测量管桩水平荷载作用下位移量的模型试验装置

1.本实用新型涉及一种测量管桩水平荷载作用下位移量的模型试验装置，属于地基加固技术领域。


背景技术：

2.管桩作为一种常用的地基处理技术，因其穿透能力强、施工快捷、对周围环境污染小等优点,在各类地基加固工程中得到了广泛应用。目前对于管桩的研究多集中在对其竖向承载能力发挥方面，但管桩及其上部结构也受到多种形式的水平荷载，如管桩施工过程中由于挤土效应所产生的对临近桩体的水平压应力，日常运营中的风力、汽车制动力、地震力及浪潮力等。随着高程建(构)筑物的大量兴建，各类水平荷载成为了此类建(构)筑物设计中的控制因素。管桩在受水平荷载作用时会因其水平抗力不足而出现桩身倾斜甚至桩身断裂等情况，尤其在软土地区或采用短桩加固时更易发生。管桩水平承载能力大小或其在水平荷载作用下的降低程度取决于桩、土相互作用下的管桩位移量，而位移量的大小则直接决定着其上部结构的稳定性乃至其倒塌概率。目前有关管桩水平受荷的现场检测、模型试验以及理论研究还很少，因此深入开展管桩在水平荷载作用下的位移特性研究具有十分重要的意义。
3.本实用新型提供一种测定管桩在不同水平荷载作用下位移量的相似模型试验装置，利用该装置通过室内模型试验方式即可快速、方便、精确地测量不同工况下的管桩在不同水平荷载作用下的位移量大小，从而为现场原型桩水平位移量预测提供理论依据。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种测量管桩水平荷载作用下位移量的模型试验装置。
5.本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种测量管桩水平荷载作用下位移量的模型试验装置，其特征是：包括加载装置、模型箱、测量装置、管桩，所述加载装置包括上部结构、下部结构、连接线、砝码，所述下部结构包括底板和竖向固定连接在所述底板上的第一空心圆管，所述上部结构包括竖向设置的第二空心圆管、设置在所述第二空心圆管上端的水平杆和定滑轮，所述水平杆水平设置并一端与所述第二空心圆管连接，所述定滑轮的轮槽的最高点高于所述第二空心圆管的顶端，所述第一空心圆管和所述第二空心圆管的管壁上沿高度方向均设置有若干个贯穿孔，所述第二空心圆管插装在所述第一空心圆管内并通过固定销连接；所述测量装置包括百分表和可伸缩的伸缩杆，所述伸缩杆一端与百分表的挡帽连接，其另一端与加载装置的水平杆连接；所述模型箱为顶部开口的透明箱体，所述模型箱内设置试验用土，所述管桩竖向设置在所述模型箱的试验用土内，所述连接线的一端与所述管桩连接，所述连接线的另一端绕过所述定滑轮后与砝码连接，所述百分表的测量头与所述管桩的桩身表面接触，且测量头与所述连接线平行设置。
6.本实用新型中，模型箱内可装填不同特性的试验用土，用于模拟管桩所处的不同
的地质条件。加载装置可通过砝码对模型箱内的管桩加载水平载荷，通过改变砝码质量，可对管桩加载不同的水平载荷。测量装置可通过百分表对管桩的水平位移量进行测量。采用透明的模型箱，便于观测，保证试验的可视化。本实用新型中的管桩是根据现场原型桩依据相似原理制成。
7.进一步的，为便于连接线与管桩的可靠连接，所述管桩的上部桩身外表面设置有环槽，所述连接线的一端通过所述环槽与所述管桩连接。
8.进一步的，为便于连接线与砝码连接，所述连接线与砝码连接的一端设置有挂钩，所述连接线通过挂钩与砝码连接。
9.进一步的，为便于确定管桩的埋设深度，所述管桩的桩身上设置有刻度尺。
10.进一步的，为防止模型箱的边界效应，所述模型箱为长方体结构，其内部的长、宽、高的尺寸均大于等于60cm。
11.进一步的，所述连接线为φ1.5mm的包塑钢丝绳。包塑钢丝绳具有强度大、变形小的优点，可保证试验力加载的准确性。
12.进一步的，所述伸缩杆包括内杆、外杆、固定环，内杆和外杆套装在一起，外杆与内杆套装的一端具有多个三角形缺口形成弹性结构，所述固定环的内孔具有锥度，所述外杆通过所述固定环与所述内杆紧固连接。该种结构的伸缩杆伸缩方便，内杆和外杆固定可靠。
13.进一步的，为防止测量装置自重影响自身稳定性，所述水平杆的长度≥所述伸缩杆长度的1/5。
14.本实用新型的有益效果是：本实用新型中的模型试验装置结构设计合理，受力合理，能够保证测量数据精确，且该结构设计便于调节，可实现快速组装，可快速方便地进行高度、加载力等调节，操作简单方便；本实用新型的模型箱采用透明化设计，可以直观地观察试验过程中管桩的变化。通过改变管桩型号及其在试验用土中的埋设工况和不同的水平荷载大小便能直观、有效的测定并分析水平受荷下的桩身位移规律，从而为现场原型桩水平位移量预测及增强其水平、竖直承载力提供理论依据。
附图说明
15.图1是本实用新型中的模型试验装置的结构示意图；
16.图2是图1的俯视示意图；
17.图3是本实用新型中的加载装置中的上部结构和下部结构的连接示意图；
18.图4是本实用新型中的加载装置中的上部结构的结构示意图；
19.图5是本实用新型中的加载装置中的下部结构的结构示意图；
20.图6是本实用新型中的测量装置的结构示意图；
21.图7是图6中伸缩杆中的内杆和外杆连接部分的放大示意图；
22.图8是本实用新型中的模型箱的结构示意图；
23.图9是本实用新型中的其中一种实心桩的示意图；
24.图10是本实用新型中的另一种空心管桩的示意图；
