CN114354389A - 一种管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置及试验方法，侧限装置由两个钢套件组成，采用螺栓组件拧紧，可为大尺寸的管桩与填芯混凝土接触面剪切试样提供足够的侧限条件，避免加载过程中由于填芯混凝土体积膨胀而对管桩产生破坏的隐患，更好地模拟加载过程中管桩与填芯混凝土接触面的受力特性。本发明的侧限装置，能够针对不同尺寸的管桩试验段进行尺寸匹配，以满足不同试验需求，同时试验方法步骤简洁明了，可操作性强，便于实现，可考虑填芯混凝土的膨胀剂增强及施工泥皮弱化的影响，使得管桩与填芯混凝土接触面特性更符合真实的实际施工工况。
Description
技术领域
本发明属于土工试验设备技术领域，具体的涉及一种管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置及试验方法。
背景技术
桩基是建(构)筑物重要的基础形式，目前，国内基础工程中大量使用的泥浆护壁钻孔灌注桩和采用锤击或静压工法施工预制桩已经很难同时兼顾高承载性能、工业化与节能降耗、绿色环保的要求，因此，国内在借鉴国外植入式管桩技术基础上，研发了水泥土复合管桩、静钻根植法桩、中掘法管桩、随钻跟管桩等植入式管桩施工工法。随钻跟管桩是一种预钻成孔的大直径(800mm～1400mm)非挤土PHC管桩，桩端可穿透中微风化岩层作为嵌岩桩使用。其施工工艺具有自身特点，在钻进成孔的同时将PHC管桩沉入孔内，土岩残渣从管桩内腔排出，管壁外侧灌注水泥浆或水泥砂浆，桩芯可通长或部分灌注混凝土封底。随钻跟管桩结合了人工挖孔桩、钻孔灌注桩、预应力管桩的优点，具有单桩承载力高、地层适应性强、施工速度快、绿色环保等优点。
嵌岩大直径PHC管桩内腔一般采取封底混凝土提高桩身强度及桩端承载性能，封底混凝土强度以及与大直径管桩内腔接触的性质，与桩端-基岩相互作用及桩基失效破坏模式息息相关。特别的，大直径随钻根管桩施工中产生的岩土渣通过螺旋钻杆从管桩内腔排出，管桩内壁不可避免会形成一层挤压的泥皮，将会对管桩与封底混凝土的接触面性质产生影响。桩底灌注封底混凝土属隐蔽工程，目前的监测手段十分有限，对填芯混凝土与管桩内腔接触面的性质研究极少，导致对嵌岩大直径PHC管桩桩端承载机理认识不够充分，不利于其推广应用。
大尺寸管桩-填芯混凝土接触面剪切试验可以模拟现场条件，与实际情况较相符，是认识该接触面性质的有效手段。但是，大尺寸剪切试验一般加载在内腔的填芯混凝土顶面，且加载水平较高，填芯混凝土会产生体积膨胀，无侧限条件不符合PHC管桩桩端实际受力条件，加载较大条件下一般也会导致管桩的桩身膨胀破裂，使得试验结果不能真实反映管桩-填芯混凝土的界面特征，本专利申请者前期开展的无侧限装置的大尺寸管桩与填芯混凝土接触面剪切试验也验证了这点；另外，以往有关学者有限的试验中，也忽视了该填芯混凝土在加载条件下体积膨胀对管桩产生的破坏作用。因此，有必要设计一种大尺寸管桩-填芯混凝土接触面剪切试验的侧限装置与试验方法，为准确获取管桩-填芯混凝土接触面特性提供有效的手段和方法，进而有利于进一步研究嵌岩大直径PHC管桩的桩端承载机理。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置及试验方法，旨在解决现有技术存在的问题。
本发明为达到其目的，所采用的技术方案如下：
一种管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，包括：
钢套件，所述钢套件的数量为两个且相连接设置；
所述两个钢套件之间设有用于相连接的连接件，并形成用于放置管桩试验段的空间；
在所述钢套件的外壁面设有结构加强件，内壁面设有防护层和填充层。
优选的，所述钢套件的形状为半圆状，所述用于放置管桩试验段的空间为圆形腔体。
优选的，所述钢套件的两侧设有固定翼板，所述固定翼板沿所述钢套件的轴向延伸方向设置，所述连接件为螺栓组件并沿所述固定翼板的延伸方向设置，所述螺栓组件用于连接相对应设置的固定翼板。
优选的，所述结构加强件包括若干个分别沿所述钢套件的轴向、径向方向设置的横向加强肋、纵向加强肋。
优选的，所述防护层为工业塑料薄膜，所述填充层为薄层环氧树脂。
本发明还包括一种管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，采用上述的管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，包括以下步骤：
