一种模拟桩端存在空洞时对桩基承载性能影响的试验装置和试验方法与流程

本发明涉及岩土工程领域中地下空洞存在对桩基承载性能影响研究的试验装置，可用于研究空洞位置不同、空洞大小不同时对桩基承载性能的影响规律。

背景技术：

近年来，由于地下空洞引起的路面坍塌、建筑物倾斜或者倒塌等事故频发，造成了巨大的社会经济损失。国内外岩土工程领域的研究人员和工程技术人员开始对空洞的形成机理以及发展过程中展开研究。地下空洞主要是由于地下输水管道等破裂使得附近土体发生内部侵蚀而造成的，并且空洞体积会随着时间慢慢发展。当空洞埋深较浅时，空洞体积发展到一定程度会引起其上部土层的坍塌，国内外许多城市中出现的路面坍塌事故很多都是由于这类空洞的发展而造成的。国内外学者对城市中路面坍塌的原因进行过分析与研究，并对地下空洞的形成机理以及空洞发展过程进行了一些研究；同时也提出了一些浅层空洞探测的地球物理勘探技术方法。

目前对地下空洞的研究主要集中于埋深较浅的地下空洞，以及地下孔洞存在对道路路基稳定性影响，没有关于埋深较深时地下空洞对建筑物基础承载性能的研究。当建筑物的桩基础桩端部位附近存在空洞时，会对桩基的承载性能产生影响，当空洞与桩端距离比较接近或者空洞体积较大时，会极大减小桩基的极限承载力，并可能导致建筑物倒塌，造成严重的生命财产损失。

建筑物的桩基础附近存在空洞时会给建筑物带来极大的安全隐患，然而目前没有这方面的相关研究。当地下空洞距离桩基础较远或者空洞体积较小时，空洞的存在对桩基础的影响较小；而当空洞距离桩基础较近或者空洞体积较大时，会影响桩基的承载性能，此时需要对地下空洞进行处理。通过对桩端附近存在空洞时对桩基承载性能的影响展开研究，并对空洞位置不同、空洞大小不同时对桩基承载性能的影响规律进行研究，总结出需要对空洞进行处理的空洞大小以及空洞与桩基础距离的临界值，为实际工程中相关工程问题提供科学依据，总有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的主要是对桩端附近存在空洞时对桩基承载性能的影响进行研究，可用于模拟空洞位置不同、空洞大小不同时对桩基础承载性能影响研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟桩端附近存在空洞时对桩基承载性能影响的试验装置，包括半圆形模型箱、有机玻璃板、注水系统、加载电机、和工业相机；

所述半圆形模型箱由模型箱底座和焊接在底座上的半圆形模型箱框架组成；所述模型箱底座由底板和支座组成，底板直接焊接在支座上；所述底板上每隔一定间距设置有注水孔；所述有机玻璃板固定在半圆形模型箱框架上作为观察面；所述半圆形模型箱底部填筑有一定厚度的砂土层；所述的砂土层上面填筑有粘土层；所述砂土层填筑过程中需布置标记点，用于观测试验过程中砂土层的位移变化；有机玻璃板内侧砂土层区域内设有用于图像分析的控制点，在有机玻璃板内侧还覆盖一层薄的有机玻璃板，使得控制点不会在试验过程中移动；砂土层内还埋设有土压力传感器，用于测试试验过程中的桩端土压力；所述粘土层填筑完成后将模型桩放置到模型箱中，所述模型桩可以为预制桩或现场灌注桩，所述模型桩的截面为半圆形；所述注水系统由空气压缩机、储水罐和注水管组成，所述注水管一端连接储水罐，另一端通过底板上的注水孔进入到砂土层；所述加载电机固定在半圆形模型箱上方；所述工业相机用于在试验过程中每隔一定时间拍摄半圆形模型箱中砂土层的照片，从而记录试验过程中砂土层的位移变化情况。

上述技术方案中，进一步地，所述半圆形模型箱框架的直径与模型桩直径之比不小于10；

所述模型桩桩端与底板之间距离不小于20倍模型桩直径。

进一步地，所述的模型桩桩端需进入砂土层1-3中，且桩端进入砂土层的深度需大于2倍模型桩直径。

进一步地，所述的土压力传感器设于模型桩桩端以下不同深度及不同距离处，用于测量竖向土压力。

进一步地，所述模型桩可以为预制桩或者现场灌注桩，如果为预制桩，土体填筑完成后通过加载电机将模型桩将预制桩压入到土体中；如果为现场灌注桩，土体填筑完成后进行钻孔并在所钻的空间内浇筑模型桩。

