不同冻土类型和温度基桩模型承载力试验方法及计算方法与流程

1.本技术涉及基桩承载力试验技术领域，尤其是涉及不同冻土类型和温度基桩模型承载力试验方法及计算方法。


背景技术：

2.目前冻土是一种对温度变化极为敏感、具有流变性的土体介质，气候变暖与工程扰动均易引起冻土存在形态的改变，从而对地基承载力产生不利的影响。
3.现有的，冻土区的工程建设多采用选址避让、土方换填、造价较高的桩基础等工程措施，结合热棒、通风管等强制式调节冻土温度的方式解决冻土地基承载力受外界环境扰动的问题。经过大量的工程建设实例和科学研究成果证实，桩基础在解决冻土区工程病害问题上取得了巨大的成功。同时，科研工作者也发现冻土分布不连续、冻土类型的复杂多样以及冻土温度差异性大等因素在一定程度上影响桩基础的承载力。
4.上述中的现有技术方案存在以下缺陷：受限于冻土区严寒、缺氧的恶劣气候环境和施工建设工期及经济成本，无法开展现场试验研究桩基础在不同冻土条件下的承载力变化特征。


技术实现要素：

5.本技术为了能够进行桩基础在不同冻土条件下承载力变化试验，同时降低试验成本，提供了不同冻土类型和温度基桩模型承载力试验方法及计算方法。
6.本技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
7.一种不同冻土类型和温度基桩模型承载力试验方法，包括以下步骤：
8.s1、配土：根据试验要求，再结合工程地质情况，通过室内土工试验，确定试验土样的相关参数并配制；
9.s2、填土：在试验箱中加入配置好的试验用土，此时需要预留出至少一个基桩模型的预留孔，同时在试验箱中埋入温度传感器以及温控毛细管；
10.s3、辅助工具组装：将辅助钢筋分切成多段，相邻两段之间焊接振弦式传感器，将焊接有振弦式传感器的辅助钢筋埋设到预留孔的内壁上，在预留孔的底部安装钢弦式传感器；
11.s4、试验准备：将基桩模型竖直插入到预留孔中，将加压组件与基桩模型上端头连接，将控温组件与温控毛细管相连接，将控温组件、加压组件、振弦式传感器、位移计以及钢弦式传感器与计算机相连接；
12.s5、试验：计算机控制控温组件以及加压组件，控温组件调整试验用土温度，为基桩模型提供试验所需温度环境，试验用土为基桩模型提供试验所需类型的冻土，加压组件为基桩模型提供轴向压力，振弦式传感器、位移计以及钢弦式传感器提供试验过程中所需数据。
13.优选的，步骤s2中，向试验箱中回填试验用土的时候，需要注意控制试验用土分层
厚度和密度。
14.优选的，步骤s2中，埋设的温度传感器共有多个，并且多个温度传感器被埋设在同一竖直直线上，在计算机上耦接有数据采集仪，数据采集仪同时与多个温度传感器耦接在一起。
15.优选的，步骤s3中，将焊接有振弦式传感器的辅助钢筋埋设到预留孔中时需要注意的是：如果预留孔数量大于一个，需要保证多个预留孔中同一深度的振弦式传感器位于同一水平面上。
16.优选的，步骤s4中提到的控温组件包括制冷设备、制热设备以及冷媒介质循环箱，温控毛细管的两端连接到冷媒介质循环箱上，制冷设备的冷媒、制热设备的热媒进入到冷媒介质循环箱之后形成冷媒介质输送至温控毛细管中。
17.优选的，步骤s4中将加压组件与基桩模型上端头相连接的具体步骤为：将加压组件中的上承压板与试验箱上方的反力架固定连接，然后将千斤顶安装在上承压板与基桩模型之间。
18.优选的，千斤顶安装完成之后，在千斤顶与基桩模型之间安装一试桩连接件。
19.优选的，通过千斤顶为基桩模型加载时，采用加载分级进行，且采用逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载值的1/10或预估极限承载力的1/10，其中，第一级加载量可取分级荷载的2倍。
