CN208056133U - 一种单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种冻土区单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置，其包括试样筒、用于固定试样筒的固定支架以及底座，试样筒下方设有冷冻液循环管，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，固定支架上部设有横梁，该横梁包括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，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。采用本试验装置试验时只考虑锥角这一单一变量，改变锥角这一单一变量进行测量，避免了重量及桩体侧面积对桩体抗冻拔性能的影响，可以准确、合理地得出不同锥角对桩体抗冻拔性能的影响，对实际工程的施工具有指导意义。

Description

一种单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置，更具体地说，是指一种冻土区单一变量锥角评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置。

背景技术

我国冻土分布广泛，冻土面积约占国土面积的四分之三，随着建设的推进，我国在冻土区规划和修建的基础设施也越来越多，出现的难题也越来越多，其中桩基础的冻拔病害问题就是其中一个非常重要且很难解决的问题。锥形桩作为一种新型的桩基础，在抗冻拔的时效性方面表现出很好的效果，但是目前对于锥形桩基础的抗冻拔机理还没有得到一个统一的结论，所以从定量的理论分析的角度对锥形桩基础的抗冻拔机理进行研究，对于我国冻土工程的发展具有非常重要的价值。

目前，国内外对于锥形桩的研究比较多，针对于不同锥角的抗拔效果虽然分别从室内试验、现场试验及数值模拟进行了分析，但目前有关锥形桩的研究均未将锥角作为单一变量进行分析，分析时未考虑重力及桩体侧面积对冻拔力的影响，因此分析得出的锥角与桩体抗冻拔性能的关系的准确性很难具有说服力。因此，需要针对于已有试验装置，设计出一种新型的试验装置来测定锥角这一单一变量对锥形桩体抗冻拔性能的影响。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是针对目前冻土区锥形桩锥角对桩体抗冻拔性能的影响，提供了一种只考虑锥角作为单一变量的锥形桩抗冻拔性能评估试验装置，其可以准确、合理地得出不同锥角对桩体抗冻拔性能的影响。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种冻土区单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置，其关键技术在于：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。

优选的，所述桩体试样高度为25～35cm，其小圆直径为2～8cm，锥角为0～11°；桩体试样内设有轻质聚氨酯泡沫。

优选的，桩体试样周边土样采用冻胀敏感性土粉质黏土，压实度控制为93％～97％，刮毛并分层击实；填充土样过程中每隔10cm埋置一根水分传感器，每隔5～6cm埋置一根温度传感器。

优选的，所述桩体试样需对桩体体积在0°桩的基础上进行抠除设计；

进行桩体设计时，首先保证桩体侧表面积相等，即

d_θ＝d₀-h tanθ

其次，根据已计算的直径进行该桩体的体积计算，即

再次，由于要求不同锥角桩体的质量相等，根据已计算的桩体体积进行挖除体积的计算，即

V_θ挖＝V_θ-V₀

最后，根据计算得出的挖除体积确定挖除部分的规格，即

其中，d₀为0°桩的直径(单位为cm)，d_θ为角度为θ的锥形桩的小圆直径(单位为cm)，h为桩体的高度(单位为cm)，θ为锥形桩的角度(单位为°)，V_θ为锥角为θ的锥形桩的体积(单位为cm³)，V₀为0°桩的体积(单位为cm³)，V_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的体积(单位为cm³)，h_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的高度(单位为cm)，d_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的小圆直径(单位为cm)。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)采用本试验装置试验时只考虑锥角这一单一变量，改变锥角这一单一变量进行测量，避免了重量及桩体侧面积对桩体抗冻拔性能的影响，可以准确、合理地得出不同锥角对桩体抗冻拔性能的影响，对实际工程的施工具有指导意义；

(2)本实用新型适用于室内试验及现场原位试验中小型桩基础的锥角对桩体抗冻拔性能影响的测试。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中桩体试样侧视图；

图3是本实用新型中5°桩体试样侧视图；

图4是本实用新型中9°桩体试样侧视图；

其中:1-1、水分传感器；1-2、桩体抗冻拔性能测试实验装置(拆除上冷浴盘)；1-3、横梁；1-4、位移传感器；1-5、荷载传感器；1-6、温度传感器；1-7、试样筒；1-8、冷冻液循环管；2-1、桩体试样；2-2、聚氨酯泡沫；

