CN106948386A - 一种填土侧摩阻力模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种填土侧摩阻力模型试验装置及其试验方法，属于地基测试领域，试验装置包括桩基础、模型箱、模型桩和载荷装置，模型桩与模型箱之间填充填土；模型箱由若干个上下间隔层叠设置的模型环，以及可拆卸式设于各模型环之间用以限制各模型环之间不能相对位移的约束构成；模型桩与模型箱之间填土内沿深度方向布置有若干个土压力盒和沉降量测点。试验方法依次包括以下步骤：填土和设桩；桩顶加载和量测。本发明通过开展模型试验，为进一步研究填土中负摩阻力的分布规律及计算方法，为设计提供理论依据。

Description

一种填土侧摩阻力模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于地基测试领域，尤其涉及填土侧摩阻力模型试验装置和试验方法。

背景技术

负摩阻力常发生于建于新填土、软土、湿陷性黄土等土层中的桩基础，或因地表大范围堆载、土层中地下水位下降等原因产生，它使得桩基的承载力下降，沉降增大，对工程产生很大的危害。国内外学者在负摩阻力的作用机理、计算方法、防治措施等方面开展了较多的研究工作，并取得了不少成果。但从现有资料看，其研究手段多以理论分析和数值计算为主，现场及室内试验成果较少。此外，对室内模型试验，其关键难点在于如何模拟填土的自重对桩施加作用的过程，该问题一直没有很好解决。

发明内容

本发明的目的在于：根据现有技术存在的问题，本发明提供了填土侧摩阻力模型试验装置和试验方法，通过开展模型试验，为进一步研究填土中负摩阻力的分布规律及计算方法，为设计提供理论依据。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种填土侧摩阻力模型试验装置，包括桩基础、模型箱、模型桩和载荷装置，模型箱设于桩基础上方由桩基础支撑，桩基础由竖直设置支撑模型箱的筒体，以及填充于筒体内的原状岩土层构成，模型桩竖直设于模型箱内，其下端由原状岩土层支撑，其顶端设置逐级加载的载荷装置，模型桩与模型箱之间填充填土；模型桩为一圆柱管，管外表面粘贴砂粒，管内壁沿轴向布置若干层全桥连接的应变片，每层应变片由对称布置的若干个应变片组成；模型箱由若干个上下间隔层叠设置的模型环，以及可拆卸式设于各模型环之间用以限制各模型环之间不能相对位移的约束构成，模型环由环状体、承重环和挡土环构成，承重环为设于环状体内壁底部的水平环形结构(即一水平的面沿水平面环绕成环)，挡土环为设于承重环下方，且高度大于等于该模型环与下方模型环之间间隙高度的竖直环形结构(即一竖直的面沿水平面环绕成环)；模型桩与模型箱之间填土内沿深度方向布置有若干个土压力盒和沉降量测点。

本发明中，模型桩的管外表面粘贴砂粒，以满足桩-土间摩擦系数的相似要求。模型环由环状体、承重环和挡土环构成。环状体的自重以及承重环上部填土的自重通过承重环传递给其下方填土，以模拟填土的自重应力。此外，每个钢环下部设置一道挡土环，以防止填土外漏。桩顶沉降由模型桩桩顶高度的变化量测，模型桩内的应变片量测桩身应变，填土中土压力盒量测填土压力，沉降量测点量测土层沉降。

由于试验时，很难按需要控制填土在自身重力作用下发生固结沉降的过程(例如，填土在填筑过程中即开始固结沉降，而当开始量测时，有相当部分的沉降已完成，而其准确量值也难以估算)，故如前所述，以环状体的自重以及承重环上部填土的重力作用于填土上，以其产生的压力模拟填土自重产生的压力(试验时，应使填土自重产生的固结沉降先期完成)。在试验之前，周围环状体间有约束支承时，环状体不产生沉降，其重力就不会传至填土。撤去约束支承时，其重力就会传至填土，使填土发生沉降，并在桩侧产生负摩阻力。通过这种方法，可按试验的需要，本发明可以有效地控制填土沉降的发生时间。

