[发明专利]一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置及方法

权利要求书

1.一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，其特征在于：包括反力支撑架、加载装置、波速测试装置、模型管桩、围压模拟组件；

所述反力支撑架包括反力架和反力横梁，反力横梁垂直设置在反力架的中部；

加载装置包括两对驱动齿轮、锯齿压杆和承压板，两对驱动齿轮置于反力横梁上，驱动齿轮由电机控制，锯齿压杆分别设置在两个驱动齿轮之间，且锯齿压杆穿过反力横梁，锯齿压杆底部设有承压板；锯齿压杆和承压板之间设有测力计，用于测量管桩的贯入阻力；承压板端部设有反光镜，反力架内侧壁上固定设有激光测距仪，激光测距仪与反光镜相向对应设置；所述承压板为倒T型圆板结构，中心设有孔；

所述模型管桩包括内套管、外套管、桩内套筒、顶芯螺杆和桩端挡块，模型管桩深入土体内部，其上均布有波速测试装置；

所述模型管桩内侧为桩内套筒，套筒顶部焊接环形钢板，桩内套筒底端卡设在桩端挡块内；桩内套筒、环形钢板与上端的承压板连接；桩内套筒内部设有顶芯螺杆，顶芯螺杆上端固定在反力横梁上，向下依次穿过承压板和管桩，底部与土体接触；

所述波速测试装置包括若干沿管桩内、外表面不同高度成对布置的激发元和接收元，分别对桩芯土和桩侧土的剪切波速进行测量；所述激发元和接收元为压电陶瓷弯曲元，弯曲元对数及间距根据试验目的和具体要求进行选择；

每两个激发元和接收元组成一组测试单元，并通过弯曲元信号线外接测试装置；其中，桩内激发元与接收元分别沿径向对称布置，桩侧激发元和接收元则沿同一轴线在管桩外侧上下端近距离成对布置；

所述内、外套管之间设有凹槽，弯曲元信号线从该凹槽穿过；

所述围压模拟组件包括若干个竖向层叠的围压环、导向管、橡胶膜、乳胶膜，围压模拟组件固定在基座上方，相互之间通过外环螺栓连接固定；上下相邻的两个围压环之间开有注水孔，注水孔外接水压控制装置；所述围压环由一对同心圆筒通过上、下环形盖板连接形成整体结构，围成的空腔作为压力室；

围压环围成的内部空间采用乳胶膜封闭，乳胶膜内侧设有橡胶模，橡胶模包裹土样，同时将乳胶膜上下环形边缘通过螺钉和齿形垫片分别固定于上、下环形盖板外表面，形成密封不透水的空腔结构。

2.根据权利要求1所述的梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，其特征在于：所述桩内套筒采用空心钢管制作，套设于管桩内部，桩内套筒不接触桩内弯曲元，长度与管桩长度一致；桩内套筒顶部的环形钢板尺寸与承压板底部尺寸一致，沿圆周方向预留若干螺栓孔，并在其下方设置垫圈，通过螺栓将垫圈、环形钢板和承压板连成整体，实现对桩内套筒传力。

3.根据权利要求1所述的梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，其特征在于：所述弯曲元埋入土体深度为5mm，工作频率为5~25kHz；桩侧弯曲元均采用水平偏振方向，桩内每组测试单元采用相同的偏振方向；在弯曲元下方设置挡块。

4.根据权利要求1所述的梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，其特征在于：在桩侧激发元和接收元之间的桩段外套减震圈，减震圈采用超静香隔音毡制作。

5.根据权利要求1所述的梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，其特征在于：所述模型管桩的内套管外表面90度正交方向分别开设两对深度为5mm，宽度为20mm的凹槽，从最底层弯曲元处贯穿至桩顶，用于固定桩内、外弯曲元并引出信号线；桩顶卡套在承压板底面的垫圈内，实现对管桩传力。

6.根据权利要求1所述的梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，其特征在于：所述管桩内、外套管同轴粘合，桩底粘连高度20~40mm的桩端挡块，防止桩贯入过程中内、外套管沿接触面发生剪切错动；桩端挡块外径与模型管桩外径一致，内径与桩内套筒一致，内侧面设置成刃脚，并在其顶面开设一环形卡槽，用于卡设桩内套筒。