CN104153404A - 桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置及试验方法，其中地震台全模型动力试验重点研究该基础形式在水平向动力荷载作用下的位移、应变、加速度变化，分析并研究该基础形式的动力响应、破坏模式及减震特性。PIV摄像半模型静力试验从宏观和细观多尺度对该基础形式进行研究，宏观上研究基础在水平向和竖向静力荷载作用下的位移、应变等响应，细观上根据颗粒位移、旋转、局部孔隙率等细观参数，从颗粒尺度分析该基础形式的承载机制、破坏模式。本发明综合应用动力模型试验以及静力模型试验，可以直观地考察该种基础形式的承载机制和破坏模式，有效分析其减震效果，推动学术界对其更为广泛的研究，使之早日应用到实际工程中。

Description

桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及结构减震抗震领域的研究分析，特别涉及一种桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置及试验方法。

背景技术

桥梁和结构工程造价高昂，社会功能巨大，其安全性、耐久性至关重要，而地震则是此类结构破坏的主要原因之一。目前国内外研究中大型桥梁和结构抗震减震技术既是一个热点也面临诸多难点需要解决，随着桥梁跨度和建筑结构体量越来越大，对地震引起的振动效应也更加敏感。通常的抗震减震技术路线是提高桥梁和结构基础埋深、增大结构构件尺寸刚度，但这样的方法既提高了造价也带来了大量的资源浪费，正因如此，目前学术界提出一种新型的基础形式，这种基础形式综合采用了桩复合地基和碎石垫层，将桩复合地基、碎石垫层与沉箱基础相结合，利用桩复合地基提高基础承载力，利用碎石垫层减小水平地震剪切力，能够在保证基础承载能力的条件下提高基础的抗震性能。

建筑设计中桩复合地基与碎石垫层也有应用，但核心目的是提高地基承载力，代替桩基础降低造价，而非为了建筑物抗震减震。碎石垫层由于填充物粒径较大，表面光滑，可以产生较大的水平向变形，桩复合地基能够显著提高地基承载力和压缩模量，本发明结合前述新型基础形式，重点分析桩复合地基与碎石垫层作为基础减震措施的有效性以及承载机制，期望能够加快该种基础形式的研究进展，早日应用于我国大中型桥梁和结构中。

如图1所示，本发明所研究的基础形式为桩复合地基结合碎石垫层基础，首先需要对基础位置地基进行一定深度的开挖，开挖形成一个底面整平的场地1后在该地基处进行桩复合地基处理2，桩顶高出地基表面一定距离（以1倍桩径为宜），地基处理完成后在其上敷设由碎石和卵石配合成的垫层3，垫层厚度根据具体基础形式及环境确定（以1-3倍桩径为宜），垫层面积应稍大于桩复合地基面积，基础应设计为沉箱或封底沉井，基础4放置在碎石垫层上，完成以后可以在基础周围回填一定量的砂土5，提高基础稳定性。桩复合地基可以保证基础沉降和变形满足设计要求，碎石垫层水平向刚度极小，在地震作用下可以极大减小地震水平剪切力向基础和上部结构的传递，减小地震效应。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种新的综合应用了地震台全模型动力试验以及PIV摄像半模型静力试验等手段的桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置及试验方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置包括模型箱、反力架、加载装置、刚性承台模型、位移传感器、加速度传感器、碎石垫层模型、桩复合地基模型、应变计、土压力传感器、砂土和地震台，所述模型箱设置于地震台上，所述桩复合地基模型包括模型箱内的砂土和嵌入其中的模型桩，所述桩复合地基模型顶部敷设有碎石垫层模型，所述碎石垫层模型上面设置刚性承台模型，所述刚性承台模型上方依次设置有滑动装置和加载装置，所述桩复合地基模型和碎石垫层模型内设置有土压力传感器，所述刚性承台模型顶面设置有位移传感器，所述模型桩身内设置有应变计，所述刚性承台模型上设置有加速度传感器。

进一步地，取沿全模型对称轴分开的半模型，所述对称轴处安装有透明面，在垂直于透明面中轴线的试验槽外架设有用于PIV拍摄的数码相机。

进一步地，所述模型桩的桩距为4~5倍桩径，所述砂土分层铺设于模型箱内，每层砂土的厚度小于2倍桩径。

本发明同时提出应用上述桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置的试验方法，其中的地震台全模型动力试验具体包括以下步骤：

