一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置

1.本实用新型属于土工试验测量领域，涉及一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置。


背景技术：

2.膨胀土是工程上的一种灾害性地质，在公路地基处理中，对膨胀土进行桩基加固处理是有效的方法之一，其方法和原理可以简单概括为将桩体打入膨胀土地基下部非膨胀土区域的一定深度中，利用桩体自身的强度和对土体的约束作用，抵抗由于膨胀土遇水膨胀或失水干缩对上部道面结构产生的破坏。
3.在膨胀土遇水膨胀的情况下，土体对桩会产生上拔力；膨胀土失水干缩又会对桩产生下拉力（负摩阻力），使得膨胀土中的桩-土共同作用研究比一般土要复杂得多，其荷载传递机理也不完全相同。因此，开展桩基荷载传递特性的研究，对实现膨胀土地基不均匀上拱及沉降，抵抗由于膨胀土遇水膨胀或失水干缩对上部道面结构产生的破坏，实现桩基的合理设计有着重要的工程意义。
4.现有技术方法中，对桩基荷载传递特性的研究手段主要有静载试验、模型试验、数值分析。其中，最直接可靠的方法是采用静载试验，不但可以为研究桩基荷载传递特点及桩基设计提供直接依据，并且也是验证模型试验和数值分析合理性的手段。但现有技术方案中静载试验主要面临的技术缺陷有如下：现有静载试验多采用喷头喷水等直接渗水方式，其水分下渗缓慢，试验周期长，且其试验结果不能客观反应工程实际中桩基的荷载传递规律，导致试验结果与工程实际偏差较大，试验结果可靠性低。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例的目的在于提供一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置，以解决现有的静载试验仪器的试验结果与工程实际偏差较大、试验结果可靠性低的问题，以及现有的静载试验仪器试验周期长的问题。
6.本实用新型实施例所采用的技术方案是，一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置，包括压力加载装置、模型桩、膨胀土增实筒和排水阀，模型桩的外表面均匀设置有一层混凝土包裹层，混凝土包裹层上固定有多个从上到下等间距设置的应变传感器；模型桩垂直插设于膨胀土增实筒内，其底部与膨胀土增实筒内的压力传感器接触；压力加载装置的压力加载端与模型桩的顶部接触，为模型桩施加垂直压力；排水阀设置于膨胀土增实筒的底端；
7.所述膨胀土增实筒内从下到上依次摊铺放置有石子、中砂和膨胀土试样，并设有水平渗砂层和竖向渗砂层。
8.本实用新型实施例的有益效果是，提出了一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置，具有如下优点：
9.（1）实施例的适用于膨胀土的桩基静载试验装置充分了考虑膨胀土自身对水的敏
感性特点，通过在膨胀土增实筒的内部设置竖向渗砂层和水平渗砂层，相比较传统装置和方法中采用的直接渗水方式，本实用新型通过注水孔和竖向渗砂层口进行渗水，水分可以沿竖向渗砂层、水平渗砂层均匀下渗，保证了水分在膨胀土中的均匀分布，使其更加贴近实际工程中的水分分布状态；在此基础上进行排水、渗水条件下的静载试验时，膨胀土发生的胀缩变形更加符合工程实际，实现了准确模拟桩-土间的相互作用的目的，因此其试验结果在反应工程实际中的桩基荷载传递规律更加客观，试验结果更接近工程实际，解决了现有静载试验仪器的试验结果与工程实际偏差较大的问题。
