本发明涉及黄土地区桩基础模型试验技术领域，尤其涉及一种湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验装置以及试验方法。
背景技术
随着西部大开发的深入实施，我国西部黄土地区超高层建筑工程日益增多。然而西部黄土大多为湿陷性黄土，在这种地质条件下多数建设工程会采用桩基作为超高层建筑的基础；在大厚度黄土地区桩基础设计时，对于地基土中存在两层或多层土层可作为桩端持力层的情况，特别是对于黄土层湿陷不连续、根据室内湿陷性试验确定的湿陷下限深度偏保守等情况，采用桩长穿透湿陷性黄土层的群桩基础存在明显浪费。基于减沉桩分析原理，采用变形控制设计原则，根据长桩主要控制变形、短桩主要提供承载力的思路，提出了用长短桩复合地基作为黄土地区超高层建筑的基础，其中，长短桩是以不等长的桩体通过不同的持力层将上部荷载传递至地基土中，而且关于长短桩基础的研究多集中于竖向荷载作用情况下的受力变形特性，对于水平受荷群桩的研究较少。
现有的长短桩基础试验研究包括现场试验和数值模拟。由于现场桩长、桩径都比较大，成型较困难以及耗资巨大，所以研究多采用数值模拟的方法来研究长短桩基础的力学性能和变形特性。但是，由于数值模拟的结果是否符合长短桩基础的实际受力及变形情况，最终要通过试验及现场实际效果来进行验证，所以在以上多种因素的制约下通常通过室内试验来代替现场试验。
目前，尚未有合适的试验装置能够较为切合实际地模拟反映长短桩基础在现场的实际受力情况，比如熊巨华等人提出的“长短桩组合桩基础的模型实验”中，试验装置包括容纳模拟地基土层用砂子的方型箱体，空心铝管制成的长短模型桩，由反力架、杠杆加砝码构成的加载装置，桩身应变元件以及数据量测系统。
不过，其具有以下缺点：（1）试验采用空心铝管作为模型桩，其桩土刚度比（桩体与地基土的相对刚度）偏大，使试验结果与桩体实际工程中的受力情况和变形特性有一定偏差；（2）桩体埋置时直接将其埋置于砂子中并使用带孔的硬纸板辅助定位，模拟地基土层的砂子没法为桩体提供切合实际的、针对不同持力层的受力情况，而且在人工装砂过程中很难保证不对桩体的竖直位置产生影响，从而很难保证在试验过程中桩顶荷载不发生偏心，这严重影响到试验数据的准确性；（3）加载装置采用铸铁杠杆对桩基础进行加载，杠杆与桩基础的接触处是一平底的铰支，而杠杆没有横向约束装置，容易因为荷载作用下基础的沉降而造成荷载的偏心。试验过程中导致荷载偏心的因素还有如实验桩桩体倾斜、承台板倾斜以及加载设备引起。
因此，如何有效且切合实际地模拟长短桩基础在黄土土层中的受力情况、准确地反映出对应的承载特性和变形特性，是长期以来困扰研究人员对于长短桩研究的一大难题，而且如何有效解决这一难题对于长短桩基础在黄土地区的科学研究、工程应用以及对于西北黄土地区城市超高层建筑的建设和发展具有重要的实际意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验装置以及试验方法，以实现有效且切合实际地模拟长短桩基础在黄土土层中的受力情况，准确地反映出对应的承载特性和变形特性的目的。
为解决上述问题，本发明所述的一种湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验装置包括：
顶端开口、待填入湿陷性黄土的箱体；
设置在所述箱体底部的模型桩底座；
试验时竖直设在所述模型桩底座上的长模型桩和短模型桩，两者均为铁丝混凝土桩；
设在模型桩桩顶的桩顶传力承台，向所述桩顶传力承台提供竖向加载力的伪静力试验加载系统；
以及均匀设在模型桩桩身上的电阻应变片、设在模型桩桩顶与所述桩顶传力承台之间的竖向载荷传感器、设在模型桩外露于所述湿陷性黄土料位置处的位移传感器，三者与各自的数据接收设备相连；
其中，所述模型桩底座包括长模型桩底座和短模型桩底座，两种底座按预设排布方式分布；每个底座包括下端设在所述箱体底部、顶端开口的套筒，设在所述套筒内部的弹簧以及设在所述弹簧顶部的桩底承台；所述弹簧的强度系数与预设地基土持力层的水平抗力系数相适应。
在上述试验装置中，优选的，所述试验装置还包括具有桩身紧顶部件的水平加载架，使用时通过所述伪静力试验加载系统中水平加载机构向所述水平加载架施加水平加载力；所述水平加载架与所述水平加载机构之间设有水平载荷传感器。
