CN108343095A - 模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置及方法，包括：主体圆筒模拟室，包括若干个用于放置试验用的土样的圆筒单元，底盘；桩模型，从所述主体圆筒模拟室顶部逐渐***所述主体圆筒模拟室内的土样中；荷载施加装置，与所述桩模型连接，用于向桩模型施加荷载；数据采集***，与所述主体圆筒模拟室连接，用于采集主体圆筒模拟室侧壁孔系数压力值。所述方法基于所述装置。本发明根据试验要求，在模拟室内加入土体，并沉入桩模型桩体，可以有效地模拟饱和土体中的静压沉桩，操作方便，数据准确可靠。

Description

模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程桩基领域，具体地，涉及一种模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置及方法。

背景技术

桩基作为地基基础中一种重要的形式，特别是预制桩，以其制作方便、成桩速度快、桩身质量易于控制、承载力高，且不受地下水影响等优点广泛应用于实际工程当中。

静压沉桩过程中，桩在挤开周围土体的同时，会导致桩周围的土体应力场发生重排列，而在渗透性低的饱和土体中，会产生超孔隙水压力，降低土体的抗剪强度，影响桩基的承载力。

目前对于静压沉桩的室内试验装置较少，桩周土体孔隙水压力的试验研究多在实际工程中进行，只针对单一的工程实际情况。并且传统的桩周土体超孔隙水压力的测试布置复杂，特别是孔隙水压力计的布置比较困难，测试数据不够精确。此外，对于桩体连续贯入土体中的情况，桩周土体超孔隙水压力变化规律的测试也难以实现。

经对现有技术文献的检索发现，1997年姚笑青在《岩土力学》中发表的“饱和软土中沉桩引起的超孔隙水压力估算”一文中，提出用土压力理论估算沉桩引起的超孔隙水压力。2002年唐世栋在《岩土力学》(2002,No.23,pp.725-732)中发表的“软土地基中单桩施工引起的超孔隙水压力”一文中，通过分析桩基施工过程中实测资料，得到沉桩时单桩周围土体中产生的超孔隙水压力、分布及影响范围。2017年王鹏在《工程建设》(2017,No.7,pp.9-13)中发表的“静压桩荷载传递机制的室内模型试验研究”一文中，测出了桩土界面处超孔隙水压力，并探讨了超孔隙水压力沿深度变化曲线。但是以上文献都没有明确指出用于饱和土体中静压沉桩引起的桩周土体超孔隙水压力室内试验测试方法，因此提出一种可以快速测定饱和土体中静压沉桩引起桩周土体超孔隙水压力，并获得桩周土体超孔隙水压力沿深度变化的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明针对现有的技术难以模拟饱和土体中静压沉桩引起桩周围土体孔隙水压力的特性且测试的手段有限，提出一种模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置及方法，能够模拟静压沉桩引起桩周围土体的孔隙水压力特性，数据准确。

