一种模拟软硬互层基岩对桩基变形破坏影响的试验方法

技术领域

本发明涉及岩石力学与工程领域，具体涉及一种模拟软硬互层基岩对桩基变形破坏影响的试验方法。

背景技术

钻孔灌注桩由于施工工艺简单，工期较快，在各个施工项目中被大量用于当作基础。软硬互层岩体是隧道、基坑等地下施工过程中经常会遇到的一种岩体，具体是指由强度差异较大的两组及两组以上岩体成互层状结构组成的岩体，随着地下工程的不断发展，桩基在施工过程中不可避免的经过红层、变质岩等软硬岩互层围岩分布的地区。

现有的桩基施工过程中，为了保证桩基的稳定性和持力效果，一般会将桩体嵌入岩层，在进行桩基施工之前，会对施工区域的岩层进行勘察，根据勘察报告来设计桩长以及嵌入深度，一般岩层完整持力效果好，桩基嵌入深度就会小，所以勘察结果会直接影响桩长设计。由于现有的勘察取样技术对于软岩的采取率较低，在软硬互层岩体中，勘察过程中为了保证桩基设计满足要求，在地质分层时经常将其软硬交互层的强度划分为较低值，没有充分考虑深部岩体的围压对强度的提升作用，致使设计桩长加长，成本增加。

在实际在施工过程中，桩体是会受到围压的影响，所以在软硬交互层中桩基施工过程中，将地质分层的强度划分为较低值的方式是存在很大误差的，但是，目前并没有针对软硬互层基岩对桩基变形破坏影响进行研究，所以也无法为软硬互层中桩长优化提供相关理论依据。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种模拟软硬互层基岩对桩基变形破坏影响的试验方法，该方法设计一种采用现有的试验仪器研究软硬互层基岩对桩基的影响，并通过设计硬层基岩对桩基影响的对比试验，将两个试验结果进行对比，为软硬互层基岩中桩长优化提供理论依据。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟软硬互层基岩对桩基变形破坏影响的试验方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)准备试样模具：所述模具采用透明板与钢架制成，模具内底部设置有推块，顶部设置有顶盖，所述模具的底板上设有推孔，顶盖上开设有施工孔，所述施工孔的孔径与模型桩的桩径相匹配；模具装备好之后，在模具的透明板内壁涂有凡士林，在模具透明板侧面根据每层硬岩层和软岩层厚度画好软硬互层基岩水平压实线，再根据土层厚度画好土层水平压实线，最后根据模型桩桩长在模具透明板上部画出水平开挖虚线，且水平开挖虚线低于土层水平压实线的高度；

(2)准备试样材料，包括硬岩层、软岩层和土层材料：所述硬岩层是采用完整岩石切割而成，并将完整岩石切割成用于制备模拟软硬互层基岩的组合试样A的岩板和用于制备模拟硬层基岩的对比组合试样B的岩块；所述岩板的厚度与相邻两条软硬互层基岩水平压实线之间的高度相匹配，所述岩块的厚度与最上层软硬互层基岩水平压实线的高度相等，且所述岩板和岩块的截面大小与加载试验设备的尺寸相匹配；所述软岩层材料和土层材料均采用粗砂、中砂、膨润土、双飞粉、水配置而成，其中软岩层密度为2.0～2.2g/cm

(3)制备组合试样A，采用步骤(1)中的试样模具和步骤(2)中的岩板、软岩层和土层材料制备组合试样A，具体过程如下：

a.先在模具内铺设一块岩板作为硬岩层，其岩板的厚度与第一层软硬互层基岩水平压实线一致，然后铺设步骤(2)中配制好的软岩层材料并压实至第二层硬互层基岩水平压实线作为软岩层，依次交替完成则可制成软硬互层基岩；