10.（2）本实用新型实施例的适用于膨胀土的桩基静载试验装置的试验数据可靠性高。在进行桩基受力特点研究时，膨胀土试样与桩基的约束为相互作用，包括了横向嵌挤力和竖向摩阻力，现有技术中多采用有限元软件对其进行数值计算分析或采用理论方法进行解析计算，其分析结果均未能良好反应膨胀土试样与桩基间的相互作用，且数值解与试验解二者的分析结果虽趋于一致，但是二者间的误差较大。本实用新型实施例使用混凝土层包裹在模型桩外侧，有效模拟了桩体表面的粗糙程度，在膨胀土增实筒内可依次加入石子、中砂、膨胀土试样，在膨胀土增实筒的内部设置竖向渗砂层、水平渗砂层，还原了工程中桩体的实际工作状态；静载试验中桩体的受力特性研究主要考虑桩基变形和桩基受力两项指标，本实用新型通过应变传感器，可以对桩身与混凝土的界面处的桩基形变指标进行测量，模型桩底面设置有压力传感器，可在试验过程中全程监测桩基受力的变化情况，由桩基变形和桩基受力间的相关关系实现对试验数据准确性和合理性的直接判断，从而提高了试验数据的可靠性，有效解决了现有的静载试验仪器的试验结果可靠性低的问题。
11.（3）本实用新型实施例的适用于膨胀土的桩基静载试验装置有效缩短了试验周期。在膨胀土桩基静载试验中，导致试验周期长的主要因为是水分在膨胀土中渗透缓慢造成的，本实用新型在膨胀土增实筒的内部设置竖向渗砂层和水平渗砂层，通过与水平渗砂层连通的注水孔以及竖向渗砂层进行渗水，并利用砂土渗透系数高的特性实现水分在膨胀土中快速、均匀渗透，有效缩短试验周期，解决了现有的静载试验仪器试验周期长的问题。
12.总体来讲，本实用新型实施例的适用于膨胀土的桩基静载试验装置试验周期短、测量结果可靠，可以实现对桩基受力指标的客观、准确地测量，为研究桩基荷载传递特点及桩基设计的安全性、合理性提供依据。
附图说明
13.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本实用新型实施例的适用于膨胀土的桩基静载试验装置的结构示意图。
15.图2是本实用新型实施例的膨胀土增实筒的结构示意图。
16.图3是本实用新型实施例的模型桩的结构示意图。
17.图中，1.承载板，2.传力轴，3.承压块，4.模型桩，5.水平渗砂层，6.竖向渗砂层，7.应变传感器，8.混凝土包裹层，9.压力传感器，10.支架，11.膨胀土增实筒，12.注水孔，13.土压力盒，14.排水阀。
具体实施方式
18.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
19.现有静载试验多采用直接渗水方式，未能充分考虑膨胀土自身对水的敏感性特点，由于膨胀土具有黏粒多，渗透系数小特性，直接渗水方式导致水分在膨胀土中渗透缓慢，且直接渗水导致膨胀土中水分过分不均匀而产生明显的胀缩差异，膨胀土发生胀缩变形后桩-土间的相互作用模拟与工程实际有明显差异，而该相互作用对桩基荷载传递规律的分析有明显影响，导致其试验结果不能客观反应工程实际中桩基的荷载传递规律。基于此，本实用新型实施例提出一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置，如图1所示，包括压力加载装置、模型桩4、膨胀土增实筒11和排水阀14，模型桩4的外表面均匀设置有一层混凝土包裹层8，混凝土包裹层8用来模拟实际工程中桩体表面的粗糙程度，且模型桩4的混凝土包裹层8上固定有多个从上到下等间距设置的应变传感器7，应变传感器7用于测量模型桩4的应变情况。模型桩4垂直插设于膨胀土增实筒11内，其底部与膨胀土增实筒11内的压力传感器9接触，压力传感器9用于对模型桩4传递的竖向压力进行测量；压力加载装置的压力加载端与模型桩4的顶部接触，为模型桩4施加垂直压力；排水阀14设置于膨胀土增实筒11的底端，在桩基静载试验中用于排出膨胀土中的水。
