一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置及其测试方法

技术领域

本发明属于桩基础工程的技术领域，尤其涉及一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置及其测试方法。

背景技术

桩基础具有抗震性能好、承载力高、沉降小、适用范围广等诸多优点，被广泛应用于高层建筑、桥梁、港口等工程中。预制桩主要通过锤击法、射水法、钻孔法、静压法沉桩，静压法因其独有的优点而备受青睐，但静压法在沉桩过程中常出现桩身上抬、引孔压桩、穿越地质断裂带等问题，这是由于在静力压桩过程中，桩身受力复杂及对静压桩的理论研究不够全面深入，需要进行室内试验，研究静压桩的沉桩机理。

原状土易扰动，取样存在一定难度，目前室内的静压桩试验常将原状土烘干、碾碎，再按照原状土的密度和含水率重新制成的重塑土来代替原状土。但重塑土与原状土的结构仍存在明显差别，重塑土与原状土相比强度也明显降低，且现有室内静压桩试验，无法较真实模拟上层土重对静压沉桩过程的影响，影响试验结果的准确性和可靠性，无法进一步研究静压桩的复杂受力及沉桩机理。

所以亟需发明一种模拟足尺原状土沉桩试验综合装置及其方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设置模型桩和加压气囊且结构简单的一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置及其测试方法。

本发明提供一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置，其包括：装载原状土的取土模型箱、模型桩、橡胶垫板、砂层、钢护筒、反力钢板、加压气囊、两个加压管以及两个泄压管，其中所述砂层、橡胶垫板、加压气囊和反力钢板依序位于取土模型箱内；两个加压管和两个泄压管插入在所述反力钢板且作用在加压气囊上；所述模型桩套在所述钢护筒内且与原状土的表层接触；所述两个加压管和两个泄压管分别位于所述钢护筒的两侧。

进一步地，所述取土模型箱包括由四个侧面围设形成的框体、盖在所述框体上的模型箱顶盖、以及位于所述框体底部且与所述模型箱顶盖相对设置的模型箱底盖。

进一步地，所述取土模型箱还包括多个连接环、以及可套在每个连接环内的连接螺栓，其中所述框体上端和下端、模型箱顶盖和模型箱底盖均设有连接环；当需要将上模型箱顶盖盖在框体时，连接螺栓套在固定在模型箱顶盖上的连接环和固定在框体上端的连接环之间；当需要将模型箱底盖固定在框体底部时，所述连接螺栓套在固定在模型箱底盖上的连接环和固定在框体下端的连接环之间。

进一步地，所述模型箱顶盖、反力钢板、橡胶垫板、加压气囊、橡胶垫板均设有预留模型桩桩位，所述钢护筒依序穿过所述模型箱顶盖、反力钢板、橡胶垫板、加压气囊和橡胶垫板。

进一步地，所述模型箱顶盖和反力钢板均设有相对设置的两个预留加压管管位、以及位于两个预留加压管管位之间的两个预留泄压管管位；所述两个加压管分别穿过两个预留加压管管位，两个泄压管分别穿过两个预留泄压管管位。

进一步地，所述预留加压管管位、预留泄压管管位以及预留模型桩桩位均为通孔，预留加压管管位的中心线、预留泄压管管位的中心线以及预留模型桩桩位的中心线在同一直线上。

进一步地，所述模型桩为实心圆柱状的混凝土，其上安装多种测试传感器。

进一步地，所述加压气囊由高强橡胶制成。

进一步地，所述加压管和泄压管为高强橡胶软管，

本发明还提供一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置的测试方法，包括如下步骤：

S1：原状土装载在取土模型箱内，且原状土高出取土模型箱的上端；然后安装模型箱顶盖后翻转取土模型箱，安装模型箱底盖；最后运送取土模型箱至试验室；

S2：拆卸模型箱顶盖，挖取部分取土模型箱中的原状土至试验平面；

S3：在取土模型箱的原状土上平铺一层砂层；然后依序覆盖橡胶垫板、加压气囊、反力钢板和模型箱顶盖，将加压气囊上的加压管8、泄压管穿过反力钢板和模型箱顶盖；

S4：在预留桩位中垂直插入钢护筒至砂层层底；然后将模型桩2插入钢护筒5使得模型桩2接触原状土的表层；

S5：安装加压设备且加压设备通过加压管对加压气囊施加压力，加压设备与控制装置连接，控制沉桩过程的压桩力及上层土重。

本发明一方面设置插入钢护筒的模型桩，使得模型桩接触原状土的表层；另一方面设置加压气囊，使得对加压气囊进行加载压力，达到对原状土的多次测试；本发明结构简单。

附图说明

图1为本发明实施例的原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置的立体分解图；

图2为本发明实施例的原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的气囊预加载的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置，如图1至图3所示，其包括：装载原状土的取土模型箱1、模型桩2、橡胶垫板3、砂层4、钢护筒5、反力钢板6、加压气囊7、两个加压管8以及两个泄压管9，其中砂层4、橡胶垫板3、加压气囊7和反力钢板6依序位于取土模型箱1内；模型桩2套在钢护筒5内。

