一种真空负压静力试桩的模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于桩基工程检测技术领域，具体涉及真空负压静力试桩的模型试验装置及试验方法，适用于桩基承载力的检测试验研究。

背景技术

近年来，随着我国工程建设的飞速发展，年用桩量已经超过1000万根，但随之而来的桩基质量问题层出不穷，影响桩基础的正常工作形状，进而影响建筑物正常的使用。因此，加强桩基施工后的质量检测进行模型试验研究是非常重要的。

现有试验中采用的桩基承载力检测方法主要分为两大类：第一类是静载荷试验法(直接法)，该方法显著的优点是其受力条件比较接近桩基础的实际受力状况，且检测结果比较直接准确，但其试验周期长，费用相对较高，占地场地较大且存在安全隐患，一般用于小比率抽检。第二类是动力测试方法(半直接法，包括低应变法和高应变法)，尽管该类方法具有测试速度快、成本小、场地要求低等优点，但经过30多年的工程实践，低应变动态测试方法检测桩的承载力已经基本被否定，高应变动态测试方法检测桩的承载力也因其误差来源较多导致测试结果不可靠、对检测员的素质要求高等缺点，在工程中应用也呈减少的趋势。在工程实际中，单桩竖向抗压静载荷试验法是最接近于竖向抗压桩实际工作状态的，因此静载荷试验法作为桩基承载力检测的主要手段。鉴于传统桩基静载荷试验的种种问题和不足，尤其是软土地基的桩基工程越来越多，采用常规试桩方法远不能适应桩基的检测研究工作，迫切需要寻找新的测试方法解决改善这些问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有静载荷试验技术存在的上述不足，提供一种真空负压静力试桩的模型试验装置及试验方法，采用真空负压静力试桩法来进行桩基承载力的检测，不再需要外部加重荷载；通过不同性质土体的排列组合模拟多种工况下的土体，适用于研究各种性质土体下的桩基承载力，为相关模型试验的设计提供指导。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种真空负压静力试桩的模型试验装置，至少包括：

可视化模型箱组件，包括可视化模型箱、土样、模型桩和尼龙棒，所述可视化模型箱正面为高透光率钢化有机玻璃；所述土样分层装入可视化模型箱内并夯实形成若干分层土体，所述模型桩预埋在可视化模型箱中心位置的土体中，所述尼龙棒绕模型桩周边等间距预埋在土体中，模型桩顶部和尼龙棒顶部均伸出土体表面；

可视化的真空负压密封组件，包括环形垫板、刚性平台、圆柱形树脂玻璃筒、软质密封层和真空抽气机，环形垫板通过尼龙棒固定在分层土体表面，圆柱形树脂玻璃筒紧密连接在环形垫板和刚性平台之间，软质密封层覆盖在刚性平台和圆柱形树脂玻璃筒外层，刚性平台、圆柱形树脂玻璃筒、环形垫板与土体表面通过软质密封层形成密闭试验空间，真空抽气机通过抽真空通道和密闭试验空间内连接，用于随时抽取密闭试验空间内的空气，保持密闭试验空间内的真空度；

反力加载系统，包括承压板、千斤顶、钢垫板、主梁、条形支墩和油泵，承压板、千斤顶、钢垫板、主梁自下而上依次布置在模型桩顶部与刚性平台底部之间，主梁放置于条形支墩上，条形支墩固定在土体表面，油泵上设置压力表，油泵设置在密闭试验空间外，并与密闭试验空间内的千斤顶连接，油泵用于给千斤顶加压提供试验所需反力；

测量系统，包括气压监测仪、基准梁、沉降传感仪、沉降数据采集仪，所述气压监测仪通过有线的方式与密闭试验空间内压力传感器连接；所述基准梁设置在模型桩的桩顶两侧，沉降传感仪设置在基准梁上，沉降数据采集仪设置在密闭试验空间外，沉降数据采集仪与沉降传感仪连接。

