CN108225651A

CN108225651A - 一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法及其用到的试验装置

Info

Publication number: CN108225651A
Application number: CN201810020467.0A
Authority: CN
Inventors: 杨志浩; 岳祖润; 孙鑫; 孙祥; 李晓康; 刘晓贺; 马骏; 张松; 陈佩哲; 周江涛
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: CN108225651B

Abstract

本发明公开了一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试的室内试验方法及其用到的试验装置，主要解决了室内试验中，对于小型锥形桩模型无法采用应变片测切向冻胀力分布的问题。该方法包括锥形桩试样的制备、锥形桩表面处理、锥形桩部分区域防冻拔处理、锥形桩埋置于试验土样中、单向冻结过程中冻拔力的测定、平均切向冻胀力的计算及测定所有区域平均切向冻胀力的步骤。本试验采取的分区域测锥形桩平均切向冻胀力的试验方法可以避免温度对常规应变片法的影响，可以更明确地观察到某一区域的切向冻胀力对桩冻拔的影响，更有利于研究切向冻胀力沿桩侧的分布情况。

Description

一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法及其用到的试验装置

技术领域

本发明涉及一种桩基础切向受力分布测试室内试验方法及其试验装置，更具体地说，是指一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法。

背景技术

我国冻土区约占国土面积的75％，目前在冻土区修建的工程越来越多，桩基础的应用也愈加广泛，由桩基础的过大不均匀冻拔变形导致上部结构的破坏现象也愈加突出。锥形桩作为一种新型的桩基础，在抗冻拔方面效果显著，应用也越来越广泛，但对于其抗冻拔机理至今还没得到统一的结论。切向冻胀力作为桩基础冻拔过程中一个最为主要的参数，对其进行在深度方向上的大小分布试验研究尤为重要，进而从根本上探究锥形桩基础抗冻拔的受力机理，为冻土区桩基础的施工设计提供强有力的参考。

目前，通过室内试验对桩基础切向冻胀力分布的测试方法较少，常用的方法有采用钢筋计或使用应变片进行测定，但钢筋计成本较高且测定的是钢筋应力并非桩基的切向冻胀力，而应变片由于不方便进行温度补偿，因此，该两种方法测定的切向冻胀力的准确性受到质疑。故需要针对于已有试验装置，设计一种新的试验方法来测定锥形桩的切向冻胀力分布。

发明内容

本发明要解决的技术问题是目前冻土区桩基础切向冻胀力随深度方向上的大小分布问题，提供了一种不含有钢筋，不需要进行温度补偿的冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试的室内试验方法及其用到的试验装置。

为解决上述技术问题，本发明试验方法采用的技术方案是：其包括下述步骤：

1)桩体试样的制备：同现场钢筋混凝土桩密度相近似，采用铝合金作为制备桩体的原材料,并沿桩身方向每隔3～6cm刻画一绕桩的圆形凹槽；

2)桩体部分区域防冻拔处理；在需要测冻拔力的区域保持原状，其他区域进行防冻拔处理；

3)锥形桩埋置于试验土样中：将桩体放置于桩体抗拔性能测试试验装置中，并在桩周均匀地放置土样并分层击实；

4)单向冻结过程中冻拔力的测定：保证桩体抗拔性能测试试验装置从桩顶到桩底单向冻结并采用反力钢架和荷载传感器测定冻拔力；

5)平均切向冻胀力计算：计算总切向冻胀力及冻拔区域的曲面面积，根据两者比值计算平均切向冻胀力；

6)测定所有区域平均切向冻胀力：重复上述第二步到第五步的内容，直至所有区域的平均切向冻胀力均已测得。

优选的，所述步骤1)中桩体的总长度为25～35cm，其小圆直径为3～8cm，锥形桩锥角为3～11°。

优选的，所述步骤1)中桩体的圆形凹槽的深度为2～3mm，宽度2～4mm，相邻两凹槽间距离为3～6cm。

优选的，所述步骤2)中的防冻拔措施为将防冻拔区域先涂抹凡士林，再将油毡纸包裹在涂有凡士林的区域并绑扎固定。

优选的，所述步骤3)中的土样采用冻胀敏感性土，压实度为93％～97％，且需要分层击实，且需要在埋置土样过程中每隔5～6cm布设一根温度传感器，每隔10cm布设一根水分传感器。

优选的，所述步骤4)中单向冻结过程中要保证桩体底部恒为1℃，消除法向冻胀力的影响，荷载传感器及温度传感器采用DT80数据采集器进行数据采集。

优选的，所述步骤5)中计算单位切向冻胀力的公式如下：

其中，τ_i为第i区域的平均切向冻胀力(单位为MPa)；G为桩体的总重量 (单位为N)；T为已有试验装置测得的冻拔力(单位为N)；S_i为第i区域的侧表面积(单位为mm²)。