20.优选的，计算机采集数据的方式为：每级荷载施加后，分别在第5min、第15min、第30min、第45min和第60min时采集电子位移计19的读数，记录基桩模型6桩顶沉降量，其后每隔30min测读一次；沉降相对稳定标准：基桩模型6桩顶沉降量小于或者等于0.1mm/h，并连续出现两次；在基桩模型6桩顶沉降速率符合沉降相对稳定标准的情况下，才能施加下一级荷载；卸载时，每级荷载应维持1h，分别按第15min、第30min、第60min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载；卸载至零后，测度桩顶残余沉降量，维持时间大于或者等于3h。
21.一种通过上述不同冻土类型和温度基桩模型承载力的试验方法计算基桩模型承载力的方法，按以下公式计算基桩模型桩身的轴力和摩擦力：
[0022][0023][0024][0025]
其中：k为振弦式传感器(51)的标定系数；f0为振弦式传感器(51)加载前的初始频率；
[0026]fi
为i级荷载下振弦式传感器(51)的频率；eh为基桩模型(6)桩身材料的弹性模量；
[0027]eg
是振弦式传感器(51)的弹性模量；ah为基桩模型(6)桩身截面面积；
[0028]ag
为振弦式传感器(51)的截面面积；q
i-1
、qi分别为基桩模型(6)桩身i-1截面、i截面上的轴力；n是振弦式传感器(51)个数；
[0029]
u为基桩模型(6)桩身周长，li为基桩模型(6)桩身上i-1截面与i截面之间的距离。
附图说明
[0030]
图1是本技术实施例中试验装置的整体结构图；
[0031]
图2是本技术实施例中试验装置断面以及控制示意图。
[0032]
图中，1、试验箱；11、试验用土；12、预留孔；2、反力架；3、加压组件；31、千斤顶；32、上承压板；33、试桩连接件；34、横梁；35、下承压板；4、控温组件；41、温控毛细管；42、冷媒介质循环箱；43、制冷设备；44、制热设备；45、温度传感器；46、计算机；5、数据采集组件；51、振弦式传感器；52、钢弦式传感器；53、数据采集仪；54、安装座；55、电子位移计；56、检测支架；6、基桩模型；7、辅助钢筋。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本技术作进一步详细说明。
[0034]
参照图1和图2，本技术提供了一种不同冻土类型和温度下基桩模型承载力试验装置，包括试验箱1、反力架2、加压组件3、控温组件4以及数据采集组件5，试验箱1的上端面敞开，试验箱1的侧壁材质为具有保温隔热功能的钢结构材质，基桩模型6竖直设置在试验箱1内部，反力架2设置在试验箱1上方，加压组件3设置在反力架2上并且可以向下为基桩模型6施加不同的压力，控温组件4设置在试验箱1上并且可以根据人们的需要调整或者维持试验箱1内部的温度，数据采集组件5设置在试验箱1上并且可以计算基桩模型6收受到的轴向力大小以及基桩模型6在压力下沿自身轴线移动距离。
[0035]
试验装置使用时，根据人们需要的冻土类型，在试验箱1中加入试验用土11，此时需要为基桩模型6预留出至少一个预留孔12，然后将基桩模型6竖直插入到预留孔12中；试验过程中，控温组件4使试验箱1中的试验用土11维持一定的温度，加压组件3根据人们的需要逐渐向基桩模型6上加压，此时数据采集组件5可以检测到基桩模型6在不同压力作用下，桩身下降的距离，而且可以检测出基桩模型6受到的轴向力的大小，综合数据，人们可以计算出基桩模型6的桩端承载力以及桩侧摩擦力，最终可以完成桩基础在不同冻土类型和温度条件下承载力变化特征的试验，降低了成本。
[0036]
参照图2，控温组件4包括温控毛细管41、冷媒介质循环箱42、制冷设备43、制热设备44、温度传感器45以及计算机46，温度传感器45共设置有多个，多个温度传感器45被预埋在试验箱1中的试验用土11中，并且多个温度传感器45位于一竖直直线上；计算机46、制冷设备43、制热设备44以及冷媒介质循环箱42均为试验箱1外接结构，计算机46与制冷设备43、制热设备44以及温度传感器45耦接，温度传感器45检测到的温度信号可以被计算机46获取，计算机46还可以根据获取的温度信号对制冷设备43或者制热设备44进行控制，在本实施例中，制冷设备43、制热设备44可以为冷媒介质循环箱42提供冷媒、热媒；
