一种桩基承载性能测试装置及方法

本发明属于桩基测试装置及方法领域，尤其涉及一种桩基承载性能测试装置及方法。

背景技术：

1、随着我国经济不断发展，在青藏高原高纬度多年冻土区和东北高纬度多年冻土区的工程建设需求日趋强劲；在路基建设方面，陆地旱桥等各种桥梁建设均离不开桩基础的设计应用；为避免多年冻土区房屋等建构筑物在活动层冻融过程中发生破坏，往往采用深基础中的桩基础方案。根据桩基在工程建构筑物所起的作用可将桩基分为抗拔桩和承压桩；承压桩的桩基承载力主要取决于桩侧阻力和桩端阻力，根据桩基主要承载力的供持部分又分为端承桩、端承摩擦桩和摩擦桩，上述桩型在多年冻土区均有应用。由于端承桩通常将桩端深入至多年冻土层下非冻结状态的基岩或可作为基岩的持力层中，其桩身穿过多年冻土层时不可避免的与冻土层接触而发生冻结，使端承桩扮演端承摩擦桩的角色。与承压桩中的摩擦桩相似，抗拔桩的桩基服役性能主要取决于桩侧阻力。在多年冻土地区，影响冻结状态下的桩侧阻力的主要因素是桩身与冻土的冻结作用力，无论冻结或融化状态，桩身与桩周土体的作用力均可称为桩侧摩阻力。影响桩土界面的冻结作用力的主要因素有温度、土体含水率、以及桩身混凝土与土颗粒间的摩阻力；融化状态下影响桩与桩周土桩侧摩阻力的主要因素是桩周土含水率、桩身与土颗粒间的摩阻力。在全球气温逐年升高和桩基所处工程区域多年冻土温度在年际范围内波动作用下，桩身与桩周土间的桩侧摩阻力处于波动状态，使得桩侧阻力发生变化，此时端承摩擦桩的桩端阻力相应波动。端承摩擦桩的桩侧阻力和桩端阻力间的分配比例波动，以及摩擦桩桩侧阻力波动对桩基服役性能是否有影响尚未可知，且暂无标准的试验方法进行测试。

2、目前在工程建设中常用单桩载荷试验进行桩基原位服役性能测试，承压桩桩基承载性能测试多在桩顶放置水泥块作为上部载荷，抗拔桩的服役性能测试多在地面设置反力支架对桩体施以上拔力进行桩基承载性能测试，现有试验桩在测试完成后存在不易拆除、试桩成本高的缺点。由于多年冻土区地温处于波动状态，且在全球气候升温背景下桩周土温度处于缓慢升温状态，现有原位试桩方法无法对桩周土温度变化后的桩侧阻力发挥性能测试；在承压桩的端承摩擦桩测试中，现有桩基承载性能测试方法无法对不同桩侧阻力和桩端阻力分配比条件下的桩基服役性能进行测试。

3、为此，本发明提出了一种可对多年冻土区不同地温条件下桩基承载性能测试的可重复使用的桩基服役性能测试装置。本发明主体为底部装有液压千斤顶的桩体，在端承摩擦桩测试中，通过对桩体顶部施加上部静荷载，在桩底通过液压千斤顶施加荷载的方式可对不同桩侧阻力和桩端阻力作用条件下的桩基服役性能进行测试；通过本发明底部的液压千斤顶驱动活塞杠头部脱离与桩端土体的接触，端承摩擦桩即可变为摩擦桩，本发明即可对承压型摩擦桩的桩基承载性能测试；通过本发明底部的液压千斤顶驱动活塞杠头部与桩端土体的接触，使桩体发生相对桩周土向上的运动，即可对抗拔桩的服役性能测试；通过冷浴机将防冻液注入桩体内的液冷室中并循环的方式对桩周土控温，结合不同桩基荷载施加方式即可实现对不同地温条件下的承压式端承摩擦桩、承压式摩擦桩、抗拔桩的桩基服役性能进行测试。相较于以往的现场浇筑的试验桩，本发明可对不同地温条件下的桩基承载性能进行测试；本发明可对因地温波动导致桩侧阻力和桩端阻力分配比变化导致的桩基服役性能劣化进行研究；本发明通过在桩基底部设置液压千斤顶，桩顶设置混凝土块静压荷载的方式人为改变桩端阻力和桩侧阻力分配比，可对承压式端承摩擦桩、承压式摩擦桩、抗拔桩等桩基的服役性能测试；将混凝土浇筑于本发明中桩体表面形成预制桩，在将其打入多年冻土中后可实现预制桩在多年冻土区的载荷服役性能测试；将本发明置入钻孔中并在桩周浇筑混凝土可实现钻孔灌注桩的桩基服役性能测试；本发明除可在多年冻土区使用外，在非多年冻土区同样具有应用前景；本发明具有重复使用难度低的优点，通过冷浴机将高温防冻液注入桩体内部以融化桩周多年冻土，桩与多年冻土间的冻结作用力消失后即可使用吊车将本发明从桩孔中取出以多次重复使用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：针对现有技术无法对不同桩侧阻力和桩端阻力分配比条件下的桩基服役性能进行测试研究的缺陷，本发明要解决如何实现对灌注桩与预制桩桩基的不同桩侧阻力和桩端阻力分配比条件下的桩基服役性能进行测试的技术问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种桩基承载性能测试装置，包括桩体，桩体的桩底内部设置有液压千斤顶，且液压千斤顶的活塞杠头部向下，液压千斤顶的活塞杠头部设置有土压力盒，所述土压力盒底部设置尖靴，在桩体的下部设置有圆环。

