用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置及使用方法与流程

本发明涉及模型桩定位装置及其使用方法，尤其涉及一种用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置及使用方法。

背景技术：

近年来，越来越多的跨海跨江大桥及超大体量的建设项目都需要大量使用嵌岩桩作为建(构)筑物的基础来承担巨大的上部荷载。研究嵌岩桩承载力的核心在于研究桩和桩周围的岩体在桩体受荷载过程中的相互作用及桩-岩界面的破坏机理；而想要全面的研究模型桩在受荷载过程中桩-岩界面相互作用过程及破裂面发展机理，就要求在试验开始之前，模型桩在未受荷时桩-岩界面处于完好无损的状态。目前，观察桩-岩界面相互作用过程及破裂面发展机理这类的试验都以人造浇筑的岩石为载体进行研究，目的就是为了实现实际工程中钻孔灌注桩桩-岩自然胶结面。因此如何实现模型桩可控高度的放置、振动以消除桩刺入时的影响、长时间的养护及无损拆除成了试验中必须面对的一个难题。

而现有的模型桩受荷试验中，对模型桩位置的定位尚不够准确，并难以实现人造岩石试样养护硬化完成后实现无损拆除，这就为后续模型桩受荷试验研究带来较大阻碍；导致关于嵌岩桩的准确、系统、完整的实测资料有限，制约了人们对嵌岩桩桩-岩界面剪切特性和微宏观破坏机理的认识，造成嵌岩桩设计不尽合理，对嵌岩桩的设计多持保守态度，造成了很多不必要的浪费，甚至造成一些失误。

综上可知，对于嵌岩桩的模型试验研究，设计一个能准确定位模型桩的位置，并且在人造岩石试样养护硬化完成后实现无损拆除的装置显得尤为关键和必要。

技术实现要素：

发明目的：为解决嵌岩桩桩-岩界面相互作用机理模型试验中准确定位模型桩位置及在人造岩石试样养护硬化完成后实现无损拆除的问题，本发明提供了一种用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置及使用方法，实现了对模型桩的准确定位及无损养护和拆除，能有效提高后期试验精度，且便于制造、应用范围广。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置，包括：主体框架、考虑模型桩制造误差的中心定位及固定系统、模型桩高度调节系统、侧向固定系统；其特征在于：主体框架包括框架主体、排气孔、中心定位孔、模型桩高度调节螺孔、模型桩高度调节刻度、侧边固定螺孔以及防堵孔斜切面；考虑模型桩制造误差的中心定位及固定系统包括：中心定位夹具及中心定位夹具固定螺栓；模型桩高度调节系统包括高度调节螺栓及高度调节垫圈；侧向固定系统包括侧向旋紧螺栓；所述中心定位夹具带有分瓣漏斗形夹头。

优选地，框架主体为变截面圆柱形，设有若干排气孔；框架主体下端部分的外径尺寸与用于放置试验桩和岩石/土体材料的试验盒匹配，所述下端部分插入试验盒且框架主体上部变截面处与试验盒外沿接触；框架主体下端部分的长度可使高度调节范围覆盖不同嵌固比情况下的桩头高度。

优选地，所述中心定位夹具的主体为金属圆管，主体一端具有分瓣漏斗形夹头，分瓣漏斗形夹头上方的金属圆管中设有内置螺纹；中心定位夹具与漏斗形的中心定位孔的孔壁相匹配；分瓣漏斗形夹头的瓣数为6-8瓣。

优选地，中心定位孔的下端为漏斗形，中心定位孔的尺寸与中心定位夹具的漏斗形端部匹配，当旋紧中心定位夹具固定螺栓时，该中心定位孔的漏斗顶部位置能可靠约束并收紧中心定位夹具的分瓣漏斗形夹头。

优选地，中心定位夹具固定螺栓在旋紧过程中提升中心定位夹具，使中心定位夹具的底端面与漏斗形的中心定位孔底端面平齐。

优选地，刻制于主体框架下部侧壁上的高度调节刻度包括4个部分，每个部分的刻度与高度调节螺孔中的一个螺孔对应；防堵孔斜切面为与装置底平面呈一定角度的环形切平面。

优选地，高度调节垫圈为柱形金属圆环，高度调节垫圈的内径稍大于框架主体的下部直径，或与试验盒的内径相等，使框架主体的下部可以顺利套入该高度调节垫圈；高度调节垫圈的外径与框架主体上部直径较大部分相同。