本发明通过以下技术手段方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，包括：

主体圆筒模拟室，包括若干个用于放置试验用的土样的圆筒单元以及位于所述圆筒单元下方的圆筒底盘，所述圆筒底盘设有进水口；

桩模型，从所述主体圆筒模拟室顶部逐渐***所述主体圆筒模拟室内的土样中；

荷载施加装置，与所述桩模型连接，用于向桩模型施加荷载；

数据采集***，与所述主体圆筒模拟室连接，用于采集主体圆筒模拟室侧壁孔系数压力值。

优选地，多个所述圆筒单元轴向拼接，相邻的两个所述圆筒单元的拼接处套有O形环，以固定两个相邻所述圆筒单元。

优选地，所述主体圆筒模拟室下方设有底座平台，顶部设有顶盖，所述桩模型由所述顶盖***并深入到所述主体圆筒模拟室内的土样里。

更优选地，所述主体圆筒模拟室、底座平台和顶盖通过支架固定一起，从而保证所述主体圆筒模拟室的整体稳定性。

更优选地，所述顶盖设有接头作为所述支架的连接口。

更优选地，所述顶盖的中间设有通口，用于桩模型的静压沉入。

更优选地，所述底座平台设有进水接头，通过外部气压将水从所述进水接头自下而上灌入所述主体圆筒模拟室的所述圆筒单元内部，以进行饱和处理。

更优选地，所述圆筒单元与所述圆筒底盘之间设有渗水透水石，试验用水在进入所述圆筒底盘之后，缓慢渗入所述圆筒单元内。

优选地，在所述O形环与所述圆筒单元之间设有防水皮圈。

更优选地，每个所述圆筒单元的两端均设有凸出槽口，所述防水皮圈套在所述凸出槽口处。

优选地，所述荷载施加装置包括反力架和油压千斤顶，其中：所述反力架固定于地面，所述油压千斤顶与桩模型的顶端相连，油压千斤顶施加荷载于桩模型的顶端。

优选地，所述桩模型的下段为尖端，以便于桩模型桩体的静压下沉。

优选地，所述数据采集***包括孔隙水压力计、数据采集器，其中：所述孔隙水压力计设置于每个所述圆筒单元的外侧壁，所述孔隙水压力计通过导线与数据采集器的输入端连接，所述数据采集器用于采集孔隙水压力计测量到的圆筒单元外侧壁上每个孔隙水压力计的孔系数压力值，并传递给显示部件和/或记录部件。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于上述装置的模拟饱和土体中静压沉桩的试验方法，所述方法包括以下步骤：

1)将若干个圆筒单元按照设计高度拼接组装成主体圆筒模拟室，同时将试验用土样装入主体圆筒模拟室内；

2)安装顶盖，并将底座平台和顶盖固定；

3)通过外部气压，经由底座平台上的进水接头，将水自下而上灌入主体圆筒模拟室内部，直到水面高于主体圆筒模拟室内土体表面，并静置一段时间；

4)主体圆筒模拟室放置于反力架下面，将反力架上的油压千斤顶与桩模型的桩顶连接；

5)进行桩模型的下沉试验，控制桩模型下沉速率，并记录固定于有机玻璃圆筒单元外侧壁上每个孔隙水压力计的孔系数压力值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明根据试验要求，在模拟室内加入土体，并沉入桩模型桩体，可以有效地模拟饱和土体中的静压沉桩，操作方便，数据准确可靠。

本发明不仅可以快速改变饱和土体的情况，还能较好的控制静压沉桩的速率，原理简单，操作方便，数据测试准确，试验材料可重复利用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的整体结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的荷载施加装置结构示意图；

图3为本发明一优选实施例的圆筒单元结构示意图；

图4为本发明一优选实施例的圆筒单元拼接示意图；

图5为本发明一优选实施例的顶盖结构示意图；

图6为本发明一优选实施例的进水示意图；

图中：

1为主体圆筒模拟室，2为荷载施加装置，3为数据采集***，4为模型桩；

101为有机玻璃圆筒单元，102为有机玻璃O形环，103为密封防水圈，104为凸出槽口，105为进水接头，106为渗水透水石，107为圆筒底盘，11为底座平台，12为顶盖，121为接头，122为通口；

21为油压千斤顶，22为反力架；

31为孔隙水压力计，32为数据采集器，33为笔记本电脑，301为导线，311为透水石；

41为桩顶，42为桩尖。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图6所示，一种模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置的实施例示意图。

参照图1所示，模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置包括：主体圆筒模拟室1、荷载施加装置2、数据采集***3和模型桩4，其中：

主体圆筒模拟室1，包括若干个用于放置试验用的土样的圆筒单元以及位于所述圆筒单元下方的圆筒底盘，所述圆筒底盘设有进水口；

桩模型4，从所述主体圆筒模拟室顶部逐渐***所述主体圆筒模拟室内的土样中；

荷载施加装置2，与所述桩模型连接，用于向桩模型施加荷载；

数据采集***3，与所述主体圆筒模拟室连接，用于采集主体圆筒模拟室侧壁孔系数压力值。

以下实施例中，圆筒单元采用有机玻璃圆筒单元，O形环也采用有机玻璃O形环，便于观察试验情况。

具体的，在本发明部分优选实施例中，所述主体圆筒模拟室1由若干个有机玻璃圆筒单元101、有机玻璃O形环102依次轴向拼接而成，且有机玻璃O形环102与相邻两有机玻璃圆筒单元101之间设有密封防水圈103。