（1）将砂土分层装入模型箱中，为保证土体均质，每层厚度控制在2倍桩径以内，压实后继续敷设砂土，敷设砂层到预定的深度时，需要在特定位置安放土压力计，砂土敷设结束后将内侧贴有应变计的模型桩***砂土中模拟桩复合地基，桩距应在4~5倍桩径左右，桩的布置形式应考虑刚性承台模型形状，布桩范围大于刚性承台模型底面大小，模型桩桩顶稍高出砂土表面；

（2）桩复合地基上部敷设碎石垫层，试验中以豆石制样模拟，整平碎石垫层表面；

（3）依次设置刚性承台及加载装置，承台和加载装置之间有滑动盘，减小水平地震作用下承台与竖向加载装置之间约束作用；

（4）在砂土表面安置位移传感器测定地表变形，在承台和模型箱上安装加速度传感器，分别测定模型箱和承台的位移加速度；

（5）对基础竖向和水平施加一定荷载，同时运行地震台，逐级增大动力荷载直至基础破坏，试验中测定并记录加速度计、桩身应变以及土体中压力盒数据变化；

（6）与普通沉井、沉箱或桩基础形式进行比较分析，研究该基础形式在地震荷载作用下的动力响应、破坏模式及减震特性。

其中的PIV摄像半模型静力试验具体包括以下步骤：

（1）将砂土分层装入模型箱中，为保证土体均质，每层厚度控制在2倍桩径以内，压实后继续敷设砂土，敷设砂层到预定的深度时，需要在特定位置安放土压力计，砂土敷设结束后将内侧贴有应变计的模型桩***砂土中模拟桩复合地基，桩距应在4~5倍桩径左右，桩的布置形式应考虑刚性承台模型形状，布桩范围大于刚性承台模型底面大小，模型桩桩顶稍高出砂土表面，与全模型试验相比，半模型试验中桩仅为全模型一半；

（2）桩复合地基上部敷设碎石垫层，试验中以豆石制样模拟，整平碎石垫层表面；

（3）依次设置刚性承台及加载装置，承台和加载装置之间有滑动盘，减小水平静力作用下承台与竖向加载装置之间约束作用；

（4）在砂土表面安置位移传感器测定地表变形；

（5）对基础施加竖向及水平向荷载，记录位移计、桩身应变以及土体中压力盒数据变化，分级加载直至基础破坏，每次加载以后间隔一定时间采用PIV照相机拍摄桩、桩周土体、刚性承台模型的位移变化，绘制模型的位移矢量图；

（6）完成上述试验后，调整桩径、桩距、垫层厚度等参数进行控制变量的分组模型试验，试验过程与前述相同；

（7）对比分析不同桩径、桩距、垫层厚度模型试验的试验数据，考察基础在静力作用下的承载机制、破坏模式以及各参数对承载力的影响。

有益效果：本发明研究方法的优势在于采用了地震台技术，可以真实准确地反应出所研究的基础形式在地震作用下的动力响应和减震效果；本发明的另一个优势是采用了PIV摄像半模型试验技术，从宏观和细观多尺度对该基础形式进行研究，宏观上研究基础在水平向和竖向静力荷载作用下的位移、应变等响应，细观上从颗粒尺度，根据颗粒位移、旋转、局部孔隙率等细观参数，分析该基础形式的承载机制、破坏模式，可以直观明确地反映出该基础形式的宏观力特性和细观物理机理。本发明为结构抗震减震技术方面的研究开辟了一个新领域，为桩复合地基在基础中的应用奠定理论基础，指导该种基础形式在未来工程领域中的推广应用。

