一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置及试验方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置及试验方法。

背景技术：

我国是一个地震多发国家，而且是全球大陆地震最频繁、地震灾害最严重的国家，其地震断裂带广泛分布。某些桥梁桩基综合考虑各种因素后需建立在断裂带地层处，不稳定的断裂带会影响桥梁桩基的稳定性，稳定的断裂带强度低、透水性相对较大，会危及施工安全，建设跨越断裂带地层的桥梁桩基需要经过严谨的研究分析才能进行实际施工。模型试验能有效反映原型的应力应变关系，是研究桥梁桩基承载特性的有效方法，因为现实情况中地震会导致断裂带两侧岩土体发生错动，所以试验过程中通过控制断裂带两侧岩土体发生错动以研究不同相对位移情况下桩基础承载特性的变化。但是现有的模型试验装置不能同时模拟地震过程并精确控制断裂带两边岩土层错动的相对位移。

技术实现要素：

本发明提供了一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置及试验方法，可根据现场实际工况，通过精准控制升降台的位移来控制断裂带两边岩土层的相对位移，得到桥梁桩基的承载特性，从而对桥梁结构整体可靠性进行分析。

为达到上述目的，本发明所述一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置，包括第一岩土层和第二岩土层，所述第一岩土层和第二岩土层之间设置有断裂带，所述断裂带中填充有填充物，所述第一岩土层和第二岩土层中均埋有桩基，所述第二岩土层下端设置有承载体，所述第一岩土层下方设置有升降台，所述升降台内置用于带动升降台面上下运动的升降装置，所述第一岩土层和动升降台面通过多个弹性件连接。

进一步的，第一岩土层和弹性件之间设置有钢板。

进一步的，所有桩基上端均与承台固定连接。

进一步的，第一岩土层、第二岩土层、升降台以及承载体均设置在模型箱中。

进一步的，弹性件为弹簧。

进一步的，承载体为混凝土块。

一种基于上述的试验装置的断裂带错动时桩基承载力试验方法，包括以下步骤：

步骤1、将试验装置置于振动台上进行振动台模型试验，利用弹性件的收缩带动第二岩层振动，来模拟地震震动的过程，同时读取桩基的应力值；

步骤2、振动完成后，通过控制升降台面的升降，控制断裂带两侧第一岩土层和第二岩土层错动的相对位移，在第一岩土层和第二岩土层错动过程中通过电脑读取桩基的应力值；

步骤3、对步骤1和步骤2读取的桩基的应力值进行处理，得到试验过程中的桩基竖向承载特性。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的装置将弹簧和升降台相结合，利用弹簧来模拟地震振动过程，使用升降台来精准控制断裂带两边岩土层的相对位移，使模型试验更加贴近实际情况。利用弹簧模拟地震的震动，结构简单、容易操作、造价较低、维修简单、同一模型可进行多次振动试验。利用升降台控制震动结束后断裂带两边岩土层错动的相对位移，可以通过遥控得到其精确值，可根据实际工况，得到桥梁桩基的承载特性，从而对桥梁结构整体可靠性进行分析。

进一步的，第一岩土层和弹性件之间设置有钢板，钢板使弹性件的受力更为均匀，能够更好的模拟实际工程情况。

进一步的，所有的桩基上端均与承台固定连接，承台将所有的桩基联结成一个整体，能够更好的模拟实际工程情况。

进一步的，第一岩土层、第二岩土层、升降台和承载体均设置在模型箱中，整体性好，便于移动。

进一步的，弹性件为弹簧，造价较低。

进一步的，承载体为混凝土块，混凝土块强度较高，能够较好的模拟实际工程中的岩石。

本发明所述的方法，利用上述装置模拟地震过程，并测量仅有振动时的桩基应力值，通过控制升降台面的位移，模拟两侧岩层错动过程，并测量桩基应力值，得到桥梁桩基的承载特性，能够探明指定沉降量对公路桥梁桩基受力以及变形特性的影响，从而对桥梁结构整体可靠性进行分析。