本发明所述的用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置的使用方法包括以下步骤：

(1)将制备的人工岩石浆体或者准备好的土样灌入试验盒内，使试验盒上表面到达指定的高度；

(2)将模型桩的桩头部分放入中心定位夹具的分瓣漏斗形夹头内；

(3)将中心定位夹具及其夹带的模型桩)水平放置，然后由下部套入框架主体的漏斗形中心定位孔内；

(4)将中心定位夹具固定螺栓从框架主体上端旋入中心定位夹具上部的螺孔内，中心定位夹具固定螺栓使中心定位夹具不断上升直至其底端平面与框架主体的底面平齐，此时由于漏斗形中心定位孔侧壁的约束作用，分瓣漏斗形夹头已夹紧模型桩的桩头，桩身部分外露，用手轻微晃动模型桩检验是否夹紧，完成框架主体与中心定位夹具和中心定位夹具固定螺栓的组装；

(5)将高度调节螺栓依次旋入模型桩高度调节螺孔内，直至螺帽与框架主体紧密贴合为止，完成框架主体与中心定位夹具、中心定位夹具固定螺栓和高度调节螺栓的组装；

(6)上述步骤完成后，将高度调节垫圈放置在试验盒上，保证高度调节垫圈内沿与试验盒的内沿对齐；

(7)将上述步骤(5)中组装完成的部分依次套入以高度调节垫圈内沿和试验盒内沿形成的柱形圆孔；此时模型桩处于可以调节的最高位置；

(8)对照模型桩高度调节刻度，逐次对称调节高度调节螺栓至桩的试验设计位置为止，在调节过程中模型桩会逐渐下降并刺入人工岩石浆体，观察高度调节刻度(5)，保证各个刻度条读数相同；

(9)将侧向固定螺栓依次旋入侧边固定螺孔并拧紧；

(10)将整个固定装置及下部试验盒放置在小型振动台振动使得人工岩石浆体更均匀且与桩体表面均匀接触，消除步骤(8)模型桩刺入时的影响；

(11)按照人工岩石的制备要求将整个装置放入养护室养护，待养护结束取出；确认侧向固定螺栓是否处于拧紧状态；

(12)反向旋转中心定位夹具固定螺栓使其松动，直至螺栓完全脱离；

(13)反向旋转侧向固定螺栓使其松动直至螺栓完全脱离，并取出螺栓；

(14)将主体结构慢慢向上移动直至其与高度调节垫圈和试验盒完全脱离；

(15)取下中心定位夹具和高度调节垫圈，此时模型桩已经就位即可开始试验。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明装置在确保桩身垂直度的基础上，可以实现对模型桩的准确定位及无损养护和拆除，能有效提高后期试验精度；

(2)所述装置通过调节高度调节螺栓可以针对不同嵌固比的情况进行试验，因此在制作该装置的过程中可以根据试验需要对主体框架插入试验盒部分的长度孔模型桩高度调节系统进行调整，应用范围广；分瓣漏斗形夹头可以适应具有微小制作误差的模型桩，对于桩径差别较大的情况可以采用在桩头上增加垫层的方法来提高其使用率，因而也适用于不同桩径的试验设计；

(3)对尺度要求较小，对较小规格及较大规格的室内模型试验都可以使用；

(4)装置本身制作方法简单、便于使用、易于推广。

附图说明

图1为本发明所述装置的俯视平面图；

图2为本发明所述装置的仰视图；

图3为图1中箭头方向的正立面图；

图4为沿图1中a-a线的截面剖视图；

图5为沿图1中b-b线的截面剖视图；

图6(a)为中心定位夹具的俯视图；

图6(b)为中心定位夹具沿图6(a)中c-c线的截面剖视图；

图7为中心定位夹具固定螺栓的俯视平面图及正立面图；

图8为中心定位夹具与中心定位夹具固定螺栓的组装剖视图；

图9(a)为主体框架俯视平面图及底平面仰视图；

图9(b)为主体框架沿图9(a)中d-d线、e-e线的截面剖视图；

图10(a)为中心定位夹具及高度调节系统的使用过程示意图；

图10(b)为侧边固定系统的使用过程示意图；

图11为带试验盒及模型桩的装置整体俯视图；

图12为沿图11中f-f线、g-g线的截面剖视图(旋转叠合f-f剖面的2个侧向固定螺栓至g-g剖面)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明所述用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置包括：主体框架、考虑模型桩制造误差的中心定位及固定系统、模型桩高度调节系统、侧向固定系统。