4、进一步的技术方案在于，桩体的侧壁内设置有夹层形成液冷室，液冷室内部设置有冷浴管，位于冷浴室上端的桩体外壁设置有出液口，冷浴管主体为竖直钢管和设置于液冷室内底部的带有孔洞的环形钢管。

5、进一步的技术方案在于，桩体顶部的侧面设置有可供水位位移计一号管安装的水位位移计支架，在实际使用过程中可在试验桩距离不远处在试验期间不发生地面沉降的参考点支架，并在其上设置水位位移计二号管，水位位移计一号管与水位位移计二号管间通过耐低温水管连接。

6、应用于一种桩基承载性能测试装置的桩基承载性能测试方法，包括灌注桩桩基承载性能测试，步骤如下：

7、步骤a1：在目标测试区域钻孔，将圆环装在桩体的底部端头上，随后将桩基承载性能测试装置置入钻孔中，使用液压机对液压千斤顶加压使活塞杠头部的土压力盒与钻孔底部土体接触，在桩体与钻孔间的缝隙中浇筑混凝土，并对混凝土进行养护；

8、步骤a2：使用液压机对液压千斤顶加压，使活塞杠头部收入液压千斤顶中，此时在桩基顶部施加荷载即为摩擦桩的桩基承载性能测试；

9、步骤a3：使活塞杠头部的土压力盒与土体充分接触，土压力盒显示桩端土体承担压力且在桩基顶部施加荷载大于土压力盒显示的桩端土体承担的压力值时，即为端承摩擦桩服役性能测试；

10、步骤a4：在桩体的顶部不施加荷载，液压千斤顶驱动活塞杠头部使土压力盒或尖靴与土体充分接触，即为抗拔桩服役性能测试；

11、步骤a5：调整端承摩擦桩的桩侧阻力和桩端阻力，桩体顶部设置不同上覆静荷载，调整桩体底部的液压千斤顶施加于桩体和钻孔底部土体的荷载值，即可改变桩侧阻力和桩端阻力比例，以及桩侧阻力和桩端阻力，对于桩体，其顶部荷载与液压千斤顶施加荷载的差值即为桩侧阻力值，液压千斤顶施加于桩孔底部土体的荷载值即为桩端阻力值；

12、步骤a6：在测试完成后使用吊车将表面附有混凝土的桩基承载性能测试装置由钻孔中拔出，并使用破砼锤将桩体1表面的混凝土敲除以循环使用。

13、进一步的技术方案在于，端承摩擦桩承载性能测试时桩体位移由安装在其顶部的水位位移计一号管和安装与地面的水位位移计二号管联合测量；在液压千斤顶的活塞杠头部位置也固定有可供位移监测的电磁位移传感器，利用桩顶位移和桩底位移的差值即可对端承摩擦桩在不同桩侧阻力和桩端阻力分配比例条件下桩身位移和桩端位移计算。

14、进一步的技术方案在于，测试过程中，使用冷浴机控制流入桩体的液冷室中的防冻液温度至目标测试温度，在不同温度条件下对桩基承载性能依次进行测试，在测试完成后调整冷浴机使流入桩体的液冷室中的防冻液温为正温，使桩周冻土融化，并由液压机对液压千斤顶加压使活塞杠头部挤压钻孔底部土体，使桩体与融化后冻土尽快脱离冻结状态。

15、应用于一种桩基承载性能测试装置的桩基承载性能测试方法，包括预制桩桩基承载性能测试，步骤如下：

16、步骤b1：将活塞杠头部收入液压千斤顶中，在活塞杠头部的土压力盒的外侧加装尖靴，若桩体底部安装有圆环，需拆除；

17、步骤b2：将桩基承载性能测试装置置入预制桩模具中，并在桩体和预制桩模具的缝隙中浇筑混凝土，养护至混凝土达到强度后拆除模具，形成预制桩；

18、步骤b3：使用压桩设备将预制桩压入土层中；

19、步骤b4：使用液压机对液压千斤顶加压，使活塞杠头部收入液压千斤顶中，此时在桩基顶部施加荷载即为摩擦桩的桩基承载性能测试；

20、步骤b5：使活塞杠头部的尖靴与土体充分接触，土压力盒显示桩端土体承担压力且在桩基顶部施加荷载大于土压力盒显示的桩端土体承担的压力值时，即为端承摩擦桩服役性能测试；