优选的，所述步骤6)重复试验过程中，需要将试样表面的凡士林清理干净再进行步骤2)。

优选的，将油毡纸进行防冻拔处理时，应使油毡纸上下两端均位于凹槽内，且要保证油毡纸下端在凹槽内留有1～2cm的余量，将余量折几次并绑扎在凹槽内；油毡纸进行包裹之前应先在其正反两面均涂有凡士林；为保证单向冻结，采用保温棉对桩体抗拔性能测试试验装置周边进行保温处理，并将其置于高低温交变冻融循环箱中。

本发明提供的桩体抗拔性能测试试验装置，其包括试样筒、用于固定试样筒的固定支架以及位于试样筒内的桩体试样下部的底座，所述试样筒下方设有冷冻液循环管，所述试样筒内壁上一侧设有水分传感器、另一侧设有温度传感器；桩体试样的上方设有荷载传感器，所述固定支架上部设有横梁，该横梁包括固定于固定支架上的三角支架以及设于荷载传感器和三角支架之间的梯形应力分散垫块，所述三角支架上方设有固定于加载装置上的用于监测横梁变形的位移传感器。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)将锥形桩桩身人为的分为冻拔区域和非冻拔区域，并通过测量冻拔力求得冻拔区域的切向冻胀力，避免了采用应变片测量时因温度补偿而产生的误差。该试验方法通过凡士林及油毡纸对不需测冻拔力区域进行保护，并通过已有试验装置测定未保护区域的冻拔力进而求得该区域的切向冻胀力，重复操作可以测定所有区域的切向冻胀力。该方法区别于以往方法之处在于试样中不含有钢筋，不需要进行温度补偿，也可测定切向冻胀力沿桩身的分布状况，为锥形桩的设计提供依据。

(2)本发明是通过对宏观物理量的测定，进而推导计算出微观物理量，因此在测试过程中能够明显地观察不同区域冻拔情况的差异。

(3)本发明均适用于室内试验及现场原位试验中对模型桩基础切向冻胀力分布的测试。

附图说明

图1是本发明提供的锥形桩切向冻胀力分布测方法流程图；

图2是桩体抗拔性能测试试验装置示意图；

图3是本发明实施例1中锥形桩试样侧视图；

图4是本发明实施例1中锥形桩试样测量Ⅰ区域切向冻胀力的侧视图；

图5是本发明实施例1中锥形桩试样测量Ⅱ区域切向冻胀力的侧视图；

图6是本发明实施例1中锥形桩试样测量Ⅲ区域切向冻胀力的侧视图；

图7是本桩体试样的示意图；

其中:2-1、固定支架；2-2、横梁；2-3、位移传感器；2-4、荷载传感器； 2-5、温度传感器，2-6、试样筒，2-7、冷冻液循环管，2-8、水分传感器，2-9、桩体试样，2-10、轻质聚氨酯泡沫；3-1、锥形桩试样；3-2、凹槽；4-1、油毡纸；4-2、油毡纸余量；4-3、冻拔区域；4-4、耐寒扎带；4-5、非冻拔区域。

具体实施方式

为使本发明的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图和具体实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种切向冻胀力分布测试的新思路，该方法通过对宏观物理量的测定，进而计算推导出微观物理量，避免了直接测微观物理量时因温度等外界条件而产生的误差。本发明中的桩体抗拔性能测试试验装置是基于现有装置即可，参见附图2，如专利申请号为2015102967574，名称为“一种桩体抗冻拔性能测试实验装置及其实验方法”中的桩体抗冻拔性能测试实验装置。

其包括特定的锥形桩体试样以及改进的新型桩体抗冻拔性能测试试验装置。改进的桩体抗冻拔性能测试试验装置包括原桩体抗冻拔性能测试试验装置 (拆掉上方冷浴盘部分)、各种传感器及位移约束加固装置，位移约束加固装置为焊有梯形应力分散垫块及三角支架的不锈钢横梁。当进行冻拔力测量时，增设梯形应力分散垫块及三角支架的横梁，且增加监测横梁变形的位移传感器；当进行冻拔位移测量时，桩顶直接布置位移传感器测量桩体的冻拔位移。

具体为：参见附图1，其包括试样筒2-6、用于固定试样筒2-6的固定支架 2-1以及位于试样筒2-6内的桩体试样2-9下部的底座，所述试样筒2-6下方设有冷冻液循环管2-7，不同的是所述试样筒2-6内壁上一侧设有水分传感器 2-8、另一侧设有温度传感器2-5；桩体试样2-9的上方设有荷载传感器2-4，所述固定支架上部设有横梁2-2(也叫约束位移加固装置，其包括三角支架和梯形应力分散垫块)，该横梁2-2包括固定于固定支架2-1上的三角支架以及设于荷载传感器2-4和三角支架之间的梯形应力分散垫块，所述三角支架上方设有固定于加载装置上的用于监测横梁变形的位移传感器2-3。

