研究桩‑土相互作用的组合式比例加载试验装置的制作方法

本实用新型属于土木工程领域，具体涉及一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置。

背景技术：

随着经济建设的快速发展，许多大型公共基础设施如桥梁、大型建筑物、高速铁路等建设需求越来越大，但这些公共基础设施因为安全、稳定等多方面的考虑对结构物的沉降和承载力的要求越来越高，桩基由于具有这方面的显著优势被大量应用于基础设施建设中，并取得了显著地成果。

但是对于桩基的研究发现：桩有时不仅直接承担竖向的荷载，而且还会承受侧向的荷载。常见的这类桩有坡体抗滑桩、堤岸护坡桩以及道路桥梁桩基等。这类桩的受力要比一般的桩复杂得多，这是因为桩在侧向力的作用下可能引起桩结构的侧向偏位，在竖向荷载及侧向荷载共同作用下桩头出现附加二阶弯矩，引发桩的压屈变形、破坏，减少桩基的使用寿命，甚至造成工程事故。因此，有必要对这类桩的力学规律进行研究分析。

对于研究桩在竖向、侧向或其组合受力状态下的力学响应规律来说，室内模型试验是目前研究桩基处治技术性能的常用手段之一。但已有的桩基试验装置都仅针对桩在单一荷载作用下的状态进行研究，无法对桩在不同受力状态或其组合受力下进行桩-土作用规律的室内模拟试验研究。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置及试验方法。本实用新型的试验装置可实现对不同状态下的试验桩分别或者同时进行竖向和水平向的加载，通过伺服动态控制加载分析系统研究桩身的应力-应变变化以及桩周土体的土压力或者孔隙水压力变化规律，并确定桩头位移与桩受力之间的关系。为以后桩的理论研究以及力学分析做出技术性指导。本实用新型结构简单合理、实用方便、稳定好、方便运输、组装以及存放、操作简单、数据处理方便、并且可循环使用的优点，适用范围更广。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置，包括竖向加载装置和横向加载装置，所述竖向加载装置与承台顶面连接，所述横向加载装置与承台侧面连接；所述承台底部与多个待测桩连接，所述待测桩外周填设土体。本实用新型中竖向加载装置和横向加载装置组合使用，在试验过程中方便模拟实际工程中桩的竖向以及侧向的复杂受力状态；横向加载装置和竖向加载装置通过承台将加载力传递给待测桩，从而研究桩基的桩-土之间的相互作用特性。

所述土体设置于试验箱内，所述试验箱包括由多个箱侧主体围成的定位空间；所述箱侧主体由多榀钢格板连接而成。

所述钢格板呈田字形，钢格板之间均通过连接件连接。

为防止试验用土从中间漏出，在所述钢格板的内侧设置有机玻璃板，用于限制土的移动防止其漏出。

优选的，所述承台顶面和侧面均设置自由加载板，承台顶面的自由加载板设置挂环与竖向加载装置连接，承台侧面的自由加载板设置挂环与横向加载装置连接。

所述待测桩沿桩体轴向均匀设置多个应变片，所述应变片与控制器连接。

根据试验的要求与目的，在所述土体内沿竖向均匀设置多个土压力计或孔隙水压力计。

所述竖向加载装置包括竖向液压装置，竖向液压装置的动作端与承台顶面连接。

所述竖向液压装置顶部与横向反力架连接，所述横向反力架两端固定于反力梁上。

所述竖向液压装置上设有竖向位移传感器。

所述横向加载装置包括横向液压装置，横向液压装置的动作端与承台侧面连接。

所述横向液压装置设置于反力板上，所述反力板固定于竖向反力架上。

所述横向液压装置上设有横向位移传感器。

一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据试验要求，确定试验装置的尺寸，组装试验装置；

步骤2：在待测桩侧部设置应变片，以设定桩间距在试验装置内安置待测桩；

步骤3：在待测桩外周填设土体，在土体内设定位置埋置土压力计或孔隙水压力计；

步骤4：将待测桩顶部与承台连接，竖向加载装置和横向加载装置以设定加载方式分别对承台施加竖向力和横向力；

步骤5：采集试验数据，进行处理分析，得到在不同受力状态下待测桩-土体相互作用力的变化规律。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型采用高强钢材料，强度及刚度较高，可满足试验加载的要求，并能长期使用；模型为组合式结构，安装、运输以及存放均可实现模块化，对于试验极具方便性，并可在试验结束后进行回收、重复利用，避免资源浪费，有效降低试验费用。

