本实用新型属于岩土工程中桩基模型试验技术领域，具体涉及一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置。
背景技术：
随着现代城市建设的快速发展，出现了很多高层及超高层建筑，这些建筑对地基承载力要求较高。桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中。而在桩基础工程中，桩基与桩周土的相互作用是研究桩基承载能力的关键。桩基模型试验在研究桩基受力性能和作用机理方面发挥着重要的作用。
不过在模型试验中，由于桩长按照相似比例进行缩小，导致模型试验中桩的侧向土压力与实际工程中桩的侧向土压力相差较大。为了模拟出实际侧向土压力，一般需要采用离心机。但是，离心机试验一方面成本高昂；另一方面，在桩基模型试验中，为了真实反映实际的桩土相互作用、桩侧注浆效果等，模型试验的缩尺比例较小，使模型尺寸较大、重量较重，此时离心机的动力能力达不到试验的要求，而土体中的侧向土压力对于桩土之间的摩擦作用、桩土胶结面的形状具有重要影响。若无法模拟出实际侧向土压力，其试验结果则很难用来评价工程原型的实际力学行为和工程特性。
因此，研制一种可以实现模拟实际侧向土压力的装置，对于桩基模型试验的发展具有重要作用。
技术实现要素：
为了克服上述技术缺陷，本实用新型提供一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置，不需要借助于离心机，可以在桩基模型试验中实现实际侧向土压力。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下的技术方案：
一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置包括模型桩、圆环加载板、加压设备、用于与所述加压设备配合施压的反力架、测力传感器、用于支护土坑及放置所述反力架的抗拔桩；所述抗拔桩设于土坑的周边，所述模型桩竖直置于所述土坑中，所述测力传感器设于所述模型桩的底部；在土体填满土坑后，所述圆环加载板以所述模型桩为中心，置于土体表面；所述圆环加载板的内半径大于或等于所述模型桩的高度；所述反力架设于所述抗拔桩上，所述加压设备设于所述模型桩的顶部及均匀地设于所述圆环加载板的顶面，且所述加压设备对应作用于所述反力架。
优选的，所述圆环加载板由多个同心圆环依次套接组成，最内层圆环的内半径大于或等于所述模型桩的高度；可以根据实验需要实现的侧向土压力大小来确定圆环的个数。
优选的，所述土坑的半径为所述模型桩高度的2.5-3.5倍。所述模型桩的高度及半径依照模型试验相似比确定。
优选的，一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置还包括应变片，所述应变片设于所述模型桩侧面；可随时测量模型桩高度桩的轴力变化，计算出桩侧摩阻力和桩端支撑力。
优选的，一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置还包括用于弹性承载所述模型桩的弹簧板，所述弹簧板设于所述测力传感器的底部。设置弹簧板可以更真实地模拟桩端承载作用。所述土坑的深度为所述模型桩和所述弹簧板的高度之和。
优选的，所述抗拔桩的数目为6-12根。
优选的，所述反力架包括内环、与所述内环同心的外环和连接内环与外环的支撑杆；所述支撑杆相交形成中心点；相邻所述支撑杆形成的夹角相同。
特别优选的，所述支撑杆包括连接内环与外环的第一支撑杆和连接内环与外环且交于中心的第二支撑杆；所述第二支撑杆相交形成中心点；所述第一支撑杆和第二支撑杆交错布置，且相邻的第一支撑杆与第二支撑杆形成的夹角相同。
优选的，所述加压设备为千斤顶；所述千斤顶设于所述位移传感器的顶部，且千斤顶的顶端对应所述反力架的中心点；所述千斤顶还均匀地设于所述圆环加载板的顶面，且千斤顶的顶端对应所述反力架的支撑杆上。根据实验需要实现的侧向土压力大小确定千斤顶的数目与千斤顶顶力大小，而所述抗拔桩的高度根据千斤顶顶力大小确定。
一种桩基模型试验中侧向土压力的实现方法，步骤如下：
S1：布置土坑，并在土坑周边设置抗拔桩；
S2：将测力传感器设于模型桩的底部，再将所述模型桩竖直置于土坑中；并向土坑中填入土体，直至填满整个土坑；
S3：将圆环加载板以所述模型桩为中心，置于土体表面，然后将反力架置于所述抗拔桩的顶端，并固定；所述圆环加载板的内半径大于或等于所述模型桩的高度；
S4：将加压设备设于所述模型桩的顶部及均匀地设于所述圆环加载板上，且所述加压设备对应作用于所述反力架；
S5：试验时，所述加压设备开始施压，通过所述加压设备施加不同荷载，获取试验数据。
优选的，所述步骤S2包括将测力传感器设于模型桩的底部，然后将弹簧板设于所述测力传感器的底部，再将所述模型桩竖直置于土坑中；并向土坑中填入土体，直至填满整个土坑。
优选的，所述步骤S4包括将位移传感器设于所述模型桩的顶部，所述加压设备设于所述位移传感器的顶部及均匀地设于所述圆环加载板的顶面，且加压设备对应作用于所述反力架。
特别优选的，所述加压设备为千斤顶；所述步骤S4包括将所述位移传感器设于所述模型桩的顶部，然后所述千斤顶设于所述位移传感器的顶部，且千斤顶的顶端对应作用于所述反力架的中心点，千斤顶还均匀地设于所述圆环加载板的顶面，且千斤顶的顶端对应作用于所述反力架的支撑杆上。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型通过内半径大于或等于模型桩高度的圆环加载板、设于模型桩和圆环加载板上的加压设备配合反力架对土体施加压力，可以模拟出从桩顶到桩底随着深度逐渐增大侧向土压力也逐渐增大的实际侧向土压力；
