一种足尺桩径的桩‑土相互作用的试验装置的制作方法

本发明涉及一种桩-土相互作用试验装置，尤其是涉及一种足尺桩径的桩-土相互作用的试验装置。

背景技术：

桩基础以其承载力大、稳定性好、沉降小、能适应各种地质条件和荷载情况等特点广泛应用高层建筑、铁路桥梁、核电站、大型动力机械基础、码头和海洋平台等基础工程中。特别是当上部结构的荷载复杂而巨大，而浅部土层状态不佳时，桩基础更成为设计师的首要考虑对象。但是由于桩-土及上部荷载的不同导致桩-土力学行为的复杂性，目前仍有很多问题没有得到彻底解决。因此，室内桩-土物理模型试验是研究桩-土相互作用的最有效最可靠的方法。国内外已开展的相关试验主要分为两种类型：一种是室内按比例缩尺模型，一种是现场足尺试验。室内按比例缩尺模型试验，尺寸较小，试验材料可操作性和装置性较强，获得的可供分析的数据较为完整和全面，但因尺寸太小无法与真实的桩-土之间的相互作用相差较多。现场足尺试验一般为工程类试桩，但受成本高、试验周期长、影响参数难以控制及试验场地条件等问题限制，难以对土-桩相互动力作用进行装置研究，因此研究出一种既能最大程度的模拟足尺又能节约成本的桩土相互作用的试验装置就显的非常有必要。

目前，在桩-土相互作用研究领域，模拟足尺模型的试验装置和试验方法来测试桩-土动力相互作用的相关参数很少，主要是各种的缩尺桩土模型，如胜利石油管理局钻井工艺研究院沈琛等人发明专利“桩土作用室内试验装置”(cn1566924a)、河海大学刘平等人的发明专利“一种桩土接触面力学特性测试装置和测试方”(cn102628767a)，还有用于海洋工程的相关专利，如上海交通大学吕豪杰等人的发明专利“波浪荷载下桩土模拟装置及方法”(cn106404567a)、中国海洋石油总公司的姜伟等人的专利“一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置”(cn101592588a)、重庆科技学院苏堪华等人的专利“模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装”(cn202442878u)及浙江海洋学院的张心等人的专利“一种自升式平台桩土相互作用试验装置”(cn204359543u)。此类装置与方法，施加的静载较多，分别对土体和桩体施加不同的类型的荷载较少。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种足尺桩径的桩-土相互作用的试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种足尺桩径的桩-土相互作用的试验装置，该装置包括模型箱支架、模型箱、预制桩、弹簧组件、加载单元和数据采集单元，所述的模型箱固定于模型箱支架上，所述的模型箱内设有试验土体，所述预制桩垂直于模型箱底面埋设于试验土体中，所述的模型箱底面和模型箱支架顶面对应于安装预制桩位置处设有与预制桩大小匹配的开孔，预制桩在所述的开孔内上下运动，所述的弹簧组件设置在预制桩底部并与预制桩底面连接，所述的加载单元作用于模型箱中试验土体和预制桩上表面，所述的数据采集单元用于采集表征桩-土相互作用的相关数据；

加载单元对模型箱中的试验土体和预制桩加载，数据采集单元获取加载过程中的相关数据。

所述的加载单元包括加载板、加载杆、液压箱和液压控制组件，所述的加载板设置在模型箱中试验土体和预制桩上表面，所述的加载杆垂直于加载板上表面设置多个，加载杆下端接触加载板上表面，所述的液压箱通过液压管连接加载杆，所述的液压控制组件连接液压箱和加载杆。

所述的液压控制组件包括电动机、电磁阀、液压力传感器和动力控制箱，所述的液压箱通过电磁阀连接液压管，所述的液压管连接至加载杆，所述的液压力传感器连接加载杆和动力控制箱，所述的动力控制箱还连接液压箱，所述的电动机连接液压箱和动力控制箱。

所述的加载板包括桩体加载板和土体加载板，所述的桩体加载板形状和大小与所述的预制桩相匹配，所述的桩体加载板设置在预制桩上表面上，所述的土体加载板覆盖在试验土体上表面。