参见附图7，所述桩体试样2-9高度为25～35cm，其小圆直径为2～8cm，锥角为0～11°，为保证锥角这一单一变量，需在保证桩体侧表面积不变的情况下，对桩体体积进行修改。桩体试样内设有轻质聚氨酯泡沫2-10。采用桩体试样进行切向冻胀力分布测试试验，如图1所示的流程图，其中循环次数N根据桩体及划分区域的长度确定，其具体步骤如下：

第一步：桩体试样的制备；为同现场中钢筋混凝土桩密度相近似，采用铝合金作为桩体的原材料，桩体的总长度为25～35cm，桩径为3～8cm，要求沿桩身方向每隔一段距离有一绕桩的圆形凹槽以方便绑扎油毡纸，如图3所示，圆形凹槽的深度为2～3mm，宽度2～4mm，相邻两凹槽间距离为3～6cm；凹槽距离根据试验精度而确定，凹槽距离太小精度高，但工作量大；凹槽距离太大精度低，但工作量小；

第二步：锥形桩部分区域防冻拔处理；在需要测冻拔力的区域保持原状，其他区域进行防冻拔处理，先在防冻拔区域涂抹凡士林，再将油毡纸两面均匀涂抹凡士林，最后将处理后的油毡纸包裹在涂有凡士林的区域并绑扎固定，如图4所示，油毡纸一定要平整覆盖在需要保护的区域，并且在油毡纸的下端要留有1～2cm的余量，将余量折几次并绑扎在凹槽中；

第三步：桩体埋置于试验土样中：将桩体放置于实验装置中，最后在桩周均匀地放置土样并压实，土样采用冻胀敏感性土，压实度为93％～97％，且需要分层击实，且需要在埋置土样过程中每隔5～6cm布设一根温度传感器，每隔 10cm布设一根水分传感器2-8；

第四步：单向冻结过程中冻拔力的测定：保证桩体抗拔性能测试试验装置单向冻结并采用横梁2-2和荷载传感器2-4测定冻拔力，且在反力架上布置位移传感器2-3以监测反力架的位移情况，如图2所示，单向冻结过程中要通过冷冻液循环管2-7保证桩体底部温度恒为1°，以消除法向冻胀力的影响，将试样桶周边采用保温棉包裹，并将整套实验装置置于高低温交变冻融循环箱中，调节温度为-20°进行低温冻结；

第五步：平均切向冻胀力的计算；根据荷载传感器得知冻拔力，进而计算总切向冻胀力及冻拔区域的面积，根据两者比值计算平均切向冻胀力，其公式如下：

其中，τ_i为第i区域的平均切向冻胀力(单位为MPa)；G为桩体的总重量 (单位为N)；T为已有实验装置测得的冻拔力(单位为N)；S_i为第i区域的侧表面积(单位为mm²)。

所得数据即为该未保护区域的平均切向冻胀力。

第六步：测定所有区域平均切向冻胀力：将试样表面的凡士林清理干净，重复上述第二步到第五步的内容，直至所有区域的平均切向冻胀力均已测得。经过上述试验过程，分区域对宏观物理量进行测定，进而计算推导出微观物理量，避免了直接测微观物理量时因温度等外界条件而产生的误差，而且在测试过程中能够明显地观察到不同区域的冻拔情况的差异。

实施例1：

第一步：桩体试样的制备：为同现场中钢筋混凝土桩密度相近似，采用铝合金作为桩体的原材料，桩体的总长度取30cm，其桩径为6cm，沿桩身方向每隔一段距离有一绕桩的圆形凹槽以方便绑扎油毡纸，如图3所示，圆形凹槽3-2 的深度为2mm，宽度3mm，相邻两凹槽间距离为6cm。

第二步：桩体部分区域防冻拔处理：如图4所示，将Ⅱ到Ⅴ区域4-5涂抹凡士林，Ⅰ区域4-3不做处理，再将油毡纸4-1两面均匀涂抹凡士林，并将处理后的油毡纸平整的包裹在Ⅱ到Ⅴ区域，最后在Ⅱ区域上端和Ⅴ区域下端用耐寒扎带绑扎4-4固定，在区域Ⅴ的末端要留有2cm的油毡纸的余量4-2，将余量折几次并绑扎在凹槽中。

第三步：桩体埋置于试验土样中：将桩体放置于实验装置2-1中，在桩周均匀地放置土样并压实，土样采用冻胀敏感性土，压实度为95％，且需要分层击实，且需要在埋置土样过程中每隔5cm布设一根温度传感器2-3，每隔10cm 布设一根水分传感器2-8；