25.图中，1、管桩，2、环槽，3、管桩上的刻度尺，4、底板，5、水平杆，6、第一空心圆管，7、贯穿孔，8、第二空心圆管，9、定滑轮，9
‑
1、三角形金属架，10、固定销，11、百分表，11
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1、测量头，11
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2、表身，11
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3、挡帽，12、伸缩杆，12
‑
1、外杆，12
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2、内杆，12
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3、固定环，12
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4、三角形
缺口，12
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5、固定环的小口端，12
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6、固定环的大口端，13、模型箱，13
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1、模型箱的刻度线，14、连接线，14
‑
1、挂钩，15、砝码，16、试验用土。
具体实施方式
26.下面通过非限定性的实施例并结合附图对本实用新型作进一步的说明：
27.如附图所示，一种测量管桩水平荷载作用下位移量的模型试验装置，其包括加载装置、模型箱13、测量装置、管桩1。所述加载装置包括上部结构、下部结构、连接线14、砝码15，所述下部结构包括底板4和竖向固定连接在所述底板4上的第一空心圆管6，底板4和第一空心圆管6均采用金属材质，第一空心圆管6焊接在底板4上。底板4用于保证装置的稳定性。所述上部结构包括竖向设置的第二空心圆管8、设置在所述第二空心圆管8上端的水平杆5和定滑轮9，所述水平杆5水平设置并一端与所述第二空心圆管8连接。水平杆5优选为金属圆管，第二空心圆管8也优选为金属材质，水平杆5的一端与第二空心圆管8焊接连接。定滑轮9通过三角形金属架9
‑
1与第二空心圆管8连接，并且定滑轮9的轮槽的最高点高于所述第二空心圆管8的顶端。所述第一空心圆管6和所述第二空心圆管8的管壁上沿高度方向均设置有若干个贯穿孔7，第二空心圆管8的下端插装在第一空心圆管6内，两者通过插装在相应的贯通孔7内的固定销10固定连接。所述测量装置包括百分表11和可伸缩的伸缩杆12，百分表11的量程为0
‑
50mm，用于测定管桩的水平位移值。百分表11包括测量头11
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1、表身11
‑
2、挡帽11
‑
3。所述伸缩杆12具有可伸缩功能，伸缩杆12的一端与百分表11的挡帽11
‑
3连接，其另一端插装在加载装置的水平杆5内。伸缩杆12可采用现有技术中的任何可伸缩的杆件结构，为便于调节及保证伸缩杆固定可靠，本实施例中，所述伸缩杆12包括内杆12
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2、外杆12
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1、固定环12
‑
3，内杆12
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2和外杆12
‑
1均为空心圆管，内杆12
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2的外径与外杆12
‑
1的内径相同，内杆12
‑
2和外杆12
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1套装在一起，百分表11的挡帽11
‑
3插入内杆12
‑
2，外杆12
‑
1的另一端插入水平杆5内。外杆12
‑
1与内杆12
‑
2套装的一端具有多个三角形缺口12
‑
4形成弹性结构，所述固定环12
‑
3的内孔具有锥度，固定环12
‑
3套装在外杆12
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1外部，并且其大口端12
‑
6朝向外杆12
‑
1带有三角形缺口12
‑
4的一端，所述外杆12
‑
1通过所述固定环12
‑
3与所述内杆12
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2紧固连接。固定环12
‑
3可采用pvc管预制而成。调节伸缩杆的长度时，将固定环12
‑
3向其小口端12
‑
5一侧移动，外杆12
‑
1与内杆12
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2松开，调整外杆12
‑
1、内杆12