2、通过设于模型桩底部的测力传感器，可随时反馈模型桩底部的受力情况；
3、本实用新型将模型桩竖直置于土坑中，土坑大小及深度可以根据不同试验要求而确定，并非大小深度一定的模型箱，可以根据不同试验条件实现不同深度的侧向土压力场，这对于研究桩基试验中，桩土相互作用、桩侧注浆效果、桩土胶结面形状等问题具有关键影响；
4、加压设备设于所述位模型桩的顶部及均匀地设于所述圆环加载板的顶面，实现模型桩平均地受到各方向上的侧向土压力。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型原理试验的示意图；
图3是图2所示的试验中侧向应力的数据图；
图4是图1所示的装置实现方法的流程示意图；
1-模型桩；2-测力传感器；3-弹簧板；4-位移传感器；5-圆环加载板；6-千斤顶；7-反力架；8-抗拔桩；9-土坑。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1：
如图1所示，一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置包括模型桩1、圆环加载板5、加压设备、测力传感器2、用于与加压设备配合施压的反力架7、用于支护土坑9及放置反力架7的抗拔桩8。圆环加载板5的内半径大于或等于模型桩1的高度。优选的，圆环加载板5由多个同心圆环依次套接组成，最内层圆环的内半径大于或等于模型桩1的高度；可以根据实验需要实现的侧向土压力大小来确定圆环的个数。本实施例中，圆环个数为3个。
具体地，土坑9的半径为模型桩1高度的2.5-3.5倍；土坑9的深度为模型桩1和弹簧板3的高度之和。模型桩1的高度及半径依照模型试验相似比确定。抗拔桩8设于土坑9的周边。优选的，抗拔桩8的数目为6-12根。测力传感器2设于模型桩1的底部。模型桩1竖直置于土坑9中。反力架7包括内环、与内环同心的外环和连接内环与外环的支撑杆；支撑杆相交形成中心点，相邻支撑杆形成的夹角相同。本实施例中，支撑杆包括连接内环与外环的第一支撑杆和连接内环与外环且交于中心的第二支撑杆；第二支撑杆相交形成中心点。第一支撑杆和第二支撑杆交错布置，且相邻的第一支撑杆与第二支撑杆形成的夹角相同。在土体填满土坑9后，圆环加载板5以模型桩1为中心，置于土体表面。加压设备设于模型桩1的顶部及均匀地设于圆环加载板5上，且加压设备对应作用于反力架7。本实施例中加压设备为千斤顶6。千斤顶6设于位移传感器4的顶部，且千斤顶6的顶端对应作用于反力架7的中心点；千斤顶6还均匀地设于圆环加载板5的顶面，且千斤顶6的顶端对应作用于反力架7的支撑杆上。根据实验需要实现的侧向土压力大小确定千斤顶6的数目与千斤顶6的顶力大小，而抗拔桩8的高度根据千斤顶6的顶力大小确定。
如图1所示，一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置还包括用于弹性承载模型桩1的弹簧板3，弹簧板3设于测力传感器2的底部。设置弹簧板3可以更真实地模拟桩端承载作用。
如图1所示，一种桩基模型试验中侧向土压力的实现装置还包括位移传感器4，位移传感器4设于模型桩1的顶部。位移传感器4可以随时反馈模型桩1在受压以后向下移动的情况。
本实施例的桩基模型试验中侧向土压力的实现装置的技术原理：
如图2所示，随着竖直高度逐渐增大的条件下，对内半径和外半径比例大小不同的圆环施加相同的载荷，计算侧向应力的变化。采用“布辛奈斯克解”理论，计算产生的侧向应力如图3所示，当竖向高度/圆环内半径小于或等于1时，侧向应力逐渐增大；当竖向高度/圆环内半径大于1时，侧向应力逐渐减小。因此，发明人发现将此原理运用在桩基模型试验中，圆环加载板的内半径大于或等于模型桩高度，在圆环加载板上均匀地设置加压设备，可实现侧向土压力逐渐增大的效果。实际工程桩所受侧向土压力变化规律为从桩顶到桩底随着深度逐渐增大侧向土压力也逐渐增大。可见，本实用新型通过内半径大于或等于模型桩1高度的圆环加载板5和设于圆环加载板5上的加压设备对土体施加压力，可以精准地模拟出与实际工程桩所受侧向土压力。
另外，如图2所示，圆环外半径/圆环内半径的数值越大，则侧向应力越大。可见，圆环加载板的外径用于控制施加的侧向土压力的最大值。因此，可以根据实验需要实现的侧向土压力大小确定圆环加载板5外径尺寸，即可确定圆环加载板5的圆环数目。
如图4所示，本实施例所述的桩基模型试验中实现实际侧向土压力的方法，步骤如下：
S1：布置土坑9，并在土坑周边设置抗拔桩8；
S2：将测力传感器2设于模型桩1的底部、弹簧板3设于测力传感器2的底部，再将模型桩1竖直置于土坑9中；并向土坑9中填入土体，直至填满整个土坑；
S3：将圆环加载板5以模型桩1为中心，置于土体表面，然后将反力架6置于抗拔桩8的顶端，并固定；圆环加载板5的内半径大于或等于模型桩1的高度；
S4：将位移传感器4设于模型桩1的顶部，然后千斤顶6设于位移传感器4的顶部，且千斤顶6的顶端对应作用于反力架7的中心点；千斤顶6还均匀地设于圆环加载板5的顶面，且千斤顶6的顶端对应作用于反力架7的支撑杆。
S5：试验时，加压设备开始施压，通过加压设备施加不同荷载，获取试验数据。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，故凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。