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的，特征和优点能够更加明显易懂，下面结合本实用新型中的附图和实施例，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种测试锥角对桩体抗冻拔性能影响的新思路，该方法通过只改变锥角这一单一变量进行测量，避免了重量及桩体侧面积对桩体抗冻拔性能的影响。本实用新型中的试验装置是基于现有桩体抗冻拔性能测试试验装置改进而成，参见附图1，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1-7、用于固定试样筒1-7 的固定支架1-2以及位于试样筒1-7内的桩体试样2-1下部的底座，所述试样筒1-7下方设有冷冻液循环管1-8，不同的是所述试样筒内壁上一侧设有水分传感器1-1、另一侧设有温度传感器1-6；桩体试样2-1的上方设有荷载传感器1-5，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1-5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1-4。

为使本试验装置内锥形桩体抗冻拔效果显著，桩周土样采用冻胀敏感性土粉质黏土，压实度控制为93％～97％，刮毛并分层击实，填充土样过程中每隔10cm埋置一根水分传感器1-1，每隔5～6cm埋置一根温度传感器1-6。为保证锥形桩的单向冻结，需消除法向冻胀力对桩体的影响，通过冷冻液循环管1-8保证桩体底部恒为1℃。各种传感器的数据可采用DT85数据采集器进行采集。

参见附图2，所述桩体试样2-1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。

进行桩体抗冻拔性能测试时，为保证锥角为试验的单一变量，确保桩体质量、高度、受力侧面积不变，需对桩体体积在0°桩的基础上进行抠除设计。

进行冻拔力测量时，增设的梯形应力分散块目的为使得反力横梁避免产生应力集中；增设的三角支架目的为使得反力横梁的刚度变大；增设的位移传感器1-4的目的为监测横梁变形以保证横梁零位移；进行冻拔位移测量时，需要将反力架拆除，位移传感器作用是测量桩体冻拔位移。

采用上述桩体试样进行单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验，其具体步骤如下：

第一步：制备试验桩；桩体试样2-1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。如图2所示，为保证锥角为试验的单一变量，确保桩体质量、高度、受力侧面积不变，需对桩体体积在0°桩的基础上进行抠除设计。首先保证桩体侧表面积相等，即

d_θ＝d₀-h tanθ

其次，根据已计算的直径进行该桩体的体积计算，即

再次，由于要求不同锥角桩体的质量相等，根据已计算的桩体体积进行挖除体积的计算，即

V_θ挖＝V_θ-V₀

最后，根据计算得出的挖除体积确定挖除部分的规格，即

其中，d₀为0°桩的直径(单位为cm)，d_θ为角度为θ的锥形桩的小圆直径(单位为cm)，h为桩体的高度(单位为cm)，θ为锥形桩的角度(单位为°)，V_θ为锥角为θ的锥形桩的体积(单位为cm³)，V₀为0°桩的体积(单位为cm³)，V_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的体积(单位为cm³)，h_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的高度(单位为cm)，d_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的小圆直径(单位为cm)。

所抠除体积的形状为同角度的锥形桩，所抠除锥形桩的尺寸需要根据挖除体积进行计算，且在挖除后填充强度满足要求，且具有保温及防水特性的轻质聚氨酯泡沫。

第二步：埋置试验桩；将桩体放置于实验装置中，为使本试验装置内锥形桩体抗冻拔效果显著，桩周土样采用冻胀敏感性土粉质黏土，压实度控制为93％～97％，刮毛并分层击实，填充土样过程中每隔10cm埋置一根水分传感器1-1，每隔5～6cm埋置一根温度传感器1-6；

第三步：单向冻结过程中测试桩体冻拔力；保证试验装置单向冻结并采用反力钢架和荷载传感器测定冻拔力，如图1所示，为消除法向冻胀力的影响，要保证桩体底部冷冻液循环管温度恒为1℃，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，进行降温冻结；

第四步：重复第二步和第三步的内容，得出不同锥角下的桩体冻拔力的大小。

经过上述试验过程，只改变了锥角这一单一变量，进而得出不同锥角对桩体冻拔力的影响，避免了桩体侧面积及桩体重量对测试结果的影响，使得测试数据更加准确。

上述过程只是测量冻拔力与锥角之间的关系，若在第三步中去掉反力钢架及荷载传感器，直接将位移传感器布设在桩顶并重复第一步到第四步，可以精确的得出锥角对桩体冻拔位移的影响。