如图1-5所示，主体框架包括：框架主体1、排气孔2、中心定位孔3、模型桩高度调节螺孔4、模型桩高度调节刻度5、侧边固定螺孔6及防堵孔斜切面7；排气孔2有若干个，开设在框架主体1上，使得固定装置在放入试验盒过程中空气得以顺利排出，且保证人工制备的岩石材料在养护硬化过程中有足够的空气流通和进入；中心定位孔3的下端为漏斗形。

为了方便实现环形扫描及三维重构，模型桩受荷试验中，用于放置试验桩13和岩石/土体材料14的试验盒15多以圆柱形腔体为主，因此本实施例中以圆柱形框架主体为例进行说明(其他几何类型亦可参照该设计理念进行相应改造)。如图9所示，框架主体1为变截面圆柱形，其下端部分的直径较小，下端部分的外径尺寸与试验盒15匹配，使得该部分可以插入试验盒15且框架主体上部变截面处与试验盒外沿接触。框架主体1下端部分的长度可以根据试验设计需要进行设计，从而使该装置的高度调节范围覆盖不同嵌固比情况下的桩头高度。框架主体材料采用金属材料，可选用不锈钢材料，以防止在养护阶段发生腐蚀。

如图4-5、9所示，模型桩高度调节螺孔4由4个沿圆周均匀分布的高度调节螺孔组成，以保证在调节装置高度时不会出现无法调平的情况；刻制于框架主体1下部侧壁上的高度调节刻度5包括4个部分，每个部分的刻度与高度调节螺孔4中的一个螺孔对应；侧边固定螺孔6由4个螺孔组成，其需要具备准确的定位及水平精确度保证所有固定螺栓的施力点位于同一水平面内。防堵孔斜切面7为与装置底平面呈一定角度的环形切平面，以防止人工制备的岩石界面与固定装置底端面接触时堵塞排气孔。

如图6-8所示，考虑模型桩制造误差的中心定位及固定系统包括中心定位夹具8以及中心定位夹具固定螺栓9。中心定位夹具8为一端带有分瓣漏斗形夹头的金属圆管，分瓣漏斗形夹头以上的部分圆管内置螺丝。所述分瓣漏斗形夹头的作用是可以充分考虑模型桩的制造误差，增强其适用性；中心定位孔3的尺寸与分瓣漏斗形夹头的漏斗形端部匹配，当旋紧中心定位夹具固定螺栓9时，该中心定位孔3的漏斗顶部位置能可靠约束并收紧中心定位夹具8的分瓣漏斗形夹头。如图11-12所示，当模型桩11放入夹头之后，中心定位夹具固定螺栓9使中心定位夹具8整体上升，依靠中心定位孔3侧壁可靠约束分瓣形夹头从而使夹头可以充分夹紧模型桩11，保证其在养护及硬化过程中桩体不会发生位移。夹头的瓣数优选地可制作为6-8瓣。

该中心定位夹具需要具备准确的加工尺寸，与漏斗形的中心定位孔3的孔壁匹配。此外，对于多种桩径差别较大的试验，亦可以最大桩径来确定分瓣漏斗形夹头的直径；当需要夹装较小直径的桩时，可采用在桩头上增加垫层的方法来提高其使用率，因而也适用于不同桩径的试验设计。此外，该中心定位夹具亦需要具备准确的加工尺寸，与漏斗形的中心定位孔3的准确匹配。为避免在养护阶段发生腐蚀，中心定位夹具8选用不锈钢材料制作。

