一种测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置及方法
【专利摘要】本发明公开了测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置及方法，该试验装置包括管桩模型试验箱、监测系统和加载机构，所述管桩模型试验箱包括箱体、设置在箱体内的管桩、土体和水泥浆；所述管桩底部设置有支承部；所述监测系统包括设置在管桩上部的位移传感器、设置在加载机构上的压力传感器、以及设置在所述管桩外表面的一排或一排以上的应变花组；所述应变花组沿所述管桩圆周方向均匀分布；所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自动记录仪。本发明通过对混凝土管桩模型测试，能较真实地反映实际工程中混凝土管桩的受力和变形机理，测试结果更加准确、可靠、离散性小，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。
【专利说明】一种测试管粧与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土木工程试验装置【技术领域】，具体涉及一种测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]结构与注浆岩土土体之间力学特性研究是岩土工程领域的重要课题之一，是解决结构与注浆土体之间相互作用的前提。传统试验装置:单剪仪、直剪仪、扭剪仪和循环加载剪切仪等，均人为假定结构与土的接触界面为破坏面，而实际上结构与土界面剪切破坏时界面剪切强度可能高于土体本身的剪切强度，使得剪切破坏面发生在土体内部。针对结构与周围包裹的水泥注浆土体而言，通常水泥浆与结构的粘结强度要高于普通的注浆土体强度，剪切破坏面将发生在注浆土体内部，形成一个具有一定厚度的剪切破坏带。因此，现有的剪切试验装置难以真实、准确地测定和观测分析结构与注浆土体之间的剪切特性。
[0003]管桩是高层建筑物的常用基础形式，主要用作建筑物的抗压、抗拔和抗水平力等。采用大直径随钻跟管钻机(专利号:21 200820158894.7)施工的管桩，管壁外侧灌注水泥浆(钻孔直径较管桩直径大40?100^)以提高管桩的侧摩阻力，然而，管桩与其桩周注浆土体的剪切、错动、和脱开等非连续变形破坏问题，尚缺乏深入系统的研究。主要原因是目前的结构与土的剪切试验设备大部分是平面上的，少有关于弧面的剪切试验研究，尺寸一般也较小，无法模拟结构与注浆土体在单调加载或者循环加载条件下的实际力学行为。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有试验设备测试精度不高，针对性不强，取样不可靠，试验结果离散性大的技术问题，提供一种操作简便、测试准确、样本接近工程实际的测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置及方法。
[0005]为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的:
[0006]本发明所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，包括管桩模型试验箱、加载机构和监测系统，所述管桩模型试验箱包括箱体、设置在箱体内的管桩、用于填充箱体的土体、设置在管桩外圆周上的水泥浆；所述管桩底部设置有支承部；
[0007]所述监测系统包括设置在管桩上部的位移传感器、设置在加载机构上的压力传感器、以及设置在所述管桩外表面的一排或一排以上的应变花组；所述应变花组沿所述管桩圆周方向均勻分布；
[0008]所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自动记录仪。
[0009]进一步地，所述支承部为压缩板或塑料泡沫板，在制作模型箱时，为管桩提供竖向承载力，在试验时能产生较大的压缩变形，使得管桩在尽可能理想的状态下测试其与注浆土体之间的剪切情况。
[0010]进一步地，所述加载机构包括设置在所述管桩顶部的桩帽、船筏和水平放置于船筏上的主梁，所述船筏的数量为偶数且对称分布于管桩轴线的两侧，所述船筏与所述主梁活动连接，所述桩帽与主梁之间设置有千斤顶，所述千斤顶的轴心线与所述主梁的重心线相互重合。千斤顶为管桩施加压力，船筏和主梁为千斤顶提供反力，使得加载机构更稳定，施加的压力范围较大，适用范围广。
[0011]进一步地，所述船筏沿竖直方向设置有开口固定孔，所述主梁在背离船筏一侧设置有小梁，所述小梁上设置有与所述开口固定孔同轴的连接孔，贯穿所述开口固定孔和连接孔设置有螺栓，所述船筏和主梁通过所述小梁和螺栓活动连接。
[0012]进一步地，所述船筏上堆载有配重块。
[0013]进一步地，所述配重块为水泥砼块、钢块或沙袋。
[0014]进一步地，测试模型较小时，所述加载机构为压力试验机，方便操作，适用于小型模型试验。
[0015]一种测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验方法，其步骤包括:
[0016](I)将管桩放置在箱体内，并且在管桩底部放置支承部；
[0017](2)在管桩外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述管桩外表面贴有若干应变花；管桩顶部设置有位移传感器；
[0018](3)所述钢套筒的内径比所述管桩的外径大20mm?100mm，可根据试验研究的需要制作不同厚度的水泥注浆体；
[0019](4)用土体填充箱体，并且将土体夯实；
[0020](5)在管桩与钢套筒之间灌注水泥浆，并且一边灌注水泥浆一边拔出钢套筒，或在水泥浆初凝前拔出所述钢套筒；所述管桩与所述土体之间灌注特定水灰比的水泥浆，所述水泥浆的水灰比为0.4?1.0，针对砂土优选0.7 ；
