[发明专利]一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法

权利要求书

1.一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，其特征在于，按下述步骤实施：

第一步：安装反力框架(1)；

将反力框架(1)固定于地面，确保底部横梁(12)水平布置，侧梁(13)垂直布置；

第二步：模型桩(5)参数的确定；

确定模型桩(5)的桩长，其中桩长＝桩顶预留长度+计算桩长+桩端预留长度，计算桩长为工程桩的桩顶到桩底之间的距离按比例确定的长度，以及用于施加侧向土压力面的桩截面尺寸，模型桩加装前桩侧土层沿计算桩长侧向初始土压力分布形态和大小；

第三步：安装定位调节组件(4)，所述定位调节组件(4)包括定位板(41)、支撑板(42)、定位横梁(44)、调节螺母(45)及调节杆(46)；

支撑板(42)布置于顶部横梁(11)和底部横梁(12)之间，且支撑板(42)的上、下端均固定于凹槽(14)内，并确保支撑板(42)的竖向轴线与铅垂线重合；在每个预留孔(43)内的插孔(47)内安装调节杆(46)，调节杆(46)穿过调节螺母(45)，调节杆(46)上端固定在定位横梁(44)上，通过旋转调节螺母(45)使同一高度的所有定位横梁(44)在同一水平面；

第四步：在模型桩(5)侧安装施压组件(2)和传压组件(3)，所述施压组件(2)包括空心螺纹杆(21)、弹簧(22)、套筒(23)、传力杆(24)、限位板(25)、活塞(26)、加载把手(27)、定位杆(28)，所述传压组件(3)包括承压板(31)、连接板(32)、传力板(33)、垫块(35)、连接销(37)；所述连接板(32)的端部设有U型槽(34)和定位孔(36)；

预先加工施压组件(2)，把套筒(23)两端穿过反力框架(1)一侧的侧梁(13)，定位杆(28)外置弹簧(22)，且定位杆(28)一端依次与活塞(26)和传力杆(24)连接，传力杆(24)穿过限位板(25)插入连接板(32)的U型槽(34)内，且与U型槽(34)底平面接触，并通过连接销与连接板(32)固定，定位杆(28)另一端插入空心螺纹杆(21)中，且空心螺纹杆(21)通过丝扣与套筒(23)连接，并在外端加装加载把手(27)；在传压组件(3)的承压板(31)几何中心预留位置安装压力传感器(61)，压力传感器面向模型桩(5)表面与承压板(31)表面齐平，然后在承压板(31)面向模型桩(5)一侧表面安装垫块(35)，把每一个传压组件(3)均通过定位板(41)连接在相应的定位横梁(44)上；

第五步：模型桩的制作与安装；

在反力框架(1)的底孔(16)填入适量填土，并按设定的密实度击实，然后把预制完成的模型桩(5)通过顶部横梁(11)预留的送桩孔(15)吊入反力框架(1)内，模型桩(5)底端插入底孔(16)中，并根据模型桩(5)嵌固条件，确定模型桩(5)插入底孔(16)的深度，调节模型桩(5)的垂直度使模型桩(5)纵向轴线与铅垂线重合，用填土填充并密实底孔(16)与模型桩(5)之间的空隙；

第六步：安装侧向摩擦系统；

侧限架(75)竖直设置在模型桩(5)与支撑板(42)之间，且与模型桩(5)与支撑板(42)形成密闭腔室结构，橡胶囊(74)设置在该密闭腔室结构内，橡胶囊(74)为中空结构，橡胶囊(74)通过管道与位于反力框架(1)外侧的增压稳压系统(77)连通，橡胶囊(74)在与模型桩(5)接触的表面上粘贴有橡胶膜(73)，橡胶膜(73)朝向模型桩(5)一侧表面粗糙，用于模拟模型桩(5)与土界面之间的摩阻力；工作时，通过增压稳压系统(77)对橡胶囊(35)充气，使橡胶囊(35)通过橡胶模(34)与模型桩(2)密贴，橡胶囊(35)单位压力σ根据桩侧摩阻力f大小按公式σ＝f/tanφ确定，φ桩土界面摩擦角，根据实测确定；

