一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验装置及方法与流程

本发明属于岩土工程领域，尤其涉及一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验装置及方法。

背景技术：

桩基负摩阻力广泛存在于桩基础中，近年来软土地区由于桩基因负摩阻力而受损的事故不少，所以桩的负摩阻力已经成为桩基础研究中的热点问题之一。土的固结沉降和和地面堆载会使得桩基础周边的土体沉降，当其桩周土体的沉降大于桩的沉降时，就会产生负摩阻力。桩侧负摩阻力和正摩阻力的转换点，即桩-土相对位移为0处，就是桩的中性点位置。对桩的负摩阻力的分析和计算是桩基础设计中的很关键的环节，而中性点的深度和位置则是确定桩负摩阻力大小的重要参数。

人工合成透明土材料的发展使得透明土在岩土工程试验领域也广泛应用。人工合成透明土由透明土颗粒和具有相应折射率的孔隙流体组成，光线在其中没有发生折射就可以穿过，所以是透明的。许多学者和科研人员将混合油或者溴化钙溶液作为孔隙液体，将融熔石英，硅胶等材料作为土颗粒，配制出了透明度高，且物理性质砂土非常接近的“透明土”。这就为观测土体内部变形或者渗流的可视化观测创造了条件。

现有桩基础规范中给出的确定桩中性点位置用的经验方法在许多实际工程中偏差较大；对于桩周土和桩在受到堆载等影响时的位移场研究较少；常规的研究桩负摩阻力的试验对于中性点位置的确定多采用插入式测试方法，但是土压力计和轴力计等带来的误差不可控制，且无法直接得到在桩与土的整体变形和沉降规律，不够清晰与直观。因此开展相应的对于桩受负摩阻力时的中性点位置的试验就具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了修正已给规范中对于中性点位置确定的经验方法，克服常规试验不够直观、插入式测试方法误差不可控等缺陷，本发明提供一种可用于模拟地面堆载情况下桩负摩阻力中性点变化的试验装置及方法，该装置可控制荷载大小、地面沉降量、地面沉降速率，土层渗透性，通过有色砂砾和桩侧标记得到桩周土不同深度的沉降和桩-土相对位移以确定中性点位置变化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验装置，该装置包括圆柱形模型箱、地面加载系统、图像采集系统以及数据处理系统；所述圆柱形模型箱包括圆形底座和固定在圆形底座上的圆柱形透明玻璃侧壁；所述圆柱形透明玻璃侧壁底部设有排水孔；所述圆柱形模型箱内填筑透明土，在透明土的不同深度埋设对称布置的有色砂砾，圆柱形模型箱的正中间设置插入透明土的模型试验桩；

所述地面加载系统包括支架、反力梁、分配梁、电液伺服加载系统以及覆盖在透明土上的加载板，所述加载板中心开有与模型试验桩尺寸匹配的通孔；所述反力梁水平固定在支架上；所述电液伺服加载系统上抵反力梁，下接分配梁，将力传递给分配梁；所述分配梁下抵加载板，将力传递给加载板，模拟堆载；

所述图像采集系统采集模型试验桩和有色砂砾在堆载情况下的位移变化情况，传入数据处理系统进行分析。

进一步地，所述模型试验桩由有机PC管制成；所述透明土由石英砂和混合油配置而成

进一步地，所述电液伺服加载系统的加载方式包括控制位移和控制荷载。

进一步地，所述反力梁通过螺栓固定在支架上，能够通过螺栓调节高度。

进一步地，所述加载板采用高刚度的有机玻璃板，保证透明土受到均匀荷载。

进一步地，所述排水孔配设有不同渗透系数的活塞，以改变其排水条件。

进一步地，不需要任何插入式测试仪器，通过有色砂砾和模型试验桩的变形和位移，即可分析出中性点位置。

一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验方法，该方法包括以下步骤：

第一步：在圆柱形透明玻璃侧壁外进行高度的标定；将反力梁升高到合适作业的位置；将图像采集系统布置在圆柱形模型箱外侧，并与数据处理系统相连接；

第二步：在模型箱内配置透明土，在模型试验桩外壁沿深度方向等间距做若干点记号，以便观测桩身不同位置的沉降，将模型试验桩预埋至设计的深度，桩头稍稍高出透明土，保证加载板能够套入桩头，同时在模型试验桩的两侧沿着深度方向将透明土等分若干层，在每层同样高度对称布置有色砂砾，用以反映透明土的沉降；

第三步：盖上加载板，利用图像采集系统记录初始图像，传送至数据处理系统进行初始的沉降和变形的标定；根据不同的试验要求选取不同渗透系数的活塞，堵住排水孔模拟排水条件；通过电液伺服加载系统根据不同的试验要求，分别控制荷载和位移进行加载；进行荷载控制时采用分级加载的原则，合理划分加载级数，每级荷载下直到土体沉降稳定后再进行下一级加载；进行位移控制时可取不同的加载速率进行加载；

第四步：加载过程中通过图像采集系统采集有色砂砾和模型试验桩的变形和位移，传输至数据处理系统；

第五步：通过改变荷载、位移、活塞的渗透系数进行多次试验得到多组图像信息，导入数据处理系统；根据最初标定的数值，读出每一个有色砂砾的沉降，根据这些砂砾的读数进行沉降曲线的拟合，即可得到桩周土体的位移场；统计每层透明土的有色砂砾沉降数值，取平均值作为该层土的沉降量，再统计桩身所有标记处的沉降量，两者通过线性内插法进行对比，找出沉降量相同处即为中性点位置，再进行动态分析，可得其中性点变化情况和规律。

