一种单桩铰接式水平静载试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，尤其是涉及一种单桩铰接式水平静载试验装置及其试验方法。

背景技术

桩基础是由桩和连接桩顶的桩承台（简称承台）组成深基础的简称。桩基由于其具有较高的竖向刚度、较强的竖向抗拔承载力、较大的水平承载力以及小而均匀的沉降量，几乎可以应用于各种工程地质条件和各种类型的工程，尤其适用于软弱地基建筑和重型建（构）筑物。因此，在沿海、软土地区建筑，以及高层和超高层建筑中广泛应用。

为保障桩基承载力满足设计要求，工程桩需要进行承载力试验，主要包括竖向静载试验、水平静载试验。长期以来，人们往往只重视桩的竖向承载力，理想的认为桩只承受竖向荷载，而忽略了水平荷载。常规设计中，桩顶伸入基础长度不大于100mm，基础对桩的约束有限，可认为桩处于铰接状态。目前国内规范、标准中没有相关桩顶铰接状态下基桩水平承载力检测试验方法和装置，而现有技术中水平静载试验装置主要为4种形式。

如公开号为CN114775704A的发明专利，公开了一种用于工程施工的单桩水平静载试验装置及其方法。该发明通过设置的底板、支撑壳体、承重顶、双向挤压组件、定点驱动组件、定点自锁组件、回位延伸组件、水平感应组件、油压表和位移扫描仪，先定点打好地桩，对地桩的自动垂直挤压使本设备自动生成并检测出地基的垂直和水平的承载力的相应数据。

又如授权公告号为CN106480908B的发明专利，公开了一种微型桩水平静载试验装置及方法。该发明包含基准梁、磁性表座、位移传感器、π型钢板、桩 头固定螺母、第一固定支架、水准管、液压千斤顶、第一传力轴、可升降支座、反力装置端板、进油管、第一L型钢板、负荷传感器、第二L型钢板、第三传力轴和第二固定支架，微型桩水平静载试验时力的传递完全水平，能够准确地检测出微型桩桩端的水平位移，装置安装调节方便，可调节支座高度，适合任意高度的桩头，可同时进行双桩测试。

又如公布号为CN111424734A的发明专利，公开了一种用于桩基水平静载试验的可调加载装置及其试验方法。该专利包括加载系统、反力系统和测量系统；加载系统由穿心千斤顶、承载螺杆、传力螺母、横梁和两个横梁托架组成；横梁为钢桁架结构，横梁中部等间距设置有径向圆形通孔；反力系统由标准槽道、两个三角反力架和反力架固定螺杆组成；两个三角反力架侧面相对、平行设置，通过反力架固定螺杆固定在标准槽道上，横梁搁置在横梁托架上并靠紧在反力架受力面。在承载螺杆的另一侧安装力传感器并通过动态应变仪连接计算机，实时显示荷载数值。

又如公布号为CN112695816A的发明专利，公开了一种基桩水平载荷试验检测方法。该发明根据基桩的位置，选择至少两根工程桩作为水平载荷试验的受力作用点；调节传力筒的长度，将卧式千斤顶上的夹持部与进行水平载荷试验检测的基桩接触相抵，将传力筒上的夹持部与工程桩接触相抵；在进行水平载荷试验检测的基桩的受力的水平面以及该水平面以上40 50cm的位置上均安装位移传感器；开启卧式千斤顶进行基桩水平载荷试验检测。

上述技术仅针对桩基在桩端自由状态下的水平静载试验，未模拟桩基在实际建筑物竖向荷载作用下桩基的水平承载力，即铰接状态下的水平承载力。因此，亟需一种单桩嵌固式水平静载试验装置及其试验方法。