附图说明

图1为本发明所研究桩复合地基结合碎石垫层基础形式的示意图；

图2是本发明实施例一的地震台全模型动力试验装置示意图；

图3为采用了桩复合地基结合碎石垫层的新型基础与普通刚性承台基础在地震台试验中的加速度放大系数比较；

图4是本发明实施例二的地震台PIV摄像半模型静力试验装置示意图；

图5为图4中半模型静力试验桩顶刺入示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图2所示，本实施例采用结合桩复合地基与碎石垫层的基础形式的地震台全模型动力试验装置。该装置包括模型箱1、反力架1、加载装置2、刚性承台模型3、位移传感器4、加速度传感器5、碎石垫层模型6、桩复合地基模型7、应变计7、土压力传感器8、砂土9、地震台10等，模型箱1为上部开口箱体，箱体内装砂土9，砂土9中打入模型桩7形成桩复合地基，模型桩桩顶高出砂土顶面一定距离，桩复合地基形成后在其上敷设由砂模拟的垫层6，垫层6上面设置刚性承台3，承台上设有加载装置2，承台与加载装置之间有滑动装置，土压力传感器8设置在桩复合地基和垫层中，位移传感器4设置在承台顶面，应变计设置在模型桩身内部，加速度传感器5设置在承台和模型箱上，传感器参数及数量应保证模型测量的足够精度，整个模型箱安装在地震台上进行动力试验。

具体按照下述方法实施：

（1）将砂土9分层装入模型箱1中，为保证土体均质，每层厚度控制在2倍桩径以内，压实后继续敷设砂土，敷设砂层到预定的深度时，需要在特定位置安放土压力计8，砂土9敷设结束后将内侧贴有应变计的模型桩7***砂土中模拟桩复合地基，桩距应在4~5倍桩径左右，模型桩7的布置形式应考虑刚性承台3形状，布桩范围大于刚性承台底面大小，模型桩7桩顶稍高出砂土表面；

（2）桩复合地基上部敷设碎石垫层6，试验中以豆石制样模拟，整平碎石垫层表面；

（3）依次设置刚性承台3及加载装置2，承台和竖向加载装置之间有滑动盘，减小水平地震作用下承台与加载装置之间约束作用；

（4）在砂土表面安置位移传感器4测定地表变形，在承台3和模型箱1上安装加速度传感器5，分别测定模型箱1和承台3的位移加速度；

（5）运行加载装置2对基础施加竖向及水平荷载，同时运行地震台10，逐级增大动力荷载直至基础破坏，试验中测定并记录加速度计、桩身应变以及土体中压力盒数据变化；

（6）与普通沉井、沉箱或桩基础形式进行比较分析，研究该基础形式在地震荷载作用下的动力响应、破坏模式及减震特性。

图3表示的是地震台动力试验测定的普通基础形式和新型基础形式的地震加速度放大系数的比较，从图中可见采用了本文的所述的研究方法和相应的试验装置，可以直观地展现出两种基础形式在地震作用下的区别，新型基础地震加速度放大明显小于普通基础。

实施例二：

如图4所示，本实施例采用PIV摄像半模型静力试验装置。与实施例一的主要区别在于：基础模型仅取全模型试验模型一半，且模型试验容器的一个立面采用透明有机玻璃，有机玻璃外架设用于PIV拍摄的照相机11，试验无需地震台以及加速度位移计。

PIV摄像半模型静力试验具体包括以下步骤：

（1）将砂土9分层装入模型箱1中，为保证土体均质，每层厚度控制在2倍桩径以内，压实后继续敷设砂土9，敷设砂层到预定的深度时，需要在图中所示位置安放土压力计8，砂土敷设结束后将内侧贴有应变计的模型桩7***砂土中模拟桩复合地基，桩距应在4~5倍桩径左右，模型桩7的布置形式应考虑刚性承台形状以及有机玻璃位置，布桩范围大于刚性承台底面大小，模型桩7桩顶稍高出砂土表面；

（2）桩复合地基上部敷设碎石垫层6，试验中以豆石制样模拟，整平碎石垫层6表面；

（3）依次设置刚性承台3及加载装置2，承台和竖向加载装置之间有滑动盘，减小水平作用下承台与加载装置之间约束作用；

（4）在砂土表面安置位移传感器4测定地表变形；

（5）在模型土箱有机玻璃一侧架设PIV拍照用的摄像机11，摄像机视轴垂直于有机玻璃10平面。

（6）运行加载装置2对基础施加竖向及水平向荷载，记录位移计、桩身应变以及土体中压力盒数据变化，分级加载直至基础破坏，每次加载以后间隔一定时间采用PIV照相机11拍摄桩7、桩周土体、刚性承台基础3的位移变化，绘制模型的位移矢量图；

（7）对比分析试验数据，考察基础在静力作用下的承载机制、破坏模式。

（8）图5所示为PIV半模型试验时桩周砂土变形示意图，从图中可以直观看出砂土的位移及变形规律，结合模型在水平向和竖向综合荷载作用下的力-位移变化可以分析其静力承载机制。