所述主体圆筒模拟室1放置于底座平台11上，所述主体圆筒模拟室1的顶部设有顶盖12。

在一优选的实施例中，所述有机玻璃圆筒单元101的高度为200mm，有机玻璃圆筒单元101的内径、外径分别为205mm和225mm。

在一优选的实施例中，如图3、图4所示，所述有机玻璃圆筒单元101的两端设有凸出槽口104，密封防水圈103套在有机玻璃圆筒单元101的两端凸出槽口104，然后用有机玻璃O形环102固定两个相邻的有机玻璃圆筒单元101。

在一优选的实施例中，所述主体圆筒模拟室1、底座11和顶盖12通过四根不锈钢棒固定在一起，从而保证主体圆筒模拟室1的整体稳定性。

在一优选的实施例中，如图5所示，所述顶盖12的四周设有接头121作为不锈钢棒的连接口。

在一优选的实施例中，所述顶盖12的中间设有通口122，所述通口122用于桩模型静压沉入。

在一优选的实施例中，如图1所示，所述底座平台11两端设置有进水接头105，用于将试验用水引入主体圆筒模拟室1中，进水时注意控制注水的压力以防止主体圆筒模拟室1内的土体冲散。

在一优选的实例中，如图6所示，所述主体圆筒模拟室1的圆筒单元与圆筒底盘107之间设有渗水透水石106，试验用水在进入圆筒底盘107之后，缓慢渗入主体圆筒模拟室1的圆筒单元内。

在一优选的实施例中，如图1、图2所示，用于静压沉桩的所述桩模型4的下段即桩尖41为尖状结构，以便于桩模型4桩体的静压下沉，并在桩模型4桩体上每隔200mm做一标记，用于记录桩体下沉200mm的时间，从而控制沉桩速率。

如图2所示，在本发明部分优选的实施例中，所述荷载施加装置2包括反力架21和油压千斤顶22，其中：

所述反力架21固定于地面，所述油压千斤顶22与桩模型4的桩顶41相连，通过油压千斤顶22向桩模型4施加桩压力。

进一步的，所述油压千斤顶22的位置根据主体圆筒模拟室1和桩模型4的高度在反力架21上进行调节，设定下沉200mm的时间来控制桩模型4桩体的下沉速率。

如图1、图3所示，在一优选的实施例中，所述数据采集***3包括孔隙水压力计31、数据采集器32和记录数据所用的笔记本电脑33，其中：

所述主体圆筒模拟室1的每节有机玻璃圆筒单元101圆筒外侧壁设有两个孔隙水压力计31，所述孔隙水压力计31通过导线301与数据采集器32的输入端321连接，数据采集器32的输出端322与记录数据的笔记本电脑33相连接。

进一步的，如图3所示，每节所述有机玻璃圆筒单元101圆筒筒壁两侧的孔隙水压力计31与有机玻璃圆筒单元101圆筒内壁设有透水石311，以保证孔隙水压力计31测试的准确性，并且孔隙水压力计31分别位于有机玻璃圆筒单元101上50mm处和150mm处。

以上是本发明所述试验装置的各个优选特征描述，应该理解的是，上述各个优选技术特征可以单独使用，在不冲突的前提下也可以任意组合使用。

基于上述试验装置的结构，以下对应用上述装置的模拟饱和土体中静压沉桩的试验方法进行进一步说明。

具体的，在本发明的一实施例中，所述模拟饱和土体中静压沉桩的试验方法，包括以下步骤：

1)将若干节圆筒单元101两端凸出槽口104均套上密封防水圈103，从圆筒底盘107开始，沿轴向依次安装O形环102，圆筒单元101直到设计高度，完成主体圆筒模拟室1的组装，同时将土样装入主体圆筒模拟室1内；