所述的加载杆通过反力架悬挂于加载板上表面，所述的反力架固定于模型箱支架上。

所述的反力架为门字型结构，门字型反力架横梁上设有用于安装加载杆的安装孔，所述的加载杆穿过安装孔进行悬挂设置，且加载杆下端置于加载板上表面。

所述的弹簧组件包括弹簧顶板、弹簧和膨胀螺栓，所述的弹簧设置多个，弹簧下端通过膨胀螺栓连接地面，弹簧上端连接弹簧顶板，所述的弹簧顶板形状和大小与模型箱底面开孔大小匹配，所述的弹簧顶板在所述的开孔内上下运动；

在模型箱中埋设预制桩后，所述的预制桩接触弹簧顶板，加载单元进行加载后，预制桩和弹簧顶板随弹簧上下运动。

所述的数据采集单元包括传感器以及对应连接的传感器采集仪，所述的传感器包括应变片、位移传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器，所述的应变片贴于预制桩内壁，所述的位移传感器设置在模型箱中试验土体和预制桩表面，所述的土压力传感器和孔隙水压力传感器埋设在试验土体中。

所述的模型箱为上方开口的四方体结构，模型箱的四个侧面分别设有多个排水阀门。

所述的模型箱内壁设有一层砂砾层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明为足尺桩径的桩-土相互作用模型试验装置，桩体位于弹簧组件的上端，能随着上部的加载在一定的范围移动，能最大程度的模拟足尺桩体之内的变化，也可以根据上部加载的不同和弹簧组的不同模拟不同深度的桩土相互作用，通过加载单元对测试单元中的预制桩和试验土体分别施加动静荷载，同时开启数据采集单元，通过传感器测量加载过程中预制桩的应力变化以及预制桩周围土体总的沉降量、土压力及孔隙水压力三个参数，从而分析不同形式荷载下不同土体地基中桩的荷载传递特点、桩侧摩阻力和桩端阻力的变化以及桩周土在阻止桩体变化时受到的强度和刚度上的损失；

(2)本发明加载板包括桩体加载板和土体加载板，改变传统只采用一块加载板的方式，从而可分别对桩体和土体进行加载，也可以对桩体和土体同时加载，实现多种加载情况下桩-土之间的相互作用的测试分析，应用范围广泛；

(3)本发明加载单元采用液压加载的方式，可以通过液压控制组件对加载大小进行实时控制和调节，可施加静荷载也可以施加动荷载，可以分析动静施加荷载过程中桩-土之间的相互作用；

(4)本发明弹簧组件中弹簧根据实际试验所需定制弹簧钢度、中径、有效匝数及伸缩长度，弹簧的个数根据所需确定，施加荷载时，桩体随弹簧运动，能最大程度的模拟足尺桩体之内的变化；

(5)本发明数据采集单元能实时监测和采集加载过程中桩的应力变化数据及土体中孔压、土体及土体总的沉降量，省时省力；

(6)本发明模型箱的四个侧面设置的排水阀门可以根据需要进行打开和关闭，如加载时为排水模式则进行加载时开启排水阀门，如加载时为不排水模式则进行加载时关闭排水阀门，进一步实现多种加载情况下桩-土之间的相互作用的测试分析；