此外，中心定位夹具固定螺栓9螺纹长度设置为能够保证在旋紧过程中提升中心定位夹具8，使中心定位夹具的底端面与漏斗形的中心定位孔3底端面平齐。

如图4、5所示，模型桩高度调节系统包括：高度调节螺栓10及高度调节垫圈12；高度调节螺栓10由4个螺栓组成，需保证螺栓长度一致方便对照刻度进行调平。高度调节垫圈12为具有足够刚度的柱形金属圆环；所述高度调节垫圈的内径稍大于框架主体的下部直径，或与试验盒的内径相等，以保证框架主体的下部可以顺利套入高度调节垫圈中；所述高度调节垫圈的外径与装置上部直径较大部分相同，同时保证加工精度使得各个横截面处的高度相同。所述高度调节垫圈选用不锈钢材料。

侧向固定系统包括侧向旋紧螺栓11；图11-12所示为加入试验盒及模型桩后该装置的整体示意图，由于侧向固定螺栓11与高度调节螺栓10无法在同一个剖面图中显示，为了更清楚的图示本装置的内部结构，图12将f-f截面的2个侧向固定螺栓11旋转叠合至g-g剖面。如图11-12所示，侧向固定螺栓11由4个螺栓组成，四个螺栓的几何尺寸相同，以方便从4个方向同时对中心定位夹具8进行固定。

本发明所述的用于模型桩受荷试验中准确定位模型桩位置的装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)将制备好的人工岩石浆体或者土样14灌入试验盒15内，并使材料的上表面到达试验设计高度；

(2)将模型桩13的桩头放入中心定位夹具8的分瓣形夹头内；

(3)将中心定位夹具8及其夹带的模型桩13由下部套入框架主体1的中心定位孔3内；

(4)将中心定位夹具固定螺栓9从框架主体1上端旋入中心定位夹具8的上部螺孔内，旋转中心定位夹具固定螺栓9使中心定位夹具8不断上升直至其底端平面与框架主体1的底面平齐；此时由于中心定位孔3侧壁的约束作用，分瓣漏斗形夹头已夹紧模型桩的桩头，桩身部分外露，用手轻微晃动模型桩检验是否夹紧，此时即已完成框架主体1与中心定位夹具8和中心定位夹具固定螺栓9的组装；

(5)将高度调节螺栓10依次旋入模型桩高度调节螺孔4内，直至螺帽与框架主体1紧密贴合为止，此时已完成了主体框架1与中心定位夹具8、中心定位夹具固定螺栓9和高度调节螺栓10的组装；

(6)将高度调节垫圈12放置在试验盒15上，保证高度调节垫圈12内沿与试验盒15的内沿对齐；

(7)将步骤(5)中组装完成的部分依次套入以高度调节垫圈12内沿和试验盒内沿形成的圆孔；此时由于高度调节螺栓伸出主体框架1的部分完全外露，因此模型桩处于可以调节的最高位置；

(8)对照模型桩高度调节刻度5，逐次对称调节高度调节螺栓10至模型桩的设计位为止，在调节过程中模型桩会逐渐下降并逐渐刺入人工岩石浆体，高度调节刻度5的相同读数可以有效保证模型桩的垂直度；此时模型桩已刺入人工岩石浆体或土样内并已经固定在设计高度处；

(9)将侧向固定螺栓11依次旋入侧边固定螺孔6并拧紧；

(10)将整个固定装置及下部试验盒放置在小型振动台振动使得人工岩石浆体更加均匀且与桩体表面均匀接触，消除步骤(8)刺入时的影响；

(11)按照人工岩石的植被要求将整个装置放入养护室进行养护，待养护结束取出；确认侧向固定螺栓11是否拧紧；

(12)反向旋转中心定位夹具固定螺栓9使其松动，直至螺栓完全脱离，侧向固定螺栓的作用使得在旋转中心定位夹具固定螺栓9时保证中心定位夹具8不会随之转动而破坏桩-岩交界面；

(13)反向旋转侧向固定螺栓11使其松动直至螺栓完全脱离，并取出螺栓；

(14)将主体结构慢慢向上移动直至其与高度调节垫圈12和试验盒完全脱离；

(15)取下中心定位夹具8和高度调节垫圈12，此时模型桩已经就位即可开始试验。