按上述方案，还包括薄层示踪层，所述薄层示踪层设置在分层土体的两层土体之间，包含有透明土、荧光粉和磁粉，磁粉设置在靠近模型桩的内侧，荧光粉设置在远离模型桩的外侧。

按上述方案，还包括3-8根刚性支柱，各根刚性支柱通过螺栓及垫圈与环形垫板及刚性平台连接，多根刚性立柱呈等间距多边形分布设置在圆柱形树脂玻璃筒外侧(以达到刚性支柱和圆柱形树脂玻璃筒共同承压的作用)，软质密封层覆盖在刚性平台和刚性支柱外侧。

按上述方案，所述尼龙棒设置有4-6根，预埋在土体中的尼龙棒呈等间距多边形字分布，等多边形中心位于模型桩圆心处；尼龙棒的底部设置一端板，尼龙棒的顶部设置一圈螺纹，环形垫板上预留若干与预埋在土体中的尼龙棒位置对应的螺栓孔，尼龙棒顶端穿过环形垫板的螺栓孔，环形垫板通过螺母与尼龙棒顶端螺纹连接，将环形垫板固定在分层土体表面。

按上述方案，所述环形垫板的形状为圆环状，环形垫板的内径小于所述圆柱形树脂玻璃筒的直径、外径大于所述圆柱形树脂玻璃筒的直径，所述刚性平台的形状均为圆板状，刚性平台的直径均大于所述圆柱形树脂玻璃筒的直径，环形垫板上方和刚性平台下方分别设置一圈直径与圆柱形树脂玻璃筒直径相同的环形沟槽，所述圆柱形树脂玻璃筒上部嵌套在刚性平台下方环形沟槽中、下部嵌套在环形垫板上方环形沟槽中。

按上述方案，还包括内加热型光纤测温系统、微型土压力盒、孔隙水压力计，每根尼龙棒侧面切割出一根竖向凹槽，所述内加热型光纤测温系统嵌入该竖向凹槽内，用于监测土体中地下水头和渗流场的动态变化；所述微型土压力盒、孔隙水压力计预埋在中间土层，分别用于监测土体中的应力场和孔压场变化。

按上述方案，所述软质密封层采用透明的气密性材料土工膜或塑料布(保证真空负压试桩密封装置的气密性，又可以实现试验过程的可视化)。

本发明还提供了一种上述真空负压静力试桩的模型试验装置进行桩基承载力检测的试验方法，包括如下步骤：

1)将制备的土样分层装入可视化模型箱，最底下一层土样装入可视化模型箱后，在可视化模型箱中心位置预埋模型桩，以模型桩顶端圆心为中心，在模型桩周边等间距预埋若干尼龙棒，尼龙棒的底部伸入土体内且设置一端板(端板防止尼龙棒被拔起)；然后再进行分层土样的夯实，尼龙棒顶部设置一圈螺纹，尼龙棒顶端与模型桩顶端齐平并伸出分层土样表面；

2)在环形垫板上预留若干与预埋在土体中的尼龙棒位置对应的螺栓孔，尼龙棒顶端穿过环形垫板的螺栓孔，环形垫板通过螺母与尼龙棒顶端螺纹连接，将环形垫板固定在分层土体表面；

3)在模型桩两边的土体表面适当位置布置条形支墩(条形支墩固定在土体表面)，在模型桩顶部自下而上依次布置承压板、千斤顶、钢垫板、主梁，主梁放置于条形支墩上；将刚性平台放置在主梁上，圆柱形树脂玻璃筒上部嵌套在刚性平台下方环形沟槽中、下部嵌套在环形垫板上方环形沟槽中，刚性平台与环形垫板之间通过若干刚性支柱连接，并在刚性平台和刚性支柱外侧覆盖软质密封层，形成密闭试验空间，在密闭试验空间外，连接油泵、气压监测仪、真空抽气机，真空抽气机通过抽真空通道和密闭试验空间内连接，用于随时抽取密闭空间内的空气，保持密闭空间内的真空度；气压监测仪通过有线的方式在密闭空间内连接有压力传感器，用于实时监测密闭试验空间内的气压值和真空度；油泵用于给千斤顶加压提供试验所需反力；

4)土体达到休止期后，利用真空抽气机将密闭试验空间内的大气抽出，使空间内部形成真空，同时所述刚性平台开始承受外面的大气压力并将它传递给所述千斤顶以作为加载反力；试验的加载方式和传统静载荷试验一样采用分级加载；