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2的相对位置至所需长度，再将固定环12
‑
3向其大口端12
‑
6一侧移动，使三角形缺口12
‑
4受力收缩，固定环12
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3紧压外杆12
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1端部，外杆12
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1紧压内杆12
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2，使得伸缩杆固定长度。所述模型箱13为顶部开口的透明箱体，采用透明玻璃制成，玻璃板之间通过防水胶连接。模型箱13的一侧设置有刻度线13
‑
1，所述模型箱13内设置试验用土16。为防止模型箱的边界效应，优选所述模型箱13为长方体结构，其内部的长、宽、高的尺寸均大于等于60cm。所述管桩1竖向设置在所述模型箱13内的试验用土16内，桩身轴向粘贴有刻度纸3，并距管桩1端部1/10处桩身外表面设置环槽3。本实用新型中的管桩1的材料及尺寸根据现场原型桩依据相似原理制成管桩1，相似原理指的是管桩是依据实际工程中的桩，按照一定的几何相似比、应力相似比和容重相似比来设计的，在尺寸、材料上略有不同，但受力机理完全相同。所述连接线14的一端与所述管桩1上的环槽2连接，所述连接线14的另一端绕过所述定滑轮9后与砝码15连接。所述百分表11的测量头11
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1与管桩1的桩身表面接触，且测量头11
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1与所述连接线14平行设置。为便于连接砝码，本实施例中优选在连接线14与砝码15连接的一端设置有挂钩14
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1，
所述连接线14通过挂钩14
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1与砝码连接。为保证试验数据的准确性，本实用新型中的连接线14优选为φ1.5mm的包塑钢丝绳，包塑钢丝绳具有强度大、变形小的优点。为防止测量装置自重影响自身稳定性，优选所述水平杆5的长度大于等于所述伸缩杆12长度的1/5。
28.利用上述的模型试验装置测量管桩水平载荷作用下的位移量的方法，其包括如下步骤：
29.(1)根据试验设计选择试验用土16的种类、填土深度、管桩1的型号、管桩1埋设深度、砝码15的质量。
30.(2)选择地面平整无起伏处放置模型箱13，确保模型箱13底面与地面贴合，不会产生晃动，然后向模型箱13内填加试验用土16，采用分层压实法，每次填土厚度为设计填土高度的1/5，每次填土后用手动夯锤夯实填土，直至填土高度达到设计要求；将连接线14的一端与试验用管桩1的环槽2连接，将试验用管桩1竖直压入模型箱13的水平正中位置的填土内至设计埋设深度，在压桩过程中应保证管桩1竖直不倾斜，根据桩身上的刻度线3确定其埋设深度。
31.(3)将加载装置与测量装置置于模型箱的一侧，通过模型箱13与管桩1上的刻度尺3确定管桩1上的环槽3处距离地面高度，调节加载装置的高度使定滑轮9的轮槽的最高点与管桩1上的连接线14的连接点等高；
32.(4)将测量装置的伸缩杆12的外杆12
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1插入加载装置的水平杆5内，调节伸缩杆12的长度，使百分表11的测量头11
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1与管桩1的侧面接触，调节固定环12
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3将伸缩杆12的外杆12
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1和内杆12
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2进行固定，确保百分表11与管桩1接触无缝隙且不会对管桩1产生扰动，并将百分表11调零。
33.(5)将连接线14的另一端绕过定滑轮9，并检查连接线14是否水平，若不水平，则调整加载装置位置或高度直至水平，在连接线14绕过定滑轮9的一端上悬挂砝码15，缓缓释放砝码15，待百分表11稳定后其读数即为管桩1在相应水平荷载作用下的位移值。
34.(6)通过改变管桩类型、载荷大小、管桩埋设深度、试验用土特性等试验条件，即可得到管桩在不同试验条件下的水平位移规律。
35.本实用新型通过室内模型试验方式可快速、方便、精确地测量不同的试验条件下的管桩水平位移，可分析不同因素对水平荷载作用下管桩位移量的影响规律，从而为现场原型桩水平位移量预测及增强其水平、竖直承载力提供理论依据。
36.本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。