进一步地，所述模型箱的底板上每隔一定间距存在注水孔，且每次试验中其中一个注水口打开，其他注水口都关闭。

进一步地，所述注水系统通过空气压缩机将水流注入到注水孔中，模拟地下管道破裂水流溢出的过程。

进一步地，所述模型箱中的砂土层受到注水孔处的水流的作用之后会出现内部侵蚀情况，会在注水孔附近产生一个空洞，空洞大小根据注水压力和注水时间进行调节，当空洞大小达到试验要求时停止注水。

进一步地，所述的半圆形模型箱框架上设有两根支柱，所述加载电机通过两根支柱固定在半圆形模型箱上方，加载电机的横梁可以通过滑轮沿着支柱在竖直方向移动，从而带动加载电机上下移动。

进一步地，根据控制点和标记点，可以通过电脑程序分析工业相机所拍摄的照片得到试验过程中砂土层中的砂土位移变化情况。

本发明还提供一种模拟桩端存在空洞时对桩基承载性能影响的试验方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

在有机玻璃板内侧砂土层区域内粘贴用于图像分析的控制点，随后在有机玻璃板内侧再覆盖一层薄的有机玻璃板，使得控制点不会在试验过程中移动；在半圆形模型箱内首先填筑砂土层，砂土层填筑过程中布置标记点用于观测试验过程中砂土层的位移变化；同时在砂土层填筑过程中，在模型桩桩端以下不同深度及不同距离处埋设若干土压力传感器；砂土层填筑完成后在上面填筑粘土层；粘土层填筑完成后将模型桩放置到半圆形模型箱中，模型桩为预制桩或现场灌注桩；模型桩设置完成后将底板上的某一个注水孔打开，通过注水系统将水流由注水孔注入到砂土层中，使注水孔附近出现一个空洞，空洞大小可以根据注水压力和注水时间进行控制(空洞发展过程可以直接通过有机玻璃板观测得到)，注水过程中通过工业相机对砂土层区域进行拍摄；空洞大小达到设计要求后将注水孔关闭，通过加载电机对模型桩进行加载，加载过程中工业相机对砂土层区域进行拍摄。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中采用注水系统通过模型箱底部设置的注水口进行注水，可以模拟地下管道破损水流溢出情况以及由此引起的土层中出现空洞的情况。

2、本发明中通过在砂土层区域内设置控制点和标记点，根据工业相机拍摄的照片，可以通过颗粒图像测速法分析底部注水砂土层中空洞形成过程，以及模型桩加载过程中砂土层中的砂土颗粒的位移变化情况。

