌入法将试验桩贯入模型箱的地基土中；

步骤三，安装双气压膜加载装置，并将试验桩测试装置与数据采集系统连接，调试系统，记录初始读数；

步骤四，加载试验并实时监测，完成测试。

优选地，上述技术方案中，在步骤1中，包括如下同时步骤内容：

a、根据研究目的和实验要求，确认每层模型箱内土层包括物理力学特性、压实度、含水率、弹性模量在内的制备试验要求；

b、根据设定的潜在软弱土层的要求，分别完成每个分层模型箱内的土样制备，每个分层模型箱土样中各埋置1组双向土压力盒和孔隙水压力计，用于测量桩基加载过程中荷载通过桩土结构相互作用在周围地基土中的传播规律；

c、将实心的模型箱底座平方于地面上，将分层模型箱按土样制备的设计要求，从下至上依依对齐于模型箱箱底，然后把8根固定模型箱用的螺栓锁入螺栓连接钻孔至模型箱箱底，拧紧螺帽，完成模型箱组装。

优选地，上述技术方案中，在步骤二中，先将光纤、光纤光栅应变片和光纤光栅温度补偿计装入试验桩中，在试验桩底部呈十字安装4个桩底土压力盒，采用灌入法将安装布置好检测试验装置的试验桩贯入模型箱的地基土中。

优选地，上述技术方案中，在步骤四中，先启动两个真空泵，分别向圆柱状正作用气压膜和环状负作用气压膜内施加所需气压，两个气压膜产生的气压差作用于压力作用板上，气压压力差通过压力传递杆向下方的桩帽传递，桩帽上方的球铰支座让荷载传递分布均匀，同时，桩帽上端面的位移计实时记录桩顶沉降；与此同时，数据采集系统实时采集光纤光栅应变片，光纤光栅温度补偿计、孔隙水压力计双向土压力盒、桩底土压力盒的传感的数据，直至达到桩基极限承载力，结束测试。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型的桩基试验装置具有轻便的，简易的，高量程的，高精度的，经济合理的等优点，而且采用双气压膜竖向加载方式和分层式桩基试验结构，克服了传统的现场荷载试验方法中采用重力试块引起的施工机械需求，占用大面积施工空间，作业周期长，以及施工反力桩造成的资源浪费等问题。

(2)本实用新型中采用了光纤光栅传感器测试手段，利用了光纤光栅传感器(光纤光栅应变片、光纤光栅温度补偿计等)质量轻，体积小，灵敏度高，抗电磁干扰等特点，可得到实时，全面的桩基受力变形规律。克服了传统测量技术如振弦式钢筋应力计，电阻应变片等传统方式不连续，不实时，低精度的缺陷。

(3)采用光纤光栅温度补偿计对光纤光栅应变片的测量数据进行补偿，克服了光纤光栅的温度作用对应变测量误差的影响。

(4)在模型桩试验方案设计中，增加了地基土的土压力测试与孔隙水压力测试，解决了传统的单一的对桩基变形受力监测并不能完整的反映出荷载在土中的传递规律的问题。

(5)传统模型桩地基土的制样方法是一个模型箱整体地基土压实制样，不能实现对于特定深度软弱夹层土的制样控制，而本实用新型中，由于模型箱的制样是分层分别制土样，因此可以预先制备软弱土层，并将含有软弱土层的模型箱单层置于拟研究的深度，达到准确，科学的研究软弱夹层桩基试验的目的。

附图说明

图1是根据本实用新型采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置的结构图。

图2是根据本实用新型的双气压膜加载装置的结构示意图。

图3是根据本实用新型的分层模型箱结构的结构示意图。

主要附图标记说明：

101-双气压膜加载装置，102-试验桩，103-光纤光栅应变片，104-光纤光栅温度补偿计，105-双向土压力盒，106-孔隙水压力计，107-桩底土压力盒，108-螺帽，109-螺栓，110-软弱土层，111-实心有机玻璃箱壁，112-模型箱箱底，113-分层模型箱；