2、本实用新型试验模型装置的竖向以及侧向加载系统可进行组合使用，在试验过程中可方便的模拟实际工程中桩的竖向以及侧向的复杂受力状态。

3、本实用新型的是液压加载系统均通过伺服动态加载系统进行控制，加载稳定、可靠，并可通过伺服加载系统实现各种复杂的力学加载方式，因此，本实用新型更具有精密性，可实现高精度下的桩-土相互作用的实验模拟研究

4、本实用新型提出的一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置及方法，可用于研究桩基的桩-土相互作用特性研究，确定不同桩底约束状态下的桩在不同桩距下的相互影响距离及桩周土体影响范围。基于试验数据，为桩的理论研究及工程应用推广提供试验基本参数。

5、通过数据集成系统将伺服加载系统以及各数据采集仪集合在一起，可实现一边加载一边对不同加载状态下的桩身的应力-应变变化以及桩周土体的土压力及孔隙水压力变化数据进行分析处理，省掉数据后处理的时间，自动化程度高，节省试验总时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型试验装置轴测图；

图2为横向加载装置轴测图；

图3为桩身的应变片安装位置图；

图4为竖向加载土压力计或孔隙水压力计的位置示意图；

图5为水平向加载土压力计或孔隙水压力计的位置示意图；

图中，1、试验箱；2、钢格板；3、反力梁；4、承台；5、自由加载板；6、反力架；7、竖向液压千斤顶；8、竖向位移传感器；9、侧向反力架；10、反力板；11、侧向液压千斤顶；12、侧向位移传感器；13、土压力计；14、应变片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-5所示，提供了一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置，该装置由试验箱、竖向加载装置、伺服动态加载分析系统、位移传感器、侧向加载装置、土压力计、孔隙水压力计、应变片、数据采集仪以及自由转动板等组成；

试验箱1包括由多个箱侧主体围成的定位空间，本实施例中采用4个箱侧主体围成试验箱整体，箱侧主体由多榀钢格板2连接而成。多榀钢格板是钢板焊接的呈现“田”字形的装置，四周开设有螺栓圆孔。用于作为试验箱的拼接元件组成一特定试验空间，作为研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置主体。每榀钢格板通过法兰垫片及高强螺栓连接。

试验箱1内设置多个待测桩，待测桩顶部设置承台4，待测桩外周填设土体；

承台4顶面和侧面均设置自由加载板5，承台4顶面的自由加载板5设置挂环与竖向加载装置连接，承台4侧面的自由加载板5设置挂环与横向加载装置连接。

钢板格2为承受试验土体侧向位移变形受力的主体结构，为防止试验用土从中间漏出，，其内侧安装有较厚的高强有机玻璃板。

竖向加载装置、侧向加载装置相对独立安装，竖向加载装置、侧向加载装置均设有液压加载装置，并且可安装伺服动态控制加载分析系统，伺服动态控制加载分析系统对采集的数据进行分析处理。

在土体内待测桩周埋设土压力计或孔隙水压力计，在待测桩沿桩体轴向均匀安装应变片，通过伺服动态控制加载分析系统将液压加载装置、数据采集仪以及位移传感器进行集成，实现对试验数据的采集，通过所述伺服动态控制加载分析系统分析模块绘制加载过程中桩侧土压力及桩身应力变化曲线，实现对研究桩-土相互作用下桩的模拟加载与数据处理分析。

竖向加载装置包括竖向反力架6、反力梁3，竖向反力架6与液压加载装置(即竖向液压装置)连接，本实施例中液压加载装置采用竖向液压千斤顶7；侧向加载装置为侧向反力架9、反力板10，侧向反力架9与液压加载装置(即横向液压装置)连接，本实施例中液压加载装置采用侧向液压千斤顶11。竖向反力架6与反力梁3之间通过法兰垫片与高强螺栓进行连接固定，侧向反力架9与反力板10之间通过法兰垫片与高强螺栓连接，并且竖向加载装置与侧向加载装置均固定在试验地面不动。

竖向液压装置、横向液压装置均可以通过控制位移或控制受力的加载方式进行加载。

位移传感器包括安装在竖向液压千斤顶7上的竖向位移传感器8以及安装在侧向液压千斤顶11中的侧向位移传感器12，可分别实现对桩头的竖向位移、侧向位移的监控，为实现所述对桩的不同方向的加载，采用所述自由加载板安放在桩头，自由加载板在竖向、侧向均设有与竖向液压千斤顶7、侧向液压千斤顶11相连接的挂环。

本实用新型的试验装置可适用于不同状态的桩，不同状态的桩是指桩数、桩径、桩距、桩长、桩的模量、桩的截面形式、桩底约束形式，通过预制养护的形式将试验桩制作出来，并根据实际情况选择桩底的约束形式。