第七步：调节模型桩侧施压组件加载方向并加载；

确保分布在模型桩(5)两侧对称布置的承压板(31)的法线在同一水平直线上，根据桩侧向土压力的分布形式，调整传力杆(24)端部在U型槽(34)的竖向位置，使两侧对称传力杆(24)轴线重合，通过连接销(37)贯穿定位孔(36)和传力杆(24)的连接通孔将传力杆(24)固定在连接板(32)上，确保可靠连接，这样就完成(1)套桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的水平调节，如此循环，直至完成所有计算桩长范围内的桩侧施压组件(2)和传压组件(3)的调节；根据第二步确定的计算桩长桩侧土压力分布形式，通过对施压组件(2)的加载把手(27)进行旋转对模型桩(5)桩侧施加初始土压力；

第八步：调试增压稳压系统77能工作正常，打开带压力表调节阀门对橡胶囊74进行充气，使橡胶囊74的压力达到预定压力，维持压力不变；

第九步：安装桩身测试系统(6)；桩身测试系统(6)用于量测桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化，包括压力传感器(61)、位移传感器(62)、压力传感器控制系统(63)和位移传感器控制系统(64)，在模型桩安装传力板的间隙的中心点沿桩长对称安装位移传感器(62)，并把位移传感器(62)固定到位移支撑架上；调节位移传感器(62)，并记下每个位移传感器(62)的初读数，用于测试桩顶施加水平力后桩身的水平变形；所述压力传感器(61)和位移传感器(62)分别与设置在反力框架(1)外的压力传感器控制系统(63)和位移传感器控制系统(64)连接；

第十步：安装桩顶水平向加载系统(8)和桩顶竖向加载系统(9)，分别用于对模型桩(5)分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，并测试分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形；

所述桩顶水平向加载系统(8)设置在送桩孔(15)内，且位于模型桩(5)左侧或右侧与送桩孔(15)的内壁之间，所述桩顶水平向加载系统(8)的结构为：包括水平油缸(81)，水平力传感器(82)和水平位移计(84)，所述水平油缸(81)水平设置，所述水平油缸(81)的缸体固定在送桩孔(15)的内壁上，所述水平油缸(81)活塞杆端部设置有水平受力承压板(83)，所述水平受力承压板(83)与模型桩(5)侧面等宽，且紧贴在模型桩(5)上，所述水平受力承压板(83)和水平油缸(81)活塞杆端部之间设置有水平力传感器(82)，所述水平力传感器(82)用于检测水平油缸(81)施加的水平力，且所述水平油缸(81)施加给模型桩(5)的水平力与施压组件(2)施加给模型桩(5)的力在一个平面上，所述水平位移计(84)安装在模型桩(5)与桩顶水平加载方向垂直的两个相对面上，高度为桩顶水平向加载系统(8)的水平受力承压板(83)与最顶层一组传压组件(3)的承压板(31)之间，所述水平位移计(84)用于桩顶分级施加循环水平力后测试桩顶的水平位移；所述桩顶竖向加载系统(9)设置在反力框架(1)的顶部横梁(11)上；

所述桩顶竖向加载系统(9)的结构为：包括纵向立柱(91)，反力横梁(92)，纵向油缸(93)，纵向力传感器(94)，纵向受力承压板(95)和纵向位移计(96)，所述反力横梁(92)通过纵向立柱(91)设置在顶部横梁(11)上，所述纵向油缸(93)的缸体设置在反力横梁(92)上，所述纵向油缸(93)的活塞杆端部设置有纵向受力承压板(95)，所述纵向受力承压板(95)紧贴在模型桩(5)顶侧上，所述纵向受力承压板(95)和纵向油缸(93)活塞杆端部之间设置有纵向力传感器(94)，所述纵向力传感器(94)用于检测纵向油缸(93)施加的纵向力，所述纵向位移计(96)安装在距模型桩(5)顶面以下不少于1倍模型桩(5)宽度的侧面支点上，所述纵向位移计(96)用于测试桩顶的竖向位移；

第十一步：根据预定方案对桩顶分级施加水平循环荷载；对模型桩分级施加水平循环力或预先在桩顶施加竖向力，记录分级施加水平循环力过程中桩顶水平变形和竖向变形，并记录每一步桩顶水平加载后桩身不同截面的水平土压力和水平位移的变化。

2.根据权利要求1所述的一种等效水平受荷桩受力过程和荷载传递机理的模拟方法，其特征在于：通过确定每一套传压组件(3)左右对称的两块承压板(31)水平轴线与传力杆(24)水平向轴线之间的高度偏差，确定每一套传压组件(3)左右对称两块承压板(31)的偏心距，从而确定工程桩开挖前桩侧土压力的初始分布形式。