在上述试验装置中，优选的，所述水平加载架上的桩身紧顶部件呈半圆弯钩状。
在上述试验装置中，优选的，所述水平加载架包括单桩加载架、四桩加载架或九桩加载架。
在上述试验装置中，优选的，所述长模型桩和短模型桩指由铁丝作为纵筋、细扎丝作为螺旋箍筋经混凝土灌注制得的铁丝混凝土桩。
相应地，本发明还提供了一种湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验方法，使用上述任一项试验装置，该试验方法包括：
分别在长模型桩和短模型桩的桩身上均匀布置电阻应变片，然后将两种模型桩分别放置于与其对应的模型桩底座中；
在保证填筑后桩周土的密度和含水量与天然湿陷性黄土一致的前提下，往箱体中分层填筑湿陷性黄土料，并使模型桩桩顶外露一段长度；
在模型桩的外露段安装位移传感器，在模型桩桩顶放置竖向载荷传感器，并在所述竖向载荷传感器上放置桩顶传力承台；
将所述箱体放置在所述伪静力试验加载系统的支撑架上，利用所述伪静力试验加载系统的竖向加载机构完成竖向加载试验，同时利用数据接收设备采集相应的实试验数据，供后续分析使用。
在上述试验方法中，优选地，在利用所述伪静力试验加载系统的竖向加载机构完成竖向加载试验之后，还包括：
将水平加载架安装到模型桩桩顶靠下位置处，在模型桩桩顶施加0.7~0.8倍竖向极限承载力，然后利用所述伪静力试验加载系统的水平加载机构完成水平加载试验，同时利用所述数据接收设备采集相应的实试验数据，供后续分析使用。
在上述试验方法中，优选地，在往箱体中分层填筑湿陷性黄土料时，控制压实度为0.88~0.93、每层厚度为8~10cm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明试验装置中主要有长短模型桩、模型桩底座、桩顶传力承台以及伪静力试验加载系统设备，其中，（1）长短模型桩为按照一定相似比（按比例缩小）的铁丝混凝土桩，接近实际的钢筋混凝土桩情况；（2）模型桩底座由套筒、弹簧和桩底承台组成，首先，其能够保证模型桩在埋置时、实验过程中的垂直度，进而保证桩顶荷载不发生偏心，其次，不同强度系数的弹簧模拟不同地层的持力层，可模拟卵石层、砂岩、粉土层等常见土层中桩端不同工况下桩身的受力与变形，能够较切实际地反映桩体在地下的各种受力情况；（3）伪静力试验加载系统保证施加竖向荷载时荷载的大小、方向及作用点，不会造成因竖向荷载的施加而影响试验结果的准确性。
因此，本发明试验装置能够有效且切合实际地模拟长短桩基础在黄土土层中的受力情况，准确地反映出对应的承载特性和变形特性，这样保证了试验数据的准确性，进而提高了后续利用所得试验数据分析得到的试验结论的准确性，为长短桩基础在黄土地区的应用提供理论依据，同时也促进了长短桩基础的理论研究发展。
2、本发明使用上述试验装置的试验方法中，往箱体中分层填筑湿陷性黄土料，保证填筑后桩周土的密度和含水量与天然湿陷性黄土一致，切合实际地模拟了实际情况下长短桩基础的桩周土情况。
3、本发明装置进一步包括水平加载架等实现对模型桩进行水平加载试验的部件，弥补了已有该类型试验的不足，能够研究桩体水平受荷时的承载特性和变形特性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的三维立体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的正立面结构示意图。
图3为本发明实施例提供的模型桩底座结构示意图。
图4为本发明实施例提供的三种水平加载架的结构示意图。
图中：1—箱体，2—模型桩底座，3—长模型桩，4—短模型桩，5—桩顶传力承台，6—水平加载架，7—桩身紧顶部件；21—套筒，22—弹簧，23—桩底承台；6a—单桩加载架，6b—四桩加载架，6c—九桩加载架。
具体实施方式
参考图1~3，本发明实施例提供了一种湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验装置，其具体包括箱体1、模型桩底座2、长模型桩3和短模型桩4、桩顶传力承台5、伪静力试验加载系统、由电阻应变片、竖向载荷传感器和位移传感器构成的试验数据感应采集端以及各自的数据接收设备，各数据接收设备接收到试验数据进行保存、显示等操作。