[0021 ] (6)加载机构从上部通过承压板对管桩施加竖向压力，逐步增加压力，直到管桩与周围水泥注浆体之间发生剪切破坏；所述加载机构上设置有压力传感器；
[0022](7)记录所述应变花、位移传感器和压力传感器的数据。
[0023]进一步地，所述装有混凝土管桩的箱体在施加压力之前，需要多于28天的凝固时间。
[0024]进一步地，所述步骤(I)中的支承部为压缩板或塑料泡沫板。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0026]本发明通过对混凝土管桩模型测试，与现实中的混凝土管桩的仿真性好，测试结果更加准确、可靠、离散性小，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。
[0027]大型的管桩模型试验箱采用船筏和主梁为千斤顶提供反力，千斤顶对管桩施加压力，形成稳定的加载机构，而且施力范围大，适应的试验范围广。而小型的管桩模型试验箱采用压力试验机作为加载机构，方便操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]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:
[0029]图1是本发明所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置的管桩试验箱结构示意图；
[0030]图2是管桩模型试验箱的剖面示意图；
[0031]图3是管桩模型试验箱的箱体内部结构示意图；
[0032]图4是加载机构的俯视图；
[0033]图5是图4的1-1的剖面视图；
[0034]图6是图4的I1-1I的剖面视图；
[0035]图中:1-箱体，2- 土体，3-水泥衆，4-管桩，41-支承部，42-应变花，43-桩帽，5_船筏，6-主梁，7-小梁，71-螺栓，8-千斤顶，9-配重块。
【具体实施方式】
[0036]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。
[0037]实施例一
[0038]如图1?图6所示，本发明所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，包括管桩模型试验箱和加载机构，所述管桩模型试验箱包括箱体1、设置在箱体I内的管桩4、用于填充箱体I的土体2、设置在管桩外圆周上的水泥浆3，所述水泥浆的水灰比为0.6?0.8，针对砂土优选0.7。所述管桩4的底部设置有支承部41，所述支承部41由较易变形的材料制成，例如压缩板或塑料泡沫板，在制作管桩模型试验箱时，为管桩4提供支承力，在测试时，支承部容易变形，其对管桩4的剪切影响减小，使得管桩4在较为理想的状态下，测试静力剪切特性。
[0039]所述监测系统包括设置在管桩4上部的位移传感器、设置在加载机构上的压力传感器、以及设置在所述管桩4外表面的一排或一排以上的应变花组；所述应变花组沿所述管桩圆周方向均匀分布，所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花42，所述应变花为三轴应变花，所述应变花42连接有自动记录仪，所述自动记录仪用于接收和记录所述应变花42监测到的数据。
[0040]如图4?图6所示，所述加载机构包括设置在所述管桩4顶部的桩帽43、固定在管桩4顶部的船筏5和水平放置于船筏5上的主梁6，所述船筏5的数量为偶数且对称分布于管桩轴线的两侧，所述船筏5与所述主梁6活动连接，所述桩帽43与主梁6之间设置有千斤顶8，所述千斤顶8的轴心线与所述主梁6的重心线相互重合，所述千斤顶的底端上设置有压力传感器61。所述船筏5沿竖直方向设置有开口固定孔51，所述主梁6在背离船筏5 一侧设置有小梁7，所述小梁7上设置有与所述开口固定孔51同轴的连接孔，贯穿所述开口固定孔51和连接孔设置有螺栓71，所述船筏5和主梁6通过所述小梁7和螺栓71活动连接。所述船筏5上堆载有配重块9，所述配重块9可以是水泥砼块、钢块或沙袋。
[0041]所述桩帽43上设置有位移传感器，用于监测管桩4在千斤顶8的压力下的垂直位移情况。
[0042]本发明所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验方法，其步骤包括:
[0043](I)将管桩4放置在箱体I内，并且在管桩4底部放置支承部41 ；
[0044](2)在管桩4外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩4外表面之间预留用于灌注水泥浆3的空隙；所述管桩4外表面贴有若干应变花42 ;管桩4顶部设置有位移传感器；
[0045](3)所述钢套筒的内径比所述管桩的外径大20mm?100mm，可根据试验研究的需要制作不同厚度的水泥注浆体；
[0046](4)用土体2填充箱体I，并且将土体2夯实；
[0047](5)在管桩4与钢套筒之间灌注水泥浆3，并且一边灌注水泥浆3 —边拔出钢套筒，或在水泥浆3初凝前拔出所述钢套筒；所述管桩4与所述土体2之间灌注特定水灰比的水泥浆3，所述水泥浆的水灰比为0.4?1.0，针对砂土优选0.7 ；
[0048](6)将灌注了水泥浆3的箱体I静置28天以上，待其凝固；
[0049](7)在管桩4上设置桩帽43，将千斤顶8设置在桩帽43上；
[0050](8)通过小梁7与螺栓71的配合将主梁6与船筏5活动连接，并使得主梁6的重心线与千斤顶8的轴心线重合；
[0051](9)在船筏5上放置若干水泥砼块；在千斤顶8上设置压力传感器；
[0052](10)千斤顶8对桩帽43施加竖向压力，逐步增加压力，直到管桩4丧失承载能力，即管桩与水泥注浆、土体之间发生剪切破坏；
[0053](11)记录所述应变花、位移传感器和压力传感器的数据；作为试验分析的基础资料。
[0054]实施例二
