[发明专利]管桩中土塞承载特性研究试验装置及方法

说明书

本发明公开了管桩中土塞承载特性研究试验装置及方法，装置包括模型管桩、固定装置、水头装置、加压装置和位移监测装置；模型管桩用于模拟管桩的实际摩擦特性；固定装置包括底座、底板、立柱和顶板，在土塞加载过程中对模型管桩的位置进行固定或调节；水头装置包括上水箱、下水箱、上活塞、下活塞、上防砂网、下防砂网及孔隙水压力计；加压装置包括液压千斤顶、轴力计和钢套环，用于对土塞施加顶进力并获取顶进力的大小；位移监测装置包括上位移传感器、下位移传感器及钢块，用于获取土塞的顶部和底部位移。本发明的装置控制加载过程中的排水条件，更好地模拟土塞实际排水特征；控制加载过程中水头大小，更好地反映土塞中实际应力分布情况。

技术领域

本发明涉及桩基工程技术领域，尤其涉及管桩中土塞承载特性研究试验装置及方法。

背景技术

与现场灌注桩和挤土桩不同，开口管桩在成桩过程中，部分土体会被挤入桩内，形成具有一定高度的“土塞”。因此，开口管桩的承载力被认为由三部分组成，即管桩外壁摩阻力、管桩端壁阻力以及土塞承载力。大量的工程经验和研究表明，土塞承载特性对管桩的承载力发挥有极大影响。

土塞的承载力取决于土塞端阻力和土塞侧摩阻力的相对大小，与管桩的承载特性不同，当土塞下部承受荷载时，土塞的端阻力首先发挥，然后带动侧摩阻力由下往上发挥；然而，侧摩阻力的发挥高度并不等于土塞全长，而是一个“有效高度”，这个有效高度的确定对土塞承载力的确定至关重要。与管桩外侧土不同，在管桩承载过程中，管桩内土塞底部往上一定范围内会形成“拱形区”，使该范围内的侧摩阻力显著提升，从而增大管桩的承载力，这一现象被称作“土拱效应”。此外，土塞的排水条件对土塞的承载特性也有极大影响，大量实验及理论表明，完全不排水条件下的土塞承载力与完全排水条件下土塞的承载力相差几个量级。

目前，对土塞承载特性试验的研究主要包括现场原位试验研究和室内模型试验研究两方面。原位试验多是通过在管桩内安装应变片或在桩底安装土压力计等监测装置，来对土塞承载特性进行分析；原位试验往往要基于大量的工程数据，周期长、费用高，且存在施工问题而导致监测数据失效。在室内模型试验方面，一些学者设计半透明桩，或采用透明土来研究土塞在管桩承载过程中的形态变化，但上述试验并不能很好地对土塞的承载特性进行研究，且往往尺寸较小，难以反映土塞中实际的应力分布特征；一些学者设计了不同尺寸的内外双管模型桩，并通过模型桩的承载实验对土塞的承载特性进行研究，但上述方法仪器复杂，不具备可视化的特点，且上述实验多只考虑土塞完全排水的情况，难以反映实际成桩过程中土塞的部分排水特性。

因此，现有的试验装置仍存在一些不足，不能作为常规试验手段对土塞的承载特性进行全面的研究。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种管桩中土塞承载特性研究试验装置及方法，所述试验装置及方法能对管桩中土塞的实际承载特性进行很好地模拟，同时对承载过程中土塞的形态特征提供可视化研究，能为实际工程中大直径管桩承载力的设计提供参考。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：管桩中土塞承载特性研究试验装置，所述管桩中土塞承载特性研究试验装置包括模型管桩、固定装置、水头装置、加压装置和位移监测装置；

所述模型管桩用于模拟管桩的实际摩擦特性，其内部空间中装有土塞；所述模型管桩的内外壁皆标有刻度，用于确定所述土塞的底部高度及所述土塞内其他部件的位置；

所述固定装置包括底座、底板、立柱和顶板，所述底座起支撑作用，所述立柱的上部、下部分别对应与所述顶板、底座连接；所述底板位于所述底座和顶板之间，并可固定在所述立柱的不同位置，所述模拟管桩置于所述底板上，在所述土塞加载过程中通过调整所述底板的位置来对所述模型管桩的位置进行固定或调节；