其中取土模型箱1为厚度为4mm-6mm的厚钢板焊接而成的中空正方体，其尺寸为(1500mm-2500mm)×(1500mm-2500mm)×(1500mm-2500mm)。

取土模型箱1为钢板焊接而成的正方体，直径、高度由试验所需原状土尺寸所定，上下敞口，下端具有刀刃，取土时对土样的扰动较小能够最大限度地保持取样过程中土体的原始性状。

取土模型箱1包括由四个侧面围设形成的框体1-0、盖在框体1-0上的模型箱顶盖1-1、位于框体1-0底部且与模型箱顶盖1-1相对设置的模型箱底盖1-2、多个连接环1-3、以及可套在每个连接环1-3内的连接螺栓1-4，其中框体1-0上端和下端、模型箱顶盖1-1和模型箱底盖1-2均设有连接环1-3；当需要将上模型箱顶盖1-1盖在框体1-0时，连接螺栓1-4套在固定在模型箱顶盖1-1上的连接环1-3和固定在框体1-0上端的连接环1-3之间；当需要将模型箱底盖1-2固定在框体1-0底部时，连接螺栓1-4套在固定在模型箱底盖1-2上的连接环1-3和固定在框体1-0下端的连接环1-3之间。

模型桩2为实心圆柱状的混凝土，其直径为50mm-70mm，长度500mm-1500mm，其上安装多种测试传感器(图未示)。

模型桩2的尺寸材料取决于试验要求。

橡胶垫板3的材质为橡胶，其为正方形，其尺寸为(1400mm-2400mm)×(1400mm-2400mm)，厚度4mm-6mm。橡胶垫板3的长宽尺寸略小于取土模型箱1的长宽。

橡胶垫板3的中心预留有模型桩位2-1，橡胶垫板3设有预留模型桩桩位2-1，预留模型桩桩位2-1的直径为70mm-90mm；橡胶垫板3的边长小于取土模型箱1的边长。

砂层4为砂土层，其用于土体固结排水，其厚度40mm-60mm，砂层4的尺寸与橡胶垫板3的尺寸相同。

钢护筒5为管壁厚为4mm-6mm的无缝钢管，其内径为60mm-70mm，其高度为210mm-250mm，钢护筒5的作用是防止加压气囊7对模型桩2施加作用力。

钢护筒5的内径略大于模型桩2的直径，高度略大于气囊7厚度，防止加压气囊7对模型桩2施加作用力，影响桩身受力。

反力钢板6为厚度为4mm-6mm的厚钢板焊接而成的箱型无底护板，其尺寸为(1400mm-2400mm)×(1400mm-2400mm)×(150mm-250mm)，限制加压气囊7位移和施力方向，使加压气囊7对模型箱1中原状土施加竖向压力。

反力钢板6的长宽尺寸略小于取土模型箱1长宽，其高度与加压气囊7的厚度相等，用以限制加压气囊7位移和施力方向，使加压气囊7对取土模型箱1中原状土施加竖向压力。

模型箱顶盖1-1和反力钢板6均设有相对设置的两个预留加压管管位8-1、位于两个预留加压管管位8-1之间的两个预留泄压管管位9-1以及位于两个预留泄压管管位9-1之间的预留模型桩桩位2-1；其中预留加压管管位8-1、预留泄压管管位9-1以及预留模型桩桩位2-1均为通孔，预留加压管管位8-1的中心线、预留泄压管管位9-1的中心线以及预留模型桩桩位2-1的中心线在同一直线上；两个加压管8分别穿过两个预留加压管管位8-1且作用在加压气囊7上，两个泄压管9分别穿过两个预留泄压管管位9-1且作用在加压气囊7上，钢护筒5穿过预留模型桩桩位2-1。

加压气囊7由高强橡胶制成，其尺寸为(1400mm-2400mm)×(1400mm-2400mm)×(150mm-250mm)；加压气囊7也设有预留有模型桩位2-1。