5)试验中，利用基准梁、沉降传感仪和沉降数据采集仪，实时采集压力与沉降数据，检测桩顶沉降值；利用气压监测仪实时观测密闭试验空间内的气压值，确保气密性良好，以使内部能保持较高的真空度，在荷载全部卸完以后才进行放气，取消真空，回收设备，完成静载荷试验。

按上述方案，所述步骤1)中，在两层土体之间加入薄层示踪层，薄层示踪层靠近模型桩的内侧加入磁粉、外侧加入荧光粉，磁粉配合外部磁检测设备通过磁示踪法检测出土体的位移变化，可视化模型箱正面为高透光率钢化有机玻璃，实现试验过程的可视化，通过观察荧光粉的变化直接监测土体的位移场变化，表层土样利用土体稳固剂处理，中间土层预埋置微型土压力盒、孔隙水压力计，分别用于监测土体中的应力场和孔压场变化；同时，预埋的若干尼龙棒的侧面切割竖向凹槽，内加热型光纤测温系统嵌入竖向凹槽中。

按上述方案，所述步骤3)中，在环形垫板与刚性平台之间还设置若干刚性支柱，刚性支柱通过螺栓及垫圈与环形垫板及刚性平台连接，软质密封层覆盖在刚性平台和刚性支柱外侧，形成密闭试验空间。

本发明的工作原理：本发明提出一种新的桩基静载荷模型试验方法，该方法利用本发明提供的真空负压静力试桩的圆柱形树脂玻璃筒在试桩的上部构成一个密封的空间，试验时通过真空抽气机或射流泵抽去密闭试验空间内的空气使其形成真空，利用外部大气压为试桩提供加载所需要的反力，完成静载荷模型试验。这一试验方法不再需要其他任何外部堆重荷载，不需要通过模型箱和上部密封桶的锚固提供反力，操作方便可行，试验周期也会大大缩短，改善了静载荷试验周期长、费用高的不足，通过可视化处理，在土层之间加入的薄层示踪层，利用示踪层透明土变化和磁示踪法共同检测桩周土体的变化位移，带端板的尼龙棒中嵌入的光纤，利用分布式光纤测温技术测出地下水头和渗流场变化，模型试验箱为桩基的研究提供更加精确、更加可靠的检测手段和方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用模型可视化的真空负压静力试验桩法，与传统模型试验箱相比，本发明装置通过在每层土体中间设置透明土体并加入磁粉，通过薄层示踪层和磁示踪法共同检测出土体的位移变化，同时，可透过圆柱形树脂玻璃筒观测出密闭试验空间内的装置是否按照预想中设置，可视化处理使得对于整体试验观测更为直观；

2、利用本发明装置进行荷载试验时不需要任何其他外部加重荷载，省去了大量外部荷载的相关费用，可以达到节约工程造价的效果；本发明装置操作简单易行，试验周期也会大大缩短，可以达到节省工期的效果；另外，与现有静载荷试验技术模型试验方法相比，本发明装置和试验方法通过不同性质土体的排列组合模拟多种工况下的土体，可以适用于研究各种性质土体下的桩基承载力；