b.继续向模具内铺设步骤(2)中配制好的土层材料，并压实至土层水平压实线；

c.之后盖上带孔顶盖，从顶盖的施工孔中进行钻孔作业，成孔后将铁丝制成的铁丝笼放入孔中，注入水泥砂浆制备模型桩；

d.待水泥砂浆凝固达到设计强度50％时，取下顶盖，将土层开挖至水平开挖虚线，通过模具底板上的推孔来推动推块，进而将模具内制备好的组合试样A推出，进行养护；

(4)制备对比组合试样B，采用步骤(1)中的试样模具和步骤(2)中的岩块和土层材料制备组合试样B，具体过程如下：

a.先在模具内铺设一块相应尺寸的岩块，岩块的高度与模具最上层软硬互层基岩水平压实线高度一致；

b.然后向模具内铺设步骤(2)中配制好的土层材料，并压实至土层水平压实线；

c.之后盖上带孔顶盖，从顶盖的施工孔中进行钻孔作业，成孔后将铁丝制成的铁丝笼放入孔中，注入水泥砂浆制备模型桩；

d.待水泥砂浆凝固达到设计强度50％时，取下顶盖，将土层开挖至水平开挖虚线，通过模具底板上的推孔来推动推块，进而将模具内制备好的对比组合试样B推出，进行养护；

(5)分别对步骤(3)中制备好的组合试样A和步骤(4)中制备的对比组合试样B内部的模型桩进行加载试验，加载方式采用逐级加载；根据所得试验数据分别绘制出模拟软硬互层基岩的组合试样A中模型桩轴向应力-轴向位移关系曲线和模拟硬层基岩的对比组合试样B中模型桩轴向应力-轴向位移关系曲线，并将两组试验曲线画在同一坐标系中得到两组试验的对比曲线图，并将对比曲线图作为软硬互层基岩中桩长优化设计的理论基础。

本发明进一步的技术方案：所述组合试样A与对比组合试样B分别制作两组；第一组组合试样A与对比组合试样B分别放入三轴试验压缩机中直接加载至破坏，获取组合试样A的峰值应力σ

本发明较优的技术方案：所述步骤(1)中的模具为长方体模具，由四个长方形透明亚克力板、一个正方形钢底板和四个角钢制成，模具的正方形钢底板中间设有推孔，透明亚克力板为模具侧壁，通过角钢固定；所述软硬互层基岩水平压实线设有多条，均为实线，且多条软硬互层基岩水平压实线之间的间距相等，最上层软硬互层基岩水平压实线位于模具中部，且最上层软硬互层基岩水平压实线所在高度与模拟软硬互层基岩厚度相匹配。

本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中对表面完整的岩石进行声波检查，确保其完整性和均质性后，将其切割成特定尺寸的岩板和岩块分别用于组合试样A与对比组合试样B。

本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中软岩层材料采用粗砂、中砂、膨润土、双飞粉、水按照质量比6:6:2:1:1.5的比例配制而成；所述土层采用粗砂、中砂、膨润土、双飞粉、水按照质量比20:5:3:2:3的比例配制而成。

本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中软岩层的铺设是根据配制的软岩层材料的密度及相邻两层软硬互层基岩水平压实线之间的体积计算出该层软岩层所需材料的质量，并将相应质量的软岩层材料铺设模具内，并压实作为软岩层；所述步骤(3)和步骤(4)中的土层均是根据土层的密度和最上层软硬互层基岩水平压实线与土层水平压实线之间的体积计算出所需土层材料的质量，将相应质量的土层材料压实至高于水平开挖虚线的土层水平压实线即可。

本发明较优的技术方案：所述步骤(5)中对采用三轴压缩试验机对组合试样的模型桩进行加载，所述组合试样A与对比组合试样B的大小相同，且两个组合试样的侧面尺寸与三轴压缩试验机自带的推板尺寸相匹配，两个组合试样内模型桩桩径与三轴压缩试验机上部圆形垫块及压头直径相匹配。

本发明进一步的技术方案：所述步骤(5)中加载试验中组合试样安装步骤如下：先按动推板放松按钮与降低按钮使内部间距变大，然后将上部承压板拆下，在三轴压缩试验机自带的四个水平推板表面均匀涂抹凡士林；将组合试样通过下部方形垫块置于三轴压缩试验机自带的底盘上，按动推板收紧按钮使试样固定在底盘正中心，待组合试样四个水平推板压力表指针均出现微小浮动时即可停止推动；最后将上部圆形垫块放置在组合试样的模型桩上部，安装好承压板并按动抬升按钮来控制三轴压缩试验机的水平液压装置与底盘同步上升，待承压板压力表指针出现微小浮动即可停止按动抬升按钮。

本发明较优的技术方案：所述组合试样中模型桩的轴向应力由三轴压缩试验机承压板上的压头测出并记录在电脑中；所述组合试样中模型桩的轴向位移为水平液压装置与底盘同步抬升的垂直距离，并由电脑进行记录。

本发明进一步的技术方案：所述直接加载试验与逐级加载试验均通过控制三轴压缩试验机的水平液压装置与底板的同步抬升速率来实现；所述直接加载与逐级加载试验过程中三轴压缩试验机的推板用于限制组合试样的侧向变形，并不施加力；所述逐级加载过程通过电脑控制带推板的水平液压装置与底盘同步上升来实现，达到应力控制的同时还限制组合试样的侧向变形。

