一种可控制围压用于模拟闭口桩安装过程的实验装置，可用于模拟闭口桩在多种土体(砂土、黏土、粉土)中的静力和动力打入过程，并可考虑土的复杂应力状态、排水条件等多种工况。
背景技术：
近些年来，为了满足高层建筑对地基承载力和变形的要求，桩基础被设计的越来越长，这对桩的施工安装提出了更高的要求。为保证施工和安装的顺利进行，需要在安装之前对桩体的安装阻力进行评估，为选择合适的安装设备提供指导。
目前在室内已有很多模拟预制桩安装过程的实验装置，但是由于在常重力状态下土体的应力状态与实际工程中土体的应力状态相差很大，因此按照缩尺所做的常重力模型试验无法准确模拟实际工程中桩土之间的受力情况。现阶段也可以采用超重力离心机试验还原土体应力状态，但是这种试验成本很高，试验复杂。
本实用新型提出一种可控制围压用于模拟闭口桩安装过程的实验装置，能通过控制围压模拟闭口桩在复杂应力状态的土体中的静力和动力打入过程，能测量桩体打入过程中侧壁的静、动阻力，同时也能模拟桩体无限位移打入土体的过程。
技术实现要素：
本实用新型设计出了一种可控制围压用于模拟闭口桩安装过程的实验装置。该装置的特点是：能模拟闭口桩在复杂应力状态的土体中的静力和动力打入过程，能测量桩体打入过程中侧壁的静、动阻力；由于桩体可拼装，可模拟桩体无限位移打入土体的过程。
本实用新型采取以下技术方案：
一种可控制围压用于模拟闭口桩安装过程的实验装置，包括机架、围压室、桩体、限位装置、加载系统、水围压控制系统、传感器系统、数据采集及控制系统；
桩体插入围压室中，与装于围压室内的土样形成桩土界面，可通过围压室控制土体的应力状态和排水条件；限位装置用于限制桩体旋转，其作用在于保证桩体可做无旋转的上下运动，并尽可能减小侧壁摩擦。加载系统包括液压系统、蜗杆及伺服电机，液压系统用于向土体施加竖向应力，蜗杆上端旋入桩体内，下端与伺服电机相连由伺服电机驱动蜗杆完成对桩体静动加载控制，水围压控制系统用于控制围压室的围压以调整土体的应力状态，传感器系统用于检测装置中的待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制加载系统、液压系统及水围压控制系统。通过该装置可能模拟闭口桩在复杂应力状态的土体中的静力和动力打入过程。
上述技术方案中，优选的，所述的围压室包括筒状外壁、围压室底板、环状的围压室上盖、橡胶膜；筒状外壁固定于围压室底板上，可以采用有机玻璃材料，以方便从外侧观察试样情况，围压室上盖设于筒状外壁顶部开口处，桩体贯穿底板中部插入围压室上盖中，桩体与围压室上盖之间、围压室上盖与筒状外壁之间、桩体与围压室底板之间均通过橡胶圈密封，在围压室上盖下表面和底板上表面各固定有一个橡胶膜固定环，橡胶膜上下端分别通过橡胶圈固定于橡胶膜固定环内，橡胶膜与桩体之间用于安装待测土体，橡胶膜与筒状外壁之间形成围压空间；
所述的水围压控制系统包括开在围压空间底板上的围压水孔、开在待测土体空间底板上的反压孔、及水压力控制器；围压水孔通过管道与水压力控制器相连用于向围压空间内注水或排水以控制围压空间内的水压，反压孔通过流量计与水压力控制器相连用于测量排水条件下土体的体变。
优选的，所述的液压系统包括液压加载控制装置、及与液压加载控制装置通过油管连接的油缸；油缸的活塞杆通过传力杆与围压室上盖固连，上盖可在油缸的作用下沿轴线做上下运动，可对下部土体施加竖向压力。
优选的，所述的桩体采用拼接桩体，包括一节桩或首尾相连的多节桩，每节桩包括沿纵向剖面拼合的两片对称桩片，桩片内壁开有螺纹和用于与限位装置相配合的竖向凹槽，两片桩片拼合后的桩内壁形成可与蜗杆相匹配的连续螺纹，每节桩上端有外螺纹，下端有内螺纹，用于与下一节桩上端外螺纹配合连接。