S1、截取管桩试验段：截取工程用的PHC管桩作为管桩试验段，并保证管桩试验段的两端水平；
S2、在管桩外表面布设应变片；
S3、制作管桩内壁泥皮层：根据模拟随钻根管桩内壁泥皮的实际状态，采取现场原状土，用机械搅拌成渣，在所述PHC管桩的内壁处挤压涂抹一层泥皮；
S4、制作管桩与填芯混凝土接触面模型：通过采用不同膨胀剂含量的填芯混凝土，可形成不同膨胀剂含量的管桩与填芯混凝土界面模型试样；
S5、制作侧限装置；
S6、接触面模型试样安装侧限装置：在管桩与填芯混凝土接触面模型试样制备养护完成后，在侧限装置的内壁贴合工业塑料薄膜，然后在PHC管桩外侧均匀涂抹一层环氧树脂，在环氧树脂干燥硬化前，将侧限装置套在管桩试验段外侧并固定，保证侧限装置与管桩试验段的贴合；
S7、开展接触面模型剪切试验。
优选的，在步骤S2中，在管桩试验段的填芯范围外壁均匀贴两对应变片，用切割工具在所述PHC管桩外壁表面沿着设计路线开槽，槽宽和槽深以能放入所述应变片的测线为准，用高强黏合剂充填入槽内进行黏贴和表面保护。
优选的，在步骤S4中，采用泡沫对管桩试验段进行封底，后注入水或比重约1.5的泥浆模拟水下浇筑环境，然后通过PVC注浆管从下往上浇筑C30或C40填芯混凝土，填芯混凝土初凝后，去除泡沫，最后形成填芯混凝土顶与管桩顶齐平，在填芯混凝土底部留有空腔，并形成管桩与填芯混凝土接触面模型。
优选的，在步骤S7中，待环氧树脂干燥并达到相应强度后，采用微机控制电液伺服压剪试验机对模型试样进行加载试验：将一直径稍小于填芯混凝土直径的钢垫块置于填芯混凝土表面，荷载通过钢垫块施加于填芯混凝土表面，加载过程中，获取桩身环向拉应力及管桩与填芯混凝土接触面剪力位移曲线，根据膨胀剂的增强和泥皮层的弱化的耦合影响，并开展进一步管桩与填芯混凝土接触面的特性研究。
优选的，在步骤S1中，所述PHC管桩的直径尺寸范围为30mm0-1000mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的侧限装置结构设计合理、质量可靠，为管桩与填芯混凝土接触面模型提供足够的侧限条件，避免加载过程中由于填芯混凝土体积膨胀而对管桩产生破坏的隐患，同时试验方法步骤简洁明了，可操作性强，便于实现，可考虑填芯混凝土的膨胀剂增强及施工泥皮弱化的影响，使得管桩与填芯混凝土接触面特性更符合真实的实际施工工况。本试验装置及方法对研究大直径管桩桩端承载性能有着重要意义，为合理分析大直径管桩的承载特性奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的侧限装置的结构示意图。
图2为本发明的侧限装置与管桩与填芯混凝土接触面模型相配合的俯视示意图。
图3为本发明的试验方法的步骤S2的示意图。
图4为本发明的试验方法的步骤S4的示意图。
图5为本发明的试验方法的步骤S6的示意图。
图6为本发明的试验方法的步骤S7的示意图
图7为本发明的试验方法的流程图。
附图标记说明：
1-钢套件，2-固定翼板，3-加强翼板，4-螺栓组件，5-横向加强肋，6-纵向加强肋，7-管桩试验段，8-填芯混凝土，9-管桩内壁泥皮层，10-环氧树脂，11-工业塑料薄膜，12-应变片，13-测线，14-路线开槽，15-空腔，16-钢垫块。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明的实施例由图1至图7所示：
一种管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，包括以下步骤：
S1、截取管桩试验段：截取工程用的PHC管桩作为管桩试验段7，并保证管桩试验段7的两端水平；其中PHC管桩的尺寸为直径300mm、壁厚70mm、长400mm，尺寸可以根据实际需要，选择不同PHC管桩尺寸，可以更合理的模拟实际施工的桩基条件，可以消除模型较小带来的相似比问题，更合理的模拟实际管桩内腔的接触面特性；
S2、在管桩外表面布设应变片：具体的，在管桩试验段7的填芯范围外壁均匀贴两对应变片12，用切割工具在PHC管桩外壁表面沿着设计路线开槽14，槽宽和槽深以能放入应变片12的测线13为准，用高强黏合剂充填入槽内进行黏贴和表面保护，槽宽和槽深的尺寸均小于3mm；
S3、制作管桩内壁泥皮层：根据模拟随钻根管桩内壁泥皮的实际状态，采取现场原状土，用机械搅拌成渣，在PHC管桩的内壁处挤压涂抹一层泥皮并形成管桩内壁泥皮层9，其中可以根据实际条件，原状土可取黏性土或砂性土按一定比例组合搅拌，泥皮也可控制不同厚度；
