一种桩土接触面剪切试验装置的制作方法

本发明涉及一种桩土接触面剪切试验装置，特别是涉及上覆压力变化的桩土接触面剪切试验装置，可用于研究砂土相对密实度不同，桩表面粗糙程度不同以及上覆压力不同时的桩土接触面摩擦特性。

背景技术：

随着我国城市建设的快速发展，出现了很多高层和超高层建筑，对地基承载力要求较高。桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中，随着桩基工程实际工程经验的积累和理论研究的深入，在钻孔灌注桩和预制管桩的基础上出现了许多新型桩基础，如挤扩支盘桩，螺旋桩，竹节桩，钻孔挤土桩等。在深厚软土地区的长桩一般为摩擦桩或端承摩擦桩，桩基承载力主要由侧摩阻力所提供。现有桩基规范中给出的桩侧摩阻力计算公式主要是基于现场试验数据给出的经验公式，在许多实际工程中与实测的桩侧摩阻力值偏差较大。需要结合模型试验对不同类型桩基础的桩土接触面摩擦性能进行研究，为实际工程中桩基设计提供理论依据。

目前对桩土接触面的研究主要基于现场试验和室内剪切试验(直剪试验、环剪试验)。现场试验中桩土接触面摩擦性能的研究中桩侧摩阻力值主要基于桩身钢筋应力计或光纤所测得桩身进行转换，且桩土相对位移为桩身位移，不考虑桩周土体位移，另外，实际工程中土体分布情况较为复杂，因此无法得到准确的桩侧摩阻力桩土相对位移关系。室内剪切试验主要为桩土接触面直剪试验和环剪试验，室内剪切试验可以测得准确的桩土相对位移，同时能够测得接触面法向位移，然而直剪试验和环剪试验中桩土接触面为平面，与实际圆形桩土接触面不同，且剪切试验中边界条件与实际桩基荷载传递过程中的边界条件也不同，因此所得到的桩土接触面摩擦特性可能与实际桩土接触面摩擦特性有所不同。

大量试验结果表明桩土接触面形式，桩表面粗糙度，桩周土体性质，桩周土体应力水平以及基桩长细比会对桩侧摩擦性能产生影响；因此对不同上覆压力作用下不同类型桩土接触面的摩擦特性进行研究具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有现场试验和室内剪切试验(直剪试验、环剪试验)的不足，本发明提供一种可用于模拟不同桩周砂土层相对密实度，不同砂土层上覆压力以及不同桩表面粗糙度的桩土接触面剪切试验装置，该装置可同时保证桩土剪切面形式与实际桩土接触面形式相同。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种桩土接触面剪切试验装置，包括圆形模型箱、加载板、反力梁和伺服加载电机，所述圆形模型箱由模型箱底座和焊于底座上的圆筒状模型箱框架组成；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；所述底板中心处设有一个圆孔；所述模型箱内部填筑一定密实度的砂土层，砂土密实度根据试验要求确定；在底板上固定有竖直刚性管，所述砂土层内部预埋土压力传感器以测量竖向及水平土压力，测量水平土压力的土压力传感器固定在竖直刚性管上，测量竖向土压力的土压力传感器固定在底板上；所述模型箱中心处放置模型桩，且模型桩通过与砂土的摩擦力悬于底板圆孔上部；所述加载板为一圆形板，其设置于砂土层上，且嵌入圆筒状的模型箱框架内；所述反力梁通过4根刚性螺杆和螺帽固定在模型箱上；所述伺服加载电机位于模型桩上方并固定在反力梁上，向模型桩施加压力，两个千斤顶对称分布于伺服加载电机两侧，千斤顶上端与反力梁相抵向砂土层施加上覆压力。

上述技术方案中，进一步的，所述的圆筒状模型箱框架直径与底板中心处圆孔直径之比不小于10。

进一步的，底板上可以固定有若干个竖直刚性管，绕模型桩均匀分布，各竖直刚性管上均固定一土压力传感器用于测量水平土压力。相应的，在该装置中设有若干个用于测量竖向土压力的土压力传感器，绕模型桩均匀分布。

伺服加载电机可以采用位移控制和荷载控制两种加载方式。

进一步的，所述的伺服加载电机的极限加载值为20kN，行程为50mm。当采用位移控制时，加载速率为0.1-5mm/min。

该装置中砂土层也可以替换为粘土、粉土、黄土等其他土体，进行相应的剪切试验。

本装置中，试验设计砂土层密实度较小时通过砂雨法制备，设计砂土层密实度较大时通过分层夯实得到；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中采用圆形模型桩，桩土剪切面形式与实际桩土剪切面形式相同，都为圆形；模型箱采用圆形框架，边界条件与实际桩基荷载传递过程中的边界条件相似。