20.砂土的渗透性大，膨胀土的渗透性小，二者间有渗透差，能够使流入水平渗砂层5和竖向渗砂层6的水迅速进入膨胀土，另外，同一渗砂层中的水分，由于砂土的渗透性大的特点，可以使水分迅速充满整个渗砂层，水分能够迅速在水平渗砂层5平流后均匀下渗，水分能够迅速在竖向渗砂层6向下流动后向四周均匀渗透，从而达到均匀分布的目的，这个过程模拟了工程实际中的渗流。
21.膨胀土增实筒11内从下到上依次摊铺放置有石子、中砂和膨胀土试样，并设有水平渗砂层5和竖向渗砂层6，水平渗砂层5从上到下等间距布设有4层，其中3层均匀布设于膨胀土试样中，如图1~2所示，第一层水平渗砂层5应当设置在膨胀土试样的上1/3高度范围内，第二层水平渗砂层5应当设置在膨胀土试样的中间1/3高度范围内，第三层水平渗砂层5应当设置在膨胀土试样的下1/3高度范围内，这样的话水平渗砂层5可以均匀的分布在膨胀土试样中，进一步保证了渗水的均匀性。最后一层水平渗砂层5布设于中砂试样中，通过大量试验确定，当水平渗砂层5如此设置时，膨胀土试样内的水分分布情况最接近工程实际，得到的试验结果更为客观，如果在膨胀土试样中设计过多如6个水平渗砂层5，其试验结果和实际偏差过大，甚至还不如现有装置的精确度高。竖向渗砂层6设有两层且沿模型桩4对称分布，且竖向渗砂层6的顶端与膨胀土增实筒11内的膨胀土试样顶端平齐，其底端与膨胀土增实筒11内的中砂试样底端平齐。在保证渗水的同时，还能使膨胀土增实筒11内有留有足够的膨胀土，竖向渗砂层6设置2层是为了实现均匀渗水，这样从上面渗水的时候，水分能够在膨胀土试样的纵向方向均匀下渗。
22.水平渗砂层5和竖向渗砂层6的摊铺厚度过大，导致砂土占膨胀土比重过大，会影响膨胀土加载试验数据的客观性，水平渗砂层5和竖向渗砂层6的摊铺厚度过小，其难以起到渗流作用，为保证水分均匀渗流且不影响膨胀土加载试验结果，本实用新型实施例设置
水平渗砂层5和竖向渗砂层6的厚度均小于膨胀土试样厚度的1/10，且竖向渗砂层6的厚度小于水平渗砂层5的厚度。
23.膨胀土增实筒11上设有3个注水孔12，3个注水孔12的高度与位于膨胀土试样中的3层水平渗砂层5的高度一一对应，且3个注水孔12与位于膨胀土试样中的3层水平渗砂层5一一对应连通，在试验中向注水孔12内加水，水流通过注水孔12后能够直接流到水平渗砂层5，利用水平渗砂层5的渗透性实现水分在膨胀土试样内的均匀分布。
24.如图1所示，所述压力加载装置包括承载板1、传力轴2、承压块3和支架10，支架10罩设在膨胀土增实筒11外部，承压块3放置在模型桩4顶部，传力轴2底部竖直贯穿支架10后与承压块3相接触，传力轴2顶部与承载板1固定连接。使用该桩基静载试验装置时，支架10水平固定在地面上，为承载板1和传力轴2提供稳定的加载平台。
25.如图1所述，所述压力传感器9位于土压力盒13内，土压力盒13位于膨胀土增实筒11内石子试样的上表面中心位置。土压力盒13为顶部敞开的长方体盒，其底面是边长为5cm的正方形，其高度为2cm。
26.所述的模型桩4为圆柱型桩，其直径为10cm，其高度不小于膨胀土增实筒11高度的2/3，以保证桩-土的摩擦效应能够充分发挥。
27.所述的承压块3为圆柱体实心铁块，其厚度为5cm，其上、下表面的直径为10cm，其与模型桩4、传力轴2的中心轴线在同一直线上，以保证试验过程中均匀加载使模型桩4受力均匀。
28.一种适用于膨胀土的桩基静载试验装置的使用方法，按照以下步骤进行：
29.步骤s1、现场取样及试验前准备：结合某区域膨胀土桩基加固处理的实际地质条件，对施工现场的膨胀土、中砂、石子进行实地取样，按照工程中的实际湿度，对膨胀土、中砂、石子进行相同湿度条件下的密闭静置处理，使其内的水分分布均匀，含水率达到稳定状态；并检查排水阀14和注水孔12内部是否畅通以保证其能够正常渗水和排水，并将膨胀土增实筒11和土压力盒13内部清理干净。