S4、制作管桩与填芯混凝土接触面模型：通过采用不同膨胀剂含量的填芯混凝土，可形成不同膨胀剂含量的管桩与填芯混凝土界面模型试样，具体的，采用泡沫对管桩试验段7进行封底，后注入水或比重约1.5的泥浆模拟水下浇筑环境，然后通过PVC注浆管从下往上浇筑C30或C40填芯混凝土8，填芯混凝土8初凝后，去除泡沫，最后形成填芯混凝土8顶与管桩顶齐平，在填芯混凝土8底部留有空腔15，并形成管桩与填芯混凝土8接触面模型；其中，泡沫的长度尺寸为10cm，空腔15的长度尺寸为10cm，管桩与填芯混凝土8接触面模型的长度尺寸为30cm；
S5、制作侧限装置：具体的，侧限装置包括两个呈半圆状的钢套件1，在钢套件1的两侧设有固定翼板2，固定翼板2沿钢套件1的轴向延伸方向设置，连接件为螺栓组件4并沿固定翼板2的延伸方向设置，在相对应设置的固定翼板2上设有用于连接的螺栓组件4，在钢套件1的外壁面设有若干个分别沿钢套件1的轴向、径向方向设置的横向加强肋5、纵向加强肋6；
其中两个钢套件1形成用于放置管桩试验段7的空间，该空间为圆形腔体，该空间的内径与管桩试验段7的外径相同，该钢套件1的材质可取10mm厚的钢板，固定翼板2焊接于钢套件1的两侧的边缘，宽度为50mm，在固定翼板2上还可以横向设置多个加强翼板3，加强翼板3可采用厚度15mm钢板；
S6、接触面模型试样安装侧限装置：在管桩与填芯混凝土8接触面模型试样制备养护完成后，在侧限装置的内壁贴合一层0.01mm的工业塑料薄膜11，然后在PHC管桩外侧均匀涂抹一层环氧树脂10，在环氧树脂10干燥硬化前，将侧限装置套在管桩试验段7外侧并通过螺栓组件4固定，保证侧限装置的内壁面与管桩试验段7相贴合；
S7、开展接触面模型剪切试验：具体的，待环氧树脂10干燥并达到相应强度后，采用微机控制电液伺服压剪试验机对模型试样进行加载试验：将一直径稍小于填芯混凝土8直径的1cm厚的钢垫块16置于填芯混凝土8表面，图7中的荷载P通过钢垫块16施加于填芯混凝土8表面，加载过程中，获取桩身环向拉应力及管桩与填芯混凝土8接触面剪力位移曲线，根据膨胀剂的增强和泥皮层的弱化的耦合影响，并开展进一步管桩与填芯混凝土8接触面的特性研究。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
(1)本发明的侧限装置由两个钢套件组成，采用螺栓组件拧紧，可为大尺寸的管桩与填芯混凝土接触面剪切试样提供足够的侧限条件，避免加载过程中由于填芯混凝土体积膨胀而对管桩产生破坏的隐患，更好地模拟加载过程中管桩与填芯混凝土接触面的受力特性。本发明的侧限装置，能够针对不同尺寸的管桩试验段进行尺寸匹配，以满足不同试验需求。
(2)管桩外壁涂抹的薄层环氧树脂起到填补管桩与钢套件间的微小空隙，使管桩与钢套件贴合紧密，防止管桩外壁与钢套件由于贴合不紧而产生的局部应力集中，保证充分发挥对钢套件的侧限作用。
(3)钢套件内壁贴合一层0.01毫米的工业塑料薄膜，可起到既不影响受力传递，又能保证模型试样加载完成后，钢套件与环氧树脂较易分离，起到钢套件循环利用的目的。
(4)钢套件外侧设置的横向加强肋、纵向加强肋，可提高钢套件整体的强度和刚度，保证钢套件提供足够的侧限作用。
(5)本实验模型的管材选用实际工程应用的PHC管桩，尺寸较大，可截取直径300mm、壁厚70mm、长400mm的PHC管桩作为试验桩(尺寸可根据实际需要，选择不同工程桩尺寸)，可以更合理的模拟实际施工的桩基条件，可以消除模型较小带来的相似比问题，更合理的模拟实际管桩内腔的接触面特性。
(6)本发明的试验方法，可考虑管桩内壁施工泥皮的影响，模拟管桩内腔中钻杆挤压形成的泥皮层，使得管桩与填芯混凝土接触面特性更符合随钻跟管桩内壁实际施工工况。
(7)本发明的试验方法，通过采用不同膨胀剂含量的填芯混凝土，可形成不同膨胀剂含量的管桩与填芯混凝土界面模型试样，进而研究膨胀剂含量对界面特性的影响。
(8)通过管桩外壁布设的应变片，测试混凝土膨胀对管桩产生的环向拉应力，进而推导管桩内壁径向压应力，可为后续接触面特性分析及构建接触面模型提供必要参数。
(9)本发明的侧限装置与试验方法，结构设计合理，质量可靠，步骤简洁明了，可操作性强，便于实现，可有效获取真实的管桩与填芯混凝土的接触面特性数据。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、等方位或位置关系,仅是为了便于描述和简化操作，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。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，其特征在于，包括：
