[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

说明书

本发明公开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，实现了对水平受荷桩(可选择增加桩顶轴向力)受力过程的物理模拟和可视化教学，对水平受荷桩研究具有一定的指导意义；施压组件和传压组件对应连接在一起对设置在反力框架内的模型桩平行于桩顶水平力施加方向施加了初始土压力，侧向摩擦系统在平行于水平力加载方向模型桩两个侧面施加了桩侧摩擦力，桩身测试系统用于测试模型桩桩身各个截面压力和位移的变化，通过桩顶水平向加载系统和桩顶竖向加载系统对模型桩桩顶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，由此实现水平受荷桩受力过程的模拟。

技术领域

本发明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，属于土木工程室内物理模拟技术领域。

背景技术

现代城市在不断发展过程中，建造高层建筑成为城市发展的需要，桩基础成为高层建筑基础的首选，由于上部结构需承受风荷载或地震荷载的作用，由此作用在桩顶的荷载为竖向力与水平力的组合，另外对于跨海大桥桩基础、码头桩基础、近海工程、海上石油平台等工程主要承受波浪力、潮流力以及风压力等水平荷载，同时也可能承受船舶碰撞所带来的水平冲击力。滑坡中抗滑桩也主要是承受水平荷载。水平受荷载桩主要通过桩的弯曲抵抗水平荷载，国内外关于水平受荷桩的受力变形分析，主要有整体数值法、弹性理论法和弹性地基梁法。

现有的水平受荷桩的计算方法，大多具有复杂的理论推导，对数理能力要求较高，不利于工程中的应用。大多数文献的推导过程，是基于桩顶完全埋置在土体中，而且一般不考虑桩顶轴力。对于轴力引起的二阶效应具体多少目前还没有明确的定论，计入桩顶竖向轴力也会使计算变得复杂。还有在水平受荷桩的计算中一般不考虑平行于桩水平力作用方向桩侧土的影响，主要考虑平行于桩水平力作用方向桩侧土抗力的影响，这些简化在某些程度上可以使复杂的问题简单化，但这些简化对基桩的安全度有多大影响，还是需要进一步考虑。

发明内容

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了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，该装置设计合理，与水平受荷桩桩侧土体环境相似度高，边界明确，受荷过程可视化，实现了对水平受荷桩(可选择增加桩顶轴向力)受力过程的物理模拟和可视化教学，对水平受荷桩研究具有一定的指导意义。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：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，按下述步骤实施：

第一步：安装反力框架；

将反力框架固定于地面，确保底部横梁水平布置，侧梁垂直布置；

第二步：模型桩参数的确定；

确定模型桩的桩长，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；

支撑板布置于顶部横梁和底部横梁之间，且支撑板的上、下端均固定于凹槽内，并确保支撑板的竖向轴线与铅垂线重合；在每个预留孔内的插孔内安装调节杆，调节杆穿过调节螺母，调节杆上端固定在定位横梁上，通过旋转调节螺母使同一高度的所有定位横梁在同一水平面；

第四步：在模型桩侧安装施压组件和传压组件；

预先加工施压组件，把套筒两端穿过反力框架一侧的侧梁，定位杆外置弹簧，且定位杆一端依次与活塞和传力杆连接，传力杆穿过限位板插入连接板的U型槽内，且与U型槽底平面接触，并通过连接销与连接板固定，定位杆另一端插入空心螺纹杆中，且空心螺纹杆通过丝扣与套筒连接，并在外端加装加载把手；在传压组件的承压板几何中心预留位置安装压力传感器，压力传感器面向模型桩表面与承压板表面齐平，然后在承压板面向模型桩一侧表面安装垫块，把每一个传压组件均通过定位板连接在相应的定位横梁上；