3、本发明装置通过在表层土体加入土体稳固剂进行处理，使普通土体固化成了致密、均匀的土体，增加了密闭试验空间的密实性；

4、本发明装置通过在带端板的尼龙棒内嵌入内加热型光纤测温系统，通过分布式光纤测温技术可以准确检测出地下水头和渗流场的动态变化；

5、利用本发明试验装置在每层土体内预埋置微型土压力盒、孔隙水压力计，可以检测模型试验前后土体内部的压力场和孔压场的变化情况；

6、通过圆柱形树脂玻璃筒上设置环形垫板和刚性支柱，使刚性支柱和圆柱形树脂玻璃筒共同承受密闭试验空间内外的压强差，使得试验更加安全可靠。

附图说明

图1是本发明真空负压静力试桩的模型试验装置整体示意图；

图2是本发明真空负压静力试桩的模型试验装置的俯视图；

图3是土层间薄层示踪层的俯视图；

图4是土体中孔隙水压力计和土压力盒布置示意图；

图5是带端板的尼龙棒局部放大立体示意图。

图中：1-软质密封层，2-刚性平台，3-主梁，4-条形支墩，5-钢垫板，6-千斤顶，7-承压板，8-圆柱形树脂玻璃筒，9-环形垫板，10-螺母，11-带端板的尼龙棒，12-压力表，13-油泵，14-气压监测仪，15-真空抽气机，16-模型桩，17-垫圈，18-刚性支柱，19-可视化模型箱，20-基准梁，21-沉降传感仪，22-内加热型光纤测温系统，23-应变片，24-孔隙水压力计，25-土压力盒，26-沉降数据采集仪，27-高透光率钢化有机玻璃，28-薄层示踪层，29-磁粉，30-荧光粉。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1-图2所示，本发明所述的一种真空负压静力试桩的模型试验装置，包括软质密封层1、刚性平台2、主梁3、条形支墩4、钢垫板5、千斤顶6、承压板7、圆柱形树脂玻璃筒8、环形垫板9、螺母10、带端板的尼龙棒11、压力表12、油泵13、气压监测仪14、真空抽气机15、模型桩16、垫圈17、刚性支柱18、可视化模型箱19、基准梁20、沉降传感仪21、内加热型光纤测温系统22、应变片23、孔隙水压力计24、土压力盒25、沉降数据采集仪26、高透光率钢化有机玻璃27、薄层示踪层28、磁粉29、荧光粉30和土样；

土样分层装入可视化模型箱19内并夯实形成若干分层土体，模型桩16预埋在可视化模型箱19中心位置的土体中，尼龙棒11绕模型桩16周边等间距预埋在土体中，模型桩16顶部和尼龙棒11顶部均伸出土体表面；如图3所示，薄层示踪层28设置在分层土体的两层土体之间，包含有透明土、荧光粉30和磁粉29，磁粉29设置在靠近模型桩16的内侧，荧光粉30设置在远离模型桩16的外侧。

环形垫板9通过尼龙棒11固定在分层土体表面，尼龙棒设置有4-6根，预埋在土体中的尼龙棒11呈等间距多边形字分布，等多边形中心位于模型桩圆心处；尼龙棒11的底部设置一端板，尼龙棒11的顶部设置一圈螺纹，环形垫板9上预留若干与预埋在土体中的尼龙棒11位置对应的螺栓孔，尼龙棒11顶端穿过环形垫板9的螺栓孔，环形垫板9通过螺母10与尼龙棒11顶端螺纹连接，将环形垫板9固定在分层土体表面；圆柱形树脂玻璃筒8紧密连接在环形垫板9和刚性平台2之间，环形垫板9的形状均为圆板状，环形垫板9的内径小于圆柱形树脂玻璃筒8的直径、外径大于圆柱形树脂玻璃筒8的直径，刚性平台2的直径大于圆柱形树脂玻璃筒8的直径，环形垫板9上方和刚性平台2下方分别设置一圈直径与圆柱形树脂玻璃筒8直径相同的环形沟槽，圆柱形树脂玻璃筒8上部嵌套在刚性平台下方环形沟槽中、下部嵌套在环形垫板上方环形沟槽中；圆柱形树脂玻璃筒8外侧还设置3-8根刚性支柱18，各根刚性支柱18通过螺栓及垫圈17与环形垫板9及刚性平台2连接，多根刚性立柱18呈等间距多边形分布，软质密封层1采用透明的气密性材料土工膜或塑料布，覆盖在刚性平台2和刚性立柱18外层，刚性平台2、圆柱形树脂玻璃筒8、环形垫板9与土体表面通过软质密封层1形成密闭试验空间，真空抽气机15通过抽真空通道和密闭试验空间内连接，用于随时抽取密闭试验空间内的空气，保持密闭试验空间内的真空度；

承压板7、千斤顶6、钢垫板5、主梁3自下而上依次布置在模型桩16顶部与刚性平台2底部之间，主梁3放置于条形支墩4上，条形支墩4固定在土体表面，油泵13上设置压力表12，油泵设置在密闭试验空间外，并与密闭试验空间内的千斤顶6连接，油泵13用于给千斤顶6加压提供试验所需反力；