作为选择，模型环的环状体为添加有钢砂的钢盒。该方案中，通过向钢盒中添加铁砂以获得足够的重量，可以通过钢砂量灵活方便地控制载荷的逐级加载。

作为选择，在填土的沉降测量点埋入有带引出线的钢板，引出线与百分表连接用以量测沉降。

作为选择，模型桩顶端设置的载荷装置为加载平台，加载平台采用钢块或砝码分级加载。

作为选择，桩基础的筒体内的原状岩土层为强风化或中风化的软岩。

作为选择，模型桩为一铝管，铝管由轴向剖分的两半拼合构成。该方案中，为便于固定(例如粘贴)应变片，将铝管剖分为两半，固定(例如粘贴)好后，再将其合为一体。

作为选择，模型桩管内壁沿轴向布置8～10层全桥连接的应变片，每层应变片由对称布置的4个应变片组成。该方案中，每个截面需对称布置若干个应变片可以消除偏心影响。

作为选择，模型箱的填土中沿深度方向布置5～6个土压力盒。

作为选择，模型箱的填土中沿深度方向布置5～6个沉降量测点。

一种前述填土侧摩阻力模型试验装置的试验方法，依次包括以下步骤：

1)填土和设桩：

架设好桩基础，逐层布置模型箱的模型环并在模型箱中填土，安置好模型桩，此时模型箱的各模型环位置固定，相互之间不能发生相对位移，逐层填土的过程中，同时布置好土压力盒及沉降量测点；

2)桩顶加载：

采用不同的加载方式，并设桩顶最大荷载为Pmax，试验时按不同的级别施加：

第一种加载方式：先不施加桩顶荷载，而使填土在重力作用下充分固结沉降，并在桩侧产生负摩阻力，待沉降完成后，再分级施加桩顶荷载：每级加载后，量测桩及土的变形和受力，稳定后，加下一级荷载，依此逐级加至最大荷载；

第二种加载方式：先施加桩顶荷载，待变形及受力稳定后，再使填土层在重力作用下产生固结沉降，直至稳定；然后，重新填土及安桩，改变桩顶荷载，重复上述过程；

步骤2)中土层固结沉降的实现方法：

在试验时，不需要土层沉降时，模型箱的各模型环间由约束限制，模型环不产生沉降；当需要产生土层沉降时，撤去模型箱的各模型环间约束，其重力传至填土，使填土发生沉降，并在桩侧产生负摩阻力；

3)量测：

按一定的时间间隔，量测桩顶沉降、土层沉降、桩身应变、填土压力，直至变形及应力稳定。

作为选择，撤去模型箱的各模型环间约束时，自上而下逐层撤去。

作为选择，桩顶荷载按以下级别施加：P＝0、0.2Pmax、0.4Pmax、0.6Pmax、0.8Pmax、Pmax。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：通过模型试验，结合数值计算分析及现场量测可以得到：

(1)填土自重及外荷载作用下桩的沉降；

(2)桩的轴力沿桩身的分布；

(3)桩侧摩阻力的分布形式以及中性点位置等。

(4)不同深度填土的沉降。

附图说明

图1是本发明实施例的断面结构示意图；

图2是本发明实施例的模型环的纵剖面结构示意图；

图3是本发明实施例的模型环的横剖面结构示意图；

其中1为模型桩、2为载荷装置、3为筒体、4为原状岩土层、5为填土、6为应变片、7为模型环、71为环状体、72为承重环、73为挡土环、8为约束、9为土压力盒、10为沉降量测点。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

参考图1至3所示，一种填土侧摩阻力模型试验装置，包括桩基础、模型箱、模型桩1和载荷装置2，模型箱设于桩基础上方由桩基础支撑，桩基础由竖直设置支撑模型箱的筒体3，以及填充于筒体3内的原状岩土层4构成，模型桩1竖直设于模型箱内，其下端由原状岩土层4支撑，其顶端设置逐级加载的载荷装置2，模型桩1与模型箱之间填充填土5；模型桩1为一圆柱管，管外表面粘贴砂粒，管内壁沿轴向布置若干层全桥连接的应变片6，每层应变片6由对称布置的若干个应变片6组成；模型箱由若干个上下间隔层叠设置的模型环7，以及可拆卸式设于各模型环7之间用以限制各模型环7之间不能相对位移的约束8构成，模型环7由环状体71、承重环72和挡土环73构成，承重环72为设于环状体71内壁底部的水平环形结构(即一水平的面沿水平面环绕成环)，例如钢片，挡土环73为设于承重环72下方，且高度大于等于该模型环7与下方模型环7之间间隙高度的竖直环形结构(即一竖直的面沿水平面环绕成环)；模型桩1与模型箱之间填土5内沿深度方向布置有若干个土压力盒9和沉降量测点10。作为选择，如本实施例所示，模型环7为一钢环，其环状体71为添加有钢砂的钢盒。在填土5的沉降测量点10埋入有带引出线的钢板，引出线与百分表连接用以量测沉降。模型桩1顶端设置的载荷装置2为加载平台，加载平台采用钢块或砝码分级加载。桩基础的筒体3内的原状岩土层4为强风化或中风化的软岩(如泥岩、砂岩)。