2)安装主体圆筒模拟室1顶盖12，并用不锈钢棒及两个尼龙绳将底座平台11和顶盖12固定；

3)通过外部气压将水从进水接头105自下而上灌入主体圆筒模拟室1内部，直到水面高于室内土体表面，并静置48小时进行饱和处理；

4)主体圆筒模拟室1放置于反力架21的下面，调节油压千斤顶22的位置，将反力架21上的油压千斤顶22与模型桩4的桩顶42连接；

5)进行模型桩4的下沉试验，控制模型桩4下沉速率，并记录有机玻璃圆筒单元101筒体侧壁上孔隙水压力计31的孔系数压力值。

由上述实施例可以看出，本发明采用上述装置和方法，根据试验要求，在模拟室内加入土体，并沉入桩模型桩体，可以有效地模拟饱和土体中的静压沉桩，操作方便，数据准确可靠。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于本发明简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，包括：

主体圆筒模拟室，包括若干个用于放置试验用的土样的圆筒单元以及位于所述圆筒单元下方的圆筒底盘，所述圆筒底盘设有进水口；

桩模型，从所述主体圆筒模拟室顶部逐渐***所述主体圆筒模拟室内的土样中；

荷载施加装置，与所述桩模型连接，用于向桩模型施加荷载；

数据采集***，与所述主体圆筒模拟室连接，用于采集主体圆筒模拟室侧壁孔系数压力值。

2.根据权利要求1所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，多个所述圆筒单元轴向拼接，相邻的两个所述圆筒单元的拼接处套有O形环，以固定两个相邻所述圆筒单元。

3.根据权利要求1所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，所述主体圆筒模拟室下方设有底座平台，顶部设有顶盖，所述桩模型由所述顶盖***并深入到所述主体圆筒模拟室内的土样里。

4.根据权利要求3所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，具有以下至少一种特征：

-所述主体圆筒模拟室、所述底座平台和所述顶盖通过支架固定一起，从而保证所述主体圆筒模拟室的整体稳定性；

-所述顶盖设有接头作为所述支架的连接口；

-所述顶盖的中间设有通口，用于桩模型的静压沉入；

-所述圆筒单元与所述圆筒底盘之间设有渗水透水石，试验用水在进入所述圆筒底盘之后，缓慢渗入所述圆筒单元内。

5.根据权利要求3所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，所述底座平台设有进水接头，通过外部气压将水从所述进水接头自下而上灌入所述主体圆筒模拟室内部，以进行饱和处理。

6.根据权利要求2所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，在所述O形环与所述圆筒单元之间设有防水皮圈。

7.根据权利要求6所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，每个所述圆筒单元的两端均设有凸出槽口，所述防水皮圈套在所述凸出槽口处。

8.根据权利要求1-7任一项所述的模拟饱和土体中静压成桩的试验装置，其特征在于，所述荷载施加装置包括反力架和油压千斤顶，其中：所述反力架固定于地面，所述油压千斤顶与所述桩模型的顶端相连，所述油压千斤顶施加荷载于所述桩模型的顶端；所述桩模型的下段为尖端。

9.根据权利要求1-7任一项所述的模拟饱和土体中静压沉桩的试验装置，其特征在于，所述数据采集***包括孔隙水压力计、数据采集器，其中：所述孔隙水压力计设置于每个所述圆筒单元的外侧壁，所述孔隙水压力计通过导线与数据采集器的输入端连接，所述数据采集器用于采集孔隙水压力计测量到的圆筒单元外侧壁上每个孔隙水压力计的孔系数压力值，并传递给显示部件和/或记录部件。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述装置的模拟饱和土体中静压沉桩的试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)将若干个圆筒单元按照设计高度拼接组装成主体圆筒模拟室，同时将试验用土样装入主体圆筒模拟室内；

2)安装主体圆筒模拟室顶盖，并将底座平台和顶盖固定；

3)通过外部气压，经由底座平台上的进水接头，将水自下而上灌入主体圆筒模拟室内部，直到水面高于主体圆筒模拟室内土体表面，并静置一段时间；

4)主体圆筒模拟室放置于反力架下面，将反力架上的油压千斤顶与桩模型的桩顶连接；

5)进行桩模型的下沉试验，控制桩模型下沉速率，并记录固定于有机玻璃圆筒单元外侧壁上每个孔隙水压力计的孔系数压力值。