更优选的，所述的限位装置包括连接杆、限位板，连接杆固定于机架上，限位板上端与连接杆相连，另一端插入桩体竖向凹槽内。
更优选的，所述的限位板侧边嵌有转珠以减小与竖向凹槽的摩擦。
更优选的，为了达到防水的要求，当两片桩片拼合连接时应在接触位置(即每节桩的轴向中缝处)设置橡胶隔水条。
优选的，所述的传感器测量系统包括孔压传感器、位移传感器、压电式轴力传感器；孔压传感器用于测量土体内部的孔压响应，位移传感器设于围压室上盖上方用于测量土体的竖向位移，压电式轴力传感器设于围压室底部用于测量桩体竖向运动时桩土界面的力学响应，扭矩传感器用于测量桩体的扭矩，轴力传感器及扭矩传感器均设于传动轴上。
优选的，所述的围压室设置于机架上，围压室底部由四根立柱支撑，在每根立柱上均装有压电式轴力传感器，用于测定桩体上下运动时桩土之间的受力情况。
数据采集及控制系统包括计算机、程序控制软件和数据采集仪等。数据采集仪连接各个传感器进行数据采集，程序控制软件对数据进行分析处理并根据用户设置发布指令，用于控制加载系统、液压系统、水围压控制系统实现不同的应力状态。
本实用新型具有以下优点：
1.本实用新型能通过控制围压和竖向压力准确模拟原位土的应力状态，可模拟不同围压下闭口桩打入过程中桩土界面的响应。
2.本装置提出的拼接桩体，能循环使用，可模拟无限位移下桩在土体中的打入过程。
3.本装置可通过伺服电机模拟静力、动力多种打桩工况，实验模拟结果可为桩的工程设计和施工安装提供指导。
附图说明
图1是本实用新型一种实施例的结构示意图；
图2是图1中围压室放大图；
图3是图1中围压室水平切面图；
图4是桩片三视示意图；
图5是拼接桩体示意图；
图6是限位板示意图；
其中，1.底座、2.液压加载控制装置、3.水压力控制器、4.流量计、5.立柱、6.水管、7.孔压传感器、8.围压室底板、9.筒状外壁、10.橡胶膜、11.围压室上盖、12.位移传感器、13.位移传感器支架、14.限位板、15.传力杆、16.固定梁、17.连接杆、18.反力梁、19.油管、20.油缸、21.蜗杆螺纹、22.桩体、23.蜗杆、24.伺服电机、25.橡胶圈、26、橡胶圈固定环、27.橡胶隔水条、28.限位槽、29.外螺纹、30.内螺纹、31.转珠或轴承，32.压电式轴力传感器，33.桩片螺纹。
具体实施方式
本实用新型的实验装置包括机架、围压室、桩体、限位装置、加载系统、水围压控制系统、传感器系统、数据采集及控制系统；桩体22插入围压室中，与装于围压室内的土样形成桩土界面，限位装置用于限制桩体旋转，加载系统包括液压系统、蜗杆23及伺服电机24，液压系统用于向土体施加竖向应力，蜗杆23上端旋入桩体内，下端与伺服电机24相连由伺服电机驱动蜗杆完成对桩体静动加载控制，水围压控制系统用于控制围压室的围压以调整土体的应力状态，传感器系统用于检测装置中的待测数据，并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于控制加载系统、液压系统及水围压控制系统。
具体的，如图1-6所示，一种具体实施例如下：
所述的机架包括机座1、立柱5、反力梁18等。所述的围压室包括筒状外壁9、围压室底板8、环状的围压室上盖11、橡胶膜10；筒状外壁9固定于围压室底板8上，围压室上盖设于筒状外壁顶部开口处，桩体22贯穿底板中部插入围压室上盖11中，桩体与围压室上盖之间、围压室上盖与筒状外壁之间、桩体与围压室底板之间均通过橡胶圈密封，在围压室上盖下表面和底板上表面各固定有一个2cm高的橡胶膜固定环26，橡胶膜10上下端分别通过橡胶圈固定于橡胶膜固定环26内，橡胶膜与桩体之间用于安装待测土体，橡胶膜与筒状外壁之间形成围压空间；反力梁18中心处固定油缸20，油缸20的活塞杆连接四根传力杆15，传力杆15与围压室上盖11通过螺丝相连，上盖11为环形。拼接桩体22位于围压室中心处，与围压室上盖11、底板8及内部土体紧密接触。拼接桩体22内部与蜗杆21相接，蜗杆21由伺服电机24控制，伺服电机24固定在底座上，可完成对桩体静(如电机慢速转动)、动(如电机快速转动)加载控制，因而可以模拟桩的静动安装过程。
