一种均质土中静力压桩可重复试验装置及测试方法

技术领域

本发明属于桩基础工程的技术领域，尤其涉及一种均质土中静力压桩可重复试验装置及测试方法。

背景技术

静压桩是桩基工程中一种常见的施工方法，静压法即使用静力压桩机提供压桩力，将预制桩压桩入土的一种施工方法。静压桩在施工时有无噪音扰民、无振动影响、无环境污染、无对桩的冲击力等诸多优点，在施工要求较高的城市市区中被广泛应用。

但静压桩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，需要进一步对静压桩的室内模型试验进行理论分析。在室内较大尺寸试验中，因大尺寸原状土取土困难，常用重塑土代替原状土，在重塑土中压桩后，土体扰动和边界效应会对新一轮的压桩试验会造成一定影响。

目前，对于此问题的解决方法有：一次压桩试验完成后重新制作重塑土再进行压桩试验，此方法耗时长，工作量大，试验效率低；或在一次压桩试验完成后，在距此桩一定距离处，再次进行压桩试验，此方法虽方便简单，省时省力，但是受土体扰动与边界效应的显著作用，影响试验结果准确性、可靠性。

因此，发明一种操作简单快捷、受边界效应影响较小的均质土中可重复静力压桩试验装置及方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种明显降低边界效应对桩间受力的影响的均质土中静力压桩可重复试验装置及测试方法。

本发明提供一种均质土中静力压桩可重复试验装置，其包括具有顶盖的模型箱、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、两个泄压管、筒状薄壁长环刀、重塑土体、补填重塑土、补填橡胶垫以及补填砂层；其中所述模型箱的顶盖、橡胶垫板、反力钢板和加压气囊均设有多个模型桩孔；所述模型箱的顶盖和反力钢板均设有两个加压管孔和两个泄压管孔，所述两个加压管插入对应的加压管孔内且位于所述加压气囊上，所述两个泄压管插入对应的泄压管孔内且位于所述加压气囊上；所述模型箱的底部平铺一定厚度的砂层，所述重塑土体制作在位于模型箱的底部的砂层上；另一砂层、胶垫板、加压气囊、反力钢板和模型箱的顶盖依序位于所述重塑土体上；所述钢护筒位于其中一个模型桩孔内，该模型桩孔内压入所述模型桩；所述筒状薄壁长环刀插入在所述钢护筒与模型桩之间，拔出筒状薄壁长环刀及模型桩，向该模型桩孔中分层填入和捣实所述补填重塑土；抽出钢护筒后依次填入所述补填砂层和补填橡胶垫，关闭该模型桩孔，对所述加压气囊加压并固结所述重塑土体至符合试验要求后进行下轮沉桩试验。

进一步地，所述模型桩孔具有5个，其中1个模型桩孔位于中心，其余4个模型桩孔呈正方形排列。

进一步地，位于中心的模型桩孔分别位于两个加压管孔的之间和两个泄压管孔的之间，且两个加压管孔位于两个泄压管孔外侧。

进一步地，所述模型箱的顶盖为刚性钢板。

进一步地，所述模型桩为实心圆柱形混凝土，其上安装多种测试传感器。

进一步地，所述钢护筒为无缝钢管。

进一步地，所述反力钢板为钢板焊接而成的箱型无底护板。

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。

本发明还提供一种均质土中静力压桩可重复试验装置的测试方法，包括如下步骤：

S1：在模型箱的底部平铺一定厚度的砂层；然后在砂层上制作重塑土体；接着在重塑土体上依次覆盖又一层砂层、橡胶垫板、加压气囊和反力钢板；最后安装模型箱的顶盖；

S2：在其中一个模型桩孔中垂直插入钢护筒至上部的砂层的层底；然后抓取钢护筒中的砂层且避免扰动重塑土体；在钢护筒内壁涂抹凡士林，然后将模型桩插入钢护筒至桩端接触重塑土体的表层；最后连接控制设备和加压设备后压桩入土；