(7)本发明在模型箱内壁设置砂砾层能够最大限度的减弱模型箱与试验土体的边壁效应，进而在实用该试验装置进行试验时提高试验结构的准确性。

附图说明

图1为本发明足尺桩径的桩-土相互作用的试验装置的结构示意图；

图2为实施例中传感器的安装结构示意图。

图中，1为模型箱支架，2为弹簧，3为模型箱，4为排水阀门，5为电脑，6为土体加载板，7为加载杆，8为搭板，9为反力架，10为应变片采集仪，11为压力采集仪，12为位移采集仪，13为应变片，14为位移传感器，15为压力传感器，16为液压力传感器，17为液压管，18为电动机，19为动力控制箱，20为液压箱，21为电磁阀，22为桩体加载板，23为预制桩，24为弹簧顶板，25为膨胀螺栓，d1、d2和d3为位移传感器，s1-1、s2-1、s3-1、s4-1、s5-1、s6-1、s1-2、s2-2、s3-2、s4-2、s5-2和s6-2为应变片，p1-1、p2-1、p3-1、p4-1、p5-1、p6-1、p1-2、p2-2、p3-2、p4-2、p5-2、p6-2、p1-3、p2-3、p3-3、p4-3、p5-3、p6-3、p1-4、p2-4、p3-4、p4-4、p5-4和p6-4为孔隙水压力传感器，e1-1、e2-1、e3-1、e4-1、e5-1、e6-1、e1-2、e2-2、e3-2、e4-2、e5-2、e6-2、e1-3、e2-3、e3-3、e4-3、e5-3、e6-3、e1-4、e2-4、e3-4、e4-4、e5-4和e6-4为土压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种足尺桩径的桩-土相互作用的试验装置，该装置包括模型箱支架1、模型箱3、预制桩23、弹簧组件、加载单元和数据采集单元，模型箱3固定于模型箱支架1上，模型箱3内设有试验土体，所述预制桩23垂直于模型箱3底面埋设于试验土体中，模型箱3底面和模型箱支架1顶面对应于安装预制桩23位置处设有与预制桩23大小匹配的开孔，此处开孔略大于预制桩23直径大小，预制桩23在开孔内上下运动，弹簧组件设置在预制桩23底部并与预制桩23底面连接，加载单元作用于模型箱3中试验土体和预制桩23上表面，数据采集单元用于采集表征桩-土相互作用的相关数据；加载单元对模型箱3中的试验土体和预制桩23加载，数据采集单元获取加载过程中的相关数据。

加载单元包括加载板、加载杆7、液压箱20和液压控制组件，加载板设置在模型箱3中试验土体和预制桩23上表面，加载杆7垂直于加载板上表面设置多个，加载杆7下端接触加载板上表面，液压箱20通过液压管17连接加载杆7，液压控制组件连接液压箱20和加载杆7。

液压控制组件包括电动机18、电磁阀21、液压力传感器16和动力控制箱19，液压箱20通过电磁阀21连接液压管17，液压管17连接至加载杆7，液压力传感器16连接加载杆7和动力控制箱19，动力控制箱19还连接液压箱20，电动机18连接液压箱20和动力控制箱19。动力控制箱19通过液压传感器可以获得液压对土体和桩体的加载数据，从而动力控制箱19可以控制液压箱20的加载数据。

加载板包括桩体加载板22和土体加载板6，桩体加载板22形状和大小与预制桩23相匹配，桩体加载板22设置在预制桩23上表面上，土体加载板6覆盖在试验土体上表面。加载杆7通过反力架9悬挂于加载板上表面，反力架9固定于模型箱支架1上。反力架9为门字型结构，门字型反力架横梁上设有用于安装加载杆7的安装孔，加载杆7穿过安装孔进行悬挂设置，且加载杆7下端置于加载板上表面。

弹簧组件包括弹簧顶板24、弹簧2和膨胀螺栓25，弹簧2设置多个，弹簧2下端通过膨胀螺栓25连接地面，弹簧2上端连接弹簧顶板24，弹簧顶板24形状和大小与模型箱3底面开孔大小匹配，弹簧顶板24在开孔内上下运动；在模型箱3中埋设预制桩23后，预制桩23接触弹簧顶板24，加载单元进行加载后，预制桩23和弹簧顶板24随弹簧2上下运动。

数据采集单元包括传感器以及对应连接的传感器采集仪，传感器包括应变片13、位移传感器14和压力传感器15，对应地，各传感器分别对应连接应变片13采集仪10、位移采集仪12和压力采集仪11，最终应变片采集仪10、位移采集仪12和压力采集仪11均连接至电脑5对采集的数据进行统计。本发明中压力传感器15包括土压力传感器和孔隙水压力传感器，应变片13贴于预制桩23内壁，位移传感器14设置在模型箱3中试验土体表面，土压力传感器和孔隙水压力传感器埋设在试验土体中。如图2所示，本施实例中数据采集单元为静态采集采用dh-3816n静态应变测试分析装置和动态采集采用dh-3836n动态应变测试分析装置。数据采集单元对桩体和土体加载过程中的桩的应力变化及桩周土的压力和沉降量进行监测。