应变片14应在待测桩的直径两侧进行等距安装，并将应变片所在桩径线与侧向液压千斤顶11的中心线重合，根据试验的要求与目的，在土体内沿竖向均匀设置多个土压力计或孔隙水压力计，本实施例中采用土压力计13，土压力计13则在延桩径方向埋设数排，用于测量桩周土的土压力。

伺服动态控制加载分析系统是将土压力计或孔隙水压力计、位移传感器与液压加载系统的数据进行提取记录；通过所述伺服动态控制加载分析系统分析模块将所获得的数据进行分析处理，得到桩在不同受力状态下的桩身应变或应力、桩周土体的土压力或孔隙水压力变化规律以及桩头位移变化规律。

不同受力状态指的是桩承受的竖向荷载、侧向荷载或者其组合，通过伺服动态控制加载分析系统确定对桩的加载方式(位移控制或力控制)，并确定桩的受力方向(竖向、侧向或者同时进行)，然后分别确定各受力方向的加载变化方式，可根据桩的实际受力情况，实现对试验桩的组合式比例加载。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种研究桩-土相互作用的组合式比例加载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：根据试验要求，确定试验装置的尺寸，组装试验装置；

步骤2：在待测桩侧部设置应变片，以设定桩间距在试验装置内安置待测桩；

步骤3：在待测桩外周填设土体，在土体内设定位置埋置土压力计或孔隙水压力计；

步骤4：将待测桩顶部与承台连接，竖向加载装置和横向加载装置以设定加载方式分别对承台施加竖向力和横向力；

步骤5：采集试验数据，进行处理分析，得到在不同受力状态下待测桩-土体相互作用力的变化规律。

具体的，上述试验方法如下：

根据试验要求及目的确定模型的尺寸，然后进行钢格板的安装组合，并对其内壁进行高强有机玻璃板的粘贴密封防水处理；

将竖向加载装置及侧向加载装置进行定位拼装固定，安装液压加载装置及伺服动态控制加载分析装置；

将预制好的桩进行应变片的安装贴好，根据试验要求的桩的数量、桩间距以及桩底的约束形式确定试验箱中的桩的安置方式，并在桩周土体中按照设计位置埋置土压力计、孔隙水压力计；

埋置到预定高度后，为实现对多桩的统一加载，需对桩头进行连接承台，承台可根据实际情况进行预制或者现浇。

将自由加载板放置在承台上，并且将竖向、侧向的液压加载系统分别对准自由加载板的竖向、侧向加载挂环进行栓锚连接，同时安装相应的位移传感器，然后在伺服动态控制加载分析系统中确定对桩的加载方式(位移控制或力控制)，并确定桩的受力方向(竖向、侧向或者同时进行)，根据各受力方向的加载变化方式，实现对试验桩的组合式比例加载。

通过伺服动态控制加载分析系统将数据采集仪以及位移传感器收集的数据进行处理与分析，得到桩在不同受力状态下的桩身应变-应力、桩周土体的土压力或孔隙水压力变化规律以及桩头位移与加载力之间的变化规律。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

利用本实用新型试验装置进行试验的操作过程为：

1、根据试验要求及目的确定模型的尺寸，然后将定位柱1、钢格板2进行安装组合，并对其内壁进行高强有机玻璃板的粘贴密封防水处理；

2、将反力梁3、反力架6、侧向反力架9、反力板10分别组装成竖向加载装置及侧向加载装置并定位固定，分别将竖向液压千斤顶7、竖向位移传感器8、侧向液压千斤顶11、侧向位移传感器12安装到加载装置中。

3、将预制好的桩进行应变片14的安装贴好，根据试验要求的桩的数量、桩间距以及桩底的约束形式确定试验箱中的桩的安置方式，并在桩周土体中按照设计位置埋置土压力计13或孔隙水压力计；

4、埋置到预定高度后，为实现对多桩的统一加载，需对桩头进行连接承台4，承台可根据实际情况进行预制或者现浇；

5、将自由加载板5放置在承台4上，并且将竖向、侧向的液压千斤顶的环形接口分别对准自由加载板的竖向、侧向加载挂环进行栓锚连接，同时安装相应的竖向位移传感器8、侧向位移传感器12，然后在伺服动态控制加载分析系统中确定对桩的加载方式(位移控制或力控制)，并确定桩的受力方向(竖向、侧向或者同时进行)，根据各受力方向的加载变化方式，实现对试验桩的组合式比例加载。

6、通过伺服动态控制加载分析系统将数据采集仪以及位移传感器收集的数据进行处理与分析，得到桩在不同受力状态下的桩身应变-应力、桩周土体的土压力或孔隙水压力变化规律以及桩头位移与加载力之间的变化规律。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。