钢套件，所述钢套件的数量为两个且相连接设置；
所述两个钢套件之间设有用于相连接的连接件，并形成用于放置管桩试验段的空间；
在所述钢套件的外壁面设有结构加强件，内壁面设有防护层和填充层。
2.根据权利要求1所述的管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，其特征在于，所述钢套件的形状为半圆状，所述用于放置管桩试验段的空间为圆形腔体。
3.根据权利要求1所述的管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，其特征在于，所述钢套件的两侧设有固定翼板，所述固定翼板沿所述钢套件的轴向延伸方向设置，所述连接件为螺栓组件并沿所述固定翼板的延伸方向设置，所述螺栓组件用于连接相对应设置的固定翼板。
4.根据权利要求1所述的管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，其特征在于，所述结构加强件包括若干个分别沿所述钢套件的轴向、径向方向设置的横向加强肋、纵向加强肋。
5.根据权利要求1所述的管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，其特征在于，所述防护层为工业塑料薄膜，所述填充层为薄层环氧树脂。
6.一种管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，其特征在于，采用基于权利要求1-5任一项所述的管桩与填芯接触面剪切试验的侧限装置，包括以下步骤：
S1、截取管桩试验段：截取工程用的PHC管桩作为管桩试验段，并保证管桩试验段的两端水平；
S2、在管桩外表面布设应变片；
S3、制作管桩内壁泥皮层：根据模拟随钻根管桩内壁泥皮的实际状态，采取现场原状土，用机械搅拌成渣，在所述PHC管桩的内壁处挤压涂抹一层泥皮；
S4、制作管桩与填芯混凝土接触面模型：通过采用不同膨胀剂含量的填芯混凝土，可形成不同膨胀剂含量的管桩与填芯混凝土界面模型试样；
S5、制作侧限装置；
S6、接触面模型试样安装侧限装置：在管桩与填芯混凝土接触面模型试样制备养护完成后，在侧限装置的内壁贴合工业塑料薄膜，然后在PHC管桩外侧均匀涂抹一层环氧树脂，在环氧树脂干燥硬化前，将侧限装置套在管桩试验段外侧并固定，保证侧限装置与管桩试验段的贴合；
S7、开展接触面模型剪切试验。
7.根据权利要求6所述的管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，其特征在于，在步骤S2中，在管桩试验段的填芯范围外壁均匀贴两对应变片，用切割工具在所述PHC管桩外壁表面沿着设计路线开槽，槽宽和槽深以能放入所述应变片的测线为准，用高强黏合剂充填入槽内进行黏贴和表面保护。
8.根据权利要求6所述的管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，其特征在于，在步骤S4中，采用泡沫对管桩试验段进行封底，后注入水或比重约1.5的泥浆模拟水下浇筑环境，然后通过PVC注浆管从下往上浇筑C30或C40填芯混凝土，填芯混凝土初凝后，去除泡沫，最后形成填芯混凝土顶与管桩顶齐平，在填芯混凝土底部留有空腔，并形成管桩与填芯混凝土接触面模型。
9.根据权利要求6所述的管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，其特征在于，在步骤S7中，待环氧树脂干燥并达到相应强度后，采用微机控制电液伺服压剪试验机对模型试样进行加载试验：将一直径稍小于填芯混凝土直径的钢垫块置于填芯混凝土表面，荷载通过钢垫块施加于填芯混凝土表面，加载过程中，获取桩身环向拉应力及管桩与填芯混凝土接触面剪力位移曲线，根据膨胀剂的增强和泥皮层的弱化的耦合影响，并开展进一步管桩与填芯混凝土接触面的特性研究。
10.根据权利要求6所述的管桩与填芯接触面剪切试验的试验方法，其特征在于，在步骤S1中，所述PHC管桩的直径尺寸范围为30mm0-1000mm。
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