201-圆柱状正作用气压膜，202-压力作用板，203-环状负作用气压膜，204-压力传递杆，205-位移计，206-球铰支座，207-桩帽，209-真空泵；

301-模型箱内地基土，302-密封防水乳胶膜，304-螺栓连接钻孔。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1显示了根据本实用新型优选实施方式的采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置的结构示意图。

如图1所示采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置，包括：模型箱、试验桩测试装置、双气压膜加载装置101以及数据采集系统；

参看图1，模型箱，其由至少1个分层模型箱113和模型箱箱底112组成，每一个分层模型箱113可单独与模型箱箱底112组成一个模型箱，在本实施例中的模型箱，其由五个空心的分层模型箱113和一个实心的模型箱箱底112组成，所用材料优选为为有机玻璃，方便观察箱内土体和桩体试验现象。而分层模型箱113如图3所示，为由一块模型箱内地基土301和四块实心有机玻璃箱壁111的长方体，在每块实心有机玻璃箱壁111上开设有两个横穿实心有机玻璃箱壁111的螺栓连接钻孔304，单个分层模型箱113共有8个螺栓连接钻孔304，通过在螺栓连接钻孔304锁入固定模型箱用的螺栓109以将多个分层模型箱113组装连接。进一步的，每个分层模型箱113上下的有机玻璃表面都涂一层均匀的密封防水乳胶膜302，用于避免组装完的模型箱漏水。而且分层模型箱113，可以灵活的根据要求制备不同深度土层的压实度，含水率等特点，通过确认每个分层模型箱113内土层的性能参数，包括土的物理力学特性，压实度，含水率，弹性模量等参数来分别完成每个模型箱单层内的土样制备。例如单独预先制备软弱土层110，并将含有软弱土层110的单个分层模型箱113置于拟研究的土层深度，以达到研究软弱夹层桩基试验的目的。

继续参看图1，本实用新型的试验桩测试装置，其设置在模型箱中，由试验桩102和布置在试验桩102内侧及外侧的检测传感装置组成；其中检测传感装置，包括在试验桩上对称铺设的两条分布式串联的光纤、在每根光纤上间隔1.5米距离设置的光纤光栅应变片103、同时在每根光纤上安装具体安装在实验桩102的中间位置的一个光纤光栅温度补偿计104、桩底对称安装的四个用于测试桩底土压力的桩底土压力盒107、以及桩周两侧对称埋置两组双向土压力盒105和孔隙水压力计106。其中，光纤光栅温度补偿计104用于消除温度对光纤光栅应变片测量应变的误差影响，以校正光纤光栅应变片的读数；本实用新型的检测传感装置采用了光纤光栅应变片、光纤光栅温度补偿计、桩底土压力盒、双向土压力盒和孔隙水压力计多种多面的分布式的测试手段，并利用了光纤光栅应变片和光纤光栅温度补偿计质量轻，体积小，灵敏度高，抗电磁干扰等特点，使得本实用新型能够实时，全面的桩基受力变形规律，提高了测量的准确度和周全性。

作为本实用新型的另一个改进双气压膜加载装置101如图2所示，其设置在试验桩测试装置上方，用于向试验桩102进行荷载加载；其中，双气压膜加载装置101其从上至下由圆柱状正作用气压膜201、与圆柱状正作用气压膜201相连接的压力作用板202、其上端与压力作用板202相连接的压力传递杆204、包覆在压力传递杆204外侧并紧贴压力作用板202的环状负作用气压膜203、与压力传递杆204下端连接的球铰支座206和与球铰支座206相连接的桩帽207组成，其中，桩帽207的上端面上设置有位移计205，桩帽207下端与试验桩102连接。本实用新型采用这种结构，可以通过在两个气压膜中分别加载正气压和负气压，正气压和负气压产生的压力差施加于压力作用板，并通过压力传递杆和球铰支座均匀地加载与桩帽上，达到竖向加载的试验目的。采用这种方法，在加载正气压和负气压时可以通过控制真空泵209，与均匀缓慢的进行充气或抽气，优选两个真空泵分别正作用气压膜和负作用气压膜连接，一方面缓慢均衡加载装置的加载力度，另一方面可灵活适应任意方向的转角要求，且在双漏斗形状的球铰支座206与压力传递杆204(压力传递杆204优选设置在球铰支座206正中心上方)及桩帽207的相互作用下，有效减少了震动，而且避免出现力的缩颈现象，使得双气压膜加载时作用在压力板202、球铰支座206等上、下结结构的反力比较均匀，并克服了传统的现场荷载试验方法中采用重力试块引起的施工机械需求，占用大面积施工空间，作业周期长，以及施工反力桩造成的资源浪费等问题。