本发发明中的三轴压缩试验机为现有加载试验中的常用设备，其加载过程也是常规方法。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

本发明通过两组组合试样有效模拟了软硬互层基岩对桩基变形破坏的影响和硬层基岩对桩基变形破坏的影响，并分别绘制出模型桩轴向应力-轴向位移关系曲线，通过两组曲线的对比，能够知道软硬互层基岩与硬层基岩对桩基破坏强度的关系，为后期软硬互层基岩中桩长优化提供理论依据，且本发明简单易懂，造价低廉，能为后续类似试验提供新的思考方向。

附图说明

图1是本发明中模具的结构示意图；

图2是本发明中组合试样A的结构示意图；

图3是组合试样A的制备过程图；

图4是组合试样A在模具中的状态图；

图5是本发明中对比组合试样B的结构示意图；

图6是对比组合试样B的制备过程图；

图7是组合试样中模型桩轴向压力施加示意图；

图8是本发明的组合试样加载试验正面示图；

图9是本发明的组合试验加载试验剖面图。

图中：1-软硬互层基岩；2-模型桩；3-土层；4-岩块；5-推孔；6-模具；600-软硬互层基岩水平压实线，601-土层水平压实线，602-水平开挖虚线，7-顶盖；700-施工孔，8-铁丝笼；9-推块；10-承压板；11-水平液压装置；12-升降底盘；13-试验机底座；14-上部圆形垫块；15-推板；16-下部方形垫块；17-竖杆；18-推板收紧或放松按钮；19-抬升或降低按钮；20-电脑。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通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，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”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，或者是该产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。

本发明实施例中的组合试样A和对比组合试样B的大小相同，均使用模具6制备而成，使用的模具6如图1所示，具为长方体模具6，是由四个长方形透明亚克力板、一个正方形钢底板和四个角钢制成，模具6的正方形钢底板中间设有推孔5，透明亚克力板为模具6侧壁，通过角钢固定；模具6内底部设置有推块9，顶部设置有顶盖7，所述顶盖7上开设有施工孔700，所述施工孔700的孔径与模型桩2的桩径相匹配；模具6装备好之后，在模具6的透明板内壁涂有凡士林，在模具6透明板侧面根据每层硬岩层和软岩层厚度画好软硬互层基岩水平压实线600，再根据土层3厚度画好土层水平压实线601，最后根据模型桩2桩长在模具6透明板上部画出水平开挖虚线602，且水平开挖虚线602低于土层水平压实线601的高度；所述软硬互层基岩水平压实线600设有多条，均为实线，且多条软硬互层基岩水平压实线600之间的间距相等，最上层软硬互层基岩水平压实线600位于模具6中部，且最上层软硬互层基岩水平压实线600所在高度与软硬互层基岩1的厚度相匹配。

本发明实施例中的采用三轴压缩试验机对组合试样中的模型桩2进行加载，所述组合试样A和对比组合试样B的侧面尺寸与三轴压缩试验机自带的推板15尺寸相匹配，两个组合试样内模型桩2桩径与三轴压缩试验机上部圆形垫块14及压头直径相匹配。如图8和图9所示，加载试验中组合试样安装步骤如下：先按动推板放松按钮18与降低按钮19使内部间距变大，然后将上部承压板10拆下，在三轴压缩试验机自带的四个推板15表面均匀涂抹凡士林；将组合试样通过下部方形垫块16置于三轴压缩试验机自带的底盘12上，按动推板收紧按钮18使组合试样固定在底盘12正中心，待组合试样四个推板15压力表指针均出现微小浮动时即可停止推动；最后将上部圆形垫块14放置在组合试样的模型桩2上部，安装好承压板10并按动抬升按钮19来控制三轴压缩试验机的水平液压装置11与底盘12同步上升，待承压板10压力表指针出现微小浮动即可停止按动抬升按钮19。

实施例提供的一种模拟软硬互层基岩对桩基变形破坏影响的试验方法，具体施工步骤如下：

(1)准备试样模具6：所述模具6采用透明板与钢架制成，模具6内底部设置有推块9，顶部设置有顶盖7，所述模具6的底板上设有推孔，顶盖上开设有施工孔700，所述施工孔700的孔径与模型桩2的桩径相匹配；模具6装备好之后，在模具6的透明板内壁涂有凡士林，在模具6透明板侧面根据每层硬岩层和软岩层厚度画好软硬互层基岩水平压实线600，再根据土层3厚度画好土层水平压实线601，最后根据模型桩2桩长在模具6透明板上部画出水平开挖虚线602，且水平开挖虚线602低于土层水平压实线601的高度。