发明内容

为了解决上述提到的问题，本发明提供一种单桩铰接式水平静载试验装置及其试验方法。

第一方面，本发明提供的一种单桩铰接式水平静载试验装置，采用如下的技术方案：

一种单桩铰接式水平静载试验装置，包括：

主梁和副梁，所述主梁设置在试桩上，所述副梁与主梁交叉垂直设置并支撑主梁；

反力梁，在设置在试桩的一侧，反力梁上设置有第一千斤顶，向试桩提供水平推力；

基准梁，设置在试桩的另一侧，提供位移基准；

百分表，连接基准梁和试桩，监测试桩的水平静载。

进一步地，所述基准梁的两端设置有基准桩，所述基准梁通过基准桩限制固定。

进一步地，所述副梁的底部设置钢架，通过钢架制成副梁。

进一步地，所述副梁上安装堆载平台，所述堆载平台包括工字钢，所述工字钢上方设置混凝土块。

进一步地，所述主梁和副梁之间设置有井字架，主梁和副梁通过井字架连接固定。

进一步地，所述井字架下方设置有锚桩，锚桩主筋与井字架钢桶焊接。

进一步地，所述试桩上方安装有球铰，所述球铰上方安装有第二千斤顶，用于向试桩提供竖直推力。

进一步地，所述第二千斤顶的上方为主梁，所述主梁和第二千斤顶之间通过滚轴连接。

进一步地，所述反力梁紧靠在锚桩的一侧。

第二方面，一种单桩铰接式水平静载试验装置的试验方法，包括：

通过竖向的第二千斤顶向试桩提供竖直推力；

通过水平的第一千斤顶向试桩提供水平推力；

通过百分表监测试桩的水平位移。

综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：

（1）通过对试桩施加竖向荷载，模拟桩基受到上部建筑物的重力，在该条件下的单桩水平静载试验，可以有效反映桩基在实际工作条件下水平受力的特性。

（2）为保证试验过程中竖向荷载作用力与试桩轴线重合，避免竖向荷载偏心引起的弯矩对试验结果产生误差，同时使试桩水平方向位移不受限制。采用滚轴及铰接连接形式，保证了竖向荷载作用力与试桩轴线的重合，解除了堆载对桩端的约束，满足了试桩水平方向位移不受限的要求，提高了水平静载试验的准确性。

（3）本发明竖向荷载通过堆载+锚桩共同提供，该方法可以有效减少堆载混凝土块的重量，降低装置倾覆的潜在风险，保障了施工人员的安全。

（4）本发明结构简单、构件常规，理论上没有竖向荷载加载最大值的限制，具有极高的推广和应用价值。该装置的加载能力取决于主梁、副梁自身的承载力，因此可根据实际试验需要调整梁的材料及尺寸，以满足试验要求。

附图说明

图1是本发明实施例的一种单桩铰接式水平静载试验装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的一种单桩铰接式水平静载试验装置的另一结构示意图；

图3是本发明实施例的一种单桩铰接式水平静载试验装置的正视图；

图4是本发明实施例的一种单桩铰接式水平静载试验装置的俯视图。

其中，1、主梁；2、副梁；3、基准梁；4、基准桩；5、堆载平台；6、井字架；7、钢架；8、百分表；9、球铰；10、第二千斤顶；11、滚轴；12、钢垫板；13、主筋；14、钢桶；15、第一千斤顶；16、反力梁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参照图1，本实施例的一种单桩铰接式水平静载试验装置，包括：

主梁1和副梁2，所述主梁1设置在试桩上，所述副梁2与主梁1交叉垂直设置并支撑主梁1；

反力梁16，在设置在试桩的一侧，反力梁16上设置有第一千斤顶15，向试桩提供水平推力；

基准梁3，设置在试桩的另一侧，提供位移基准；

百分表8，连接基准梁3和试桩，监测试桩的水平静载。

所述基准梁3的两端设置有基准桩4，所述基准梁3通过基准桩4限制固定。所述副梁2的底部设置钢架7，通过钢架7制成副梁2。所述副梁2上安装堆载平台5，所述堆载平台5包括工字钢，所述工字钢上方设置混凝土块。所述主梁1和副梁2之间设置有井字架6，主梁1和副梁2通过井字架6连接固定。所述井字架6下方设置有锚桩，锚桩主筋13与井字架6钢桶14焊接。所述试桩上方安装有球铰9，所述球铰9上方安装有第二千斤顶10，用于向试桩提供竖直推力。所述第二千斤顶10的上方为主梁1，所述主梁1和第二千斤顶10之间通过滚轴11连接。所述反力梁16紧靠在锚桩的一侧。

具体的，

本实施例的一种单桩铰接式水平静载试验装置，包括主梁1、副梁2、工字钢、混凝土块、井字架6、钢架7、滚轴11、千斤顶、钢垫板12、球铰9、基准梁3、百分表8、基准桩4以及反力梁16。其中，千斤顶包括竖直的第二千斤顶10和水平的第一千斤顶15，第一千斤顶15作用于反力梁16上，提供水平推力，百分表8监测端靠在试桩上，另一端与基准梁3固定连接，基准梁3由基准桩4限制；主梁1通过井字架6与副梁2相连，锚桩主筋13与井字架6钢桶14焊接；试桩上部放置球铰9，球铰9上部放置千斤顶，千斤顶上部放置滚轴11，滚轴11上部为主梁1；工字钢放置在副梁2上，工字钢上部堆载混凝土块。

通过堆载混凝土块模拟桩基受到的建筑物竖向荷载，采用铰接形式，解除堆载对桩端的约束，即满足了桩基受力与实际相符，又保证了水平静载试验的准确性，是安全可靠的单桩水平静载装置。

