[发明专利]散体材料增强体复合地基模型桩、测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明散体材料增强体复合地基模型桩、测试装置及测试方法，属于散体材料复合地基模拟与测试技术领域。

背景技术

在土木工程地基设计中，当天然地基承载力不能满足设计要求时，有时采用复合地基提高地基承载力和减少沉降。复合地基中根据桩身材料的粘结强度分为散体材料增强体和有粘结强度增强体，砂石桩复合地基就是散体材料增强体复合地基一种常用的地基处理方法。砂石桩复合地基是将碎石、砂或砂石混合料挤压入已成的孔中，形成密实砂石竖向增强体的复合地基。以砂石桩为代表的散体材料增强体复合地基可用于处理松散的砂土、粉土、粉质粘土、素填土、杂填土等土层，以满足上部结构对承载力、沉降或抗震液化等方面的要求。砂石桩虽然在地基处理中应用广泛，但其受力和变形机理等方面还需进一步研究。

现行规范《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)对散体材料增强体复合地基的计算公式为：

f_spk＝[1+m(n-1)]f_sk(1)

式中：f_spk为复合地基承载力特征值，kPa；

f_sk为处理后桩间土承载力特征值，kPa；

n为复合地基桩土应力比；

m为面积置换率。

公式(1)中，面积置换率(m)可由桩径和桩间距参数计算确定，处理后桩间土承载力特征值(f_sk)可由平板载荷试验确定，但是复合地基桩土应力比(n)确定较为复杂，规范规定按地区经验确定。当准确测定时需在测试桩和桩周土中预埋土压力盒进行测试，测试过程受诸多外部因素影响，具有较大不确定性，且不能考虑砂石桩的竖向承载力变化。

根据现场试验和理论分析，散体材料桩增强体复合地基单桩的承载力主要取决于桩侧土体所能提供的最大侧限力，砂桩在荷载作用下，桩体发生膨胀，桩周土进入塑性状态，随着塑性区不断扩展而进入极限状态，可通过计算桩间土侧向极限应力计算单桩极限承载力。

砂桩极限承载力(P_pf)一般表达式为：

P_pf＝σ_ruK_p(2)

式中：σ_ru为桩侧土体所能提供的最大侧限力，kPa；

K_p为散体材料的被动土压力系数。

根据不同的假设模型，诸多学者对桩侧土体所能提供的最大侧限力提出了不同的计算方法。常用方法有Brauns(1978)法、圆筒形孔扩张理论计算法、Wong H.Y.(1975)计算法、被动土压力计算法等。

从上面的研究可以看出，地基中的散体材料增强体需要桩周土的围箍作用才能维持桩体的形状和提供竖向承载力，在荷载作用下，散体材料增强体发生鼓胀变形，依靠桩周土提供的被动土压力维持桩体平衡，承受上部荷载的作用，或者说增强体的竖向承载力取决于桩侧土的侧限力，更确切的说取决于桩周土的抗剪强度。

散体材料桩桩身材料结构松散，在承受荷载中既要发生竖向变形同时也要发生桩体侧向膨胀，无法在桩身侧面埋置应变片测试桩身变形，对桩身受力过程中不同高度部位处的变形难于测试，这些参数都是研究散体材料增强体必不可少的测试项目。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种散体材料增强体复合地基的室内模拟模型桩；能够测试该模型桩沿桩身高度应力、变形的测试装置，直观表现室内模拟散体材料增强体复合地基桩土相互作用过程，并进行参数采集的测试方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种散体材料增强体复合地基模型桩，模型桩包括充填材料及包裹卷材，所述包裹卷材为圆筒状，其由阶梯形薄板卷制而成，所述阶梯形薄板最高的一段卷起来形成最内层，其余阶梯部分依次卷在外面形成从上到下壁厚逐渐变厚的包裹卷材，包裹卷材的底部套装在底部封闭的环形桩座中，顶部套装在顶部封闭的环形桩帽中，所述充填材料填充在包裹卷材形成的圆筒内部。

所述包裹卷材的制作材料为纸板，或为塑料板，或为土工布。

所述充填材料为沙子。

用上述散体材料增强体复合地基模型桩制作的测试装置，包括模型桩、加载装置、调平装置、测力装置和测变形装置；

所述加载装置包括矩形底板、四根立柱、电动伺服压力机和十字形反力梁，所述四根立柱均垂直固定在底板上，四根立柱的顶部分别与十字形反力梁的四个端部固定，在所述十字形反力梁的交叉点固定有电动伺服压力机；