2、本发明中所填筑砂土密实度可根据要求进行改变，可以研究砂土层密实度不同对桩土接触面摩擦特性的影响，砂土层中预埋的土压力传感器可测得竖向土压力及水平土压力，并可测得剪切试验过程中竖向土压力及水平土压力的变化。

3、本发明中所采用模型桩表面的粗糙度可进行调整，同时也可采用现浇方法将所设计模型桩材料现浇入模型槽中心处桩孔内。

4、本发明中采用千斤顶对砂土层施加上覆压力，可通过改变千斤顶所施加荷载调节上覆压力。

5、本发明中采用伺服电机进行桩土接触面剪切试验的加载，可满足各种不同砂土密实度，不同上覆压力情况下的各种桩土接触面的剪切试验要求。

附图说明

图1为剪切试验装置侧视图；

图2为剪切试验装置俯视图；

图3为加载板示意图；

图4为完整可模拟上覆压力变化的桩土接触面剪切试验装置侧视图；

图中：模型箱1；模型箱底座1-1；底板1-1-1；支座1-1-2；圆形模型箱框架1-2；模型桩1-3；砂土层1-4；土压力传感器1-5；刚性管1-6；加载板2；反力梁3；刚性螺杆3-1；螺帽3-2；千斤顶3-3；伺服加载电机4。

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、图4所示，本发明为可模拟砂土密实度不同、上覆压力不同的桩土接触面剪切试验装置，包括圆形模型箱1、加载板2、反力梁3和伺服加载装置4共四个部分。

所述圆形模型箱1由模型箱底座1-1和圆形模型箱框架1-2组成；所述模型箱底座1-1底板1-1-1和支座1-1-2组成，底板1-1-1焊接在支座1-1-2上；所述底板1-1-1为30mm厚钢板，直径为1000mm，且底板中心处设有一个圆孔；所述支座1-1-2由工字钢焊接而成，高度为600mm；所述圆形模型箱框架1-2由10mm厚钢板制成，直径为900mm；所述模型箱1内部填筑一定密实度的砂土层1-4；所述砂土层1-4根据设计密实度要求采用不同方法进行填筑；所述砂土层填筑方法为砂雨法设计密实度较小时和分层夯实法设计密实度较大时；所述砂土层1-4内部预埋土压力传感器1-5分别测量竖向及水平土压力，测量水平土压力的土压力传感器固定在刚性管1-6上；所述刚性管1-6直径为10mm，竖直固定在底板1-1-1上，模型箱内设置有两根刚性管，对称分布于模型桩两侧；所述模型箱1中心处放置模型桩1-3，且模型桩1-3位于底板1-1-1圆孔上部；所述模型桩1-3可以采用预埋或现浇方法放入模型箱1中。

如图4所示，所述加载板2放置在填筑完成的砂土层1-4上表面；所述反力梁3通过刚性螺杆3-1和螺帽3-2固定在模型箱上；所述上覆压力由千斤顶3-3通过加载板2施加在砂土层1-4上；所述伺服加载电机4由固定装置固定在反力梁3上，并位于模型桩1-3上部。

本发明的工作过程如下：首先根据需要填筑一定密实度的砂土层1-4，当设计要求砂土层密实度较小时，采用砂雨法制备砂土层1-4，通过控制落砂装置底部与试验土体表面的落距得到设计要求的土体密实度，当设计要求砂土层密实度较大时，采用分层夯实法填筑砂土层，通过控制砂土干密度和体积的方法得到设计要求的土体密实度；在砂土填筑过程中埋设土压力传感器测量竖向及水平土压力；模型桩1-3可以采用预埋或现浇方法放入到模型箱1中，采用预埋方法时，在砂土层填筑前将模型桩预埋在桩孔中，且模型桩表面粗糙度可以根据试验要求进行调整，采用现浇方法时，在砂土填筑过程中在桩孔位置处放置与模型桩直径相同的薄壁钢管，待砂土填筑完成后将薄壁钢管从桩孔中拔出并灌入所设计模型桩材料，采用现浇方法时模型桩需要在模型箱中养护一定时间；将加载板2覆盖在填筑完成的砂土层1-4上表面，通过千斤顶对砂土层施加上覆压力，所施加上覆压力值通过预埋在砂土中的土压力传感器读数进行调整，最后将上覆压力稳定在试验设计值；完成上述试验准备工作后，通过伺服加载电机4对模型桩进行加载，根据试验要求采用一定的加载速率进行加载，加载过程中竖向及水平土压力的变化情况由土压力传感器测得，伺服加载电机4所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中竖向及水平土压力的变化规律以及桩土接触面摩阻力相对位移关系都可以在试验中测得。