S3：在筒状薄壁长环刀外壁涂抹凡士林，筒状薄壁长环刀垂直压入模型桩与钢护筒之间，且压至深于模型桩的下端，接着垂直抽出筒状薄壁长环刀，利用筒状薄壁长环刀与模型桩之间的摩擦力同时带出重塑土体中的模型桩；

S4：在模型桩孔中，分层填入并压实补填重塑土至原重塑土体的高度；然后依次填入补填砂层和补填橡胶垫；然后抽出钢护筒，关闭模型箱的顶盖上的模型桩孔的盖板，加压气囊加压至试验要求压力，固结重塑土体并模拟上层土重；

S5：在钢护筒内外壁涂抹凡士林，插入下一个模型桩孔中，重复S2至S4,通过控制加压气囊的压力，模拟不同的上层土重，对多次沉桩试验数据进行叠加，模拟整桩的压入过程。

本发明易于操作、方便快捷、能重复进行静压桩试验，且明显降低边界效应对桩间受力的影响，进一步研究静压桩的沉桩机理。

附图说明

图1为本发明实施例的均质土中静力压桩可重复试验装置在压桩过程的模型箱的剖面图；

图2为本发明实施例的均质土中静力压桩可重复试验装置的长环刀压入后模型箱的剖面图；

图3为本发明实施例的均质土中静力压桩可重复试验装置的取桩后模型箱的剖面图；

图4为本发明实施例的均质土中静力压桩可重复试验装置的填补重塑土后模型箱的剖面图；

图5为本发明实施例的均质土中静力压桩可重复试验装置的加压固结模型箱的剖面图；

图6为本发明实施例的均质土中静力压桩可重复试验装置的模型箱的俯视图。

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。

本发明公开一种均质土中静力压桩可重复试验装置，如图1至图6所示，其包括模型箱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、两个泄压管9、筒状薄壁长环刀10、重塑土体11、补填重塑土12、补填橡胶垫13以及补填砂层14。

模型箱1由钢板焊接而成，形状可为方形或圆柱形，尺寸根据试验需要确定。

模型箱1为5mm厚钢板焊接而成的中空正方体，尺寸为2000mm×2000mm×2000mm。

模型箱1的顶盖为刚性钢板，模型箱1的顶盖上设有预留加压管孔81、泄压管孔91以及多个模型桩孔15，模型桩孔15上有独立盖板(图未示)可控制模型桩孔15的开闭，相邻模型桩孔15之间的间距应满足试验要求，加压管孔81、泄压管孔91以及模型桩孔15的孔位直径略大于管径或桩径。

模型桩孔15为各模型桩沉桩而预留的空孔洞，具有五个，5个模型桩孔15的直径均为80mm，其直径略大于模型桩2的桩径；1个模型桩孔15位于中心，其余4个模型桩孔15之间间距1200mm，其余4个模型桩孔15呈正方形排列。

模型桩2尺寸材料取决于试验要求。模型桩2为实心圆柱形混凝土，其直径为60mm，其长度1000mm，其上安装多种测试传感器。

橡胶垫板3材质为橡胶，长宽尺寸略小于取土模型箱1长宽，厚度5mm；

橡胶垫板3的尺寸1900mm×1900mm，其厚度5mm，橡胶垫板3的中心也预留有型桩孔15，型桩孔15的直径为80mm。

砂层4为均质砂土层用于土体固结排水，其厚度30mm～50mm；

钢护筒5为管壁厚3mm～5mm的无缝钢管，内径略大于模型桩2的直径，高度略大于气囊7厚度，钢护筒5的内径为70mm，其高度230mm；钢护筒5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5mm厚钢板焊接而成的箱型无底护板，长宽尺寸略小于取土模型箱1的长宽，其尺寸1900mm×1900mm×200mm；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；反力钢板6上也设有与模型箱的顶盖上相同位置尺寸的型桩孔15、加压管孔81和泄压管孔91。