作为进一步地实施方式，

关于一种单桩铰接式水平静载试验装置，制作组装过程包括：

如图2所示，本装置主要包括：主梁1、副梁2、工字钢、混凝土块、井字架6、钢架7、滚轴11、千斤顶、钢垫板12、球铰9、基准梁3、百分表8、基准桩4、反力梁16。首先，将反力梁16紧靠在锚桩一侧，另一端放置千斤顶，千斤顶顶靠在试桩上，千斤顶预加载，确保装置安装牢靠，该千斤顶提供水平静载，即水平推力；百分表8监测端靠在试桩另一侧，百分表8与基准梁3连接牢固，基准桩4锚固在地面，用来限制固定基准梁3。然后，将钢架7放置在特定位置，钢架7上部放置副梁2，副梁2提前安置连接井字架6，副梁2上部放置主梁1，并通过井字架6与之连接牢固，锚桩主筋13与井字架6钢桶14焊接牢固。而后，试桩上部放置钢垫板12，钢垫板12上部放置球铰9，球铰9上部放置千斤顶，千斤顶上部放置滚轴11，滚轴11上部连接主梁1。最后，副梁2上部放置工字钢，工字钢上部吊装混凝土块，混凝土块提供竖向荷载，如图3所示，水平静载试验装置组装完毕。

实施例2

本实施例提供一种单桩铰接式水平静载试验装置的试验方法，包括：

通过竖向的第二千斤顶10向试桩提供竖直推力；

通过水平的第一千斤顶15向试桩提供水平推力；

通过百分表8监测试桩的水平位移。

具体的，

一种单桩铰接式水平静载试验装置的试验方法，包括：

（1）竖向荷载施加

试验装置组装完毕初期，所有竖向荷载由钢架7承受，随着竖向千斤顶加载，钢架7逐渐脱离受压状态。千斤顶进一步加载至设计荷载，锚桩主筋13开始承受拉力，通过千斤顶传递到试桩。这样，堆载混凝土块与锚桩共同作用为试桩提供竖向荷载。该方法通过堆载+锚桩的荷载作用方式，在同样竖向荷载要求下，可减少堆载混凝土块的数量，保障了现场施工安全，同时又降低了堆载倾覆的潜在风险。竖向荷载按设计要求加载完毕后，施加水平推力。

（2）水平推力荷载施加

水平推力加载程序按单向多循环加卸荷载法，具体如下：

通过液压千斤顶对试验桩进行水平逐级加（卸）荷载，荷载计量由数字式测力仪控制，取设计最大试验荷载的1/10作为每级加载量。每次加载后，恒载4min测读试桩水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次完成1级荷载的试验观测，加载时间应尽量缩短，测量位移的时间间隔应严格准确，试验不得中途停止。

按照该方法进行逐级循环加载，若出现以下情况可停止加载：

可加载至桩顶出现较大水平位移或桩身产生破坏，或达到设计要求的最大加载值，两个条件满足其一则加载终止。

C.试验结束

试桩试验数据汇总，判定试桩是否满足设计要求。试验完成后，拆除水平静载试验装置，便于重复使用。

作为进一步地实施方式，

单桩铰接式水平静载试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：将反力梁16紧靠在锚桩一侧，另一端放置千斤顶，千斤顶顶靠在试桩上，千斤顶预加载，确保装置安装牢靠，该千斤顶提供水平静载，即水平推力；百分表8监测端靠在试桩另一侧，百分表8与基准梁3连接牢固，基准桩4锚固在地面，用来限制固定基准梁3，如图4所示。

步骤二：将钢架7放置在特定位置，钢架7上部放置副梁2，副梁2提前安置连接井字架6，副梁2上部放置主梁1，并通过井字架6与之连接牢固，锚桩主筋13与井字架6钢桶14焊接牢固。

步骤三：试桩上部放置钢垫板12，钢垫板12上部放置球铰9，球铰9上部放置千斤顶，千斤顶上部放置滚轴11，滚轴11上部连接主梁1。

步骤四：副梁2上部放置工字钢，工字钢上部吊装混凝土块，混凝土块提供竖向荷载，水平静载试验装置组装完毕。

步骤五：试验装置组装完毕初期，所有竖向荷载由钢架7承受，随着竖向千斤顶加载，整个装置的受力过程为，钢架7所承受的压力逐渐减少至0，锚桩主筋13承受拉力逐渐增大，此时试桩所承受的竖向荷载由堆载混凝土块和锚桩共同作用产生，直到达到设计荷载要求。如图3所示。

步骤六：水平推力加载程序按单向多循环加卸荷载法，通过液压千斤顶对试验桩进行水平逐级加（卸）荷载，荷载计量由数字式测力仪控制，取设计最大试验荷载的1/10作为每级加载量。每次加载后，恒载4min测读试桩水平位移，然后卸载至零，停2min测读残余水平位移，至此完成一个加卸载循环，如此循环5次完成1级荷载的试验观测，加载时间应尽量缩短，测量位移的时间间隔应严格准确，试验不得中途停止。

按照该方法进行逐级循环加载，若出现以下情况可停止加载：

可加载至桩顶出现较大水平位移或桩身产生破坏，或达到设计要求的最大加载值，两个条件满足其一则加载终止。

步骤七：试桩试验数据汇总，判定试桩是否满足设计要求。试验完成后，拆除水平静载试验装置，便于重复使用。

以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。