气压监测仪14通过有线的方式与密闭试验空间内压力传感器连接；基准梁20设置在模型桩16的桩顶两侧，沉降传感仪21设置在基准梁20上，沉降数据采集仪26设置在密闭试验空间外，沉降数据采集仪26与沉降传感仪21连接。

将带端板的尼龙棒11侧面切割出竖向凹槽，内加热型光纤测温系统22嵌入该竖向凹槽并预埋在土体中，用于监测土体中地下水头和渗流场的动态变化；微型土压力盒25、孔隙水压力计24预埋在中间土层，分别用于监测土体中的应力场和孔压场变化。

本发明实施例一种真空负压静力试桩的模型试验装置进行桩基承载力测试的试验方法，包括以下步骤：

1)将制备的土样分层装入可视化模型箱19，最底下一层土样装入可视化模型箱19后，在可视化模型箱19中心位置预埋模型桩16，以模型桩16顶端圆心为中心，在模型桩16周边等间距预埋若干尼龙棒11，尼龙棒11的底部伸入土体内且设置一端板，如图5所示，端板防止尼龙棒11被拔起；然后再进行分层土样的夯实，尼龙棒11顶部设置一圈螺纹，尼龙棒11顶端与模型桩16顶端齐平并伸出分层土样表面；在两层土体之间加入薄层示踪层28，薄层示踪层28靠近模型桩16的内侧加入磁粉29、外侧加入荧光粉30，磁粉29配合外部磁检测设备通过磁示踪法检测出土体的位移变化，可视化模型箱19正面为高透光率钢化有机玻璃27，实现试验过程的可视化，可视化模型箱19其他三面为钢制面板；通过观察荧光粉30的变化直接监测土体的位移场变化，表层土样利用土体稳固剂处理，中间土层预埋置微型土压力盒25、孔隙水压力计24，如图4所示，分别用于监测土体中的应力场和孔压场变化；同时，预埋的若干尼龙棒11的侧面切割竖向凹槽，内加热型光纤测温系统22嵌入该竖向凹槽并预埋在土体中；

2)环形垫板9上预留若干与预埋在土体中的尼龙棒11位置对应的螺栓孔，尼龙棒11顶端穿过环形垫板9的螺栓孔，环形垫板9通过螺母与尼龙棒11顶端螺纹连接，将环形垫板9固定在分层土体表面；

3)在模型桩16两边的土体表面适当位置布置条形支墩4(条形支墩4固定在土体表面)，在模型桩16顶部自下而上依次布置承压板7、千斤顶6、钢垫板5、主梁3，主梁3放置于条形支墩4上；将刚性平台放置在主梁3上，圆柱形树脂玻璃筒8上部嵌套在刚性平台下方沟槽中、下部嵌套在环形垫板上方沟槽中，在环形垫板9与刚性平台2之间还设置若干刚性支柱18，刚性支柱18通过螺栓及垫圈17与环形垫板9及刚性平台2连接，并在刚性平台2和刚性支柱18外层覆盖软质密封层1，形成密闭试验空间，在密闭试验空间外，连接带有压力表12的油泵13、气压监测仪14、真空抽气机15，真空抽气机15通过抽真空通道和密闭试验空间内连接，用于随时抽取密闭空间内的空气，保持密闭空间内的真空度；气压监测仪14通过有线的方式在密闭空间内连接有压力传感器，用于实时监测密闭试验空间内的气压值和真空度；油泵13用于给千斤顶6加压提供试验所需反力；

4)土体达到休止期后，利用真空抽气机15将密闭试验空间内的大气抽出，使空间内部形成真空，同时刚性平台2开始承受外面的大气压力并将它传递给千斤顶6以作为加载反力；试验的加载方式和传统静载荷试验一样采用分级加载。

5)试验中，利用基准梁20、沉降传感仪21和沉降数据采集仪26，实时采集压力与沉降数据，检测桩顶沉降值；模型桩16上还贴有应变片23，用于监测桩身应变；利用气压监测仪14实时观测密闭试验空间内的气压值，确保气密性良好，以使内部能保持较高的真空度，在荷载全部卸完以后才进行放气，取消真空，回收设备，完成静载荷试验。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，根据本发明作出各种相应的更改和变型，相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。