[0055]本实施例所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其除了加载机构外，其它的结构和工作原理与实施例一相同，本实施例是针对小型的管桩模型试验箱的，所述加载机构为压力试验机，由于压力试验机的尺寸有限，其针对宽度小于60cm的管桩模型试验箱进行试验。
[0056]本实施例所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验方法，其步骤包括:
[0057](I)将管桩4放置在箱体I内，并且在管桩4底部放置支承部41 ；
[0058](2)在管桩4外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩4外表面之间预留用于灌注水泥浆3的空隙；所述管桩4外表面贴有若干应变花42 ;管桩4顶部设置有位移传感器；
[0059](3)所述钢套筒的内径比所述管桩的外径大20mm?100mm，可根据试验研究的需要制作不同厚度的水泥注浆体；
[0060](4)用土体2填充箱体1，并且将土体2夯实；
[0061](5)在管桩4与钢套筒之间灌注水泥浆3，并且一边灌注水泥浆3 —边拔出钢套筒，或在水泥浆3初凝前拔出所述钢套筒；所述管桩4与所述土体2之间灌注特定水灰比的水泥浆3，所述水泥浆的水灰比为0.4?1.0，针对砂土优选0.7 ；
[0062](6)将灌注了水泥浆3的箱体I静置28天以上，待其凝固；
[0063](7)在压力试验机上设置压力传感器，压力试验机对管桩4施加竖向压力，逐步增加压力，直到管桩4丧失承载能力，即管桩与水泥注浆、土体之间发生剪切破坏；
[0064](8)记录所述应变花、位移传感器和压力传感器的数据；作为试验分析的基础资料。
[0065]本实施例所述试试管桩与不同厚度注浆土体之间剪切变形破坏特性的试验装置的其它结构参见现有技术。
[0066]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。
【权利要求】
1.一种测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，包括管桩模型试验箱、监测系统和加载机构，其特征在于: 所述管桩模型试验箱包括箱体、设置在箱体内的管桩、用于填充箱体的土体、设置在管桩外圆周上的水泥浆；所述管桩底部设置有支承部； 所述监测系统包括设置在管桩上部的位移传感器、设置在加载机构上的压力传感器、以及设置在所述管桩外表面的一排或一排以上的应变花组；所述应变花组沿所述管桩圆周方向均匀分布； 所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自动记录仪。
2.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其特征在于:所述支承部为压缩板或塑料泡沫板。
3.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其特征在于:所述加载机构包括设置在所述管桩顶部的桩帽、船筏和水平放置于船筏上的主梁，所述船筏的数量为偶数且对称分布于管桩轴线的两侧，所述船筏与所述主梁活动连接，所述桩帽与主梁之间设置有千斤顶，所述千斤顶的轴心线与所述主梁的重心线相互重合。
4.根据权利要求3所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其特征在于:所述船筏沿竖直方向设置有开口固定孔，所述主梁在背离船筏一侧设置有小梁，所述小梁上设置有与所述开口固定孔同轴的连接孔，贯穿所述开口固定孔和连接孔设置有螺栓，所述船筏和主梁通过所述小梁和螺栓活动连接。
5.根据权利要求4所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其特征在于:所述船筏上堆载有配重块。
6.根据权利要求5所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其特征在于:所述配重块为水泥砼块、钢块或沙袋。
7.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的试验装置，其特征在于:所述加载机构为压力试验机。
8.—种测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的方法，其步骤包括: (1)将管桩放置在箱体内，并且在管桩底部放置支承部； (2)在管桩外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述管桩外表面贴有若干应变花；管桩顶部设置有位移传感器； (3)用土体填充箱体，并且将土体夯实； (4)在管桩外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述钢套筒的内径比所述管桩的外径大20mm?100mm，可根据试验研究的需要制作不同厚度的水泥注浆体； (5)在管桩与钢套筒之间灌注水泥浆，并且一边灌注水泥浆一边拔出钢套筒或在水泥浆初凝前拔出所述钢套筒； (6)加载机构从上部通过承压板对管桩施加竖向压力，逐步增加压力，直到管桩与周围水泥注浆体之间发生剪切破坏；所述加载机构上设置有压力传感器； (7)记录所述应变花、位移传感器和压力传感器的数据。
9.根据权利要求8所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的方法，其特征在于:所述装有混凝土管桩的箱体在加载机构施加压力之前，静置多于28天的凝固时间。
10.根据权利要求8所述测试管桩与注浆土体之间静力剪切特性的方法，其特征在于:所述步骤(I)中的支承部为压缩板或塑料泡沫板。
【文档编号】G01N3/24GK104374650SQ201410674906
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】唐孟雄, 戚玉亮, 胡贺松 申请人:广州市建筑科学研究院有限公司, 广州市建筑科学研究院新技术开发中心有限公司