所述的围压室为环形，外壁9为有机玻璃材料，可从外侧观察试样情况，围压室底板8由四根立柱支撑在横板上，立柱上都装有压电式轴力传感器32，用于测定桩体上下运动时界面处的受力情况；底板上开有三个孔，外侧的孔为围压水孔，用于向围压室内注水或排水调节压力；内侧靠近土体处有两个孔，一个为孔压测量孔7，连接孔压传感器测量内部孔压值；另一个为反压孔，并通过流量计4与水压力控制器3相连，用于测量排水条件下土体的体变。
桩体22由桩片拼接组装而成；两片桩片拼接成为一节桩体；桩片(如附图4所示)内侧有切削出的桩片螺纹33和一道平行于轴线方向的限位凹槽28，单个桩片可看成一节桩片沿轴线的对称平面切开后的部分，但为了达到防水的要求，当两个桩片连接时应在接触位置中缝设置橡胶隔水条27。每节桩上端有外螺纹29，下端有内螺纹30(或上侧有螺丝或凸起，下侧有螺帽或凹坑)，用于将若干节桩连接成较长的桩体。
限位装置装于固定梁16上，包括连接杆17、限位板14、转珠或轴承31等。固定梁16位于反力梁18正下部，中心下侧固定连接杆17，连接杆17连接限位板14，限位板14的侧壁及面上均装有转珠31(或轴承)，以减少竖向摩擦。限位装置的作用在于保证桩体做无旋转的上下运动，并尽可能减小侧壁摩擦。
液压系统包括油缸20和液压加载控制装置2等。油缸20固定在反力梁18中部位置，油缸的活塞杆与传力杆15相连接；油缸20顶部通过油管19连接至液压加载控制装置2。
水压力控制系统包括水管6、流量计4与水压力控制器3。水压力控制器3可控制土体所受的围压值，也可以控制试样的排水条件并进行测量土体的体变。
各类传感器包括LVDT位移传感器12、包括孔压传感器7、压电式轴力传感器32。位移传感器12通过支架13固定在一个立柱5上，LVDT位移传感器12用于测量土体的竖向位移；孔压传感器7固定在机架上，用于测量土体内部的孔压响应；压电式轴力传感器32用于测定桩体打入过程中界面的力学响应。
数据采集及控制系统包括计算机、程序控制软件和数据采集仪等。数据采集仪连接各个传感器进行数据采集，程序控制软件对数据进行分析处理并根据用户设置发布指令，用于控制加载系统、液压系统、水围压控制系统实现不同的应力状态。
下面以在砂土中打入长桩的模拟实验简述采用本实用新型上述实施例装置的一种具体试验过程：
1.将围压室上盖上的螺丝拧下，通过液压加载控制装置将传力杆提起，并将围压室上盖和围压室外壁取出。
2.将桩片的竖向限位凹槽对准限位板的侧边，在桩片连接处放置橡胶隔水条，拼接完成后将桩穿过围压室，完成桩的安装；
3.将橡胶膜套在与试样直径和高度相同的套管内，抽吸橡胶膜和套管之间的空气，使橡胶膜紧贴套管，并将套管安装至围压室橡胶膜固定环上并通过橡胶圈固定；
4.称量砂样，安照预定密实度分层装入砂样；
5.装样安装至预定位置后，使用橡胶圈将橡胶膜与围压室上盖密封住，将套管取下，将围压室外壁安装至指定位置，此时围压室达到密封状态；
6.按照实验要求设置围压值和竖向压力值；
7.打开软件按照实验要求设置模拟工况，当桩体下部有一节桩体完全伸出围压室时，将桩体拆卸，并在桩体上部进行拼接，重复这个过程可以模拟长桩打入土体的过程；
8.实验完成，排出围压水，拆除围压室，将样取出。