作为示例，设计一种与现场原形几何相似比为25的侧摩阻力测试装置并进行试验：

1.原型的参数：

桩直径为0.8m，长度为20m；桩侧土层为填土，桩底以下为强风化、中风化的砂岩。

桩顶竖向荷载为6000kN。

2.室内模型试验：

(1)相似比：

按照相似理论，桩侧填土的内摩擦应等于实际填土的内摩擦角，即C_Φ＝1，而黏聚力的相似比Cc＝25(即模型土的黏聚力为原型土的1/25)，同样，其变形模量的C_E＝25。

几何相似比(原型/模型)为C_l＝25，填土重度的相似比C_γ＝2.5由此可确定试验所需的相似材料。

(2)试验设备：

1)模型箱(如图1至3所示)：

①根据模型桩1的长度、直径，为消除边界影响，采用直径800mm、高度1600mm的圆柱型模型箱。模型桩1的桩长为0.8m，外径30mm、内径28mm，桩身材料为铝管或其他材料，并在铝管外表面粘贴砂粒，以满足桩-土间摩擦系数的相似要求。

②为模拟填土的自重作用，拟采用分离式模型环7组成模型箱的外壁：在模型桩1埋好以前，各模型环7通过约束8位置固定，相互之间不能发生位移。模型桩1埋设好后，取掉模型环7之间的约束8，使土层在模型环7自重作用下发生沉降。

2)作用在桩顶上的荷载：

模型桩1桩顶最大竖向荷载为384N，可采用在桩顶刚性支架上设置加载平台，采用钢块或砝码等重物分级加载。

(3)量测元件及布置方式：

1)采用百分比量测桩顶位移及填土的沉降。

2)在模型桩1桩身布置8～10个截面量测应变，由应变可推得桩身轴力、摩阻力的分布情况。为消除偏心影响，每个截面需对称布置4个应变片。采用全桥连接。

3)填土中不同深度布置5～6个土压力量测断面，通过土压力盒9量测土中竖向压力随深度的变化。

4)填土中不同深度布置5～6个沉降量测点10，通过百分表量测填土在不同深度处的沉降。

(4)试验过程：

1)填土和设桩：

在模型箱中填充填土5，并安置好模型桩1。此时模型环7位置固定，相互之间不能发生相对位移。逐层填土的过程中，同时布置好土压力盒9及沉降量测点10。

2)桩顶加载：

在实际工程中，上部结构在桩顶产生的压力是逐渐增加的，填土施加在桩侧的摩阻力也是随填土层的固结沉降逐步发生的，这样，就存在一个桩顶压力、填土摩阻力施加的先后顺序的问题。为反映出这一因素对负摩阻力的影响，在模型试验时，将采用不同的加载方式。

①设桩顶最大荷载为Pmax，试验时按不同的级别施加，如P＝0、0.2Pmax、0.4Pmax、0.6Pmax、0.8Pmax、Pmax。

②第一种加载方式：先不施加桩顶荷载，而使填土5在重力作用下充分固结沉降，并在桩侧产生负摩阻力。待沉降完成后，再分级施加桩顶荷载：每级加载后，量测桩及土的变形和受力，稳定后，加下一级荷载，依此逐级加至最大荷载。

③第二种加载方式：先施加桩顶荷载，待变形及受力稳定后，再使填土5在重力作用下产生固结沉降，直至稳定。然后，重新填土及安桩，改变桩顶荷载，重复上述过程。也就是说，对上述每一级的桩顶荷载，都需重新进行填土设桩加载土层沉降量测的试验过程。

