[发明专利]一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置及方法，该试验装置包括反力支撑架、加载装置、波速测试装置、模型管桩、围压模拟组件；所述围压模拟组件由多个围压环层叠形成模型筒，并套箍在通过承膜筒分层填筑的土样上，运用水压作用对土柱实施分段加压；所述模型管桩由内套管、外套管、超静香隔音毡、桩内套筒、顶芯螺杆和桩端挡块组成；所述内外套管同轴贴合，沿管桩内、外表面不同高度成对布置的激发元和接收元，对桩芯土和桩侧土进行剪切波速测量，而桩内套筒在桩贯入过程中保护弯曲元，并辅助顶芯螺杆控制桩芯土高度。本发明实现了开口管桩贯入过程中荷载传递规律和土体性质演变过程同步动态测试，围压分段可控、加载便捷、测量精度高。

技术领域

本发明涉及一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置及方法，属于建筑工程领域中桩基础技术领域。

背景技术

随着房建、交通、港口、石油与风电工程建设的不断发展，管桩越来越多地应用于建筑工程和近海工程中。开口管桩在沉桩贯入过程中，桩身附近土颗粒将发生运动并互相挤压，同时桩端土体涌入管桩内形成土塞，即存在土塞效应和挤土效应。随着贯入深度的增加，土体侧向应力增大，桩外和桩内侧摩阻力逐渐增大，沿径向挤出的土体越来越多。同时，由于上覆土压力的增加，深层土体受到的挤土应力比浅层土体大。管桩在静压或振动沉桩过程中势必会对周围土体产生扰动、重塑以及挤压作用，桩周附近土体的剪切模量、密度等参数不可避免地会发生变化，使桩周土在径向上呈现出不均匀性。此外，土塞在管桩贯入时受到很大的扰动，使得土塞上部土体的强度较低，与管桩内壁间的侧阻力也较小，在竖向呈现非均质性。

目前，室内模型试验大多通过布置各种传感器对贯入阻力、桩侧土压力等发展规律进行量测，或辅于可视化窗口对土体位移场变化进行观测。然而，上述常规1g缩尺模型试验提供的土中应力水平很低，无法模拟土层不同深度处的真实应力状态。由于管桩贯入受侧向应力和土塞效应的影响，低围压下土体往往表现出强烈的剪胀和应变软化现象，导致土体扰动范围、扰动程度和土塞高度等因素与实际存在较大差异。在本发明之前，发明专利“静压桩模型试验的加载及测量装置”(CN103835323A)公开了一种静压桩模型试验的加载及测量装置；该发明将管桩作为双桥静力触探系统的摩擦筒，用静探微机自动采集端阻力和侧阻力。发明专利“模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法”(CN105424487A)公开了一种模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法；该发明在改进的三轴仪上，将钢管桩贯入处于压力室中的岩样中，运用压力室中的水压作用模拟桩在实际岩层中的围压条件，得到轴力随沉桩位移的变化规律。然而，上述发明均无法模拟天然土体在自重作用下的原位应力水平及分布特征，且缺乏对桩周土与桩芯土土体性质动态演化的测试。

发明内容

本发明旨在提供一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置及方法，为管桩沉桩模拟提供真实的应力环境，并实现贯入阻力、土塞效应及挤土效应的同步动态测试。

本发明提供了一种梯度围压下管桩沉桩模拟试验装置，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；加载时，利用电机带动驱动齿轮旋转，通过机械传导带动锯齿压杆和承压板作垂直运动；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；