(2)准备试样材料，包括硬岩层、软岩层和土层材料：选取完整岩石作为硬岩层的制备材料，将岩石材料进行声波检查，确保其完整性和均质性后，将其切割成特定尺寸的岩板和岩块4分别用于制备模拟软硬互层基岩1的组合试样A与模拟硬层基岩的对比组合试样B。所述岩板的厚度与相邻两条软硬互层基岩水平压实线600之间的高度相匹配，所述岩块4的厚度与最上层软硬互层基岩水平压实线600的高度相等，且所述岩板和岩块4的截面大小与加载试验设备的尺寸相匹配；所述软岩层材料采用粗砂、中砂、膨润土、双飞粉、水按照质量比6:6:2:1:1.5的比例配制而成，软岩层密度为2.0～2.2g/cm

(3)制备组合试样A，采用步骤(1)中的试样模具6和步骤(2)中的岩板、软岩层和土层材料制备组合试样A，具体过程如图3所示：

a.先在模具6内铺设一块岩板作为硬岩层，其岩板的厚度与第一层软硬互层基岩水平压实线600一致，然后根据配制的软岩层材料的密度及第二软硬互层基岩水平压实线600与第一层软硬互层基岩水平压实线600之间的体积计算出该层软岩层所需材料的质量，并将相应质量的软岩层材料铺设模具6内，并压实作为软岩层，依次交替完成则可制成软硬互层基岩1；

b.根据土层3的密度和最上层软硬互层基岩水平压实线600与土层水平压实线601之间的体积计算出所需土层材料的质量，将相应质量的土层材料压实至高于水平开挖虚线602的土层水平压实线601制备土层3；

c.之后盖上带孔顶盖7，从顶盖7的施工孔700中进行钻孔作业，成孔后将铁丝制成的铁丝笼8放入孔中，注入水泥砂浆制备模型桩2；

d.待水泥砂浆凝固达到设计强度50％时，取下顶盖7，将土层3开挖至水平开挖虚线602，通过模具6底板上的推孔来推动推块9，进而将模具6内制备好的组合试样A推出，进行养护；

(4)制备对比组合试样B，采用步骤(1)中的试样模具6和步骤(2)中的岩块4和土层材料制备组合试样B，具体过程如图6所示：

a.先在模具6内铺设一块相应尺寸的岩块4，岩块4的高度与模具6最上层软硬互层基岩水平压实线600高度一致；

b.然后根据土层3的密度和最上层软硬互层基岩水平压实线600与土层水平压实线601之间的体积计算出所需土层材料的质量，将相应质量的土层材料压实至高于水平开挖虚线602的土层水平压实线601制备土层3；

c.之后盖上带孔顶盖7，从顶盖7的施工孔700中进行钻孔作业，成孔后将铁丝制成的铁丝笼8放入孔中，注入水泥砂浆制备模型桩2；

d.待水泥砂浆凝固达到设计强度50％时，取下顶盖7，将土层3开挖至水平开挖虚线602，通过模具7底板上的推孔来推动推块9，进而将模具6内制备好的对比组合试样B推出，进行养护；

(5)分别对步骤(3)中制备好的组合试样A和步骤(4)中制备的对比组合试样B内部的模型桩2进行加载试验，加载方式采用三轴压缩试验机逐级加载；根据所得试验数据分别绘制出模拟软硬互层基岩1的组合试样A中模型桩2轴向应力-轴向位移关系曲线和模拟硬层基岩的对比组合试样B中模型桩2轴向应力-轴向位移关系曲线，并将两组试验曲线画在同一坐标系中得到两组试验的对比曲线图，通过观察模拟软硬互层基岩1对模型桩的影响与模拟硬层基岩的模型桩影响的关系，作为软硬互层基岩1中桩长优化设计的理论基础。为了方便记录，可以将三轴压缩试验机通讯连接电脑20，所述组合试样中模型桩2的轴向应力由三轴压缩试验机承压板10上的压头测出并记录在电脑20中；所述组合试样中模型桩2的轴向位移为水平液压装置11与底盘12同步抬升的垂直距离，并由电脑20进行记录。

上述实施例中所述组合试样A与对比组合试样B分别制作两组；两组试样的制备方法相同，第一组组合试样A与对比组合试样B分别放入三轴试验压缩机中直接加载至破坏，获取组合试样A的峰值应力σ

以上所述写明了本发明的原理及优点，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。