综合应用实施例一的地震台全模型动力试验和实施例二的PIV摄像半模型静力试验两种试验，结合试验数据可直观明确地反映出该基础形式的宏观力特性和细观物理机理。其中地震台全模型动力试验重点研究该基础形式在水平向动力荷载作用下的位移、应变、加速度变化，分析并研究该基础形式的动力响应、破坏模式及减震特性。PIV摄像半模型静力试验从宏观和细观多尺度对该基础形式进行研究，宏观上研究基础在水平向和竖向静力荷载作用下的位移、应变等响应，细观上根据颗粒位移、旋转、局部孔隙率等细观参数，从颗粒尺度分析该基础形式的承载机制、破坏模式。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置，其特征在于：包括模型箱、反力架、加载装置、基础刚性承台模型、位移传感器、加速度传感器、碎石垫层模型、桩复合地基模型、应变计、土压力传感器、砂土和地震台，所述模型箱设置于地震台上，所述桩复合地基模型包括模型箱内的砂土和嵌入其中的模型桩，所述桩复合地基模型顶部敷设有碎石垫层模型，所述碎石垫层模型上面设置基础刚性承台模型，所述基础刚性承台模型上方依次设置有滑动装置和加载装置，所述桩复合地基模型和碎石垫层模型内设置有土压力传感器，所述基础刚性承台模型顶面设置有位移传感器，所述模型桩身内设置有应变计，所述基础刚性承台模型箱上设置有加速度传感器。

2.根据权利要求1所述的桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置，其特征在于：取沿全模型对称轴分开的半模型，所述对称轴处安装有透明面，在垂直于透明面中轴线的试验槽外架设有用于PIV拍摄的数码相机。

3.根据权利要求1所述的桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置，其特征在于：所述模型桩的桩距为4~5倍桩径，所述砂土分层铺设于模型箱内，每层砂土的厚度小于2倍桩径。

4.根据权利要求1所述的桩复合地基结合碎石垫层基础的试验装置，其特征在于：所述碎石垫层模型的厚度为模型桩桩径的1~3倍。

5.一种桩复合地基结合碎石垫层基础的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将砂土分层装入模型箱中，每层压实后上面水平放置土压力传感器，然后继续敷设砂土，砂土敷设结束后将内侧贴有应变计的模型桩***砂土中模拟桩复合地基，模型桩桩顶高出砂土表面；

（2）桩复合地基上部敷设碎石垫层，试验中以豆石制样模拟，整平碎石垫层表面；

（3）依次设置刚性承台及加载装置，承台和加载装置之间有滑动盘，减小水平地震作用下承台与竖向加载装置之间约束作用；

（4）在砂土表面安置位移传感器测定地表变形，在承台和模型箱上安装加速度传感器，分别测定模型箱和承台的位移加速度；

（5）对基础模型施加竖向及水平荷载，同时运行地震台，逐级增大动力荷载直至基础破坏，试验中测定并记录加速度计、桩身应变以及土体中压力盒数据变化；

（6）与普通沉井、沉箱或桩基础形式进行比较分析，研究该基础形式在地震荷载作用下的动力响应、破坏模式及减震特性。

6.根据权利要求5所述的桩复合地基结合碎石垫层基础的试验方法，其特征在于还包括PIV摄像半模型静力试验，具体步骤如下：

（1）将砂土分层装入半模型试验模型箱中，每层压实后上面水平放置土压力传感器，然后继续敷设砂土，砂土敷设结束后将内侧贴有应变计的模型桩***砂土中模拟桩复合地基，模型桩桩顶稍高出砂土表面，与全模型试验相比，半模型试验中桩仅为全模型一半；

（2）桩复合地基上部敷设碎石垫层，试验中以豆石制样模拟，整平碎石垫层表面；

（3）依次设置刚性承台及加载装置，承台和加载装置之间有滑动盘，减小水平地震作用下承台与加载装置之间约束作用；

（4）在砂土表面安置位移传感器测定地表变形；

（5）对基础施加水平向及竖向荷载，记录位移计、桩身应变以及土体中压力盒数据变化，分级加载直至基础破坏，每次加载以后采用PIV照相机拍摄模型桩、桩周围土体、沉箱基础的位移变化，绘制模型的位移矢量图；

（6）对比分析试验数据，考察基础在静力作用下的承载机制、破坏模式。