[发明专利]一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法，该装置包括压土装置、加载装置、套筒、反力横梁、模型桩、反力架和模型箱，压土装置通过齿形压杆与加载装置的驱动齿轮连接，加载装置置于反力架的横梁上；反力横梁通过螺栓与两端带孔的L型角钢相连，L型角钢固定于模型箱纵向的顶部；试验方法包括：①确定扰动土参数；②实验装置组装；③填筑桩端土；④填筑桩周土；⑤上拔套筒；⑥后续填土。本发明通过对桩周土体划分圈层并控制土体密实度，实现了桩周土径向非均质特性的模拟，为分析施工效应等因素下桩‑扰动土相互作用机理提供了试验分析手段；通过控制相关参数，能最大限度的反映土体真实扰动状态对桩土体系力学行为的影响。

技术领域

本发明涉及一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法，属于桩基工程技术领域。

背景技术

桩基础作为一种深基础形式，在基础工程中有着广泛的应用。对于预制桩，在静压或振动沉桩施工过程中势必对桩周土体产生扰动、重塑以及挤压作用，而钻孔灌注桩在施工过程中存在成孔卸荷效应和动态荷载作用的影响，削弱了桩周土层的应力，这些都将导致桩周附近土体的剪切模量和密度等参数发生变化，从而造成桩周土沿径向呈现出非均质特性。在松散或不太密实的砂土、粉土中打入挤土型桩（如预制桩），桩侧附近将产生挤土效应，土体密实度、剪切模量可能得到一定程度提高（硬化）。而在密实的砂土、粉土或高灵敏性软黏土中进行钻孔灌注桩施工，桩侧附近土体将受到钻孔扰动和松弛效应的影响，其密实度、剪切模量可能有所下降（软化）。

目前，对于沉桩过程中桩周土体非均质特性的研究，主要是通过理论分析来进行的。利用复刚度传递平面应变土体模型，对径向非均质土中桩基振动特性的研究发现，施工效应导致的土体径向非均质性，不管是在扰动程度，还是扰动范围上，均对桩基振动特性有着十分明显的影响；扰动范围、扰动土划分圈数与土体硬(软)化径向分布模式均对桩基特性有着不可忽视的影响。然而，桩侧土受施工效应的影响十分复杂，单纯的理论分析并不能真实的模拟土体实际状态，有必要设计一种能够模拟桩周扰动土体径向非均质特性的试验装置，为从试验角度研究土体扰动状态下的桩土体系提供可能，进而验证理论计算模型的合理性和准确性。

发明内容

本发明旨在提供一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置及方法，为模型桩提供任意圈层径向非均质的桩周土体，实现桩周扰动土体的径向分圈，克服以往只能通过理论分析来研究桩周土径向非均质性的不足。

本发明提供了一种模拟桩周土径向非均质性的试验装置，包括压土装置、加载装置、套筒、反力横梁、模型桩、反力架和模型箱，压土装置通过齿形压杆与加载装置的驱动齿轮连接，加载装置置于反力架的横梁上；反力横梁通过螺栓与两端带孔的L型角钢相连，L型角钢固定于模型箱纵向的顶部；

压土装置由上下两层承压板、若干环形压土板和齿形压杆组成；齿形压杆与上承压板相连，上承压板和下承压板通过第一螺杆连接，下承压板通过传力杆与环形压土板连接，环形压土板位于土体上方；当试验中上拔套筒时，下承压板通过第二螺杆与反力横梁连接；齿形压杆向下运动时推动承压板，并带动压土板对各套筒内土体实施同步等厚压实，通过控制填土质量继而获得沿径向不同的土体密实度；待填土至一定深度后，松开上、下承压板之间的螺栓，借助齿形压杆向上运动分离上承压板，并带动吊耳上移套筒，开始下一阶段的压实填土；

套筒由多层同心薄壁钢圆筒组成，试验开始时，套筒置于模型箱底部，且圆心与上下承压板的圆心对应；

上承压板为圆形板，中间设有孔，底部沿径向均匀设有一排吊耳，套筒顶部的吊耳与其对应设置，二者通过钢丝绳连接；

加载装置由置于反力架横梁上的一对小型电动机和两对驱动齿轮组成；试验时，利用电机驱动齿轮旋转，通过机械传导带动齿形压杆作垂直运动。

反力横梁为一带有两个螺孔的圆杆，与两端带孔L型角钢连接，并设置在模型桩纵向桩顶以上20～40cm高度处；L型角钢通过螺栓固定于模型箱顶部；