第五步：单向冻结过程中冻拔力的测定：保证试验装置单向冻结并采用反力钢架和荷载传感器2-2测定冻拔力，如图2所示，单向冻结过程中要通过冷冻液循环管2-7保证桩体底部温度恒为1℃，以消除法向冻胀力的影响，将试样桶周边采用保温棉包裹，并将整套试验装置置于高低温交变冻融循环箱中，调节温度为-20°进行低温冻结；

第六步：平均切向冻胀力的计算：根据荷载传感器得知冻拔力，进而计算总切向冻胀力及冻拔区域的面积，根据两者比值计算平均切向冻胀力，其公式如下：

其中，τ_i为第i区域的平均切向冻胀力；G为锥形桩的总重量；T为已有试验装置测得的冻拔力；S_i为第i区域的侧表面积。

所得数据即为Ⅰ区域的平均切向冻胀力

第六步：测定所有区域平均切向冻胀力：先将试样表面的凡士林清理干净，再将凡士林涂抹在Ⅰ区域和Ⅲ到Ⅴ区域，并将油毡纸正反两面涂抹凡士林之后覆盖在Ⅰ区域和Ⅲ到Ⅴ区域，最后绑扎固定，覆盖区域下端要留有2cm的余量，如图5所示。重复第四步到第六步的内容，所得数据即为Ⅱ区域的平均切向冻胀力。重复上述过程，分别测得Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ区域的平均切向冻胀力。对所有区域切向冻胀力进行分析，即可得到切向冻胀力随锥形桩桩身分布的规律。

本发明主要解决了室内试验中，对于小型锥形桩模型无法采用应变片测切向冻胀力分布的问题。本试验采取的分区域测锥形桩平均切向冻胀力的试验方法可以避免温度对常规应变片法的影响，可以更明确的观察到某一区域的切向冻胀力对桩冻拔的影响，更有利于研究切向冻胀力沿桩侧分布的分布情况。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明创造。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明创造的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明创造将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：其包括下述步骤：

1)桩体试样的制备：为同现场钢筋混凝土桩密度相近似，采用铝合金作为制备桩体的原材料,并沿桩身方向每隔3～6cm刻画一绕桩的圆形凹槽；

2.根据权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤1)中桩体的总长度为25～35cm，其小圆直径为3～8cm，锥形桩锥角为3～11°。

3.根据权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤1)中桩体的圆形凹槽的深度为2～3mm，宽度2～4mm，相邻两凹槽间距离为3～6cm。

4.根据权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤2)中的防冻拔措施为将防冻拔区域先涂抹凡士林，再将油毡纸包裹在涂有凡士林的区域并绑扎固定。

5.根据权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤3)中的土样采用冻胀敏感性土，压实度为93％～97％，且需要分层击实，且需要在埋置土样过程中每隔5～6cm布设一根温度传感器，每隔10cm布设一根水分传感器。

6.根据权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤4)中单向冻结过程中要保证桩体底部恒为1℃，消除法向冻胀力的影响，荷载传感器及温度传感器采用DT80数据采集器进行数据采集。

7.根据权利1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤5)中计算单位切向冻胀力的公式如下：

其中，τ_i为第i区域的平均切向冻胀力(单位为MPa)；G为桩体的总重量(单位为N)；T为已有试验装置测得的冻拔力(单位为N)；S_i为第i区域的侧表面积(单位为mm²)。

8.根据权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：所述步骤6)重复试验过程中，需要将试样表面的凡士林清理干净再进行步骤2)。

9.根据权利要求4所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法，其特征在于：将油毡纸进行防冻拔处理时，应使油毡纸上下两端均位于凹槽内，且要保证油毡纸下端在凹槽内留有1～2cm的余量，将余量折几次并绑扎在凹槽内；油毡纸进行包裹之前应先在其正反两面均涂有凡士林；为保证单向冻结，采用保温棉对桩体抗拔性能测试试验装置周边进行保温处理，并将其置于高低温交变冻融循环箱中。

10.权利要求1所述的一种冻土区锥形桩切向冻胀力分布测试室内试验方法及其用到的试验装置中的桩体抗拔性能测试试验装置，其特征在于：其包括试样筒(2-6)、用于固定试样筒(2-6)的固定支架(2-1)以及位于试样筒(2-6)内的桩体试样下部的底座，所述试样筒(2-6)下方设有冷冻液循环管(2-7)，其特征在于：所述试样筒内壁上一侧设有水分传感器(2-8)、另一侧设有温度传感器(2-5)；桩体试样(2-9)的上方设有荷载传感器(2-4)，所述固定支架上部设有横梁，该横梁包括固定于固定支架上的三角支架以及设于荷载传感器(2-4)和三角支架之间的梯形应力分散垫块(2-2)，所述三角支架上方设有固定于加载装置上的用于监测横梁变形的位移传感器(2-3)。