21、步骤b6：在桩体的顶部不施加荷载，液压千斤顶驱动活塞杠头部使尖靴与土体充分接触，即为抗拔桩服役性能测试；

22、步骤b7：调整端承摩擦桩的桩侧阻力和桩端阻力，桩体顶部设置不同上覆静荷载，调整桩体底部的液压千斤顶施加于桩体和钻孔底部土体的荷载值，即可改变桩侧阻力和桩端阻力比例，以及桩侧阻力和桩端阻力，对于桩体，其顶部荷载与液压千斤顶施加荷载的差值即为桩侧阻力值，液压千斤顶施加于桩孔底部土体的荷载值即为桩端阻力值；

23、步骤b8：在测试完成后使用吊车将表面附有混凝土的桩基承载性能测试装置由钻孔中拔出，并使用破砼锤将桩体表面的混凝土敲除以循环使用。

24、进一步的技术方案在于，端承摩擦桩承载性能测试时桩体位移由安装在其顶部的水位位移计一号管和安装与地面的水位位移计二号管联合测量；在液压千斤顶的活塞杠头部位置也固定有可供位移监测的电磁位移传感器，利用桩顶位移和桩底位移的差值即可对端承摩擦桩在不同桩侧阻力和桩端阻力分配比例条件下桩身位移和桩端位移计算。

25、进一步的技术方案在于，测试过程中，使用冷浴机控制流入桩体的液冷室中的防冻液温度至目标测试温度，在不同温度条件下对桩基承载性能依次进行测试，在测试完成后调整冷浴机使流入桩体的液冷室中的防冻液温为正温，使桩周冻土融化，并由液压机对液压千斤顶加压使活塞杠头部挤压钻孔底部土体，使桩体与融化后冻土尽快脱离冻结状态。

26、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

27、（1）通过在桩体的侧壁内设置有夹层形成液冷室，液冷室内部设置有冷浴管，位于冷浴室上端的桩体外壁设置有出液口，冷浴管主体为竖直钢管和设置于液冷室内底部的带有孔洞的环形钢管，冷浴管与出液口连接冷浴机形成的冷浴系统可对桩侧冻土层温度控制，进而实现对不同地温条件下的桩基承载性能进行测试；相较于以往的现场浇筑的试验桩而言，本发明可对不同地温条件下的桩基承载性能进行测试。

28、（2）本发明主体为底部装有液压千斤顶的桩体，在端承摩擦桩测试中，通过对桩体顶部施加上部静荷载，在桩底设置液压千斤顶施加荷载，在桩体顶端的静荷载和桩底的液压千斤顶相互协作下，可对不同桩侧阻力和桩端阻力分配比例条件下的桩基服役性能进行测试，本发明最终可对不同地温和不同桩侧阻力和桩端阻力分配比条件下的桩基服役性能劣化机理进行研究；从而实现对桩基的不同桩侧阻力和桩端阻力分配比条件下的桩基服役性能进行测试。

29、（3）通过使桩基承载性能测试装置底部的液压千斤顶驱动活塞杠头部脱离与桩端土体的接触，端承摩擦桩即可变为摩擦桩，本发明即可对承压型摩擦桩的桩基承载性能测试；通过使桩基承载性能测试装置底部的液压千斤顶驱动活塞杠头部与桩端土体的接触，不在桩体顶部施加上部静荷载，使桩体发生相对桩周土向上的运动，即可对抗拔桩的服役性能测试；

30、（4）本发明在钻孔灌注桩和预制桩桩基承载性能测试中均可应用，将混凝土浇筑于桩基承载性能测试装置的桩体表面形成预制桩，在将其打入多年冻土中后可实现预制桩在多年冻土区的载荷服役性能测试，将桩基承载性能测试装置置入钻孔中并在桩周浇筑混凝土可实现钻孔灌注桩的桩基服役性能测试；

31、（5）本发明具有易于拔出、多次重复使用的优点；在多年冻土区使用时，通过冷浴机将高温防冻液注入桩体内部以融化桩周多年冻土，桩与多年冻土间的冻结作用力消失后，在桩基底部的液压千斤顶的顶撑作用下使桩基与桩侧土体接触面破裂，使用吊曳设备即可轻松将本发明从桩孔中拔除；在非多年冻土区，通过桩体底部的液压千斤顶对桩体施加向上的作用力，在桩体顶部的吊曳设备辅助下即可轻松从桩孔中拔除；拔出后的桩体在敲除其表面的混凝土后即可多次重复使用。

32、（6）本发明适用桩基服役性能测试范围广，本发明可用于承压型端承摩擦桩、承压型摩擦桩、抗拔桩的服役性能测试，除可在多年冻土区使用外亦可在非多年冻土区使用。