加压气囊7的长宽尺寸略小于反力钢板6的长宽，其厚度不小于200mm，加压气囊7上部有加压管8和泄压管9，通过控制加压气囊7中的气压大小模拟不同的上层土重。

加压管8和泄压管9为高强橡胶软管，其直径(25mm-35mm)mm；预留加压管8的预留加压管管位8-1和泄压管9的预留泄压管管位9-1的直径为(25mm-35mm)，预留管位均位于对边中点的连线上，预留加压管管位8-1的边距500mm，预留泄压管管位9-1的边距为(750mm-850mm)；模型桩2的预留模型桩桩位2-1的直径为(75mm-85mm)，其位于反力钢板6的中心。

模型箱顶盖1-1和模型箱底盖1-2均为(4mm-6mm)的厚圆形刚性铁板，其长宽尺寸与取土模型箱1的长宽尺寸相同；取土模型箱1的上下端边缘处及模型箱顶盖1-1、模型箱底盖1-2的四角边缘处分别焊接4个内有螺纹的圆柱形连接环1-3，取土模型箱1的上端与模型箱顶盖1-1、取土模型箱1的下端与模型箱底盖1-2的连接头焊接位置一致，连接头间通过内径螺纹与连接螺栓1-4通过螺纹耦合的方式连接；连接环1-3的内径(20mm-30mm)、外径为(40mm-50mm)、高为(15mm-25mm)的钢制圆环；连接螺栓及螺母1-4，螺栓直径、螺母内径为(20mm-30mm)的钢制螺栓螺母。通过多次静压沉桩试验，改变取土模型箱1中的原状土和加压气囊的压力模拟不同深度的压桩过程，最后通过多次试验结果的叠加模拟整桩的压入过程。

组装时，砂层4、橡胶垫板3、加压气囊7和反力钢板6依序位于模型箱底盖1-2上，模型箱顶盖1-1盖在取土模型箱1上，内部套有模型桩2的钢护筒5依序穿过模型箱顶盖1-1和反力钢板6，模型箱顶盖1-1盖在四个侧面上。

下压取土模型箱1取土后，模型箱顶盖1-1盖在取土模型箱1的框体1-0上，连接螺栓1-4套在固定在模型箱顶盖1-1上的连接环1-3和固定在框体1-0上端的连接环1-3之间；翻转取土模型箱1后安装模型箱底盖1-2，连接螺栓1-4套在固定在模型箱底盖1-2上的连接环1-3和固定在框体1-0下端的连接环1-3之间；然后取土模型箱1运至试验室打开模型箱顶盖1-1，挖取部分原状土后，在原状土表层加盖砂层4、橡胶垫板3、加压气囊7、反力钢板6、模型箱顶盖1-1，插入钢护筒5，模型桩2后进行相关试验。

本发明还提供一种原状土中气囊加载模拟静压沉桩装置的测试方法，包括如下步骤：

S1：原状土装载在取土模型箱1内，且用刀刃向下垂直下压取土模型箱1，压至原状土高出取土模型箱1的上端，缓慢整平高出的原状土；然后安装模型箱顶盖1-1，扩挖取土模型箱1的底部原状土后翻转取土模型箱1；缓慢整平底部高出的原状土后，安装模型箱底盖1-2，这样完成取土；最后运送取土模型箱1至试验室；

S2：拆卸模型箱顶盖1-1，挖取部分取土模型箱1中的原状土至试验平面，挖取过程中注意避免扰动下层原状土；

S3：在取土模型箱1的原状土上平铺一层砂层4，用于土体的固结排水，然后依序覆盖橡胶垫板3、加压气囊7、反力钢板6和模型箱顶盖1-1，将加压气囊7上的加压管8、泄压管9穿过反力钢板6和模型箱顶盖1-1上的预留加压管管位8-1、预留泄压管管位9-1；

S4：在预留桩位2-1中垂直插入钢护筒5至砂层4层底；然后用工具缓慢抓取钢护筒5中的砂层4避免扰动下层原状土；在钢护筒5内壁涂抹凡士林，然后将模型桩2插入钢护筒5使得模型桩2接触原状土的表层；

S5：安装加压设备且加压设备通过加压管8对加压气囊7施加压力，加压设备与控制装置连接，以改变施加的压力，控制沉桩过程的压桩力及上层土重。

通过多次试验，改变模型箱1中的原状土和加压气囊7的压力模拟不同深度的压桩过程，最后叠加多次试验结果模拟整桩的压入过程。

本发明一方面设置插入钢护筒的模型桩，使得模型桩接触原状土的表层；另一方面设置加压气囊，使得对加压气囊进行加载压力，达到对原状土的多次测试；本发明结构简单。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。