模型箱3为上方开口的四方体结构，模型箱3的四个侧面分别设有多个排水阀门4，模型箱3内壁设有一层砂砾层。

本实施例中，模型箱支架1高42cm，为梯形台状支撑铁架，主要作用支撑模型箱3。模型箱3长2m，高1.1m，上端开口，由钢板焊接而成，密封不漏水，模型箱3底部有一圆形口，本实例中圆口直径50.5cm，模型箱3的四个侧面设有5排排水口，每排7个排水口，排水口直径3cm。反力架9为门字型结构，反力架9的横梁两端通过搭板8与反力架9的侧杆相连，形成三角形支撑结构，使得反力架9更加稳固。反力架9由槽钢焊接而成，位于模型箱3的外侧，高1.5m，长2m，主要作用支撑加载杆7。模型箱3土中埋的预制桩23为钢筋混凝土预制管桩，桩径0.5m，管壁厚10cm，桩长1m，重327kg，模型箱3中的试验土体为某工程场地的粉质黏土。弹簧顶板24直径为50.5cm，下端的弹簧2组包括6个弹簧2，弹簧2高度20cm，弹簧2中径5cm、有效匝数18个及伸缩长度10cm，刚度为100n/mm。6个弹簧2下端通过螺母与固定在水泥地面的膨胀螺栓25固定一起，弹簧2组顶板与土中埋设的预制桩23直接接触。

采用上述足尺桩径的桩-土相互作用的试验装置进行试验测试的整个过程包括以下具体步骤：

(1)搭建桩-土相互作用的模型试验装置，具体是模型箱3、模型箱支架1和模型箱3外侧的反力架9的安装，为了模型箱3中的预制桩23下面弹簧组件的安装和拆卸方便，在模型箱3的下方布设一个模型箱支架1，该模型箱支架1为一个高42cm的梯形支撑铁架，为了最大限度的减弱模型箱3与试验土体的边壁效应，利用玻璃胶将模型箱3的内壁粘上一层厚2～3mm的砂砾层。

(2)把定制好的弹簧组件安装好，再把预制好的钢筋混凝土管桩放在弹簧顶板24上，将钢筋混凝土管桩固定于反力架9横梁上保证钢筋混凝土管桩处于垂直位置；

(3)制备试验土体并将试验土体按照不同土层的设定厚度逐层铺设于模型箱3柱内的预制桩23的周围。试验用土为研究区域的扰动土体，为了保持待测量试验土体含水率保持不变，利用有塑料内衬的编织袋从野外运回的新鲜扰动土以备试验。根据模型设计的土层厚度逐层铺设。本实例土体都为粉质黏土，将试验用土制成小于2mm的颗粒，称取所需土的质量，每5cm一层均匀摊铺在模型箱33中，用木板刮平，然后再用抹子轻轻压平，击实至试验要求高度，将表面刨毛，确保土层在同一水平面上，再洒少量的水湿润，然后再逐层加土料，击实直至完成最后一层土。

(4)在步骤(3)中铺设试验土体过程中，在试验土体的不同层位埋设土压力传感器和孔隙水压力传感器，在预制桩23的内壁不同部位贴应变片13，在土层表层埋设沉降标尺、位移传感器14，将沉降标尺连接位移传感器14，同时将土压力传感器、孔隙水压力传感器、位移传感器14及桩体上的应变片13连接至对应的传感器采集仪；本实例中具体的沉降标尺、位移传感器14、压力传感器15和应变片13的埋设位置如图2所示，位移传感器14位于土体和桩体的顶端；为了测得桩端阻力，应变片13从桩端底部开始，20cm布设一层；为了测得桩体施加动荷载过程中桩周土的变化，传感器从距离模型箱3底部5cm处开始布设，共6层，最下面一层间距15cm，中间4层层间距20cm，最上面一层的层间距15cm。图2中，d开头为位移传感器14，s开头为应变片13，p开头的为孔隙水压力传感器，e开头的为土压力传感器。

(5)试验开始前对土体进行固结后再开始对桩体和土体加载及相关参数的测量：开启电脑5调试运行，开启动力加载单元，土体施加静载，对桩体施加动载，也可对土体和桩体都施加静荷，如加载时为排水模式开启模型箱3侧面的排水口的排水阀门4，如加载时为不排水模式，进行加载时关闭排水阀门4。数据采集单元实时获取土层及桩体上端位移传感器14及土层中不同层位的土压力传感器和孔隙水压力传感器测量得到的对应的沉降量、土压力和孔隙水压力，同时数据采集单元对桩体上粘贴的应变片13量测得到对应的应变、应力，同时数据采集单元对数据进行分析处理。