3、本发明中可以调节地下空洞与桩基础的位置关系以及地下空洞的尺寸大小，可以对空洞与桩基础相对位置不同以及空洞大小不同时对桩基承载性能的影响规律进行研究。

附图说明

图1为试验装置正面示意图；

图2为试验装置俯视图；

图3为底部注水过程示意图；

图4为空洞较小时试验装置示意图；

图5为空洞较大时试验装置示意图；

图中：半圆形模型箱1、模型箱底座1-1、底板1-1-1、支座1-1-2、注水孔1-1-3、半圆形模型箱框架1-2、砂土层1-3、粘土层1-4、模型桩1-5、标记点1-6、土压力传感器1-7、空洞1-8、有机玻璃板2、控制点2-1、第二有机玻璃板2-2、注水系统3、空气压缩机3-1、压力表3-1-1、调压开关3-1-2、储水罐3-2、注水管3-3、注水阀门3-3-1、加载电机4、支柱4-1、横梁4-2、滑轮4-3、工业相机5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-5所示，为本发明可模拟桩端附近存在空洞时对桩基承载性能影响研究的试验装置，同时可以对空洞与桩基础相对位置不同、空洞大小不同时对桩基础承载性能影响规律进行研究。试验装置包括：半圆形模型箱1、有机玻璃板2、注水系统3、加载电机4和工业相机5五部分。所述半圆形模型箱1由模型箱底座1-1和焊接在模型箱底座1-1上的半圆形模型箱框架1-2组成；所述模型箱底座1-1由底板1-1-1和支座1-1-2组成，底板1-1-1直接焊接在支座1-1-2上；所述底板1-1-1厚度为50mm，且底板1-1-1上每隔一定间距设置有注水孔1-1-3，相邻注水孔的间距一般为20-50cm；所述半圆形模型箱框架1-2为一个半圆弧，由10mm厚钢板制成，直径为2m；所述有机玻璃板2固定在半圆形模型箱框架1-2上作为观察面，有机玻璃板2的厚度为10mm；所述半圆形模型箱1内部首先在底部填筑一定厚度的砂土层1-3；所述砂土层1-3填筑过程中需布置标记点1-6用于观测试验过程中砂土层的位移变化，标记点横向和竖向间距一般在20-50mm之间，同时需在模型桩1-5桩端以下不同深度及不同距离处埋设若干土压力传感器1-7；砂土层1-3填筑完成后在上面填筑粘土层1-4；所述粘土层1-4填筑完成后将模型桩1-5放置到模型箱中，所述模型桩可以为预制桩或现场灌注桩，模型桩直径需小于200mm；所述有机玻璃板2固定在半圆形模型箱框架1-2上作为观察面，有机玻璃板2内侧填筑砂土层1-3区域内粘贴用于图像分析的控制点2-1，控制点横向和竖向间距一般为100-200mm，随后在有机玻璃板2内侧再覆盖一层薄的第二有机玻璃板2-2，使得控制点2-1不会在试验过程中移动；所述注水系统3由空气压缩机3-1、储水罐3-2和注水管3-3组成，所述注水管3-3一端连接储水罐3-2，另一端通过底板上的注水孔1-1-3进入到砂土层1-3；所述的半圆形模型箱框架1-2上焊接有两根支柱4-1，所述加载电机4通过这两根支柱4-1固定在模型箱上方，加载电机的横梁4-2可以通过滑轮4-3沿着支柱4-1在竖直方向移动，从而带动加载电机4上下移动；所述工业相机5在试验过程中每隔一定时间拍摄模型箱中砂土层1-3照片记录试验过程中砂土层的位移变化情况。

本发明的一种模拟桩端存在空洞时对桩基承载性能影响的试验方法如下：

首先在有机玻璃板2内侧砂土层1-3区域内粘贴用于图像分析的控制点2-1，随后在有机玻璃板2内侧再覆盖一层薄的有机玻璃板2-2，使得控制点2-1不会在试验过程中移动；在半圆形模型箱1首先填筑砂土层1-3，砂土层填筑过程中布置标记点1-6用于观测试验过程中砂土层的位移变化；同时在砂土层填筑过程中需在模型桩1-5桩端以下不同深度及不同距离处埋设若干土压力传感器1-7；砂土层填筑完成后在上面填筑粘土层1-4；粘土层填筑完成后将模型桩1-5放置到土层中，模型桩可以为预制桩或现场灌注桩，当模型桩为预制桩时，土体填筑完成后通过加载电机将模型桩4将预制桩压入到土体中，当为模型桩为现场灌注桩时，土体填筑完成后进行钻孔并在所钻的空间内浇筑模型桩；模型桩设置完成后将模型箱底板1-1-1上的某一个注水孔1-1-3打开，通过注水系统3将水流由注水孔1-1-3注入到砂土层1-3，使注水孔附近出现一个空洞1-8，空洞大小可以根据注水压力和注水时间进行控制(对于某种土体，在试验过程中通过对注水时间或注水压力进行调节可总结出该土体的空洞发展规律，具体的空洞发展过程可以直接通过有机玻璃板观测得到)，注水过程中通过工业相机5对砂土层1-3区域进行拍摄；孔洞大小达到设计要求后将注水孔1-1-3关闭，通过加载电机4对模型桩1-5进行加载，加载过程中工业相机5对砂土层1-3区域进行拍摄。加载电机4所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中桩端土体的土压力变化规律通过静态应变测试仪自动测得，试验过程中砂土层中砂土颗粒的位移变化规律可以由工业相机拍摄的照片经电脑软件分析得到。