本试验装置既可测量锥角这一单一变量对桩体冻拔力的影响，又可测量锥角对桩体冻拔位移的影响，但两种测试方法过程类似，下面仅结合实施例1对锥角这一单一变量对桩体冻拔力影响的试验过程进行阐述。

实施例1：

第一步：制备试验桩；桩体试样高度取30cm，其小圆直径为(2～8) cm，锥角分别取0°、5°、9°及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。如图2 所示，为保证锥角为试验的单一变量，确保桩体质量、高度、受力侧面积不变，需对桩体体积在0°桩的基础上进行抠除设计。首先保证桩体侧表面积相等，取0°桩直径为8cm，首先保证桩体侧表面积相等，即

d_θ＝d₀-h tanθ

其次，根据已计算的直径进行该桩体的体积计算，即

再次，由于要求不同锥角桩体的质量相等，根据已计算的桩体体积进行挖除体积的计算，即

V_θ挖＝V_θ-V₀

最后，根据计算得出的挖除体积确定挖除部分的规格，即

其中，d₀为0°桩的直径(单位为cm)，d_θ为角度为θ的锥形桩的小圆直径(单位为cm)，h为桩体的高度(单位为cm)，θ为锥形桩的角度(单位为°)，V_θ为锥角为θ的锥形桩的体积(单位为cm³)，V₀为0°桩的体积(单位为cm³)，V_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的体积(单位为cm³)，h_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的高度(单位为cm)，d_θ挖为锥角为θ的锥形桩需要挖除的小圆直径(单位为cm)。

所抠除体积的形状为同角度的锥形桩，所抠除锥形桩的尺寸需要根据挖除体积进行计算，且在挖除后填充强度满足要求，且具有保温及防水特性的轻质聚氨酯泡沫2-2。所计算的数据如表1-1，所设计的5°桩如图3，所设计的9°桩如图4。

表1-1桩体规格表

第二步：埋置试验桩；将桩体放置于实验装置中1-2，为使本试验装置内锥形桩体抗冻拔效果显著，桩周土样采用冻胀敏感性土粉质黏土，压实度控制为93％～97％，刮毛并分层击实，填充土样过程中每隔10cm埋置一根水分传感器1-1，每隔(5～6)cm埋置一根温度传感器1-6；

第三步：单向冻结过程中测试桩体冻拔力；保证实验装置单向冻结并采用反力钢架1-3和荷载传感器1-5测定冻拔力，如图1所示，为消除法向冻胀力的影响，要保证桩体底部冷冻液循环管1-8温度恒为1℃，且在反力架上布置位移传感器1-4以监测反力架的位移情况，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，进行降温冻结；

第四步：第四步：重复第二步和第三步的内容，得出不同锥角下的桩体冻拔力的大小。

本实用新型主要解决了除锥角这一变量外，其他变量对桩体抗冻拔性能的影响的问题。本试验采取的抠除锥形桩不同大小的体积的方法可以避免桩侧表面积及桩重对桩体抗冻拔性能的影响，可以更明确的观察到锥角这一单一变量对桩体抗冻拔性能的影响。

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实用新型创造。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实用新型创造的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型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 (3)

1.一种单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置，其包括试样筒(1-7)、用于固定试样筒(1-7)的固定支架(1-2)以及位于试样筒(1-7)内的桩体试样(2-1)下部的底座，所述试样筒(1-7)下方设有冷冻液循环管(1-8)，其特征在于：所述试样筒内壁上一侧设有水分传感器(1-1)、另一侧设有温度传感器(1-6)；桩体试样(2-1)的上方设有荷载传感器(1-5)，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(1-5)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(1-4)。

2.根据权利要求1所述的单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置，其特征在于：所述桩体试样(2-1)高度为25～35cm，其小圆直径为2～8cm，锥角为0～11°；桩体试样内设有轻质聚氨酯泡沫(2-2)。

3.根据权利要求1所述的单一变量评估锥形桩抗冻拔性能的试验装置，其特征在于：桩体试样(2-1)周边土样采用冻胀敏感性土粉质黏土，压实度控制为93％～97％，刮毛并分层击实；填充土样过程中每隔10cm埋置一根水分传感器(1-1)，每隔5～6cm埋置一根温度传感器(1-6)。