[0037]
温控毛细管41设置在试验箱1内部，温控毛细管41的一端延伸至试验箱1外侧并且与冷媒介质循环箱42的入口相连接，温控毛细管41位于试验箱1内部的区段充满试验箱1，但是并不会出现相互交叉的情况，另一端延伸至试验箱1外侧并且与冷媒介质循环箱42的出口相连接，冷媒介质循环箱42与制冷设备43、制热设备44相连接。多个温度传感器45设置一竖直直线上，可以检测不同高度的试验用土11的温度并且输送至计算机46，计算机46可以通过控制冷媒介质循环箱42改变试验箱1中试验用土11的温度。
[0038]
数据采集组件5包括振弦式传感器51、钢弦式传感器52以及数据采集仪53，在埋设
基桩模型6的预埋孔内壁中嵌设有辅助钢筋7，辅助钢筋7上开设有多个用于安装振弦式传感器51的断口，振弦式传感器51共设置有多个，辅助钢筋7上的断口数量与振弦式传感器51的数量相同；钢弦式传感器52的数量与基桩模型6的数量相同，钢弦式传感器52设置在基桩模型6的底部，钢弦式传感器52与振弦式传感器51均与数据采集仪53耦接。基桩模型6受力的过程中，振弦式传感器51可以用来检测基桩模型6所受内力，钢弦式传感器52用来监测基桩模型6的轴力，振弦式传感器51监测的数据与钢弦式传感器52的数据还可以相互校核。
[0039]
更进一步的，数据采集组件5还包括安装座54、电子位移计55以及检测支架56，安装座54固定在试验箱1的内壁上，检测支架56固定在基桩模型6靠近安装座54的一侧，电子位移计55安装在安装座54上并且电子位移计55的检测端头与检测支架56相抵接，电子位移计55用于对基桩模型6沿自身中心轴线的长度移动距离进行监测，电子位移计55与计算机46耦接。加压组件3向基桩模型6上施加压力的时候，电子位移计55可以监测基桩模型6在压力作用下在试验用土11中的位移大小，最终会将基桩模型6的移动距离传输至计算机46，供参考使用。
[0040]
加压组件3包括千斤顶31、上承压板32、试桩连接件33、下承压板35以及横梁34，横梁34固定在反力架2上，试桩连接件33安装在基桩模型6的上端头，千斤顶31设置在试桩连接件33的上方，上承压板32水平设置在千斤顶31与横梁34之间，下承压板35水平设置在千斤顶31与试桩连接件33之间；在本实施例中，千斤顶31为智能式自补偿千斤顶31。使用时，千斤顶31根据指令向试桩连接件33增加压力，试桩连接件33将压力传输至基桩模型6上，此时试桩连接件33主要起到了力的传输的作用；更进一步的，试桩连接件33的截面积大于基桩模型6的截面积，试桩连接件33可以对基桩模型6的端面进行保护。
[0041]
本技术还提供了一种不同冻土类型和温度下基桩模型承载力试验方法，包括以下步骤：
[0042]
s1、配土：根据试验要求，再结合工程地质情况，通过室内土工试验，确定试验土样的相关参数并配制，此时人们可以根据需要将冻土类型分为：少冰冻土(含冰量在10％以下)、多冰冻土(含冰量在10～20％)或富冰冻土(含冰量在20～30％)等；
[0043]
s2、填土：在试验箱1中加入配置好的试验用土11，此时需要注意控制试验用土11分层厚度和密度，此时需要预留出至少一个基桩模型6的预留孔12，同时在试验箱1中埋入多个温度传感器45以及温控毛细管41，多个温度传感器45被埋设在同一竖直直线上并且同时与数据采集仪53耦接；
[0044]
s3、辅助工具组装：将辅助钢筋分切成多段，相邻两段之间焊接振弦式传感器51，将焊接有振弦式传感器51的辅助钢筋埋设到预留孔12的内壁上，如果预留孔12数量大于一个，需要保证多个预留孔12中同一深度的振弦式传感器51位于同一水平面上，在预留孔12的底部安装钢弦式传感器52；