箱体1为方型箱，顶端开口，其框架由角钢焊接而成，侧壁采用有机玻璃组成，有机玻璃与角钢之间通过螺栓连接，其中缝隙处采用膨胀胶灌满密封。底板由钢板制成，其角钢之间焊接，并且底板四周均匀开设数个排水孔。
模型桩底座2分为长模型桩底座和短模型桩底座，两种底座按预设排布方式设置在箱体1底部，比如按照“一长一短、呈梅花形”形式布置。每个底座包括下端设在箱体1底部、顶端开口的套筒21，设在套筒21内部的弹簧22以及设在弹簧22顶部的桩底承台23。
具体地，套筒21底部焊接一连接板，连接板与箱体1通过螺栓连接，方便拆卸和更换；弹簧22底端焊接在连接板顶面，顶端焊接桩底承台23，比如套筒21为直径70mm的钢套筒，桩底承台23为内径为70mm的凹槽形钢制承台，桩底承台23距离套筒21的顶端开口一段长度，这样能够保证模型桩插入后的稳定性和垂直度。弹簧22的强度系数与预设地基土持力层的水平抗力系数相适应，具体取值根据《建筑桩基技术规范》（jgj94-2008）中地基土水平抗力系数计算确定，弹簧22的强度系数计算公式为k=mb(hp-x)，其中，m为力层的水平抗力系数，b为桩的等效宽度，hp为桩的埋置深度，x为桩底距离计算点的距离。
长模型桩3和短模型桩4均为铁丝混凝土桩，可由铁丝作为纵筋、细扎丝作为螺旋箍筋经混凝土灌注制得，比如：根据长、短模型桩的长度选择相应长度的pvc管，采用直径为4mm的铁丝4根放置于pvc管四周，通过细扎丝间隔30mm将其固定，以铁丝作为模型桩纵筋，然后用细扎丝间隔25mm环绕铁丝笼，细扎丝作为模型桩螺旋箍筋，形成的铁丝笼直径为50mm；接着将pvc管一侧切开然后通过细扎丝和胶带环绕绑扎，pvc管可重复使用，最后将铁丝笼放置于pvc管中灌注混凝土形成桩体，搁置2d之后拆除pvc管并养护。
桩顶传力承台5为厚钢板，与伪静力试验加载系统的竖向加载机构通过机械传动相连接，试验时，桩顶传力承台5设在模型桩桩顶，以实现对模型桩的竖向加载试验。
电阻应变片均匀设在模型桩桩身上，试验时需要将电阻应变片的两根导线引出、连接至静态应变测试系统，具体操作参考现有技术即可。竖向载荷传感器设在模型桩桩顶与桩顶传力承台5之间，位移传感器设在模型桩外露于湿陷性黄土料位置处。
上述电阻应变片用于感应并采集反映模型桩桩身受力和变形程度的数据，竖向载荷传感器用于感应并采集反映竖向承载量的数据，位移传感器用于感应并采集反映桩顶沉降量的数据，三者将采集到的数据传输至相应的数据接收设备，供后续分析使用。
其中，伪静力试验加载系统是目前伪静力试验中常用的加载系统，伪静力试验又称低周反复荷载试验，是指对结构或结构构件施加多次往复循环作用的静力试验，是使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程，通常用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。这种方法是用静力方法求得结构振动时的效果，因此称为伪静力试验或拟静力试验。伪静力试验加载系统中包括竖向加载机构和水平加载机构。
实际应用中，与电阻应变片对应的数据接收设备为静态应变测试系统，其也称为静态应变仪。静态应变仪指在非破坏的情况下，对结构的荷载及材料的变形等非电量进行电测的仪器。
参考图4，基于上述实施例公开的试验装置，在本发明另一实施例中，本发明试验装置进一步还包括与伪静力试验加载系统中水平加载机构相连的水平加载架6，水平加载架6具有桩身紧顶部件7，其与水平加载机构之间设有水平载荷传感器，该水平载荷传感器用于感应并采集反映水平承载量的数据并将数据传输至相应的数据接收设备，供后续分析使用。
水平加载架6上的桩身紧顶部件7呈半圆弯钩状，半圆弯钩的直径与桩身直径相适应，可以理解的是，半圆弯钩的开口与水平力施加的方向一致。根据需要，水平加载架6可以为对应不同桩数量的加载架，比如图4示出的单桩加载架6a、四桩加载架6b和九桩加载架6c。在实际应用中，水平加载架6架身可由钢筋焊接而成，然后安装需求将半圆弯钩均匀分布焊接在架身。基于此，通过不同的方案模拟单桩、四群桩、九群桩几种不同的工况，可研究桩周土非均匀变形下桩侧摩阻力的分布规律及桩基的承载特性。