应用本实用新型的采用双气压膜竖向加载的分层式桩基试验装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一，制备分层模型箱土样，组装模型箱；

具体是，在步骤1中，包括如下同时步骤内容：

a、根据研究目的和实验要求，确认每层模型箱内土层包括物理力学特性、压实度、含水率、弹性模量在内的制备试验要求；尤其要对软弱土层进行测试是，可以预先制备软弱土层，并将含有软弱土层的模型箱单层置于拟研究的深度，达到研究软弱夹层桩基试验的目的；

b、根据设定的潜在软弱土层的要求，分别完成每个分层模型箱内的土样制备，每个分层模型箱土样中各埋置1组双向土压力盒105和孔隙水压力计106，用于测量桩基加载过程中荷载通过桩土结构相互作用在周围地基土中的传播规律；

c、将实心的模型箱底座112平方于地面上，将分层模型箱按土样制备的设计要求，从下至上依依对齐于模型箱箱底112，然后把8根固定模型箱用的螺栓锁入螺栓连接钻孔304至模型箱箱底112，拧紧螺帽108，完成模型箱组装；

步骤二，在试验桩中布置安装试验桩测试装置，采用灌入法将试验桩贯入模型箱的地基土中；

具体在步骤二中，先将光纤、光纤光栅应变片103和光纤光栅温度补偿计104装入试验桩102中，在试验桩102底部呈十字安装4个桩底土压力盒107，采用灌入法将安装布置好检测试验装置的试验桩102贯入模型箱的地基土中；

步骤三，安装双气压膜加载装置，并将试验桩测试装置与数据采集系统连接，调试系统，记录初始读数；

步骤四，加载试验并实时监测，完成测试。

具体在步骤四中，先启动两个真空泵209，分别向圆柱状正作用气压膜201和环状负作用气压膜203内施加所需气压，两个气压膜产生的气压差作用于压力作用板202上，气压压力差通过压力传递杆204向下方的桩帽207传递，桩帽207上方的球铰支座206让荷载传递分布均匀，同时，桩帽207上端面的位移计205实时记录桩顶沉降；与此同时，数据采集系统实时采集光纤光栅应变片，光纤光栅温度补偿计104、孔隙水压力计106双向土压力盒105、桩底土压力盒107的传感的数据，直至达到桩基极限承载力，结束测试。

综上所述，本实用新型的桩基试验装置具有轻便的，简易的，高量程的，高精度的，经济合理的等优点，而且采用双气压膜竖向加载方式和分层式桩基试验结构，克服了传统的现场荷载试验方法中采用重力试块引起的施工机械需求，占用大面积施工空间，作业周期长，以及施工反力桩造成的资源浪费等问题。

本实用新型中采用了光纤光栅传感器测试手段，利用了光纤光栅传感器(光纤光栅应变片、光纤光栅温度补偿计等)质量轻，体积小，灵敏度高，抗电磁干扰等特点，可得到实时，全面的桩基受力变形规律。克服了传统测量技术如振弦式钢筋应力计，电阻应变片等传统方式不连续，不实时，低精度的缺陷。此外采用光纤光栅温度补偿计对光纤光栅应变片的测量数据进行补偿，克服了光纤光栅的温度作用对应变测量误差的影响。

在模型桩试验方案设计中，增加了地基土的土压力测试与孔隙水压力测试，解决了传统的单一的对桩基变形受力监测并不能完整的反映出荷载在土中的传递规律的问题。

传统模型桩地基土的制样方法是一个模型箱整体地基土压实制样，不能实现对于特定深度软弱夹层土的制样控制，而本实用新型中，由于模型箱的制样是分层分别制土样，因此可以预先制备软弱土层，并将含有软弱土层的模型箱单层置于拟研究的深度，达到准确，科学的研究软弱夹层桩基试验的目的。

前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。