[0045]
s4、试验准备：将基桩模型6竖直插入到预留孔12中，将加压组件3与基桩模型6上端头连接，将控温组件4与温控毛细管41相连接，将控温组件4、加压组件3、振弦式传感器51、位移计以及钢弦式传感器52与计算机46相连接；
[0046]
关于基桩模型6：基桩模型6可以是按一定相似比缩尺度的钢筋混凝土灌注桩，也可以是新型材料组成的基桩模型6，基桩模型6设置完成后，根据标准养护条件和同条件养护条件试块的强度，确定合适的加载时间；
[0047]
s5、试验：计算机46控制控温组件4以及加压组件3，控温组件4调整试验用土11温度，其温度可以分为高温不稳定冻土(-1℃《t
cp
《-0.5℃)，高温极不稳定冻土(-0.5℃《t
cp
)，低温基本稳定冻土(-2℃《t
cp
《-1℃)和低温稳定冻土(t
cp
《-2℃)，为基桩模型6提供试验所需温度环境，其中t
cp
为多年冻土的年平均地温；
[0048]
加压组件3为基桩模型6提供轴向压力：千斤顶31采用加载分级进行，且采用逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载值的1/10或预估极限承载力的1/10，其中，第一级加载量可取分级荷载的2倍；
[0049]
振弦式传感器51、位移计以及钢弦式传感器52提供试验过程中所需数据：计算机46采集数据的方式为：每级荷载施加后，分别在第5min、第15min、第30min、第45min和第60min时采集电子位移计55的读数，记录基桩模型66桩顶沉降量，其后每隔30min测读一次；沉降相对稳定标准：基桩模型66桩顶沉降量小于或者等于0.1mm/h，并连续出现两次；在基桩模型66桩顶沉降速率符合沉降相对稳定标准的情况下，才能施加下一级荷载；卸载时，每级荷载应维持1h，分别按第15min、第30min、第60min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载；卸载至零后，测度桩顶残余沉降量，维持时间大于或者等于3h。
[0050]
需要说明的是：当一根基桩模型6的试验完成后，启动控温组件4促使冷媒介质经温控毛细管41循环调节模拟冻土地基的温度，待温度达到试验要求且稳定后，进行下一根基桩模型6的承载力试验，重复试验步骤，直至试验全部结束。
[0051]
试验箱1的尺寸根据具体情况设计；反力架2应满足试验强度、刚度和稳定性的需要，同时保证不小于1.5的安全系数；试验箱1内可以根据试验要求同时布置多根试验，以通过温度控制系统得到同一冻土类型不同冻土温度下基桩的承载力特征，能极大的缩短试验周期。基桩模型6的桩间距应满足《建筑桩基技术规范》要求，避免相邻基桩模型6对试验结果的干扰。
[0052]
本技术还提供了一种利用上述不同冻土类型和温度基桩模型承载力试验装置或者试验方法计算基桩模型6承载力的方法，其他具体为：按以下公式计算基桩模型6桩身的轴力和摩擦力：
[0053][0054][0055][0056]
其中：k为振弦式传感器(51)的标定系数；f0为振弦式传感器(51)加载前的初始频率；
[0057]fi
为i级荷载下振弦式传感器(51)的频率；eh为基桩模型(6)桩身材料的弹性模量；
[0058]eg
是振弦式传感器(51)的弹性模量；ah为基桩模型(6)桩身截面面积；
[0059]ag
为振弦式传感器(51)的截面面积；q
i-1
、qi分别为基桩模型(6)桩身i-1截面、i截面上的轴力；n是振弦式传感器(51)个数；
[0060]
u为基桩模型(6)桩身周长，li为基桩模型(6)桩身上i-1截面与i截面之间的距离。
[0061]
本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人
员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。