基于上述各实施例公开的试验装置，本发明再一实施例中相应公开了一种湿陷性黄土地区长短桩基础模型的试验方法，具体包括如下步骤：
（1）分别在长模型桩3和短模型桩4的桩身上均匀布置电阻应变片，然后将两种模型桩分别放置于与其对应的模型桩底座2中。
（2）在保证填筑后桩周土的密度和含水量与天然湿陷性黄土一致的前提下，往箱体1中分层填筑湿陷性黄土料，并使模型桩桩顶外露一段长度。
其中，湿陷性黄土料指由湿陷性黄土经粉碎、过筛、浸泡、搅拌后制得的桩周土填料。在往箱体1中分层填筑湿陷性黄土料时，控制压实度为0.88~0.93、每层厚度为8~10cm。比如，开始铺填时，按照每层虚铺厚度10cm分层铺填，保持每层桩周土的下落高度一致，以保证土体的均匀性，每铺填完成半层高度进行整平、密实，再铺填下一层并进行整平、密实。在桩周土的土层铺填过程中要保证桩周土体的密实度0.90，最后通过对桩周土土体取样进行压实系数的测试。桩周土铺填完毕后模型桩会有外露一小段，比如10cm。
（3）在模型桩的外露段安装位移传感器，在模型桩桩顶放置竖向载荷传感器，并在竖向载荷传感器上放置桩顶传力承台5。
实际装配时，在模型桩外露段安置位移传感器，然后在模型桩桩顶放置竖向荷载传感器，这个过程中可以在竖向荷载传感器与模型桩桩顶垫置沙包找平，最后在传感器上方放置桩顶传力承台5。
（4）将箱体1放置在伪静力试验加载系统的支撑架上，利用伪静力试验加载系统的竖向加载机构完成竖向加载试验，同时利用数据接收设备采集相应的实试验数据，供后续分析使用。
实际试验时，需要先调试各设备以确保所有设备正常运行，然后将装填好的箱体1移动至伪静力试验加载系统的支撑架上开始进行竖向加载试验，竖向加载采用数显液压的竖向千斤顶补加荷载，以此解决竖向加载持续一段时间后因桩基沉降而无法保证荷载稳定的问题。
相应地，在利用伪静力试验加载系统的竖向加载机构完成竖向加载试验之后，还包括以下步骤：
（5）将水平加载架6安装到模型桩桩顶靠下位置处，在模型桩桩顶施加0.7~0.8倍竖向极限承载力，然后利用伪静力试验加载系统的水平加载机构完成水平加载试验，同时利用数据接收设备采集相应的实试验数据，供后续分析使用。
具体地，在竖向加载试验结束后，可以按照单桩加载、四桩加载和九桩加载分别进行水平加载试验。以四桩水平加载6b为例，待竖向加载试验完成后，在模型桩桩顶施加0.8倍竖向极限承载力作用下，在模型桩顶部靠下位置安装四桩水平加载架6b，以半月弯钩紧顶模型桩顶部靠下一点位置，水平千斤顶通过机械传动将力传到水平加载架。伪静力加载系统的水平千斤顶与水平加载机构之间设有水平载荷传感器。
在实际的加载试验过程中，对于以上竖向加载和水平加载的加载操作本身，除了上文提到的内容，其它内容参考现有技术即可。不过，为便于本领域技术人员快速、直接的理解本方案内容，以下举例说明一些操作过程。比如，具体加载、卸载试验过程中应符合下列规定：
（1）每级荷载施加后按第5、10、15、30、45、60min测读模型桩的桩顶沉降量，以后每隔30min读一次。
（2）模型桩沉降相对稳定标准：每1h内的桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次（从每级荷载施加后第30min开始，由3次或3次以上每30min的沉降观测值计算）。
（3）当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。
（4）卸载时，每级荷载维持1h，按第5、15、30、60min测读模型桩的桩顶沉降量；卸载至0后，应测度模型桩的桩顶残余沉降量，维持时间为3h，测度时间为5、15、30min，以后每隔30min测读一次。
当出现下列情况之一时，可终止加载：
（1）某级荷载作用下，模型桩的桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。
（2）某级荷载作用下，模型桩的桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到稳定标准。
（3）当荷载-沉降（q-s）曲线上由可判定极限承载力的陡降段，且模型桩的桩顶总沉降量超过40mm。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。