附图说明

图1为模型试验装置整体示意图；

图2为振动前模型试验装置示意图；

图3为振动后模型试验装置示意图；

图4为振动前振动沉降装置示意图；

图5为振动后振动沉降装置示意图；

图6为震动前震动沉降装置示意图；

图7为振动后振动沉降装置细部示意图；

图8为弹簧布置细部示意图；

图9为振动后升降台细部示意图。

附图中：1-模型箱，21-第一岩土层，22-第二岩土层，3-混凝土块，4-钢板，5-升降台，6-弹簧，7-升降台面，8-桩基础，9-承台，10-填充物，11-断裂带。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种断裂带错动时桩基承载力的模型试验装置，包括模型箱1，第一岩土层21，第二岩土层22，混凝土块3，钢板4，升降台5，弹簧6，承台9和填充物10。

第一岩土层21和第二岩土层22，混凝土块3，钢板4，升降台5，弹簧6和填充物10均设置在模型箱1中，第一岩土层21和第二岩土层22装入模型箱1内，使第一岩土层21和第二岩土层22具有很强的整体性，其强度和刚度较大，避免岩层在试验过程中的破坏，能够满足模型试验要求；第一岩土层21和第二岩土层22之间具有断裂带11，断裂带11倾斜设置，断裂带11的中轴线和水平面的夹角α小于90°，断裂带11内有填充物10，填充物10的材料为粉质砂土，实际工程中，为了模拟实际工况，断裂带内填充有松散土体。第一岩土层21和第二岩土层22中均内埋有桩基8，所有的桩基8上端和承台9焊接，将所有的桩基8联结成一个整体，桩基8为被研究对象，通过控制断裂带两侧岩层的错动位移进而研究其受力及位移情况。

第一岩土层21和第二岩土层22统称为岩层2，岩层2为模型试验所需材料，可模拟实际施工中的断裂带地层，从而满足试验要求，达到试验目的。

第二岩层22正下方固定有混凝土块3，混凝土块3主要起到承载模型第二岩层21，使其在整个试验中保持原有位置的作用，提供足够的承载力以保证模型一侧岩层不会发生竖向位移，从而和升降台5共同作用来精确控制断裂带两边岩层的相对位移。混凝土块3的横截面的形状和大小与第二岩土层22下端面的形状和大小相同。

钢板4下端面与多个阵列布置的弹簧6上端焊接，使两者连接牢固，钢板4上部承接第一岩层21，钢板4的横截面的形状和大小与第一岩土层21下端面的形状和大小相同。弹簧6下端与升降台面7焊接；利用弹簧6的收缩带动钢板4上方岩层2振动，模拟地震的震动过程。

升降台5内置直流升降控制装置，直流升降控制装置的动力输出端连接有水平设置的升降台面7，通过遥控控制升降台面7在升降台5内自由升降，升降台面7带动钢板4上方岩层2发生竖向位移，模拟地震过程中岩层的竖向位移,从而准确控制断裂带两边岩层的相对位移，直流升降控制装置可以是直线电机等其他能够带动物体进行直线运动的装置。

初始状态下，第一岩土层21和第二岩土层22的上端面齐平，混凝土块3和升降台5的下端面齐平。

利用上述装置进行断裂带错动时桩基承载力的试验方法包括以下步骤：

步骤1：按照图2所示各部件位置，首先将混凝土块3置于模型箱1内部，随后将预制好的内埋桩基8的第二岩层22置于混凝土块3之上；将弹簧6分别与升降台面7、钢板4焊接使得钢板4、升降台5、弹簧6形成一个整体后置于模型箱1内，随后将预制好的内埋桩基8的第一岩层21置于钢板4之上；随后在断裂带11内充填填充物10，并将承台9与各个桩基8焊接使各个桩基联结形成一个桩基础。

步骤2：将整个模型箱1置于振动台上进行振动台模型试验，利用弹簧6的收缩带动钢板4上方岩层2振动，来模拟地震震动的过程，在该过程中通过电脑读取桩基8的应力值。

步骤3：振动完成后，使用遥控通过控制内置升降装置来控制升降台面7的升降，能够精确控制断裂带两侧岩层错动的相对位移，在两侧岩层错动过程中通过电脑读取桩基8的应力值，如图3所示，为振动后模型试验装置图。

步骤4：对步骤2和步骤3读取的桩基8的应力值进行处理得到试验过程中的桩基8竖向承载特性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。