进一步地，所述图像采集系统包括至少两台布置在圆柱形模型箱外侧的高清数码摄像机。

本发明的有益效果是：

1、本发明中利用有色砂砾置于透明土中作为土体的沉降的观测对象，能从装置外直接观看到桩周土受堆载时土层的沉降，对照标定在圆柱形玻璃上的高度刻度，能够直观地进行定性分析。

2、本发明中对于中性点位置的确认是通过有色砂砾和桩的相对位移来判断的，通过图像处理装置和数据采集系统进行定量分析，没有任何插入式试验装置如土压力计，轴力计等，大大简化了操作且误差更小。

3、本发明中模型试验桩的材质和表面粗糙度可自己调节，有机PC管表面通过砂纸的打磨形成粗糙度不同的接触面。

4、本发明中电液伺服加载系统可以控制荷载、位移和加载速率，可以模拟不同的堆载条件下的情况。

5、本发明中利用不同渗透性的活塞可以控制土的排水条件。

附图说明

图1为实验装置侧视图以及有色砂砾沿高度布置图；

图2为有色砂砾布置俯视图；

图3为排水孔洞和活塞图；

图中：圆形底座1；透明土2；圆柱形透明玻璃侧壁3；加载板4；模型试验桩5；有色砂砾6；支架7；反力梁8；螺栓9；分配梁10；电液伺服加载系统11；排水孔12；图像采集系统13；数据处理系统14；活塞15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，本发明的目的和效果将更加明显。

如图1-3所示，本发明提供的一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验装置，该装置包括圆柱形模型箱、地面加载系统、图像采集系统以及数据处理系统；

所述圆柱形模型箱包括圆形底座1和固定在圆形底座1上的圆柱形透明玻璃侧壁3；圆柱形透明玻璃侧壁3底部设有排水孔12；圆柱形模型箱内填筑透明土2，在透明土2的不同深度埋设对称布置的有色砂砾6，圆柱形模型箱的正中间设置插入透明土2的模型试验桩5；

所述地面加载系统包括支架7、反力梁8、分配梁10、电液伺服加载系统11以及覆盖在透明土2上的加载板4，加载板4中心开有与模型试验桩5尺寸匹配的通孔；反力梁8水平固定在支架7上；电液伺服加载系统11上抵反力梁8，下接分配梁10，将力传递给分配梁10；所述分配梁10下抵加载板4，将力传递给加载板4，模拟堆载；

所述图像采集系统13采集模型试验桩5和有色砂砾6在堆载情况下的位移变化情况，传入数据处理系统14进行分析；

模型试验桩5由有机PC管制成；透明土2由石英砂和混合油配置而成；电液伺服加载系统11的加载方式包括控制位移和控制荷载；反力梁8通过螺栓9固定在支架7上，能够通过螺栓9调节高度；加载板4采用高刚度的有机玻璃板，保证透明土2受到均匀荷载；排水孔12配设有不同渗透系数的活塞15，以改变其排水条件。

一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验方法，该方法包括以下步骤：

第一步：在圆柱形透明玻璃侧壁3外进行高度的标定；将反力梁8升高到合适作业的位置；将图像采集系统13由两个高清数码摄像机构成，与模型箱呈90度放置在模型箱外侧，并与数据处理系统14相连接，以便记录整个加载过程桩和土的变化；

第二步：关闭排水口，在模型箱内配置透明土2，根据不同的需要可以配置不同性质的透明土2。先将白油温度调整到约30度，与少量正十二烷混合，将其灌入模型箱中适当高度，然后迅速加入适当级配的石英砂颗粒，边倒入边均匀搅拌，使其混合均匀且排出透明土2中的空气。配置过程中，在模型试验桩5的两侧，沿着深度的方向将透明土2等分为10层，每层按照对称布置20处有色砂砾6；

第三步：模型试验桩5采用的是透明的有机PC管，由于PC管外壁过于光滑，用强力砂纸进行打磨其外壁使其接近真实桩壁；在模型试验桩5外壁沿深度方向等间距做15点记号，以便观测桩身不同位置的沉降；将模型试验桩5预埋至设计的深度，桩头稍稍高出透明土2，保证加载板4能够套入桩头；

第四步：盖上加载板4，利用图像采集系统13记录初始图像，传送至数据处理系统14进行初始的沉降和变形的标定；根据不同的试验要求选取不同渗透系数的活塞15，堵住排水孔12模拟排水条件；根据不同的试验要求通过电液伺服加载系统11分别控制荷载和位移进行加载；进行荷载控制时采用分级加载的原则，合理划分加载级数，每级荷载下直到土体沉降稳定后再进行下一级加载；进行位移控制时可取不同的加载速率进行加载；

第五步：加载过程中通过图像采集系统13采集有色砂砾6和模型试验桩5的变形和位移，传输至数据处理系统14；

第六步：通过改变荷载、位移、活塞15的渗透系数进行多次试验得到多组图像信息，导入数据处理系统14；根据最初标定的数值，读出每一个有色砂砾6的沉降，根据这些砂砾的读数进行沉降曲线的拟合，即可得到桩周土体的位移场；统计每层透明土2的20处有色砂砾6沉降，取平均值作为该层土的沉降量，再统计桩身所有标记处的沉降量，两者通过线性内插法进行对比，找出沉降量相同处即为中性点位置，再进行动态分析，可得其中性点变化情况和规律。

以上所述的实施实例只是本发明的一种较佳方案，然而并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。