30.步骤s2、模型桩4制作：取直径为10cm、长65cm的pvc管，将pvc管内填入泡沫并压实，然后注入玻璃胶，待玻璃胶完全凝固后，将模型桩4的上、下底面处理平整，保证模型桩4的上表面在承压块3的作用下受到垂直荷载作用，并保证其下表面能紧密贴合在压力传感器9上；同时，在模型桩4的外表面均匀裹覆混凝土包裹层8，模拟膨胀土地基中桩身的粗糙度；混凝土包裹层8完全固结后，沿模型桩4的桩身布设应变传感器7，应变传感器7用于测定模型桩4的应力变化情况，制作好的模型桩4如图3所示。
31.步骤s3、膨胀土增实筒11的石子试样放置：将膨胀土增实筒11放置在水平地面上，将步骤1中经过处理的石子均匀摊铺在膨胀土增实筒11的底层，石子的摊铺高度为12cm，采用人工操作进行轻微压实，模拟膨胀土地基中的底基层强度，压实后采用直尺测量检验其摊铺高度是否满足需求，误差不应大于0.5cm；石子试样的放置过程中，应在排水阀14与膨胀土增实筒11的接口处垫一层滤纸，防止石子试样堵塞排水阀14。
32.步骤s4：膨胀土增实筒11的中砂试样放置：如图1所示，在步骤s3的基础上，将土压力盒13放入石子试样的上表面中心位置，并在土压力盒13内水平放置压力传感器9，将步骤1中经过处理的中砂试样均匀填满土压力盒13和压力传感器9的空隙之间；将步骤s2中制作好的模型桩4放置在压力传感器9的上部，模型桩4和压力传感器9之间应紧密接触，保证压
力传感器9能够准确测定模型桩4桩端的竖向荷载数值；再将步骤s1中经过养生处理的中砂试样均匀填入膨胀土增实筒11中，填入过程中，如图1~2在中砂试样中布设竖向渗砂层6和1层水平渗砂层5，中砂试样的厚度为25cm，采用直尺测量检验其摊铺高度是否满足需求，误差不应大于0.5cm。
33.步骤s5：膨胀土增实筒11的膨胀土试样放置：如图1所示，在步骤s4的基础上，将步骤s1中经过养生处理的膨胀土试样均匀填入膨胀土增实筒11中；填入过程中，如图1~2在膨胀土试样中布设竖向渗砂层6和3层水平渗砂层5，水平渗砂层5的高度应与注水孔12的高度相等，保证水分的均匀渗入，膨胀土增实筒11内膨胀土表面采用人工方法击实到预定的密实度。膨胀土增实筒11内石子试样的厚度不能高于中砂试样的厚度，中砂试样的厚度小于膨胀土试样的厚度，且膨胀土试样的厚度不小于膨胀土增实筒11高度的1/2。
34.步骤s6：试验设备调整：将膨胀土增实筒11移至支架10的下方，在模型桩4的桩顶面放置承压块3，保证模型桩4和承压块3的中心轴线在同一直线上；调整膨胀土增实筒11的平面位置，使传力轴2能够作用在承压块3的中心位置，保证传力轴2的作用力能依次沿承压块3、模型桩4竖直向下传递；最后缓慢调整承载板1的位置，将承载板1水平放置在传力轴2的中心上方，承载板1的下表面和传力轴2的上表面紧密接触。
35.步骤s7：传感器参数调校：检查应变传感器7、压力传感器9使其处于正常工作状态，并校准读数。
36.步骤s8：开始试验：打开排水阀14模拟膨胀土中的渗水条件；通过注水孔12和竖向渗砂层6顶部进行注水。在承载板1上方以500n为梯度，依次施加0、500n、1000n、1500n.....4000n的各级垂直压力；当施加压力后，桩身位移速率小于0.01mm/h时，认为装置在该何在条件下达到稳定状态，可施加下一级荷载；当垂直压力为4000n，桩身位移速率小于0.01mm/h时，说明应变传感器7和压力传感器9的数值已达到稳定状态，即可停止试验，对试验结果进行记录即完成一次试验。
37.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。