加压气囊7由高强橡胶制成，长宽尺寸略小于反力钢板6，其尺寸1900mm×1900mm×200mm；其厚度不小于200mm；加压管8和泄压管9均位于加压气囊7上；加压气囊7的内部设有与反力钢板6上相同位置尺寸的模型桩孔15；加压气囊7具有较高的变形性能，加压时气囊壁膨胀，模型桩孔15闭合；泄压时气囊壁收缩模型桩孔15张开，可通过控制加压气囊7中的气压大小模拟不同的上层土重。

加压管8、泄压管9为高强橡胶软管，直径30mm；加压管孔81、泄压管孔91均位于对边中点的连线上，加压管管位边距500mm，泄压管管位边距800mm。

筒状薄壁长环刀10为壁厚3mm～5mm的无缝钢管，下端开刃便于压入，内径略大于模型桩2的直径，外径略小于钢护筒5的内径，长度略大于模型桩2桩长；筒状薄壁长环刀10的内径64mm，长度1050mm。

重塑土体11为试验室中制作的重塑土，装于模型箱1内。

补填重塑土12与重塑土11所用土相同，用于填充型桩孔15。

补填橡胶垫13为圆形橡胶垫，其材质、厚度与橡胶垫板3相同；补填橡胶垫13的厚度5mm，补填橡胶垫13的直径80mm；直径与型桩孔15相同。

补填砂层14与砂层4采用同一种砂土，厚度相同用于填补桩位处砂层4空缺；补填砂层14的厚度50mm；

实际上，模型箱1的顶盖、橡胶垫板3、反力钢板6和加压气囊7均设有5个模型桩孔15，其中1个模型桩孔15位于中心，其余4个模型桩孔15呈正方形排列。

模型箱1的顶盖和反力钢板6均设有两个加压管孔81和两个泄压管孔91，位于中心的模型桩孔15分别位于两个加压管孔81的之间和两个泄压管孔91的之间，且两个加压管孔81位于两个泄压管孔91外侧。

通过加载设备(图未示)在模型桩孔15内压入模型桩2后，筒状薄壁长环刀10插入在钢护筒5与模型桩2之间，拔出筒状薄壁长环刀10及模型桩2，向模型桩孔15中分层填入和捣实补填重塑土12；抽出钢护筒5后依次填入补填砂层14、补填橡胶垫13，关闭该模型箱的顶盖的模型桩孔15，加压气囊7加压固结重塑土体11至符合试验要求后进行下轮沉桩试验。

本发明还公开一种均质土中静力压桩可重复试验装置的测试方法，包括如下步骤：

S1：在模型箱1的底部平铺一定厚度的砂层4；然后在砂层4上制作重塑土体11；接着在重塑土体11上依次覆盖又一层砂层4、橡胶垫板3、加压气囊7和反力钢板6；最后安装模型箱1的顶盖；

S2：在其中一个模型桩孔15中垂直插入钢护筒5至上部的砂层4的层底；然后缓慢用工具抓取钢护筒5中的砂层避免扰动重塑土体11；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至桩端接触重塑土体11的表层；最后连接控制设备和加压设备后压桩入土；

S3：在筒状薄壁长环刀10外壁涂抹凡士林，筒状薄壁长环刀10缓慢垂直压入模型桩2与钢护筒5之间，且压至深于模型桩2的下端，接着缓慢垂直抽出筒状薄壁长环刀10，利用筒状薄壁长环刀10与模型桩2之间的摩擦力同时带出重塑土体11中的模型桩2；

S4：在模型桩孔15中，分层填入并压实补填重塑土12至原重塑土体11的高度；然后依次填入补填砂层14和补填橡胶垫13；然后抽出钢护筒5，关闭模型箱1的顶盖上的模型桩孔15的盖板，加压气囊7加压至试验要求压力，固结重塑土体11并模拟上层土重；

S5：在钢护筒5内外壁涂抹凡士林，插入下一个模型桩孔15中，重复S2至S4,通过控制加压气囊7的压力，模拟不同的上层土重，对多次沉桩试验数据进行叠加，模拟整桩的压入过程。

本发明易于操作、方便快捷、能重复进行静压桩试验，且明显降低边界效应对桩间受力的影响，进一步研究静压桩的沉桩机理。

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。