前述2)桩顶加载中土层沉降的实现：

由于试验时，很难按需要控制填土在自身重力作用下发生固结沉降的过程(例如，填土在填筑过程中即开始固结沉降，而当开始量测时，有相当部分的沉降已完成，而其准确量值也难以估算)，故如前所述，以土周围模型环7的重力作用于填土上，以其产生的压力模拟填土自重产生的压力(试验时，应使填土自重产生的固结沉降先期完成)。在试验时，周围模型环7间有约束8支承时，模型环7不产生沉降，其重力就不会传至填土5。撤去约束8支承时，其重力就会传至填土5，使填土5发生沉降，并在桩侧产生负摩阻力。通过这种方法，可按试验的需要，有效地控制填土沉降的发生时间。

4)量测：

按一定的时间间隔，量测桩顶沉降、土层沉降、桩身应变、填土压力等，直至变形及应力稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：包括桩基础、模型箱、模型桩和载荷装置，模型箱设于桩基础上方由桩基础支撑，桩基础由竖直设置支撑模型箱的筒体，以及填充于筒体内的原状岩土层构成，模型桩竖直设于模型箱内，其下端由原状岩土层支撑，其顶端设置逐级加载的载荷装置，模型桩与模型箱之间填充填土；模型桩为一圆柱管，管外表面粘贴砂粒，管内壁沿轴向布置若干层全桥连接的应变片，每层应变片由对称布置的若干个应变片组成；模型箱由若干个上下间隔层叠设置的模型环，以及可拆卸式设于各模型环之间用以限制各模型环之间不能相对位移的约束构成，模型环由环状体、承重环和挡土环构成，承重环为设于环状体内壁底部的水平环形结构，挡土环为设于承重环下方，且高度大于等于该模型环与下方模型环之间间隙高度的竖直环形结构；模型桩与模型箱之间填土内沿深度方向布置有若干个土压力盒和沉降量测点。

2.如权利要求1所述的填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：模型环的环状体为添加有钢砂的钢盒。

3.如权利要求1所述的填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：在填土的沉降测量点埋入有带引出线的钢板，引出线与百分表连接用以量测沉降。

4.如权利要求1所述的填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：模型桩顶端设置的载荷装置为加载平台，加载平台采用钢块或砝码分级加载。

5.如权利要求1所述的填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：桩基础的筒体内的原状岩土层为强风化或中风化的软岩。

6.如权利要求1所述的填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：模型桩管内壁沿轴向布置8～10层全桥连接的应变片，每层应变片由对称布置的4个应变片组成。

7.如权利要求1所述的填土侧摩阻力模型试验装置，其特征在于：模型箱的填土中沿深度方向布置5～6个土压力盒和5～6个沉降量测点。

8.一种权利要求1至7中任一权利要求所述的填土侧摩阻力模型试验装置的试验方法，其特征在于依次包括以下步骤：

1)填土和设桩：

架设好桩基础，逐层布置模型箱的模型环并在模型箱中填土，安置好模型桩，此时模型箱的各模型环位置固定，相互之间不能发生相对位移，逐层填土的过程中，同时布置好土压力盒及沉降量测点；

2)桩顶加载：

采用不同的加载方式，并设桩顶最大荷载为Pmax，试验时按不同的级别施加：

第一种加载方式：先不施加桩顶荷载，而使填土在重力作用下充分固结沉降，并在桩侧产生负摩阻力，待沉降完成后，再分级施加桩顶荷载：每级加载后，量测桩及土的变形和受力，稳定后，加下一级荷载，依此逐级加至最大荷载；

第二种加载方式：先施加桩顶荷载，待变形及受力稳定后，再使填土层在重力作用下产生固结沉降，直至稳定；然后，重新填土及安桩，改变桩顶荷载，重复上述过程；

步骤2)中土层固结沉降的实现方法：

在试验时，不需要土层沉降时，模型箱的各模型环间由约束限制，模型环不产生沉降；当需要产生土层沉降时，撤去模型箱的各模型环间约束，其重力传至填土，使填土发生沉降，并在桩侧产生负摩阻力；

3)量测：

按一定的时间间隔，量测桩顶沉降、土层沉降、桩身应变、填土压力，直至变形及应力稳定。

9.如权利要求8所述的填土侧摩阻力模型试验装置的试验方法，其特征在于：撤去模型箱的各模型环间约束时，自上而下逐层撤去。

10.如权利要求8所述的填土侧摩阻力模型试验装置的试验方法，其特征在于：桩顶荷载按以下级别施加：P＝0、0.2Pmax、0.4Pmax、0.6Pmax、0.8Pmax、Pmax。