[发明专利]一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的室内模型桩、试验系统及方法

说明书

本发明公开了一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的室内模型桩、试验系统及方法，所述室内模型桩包括桩帽、内管、外管、桩顶端环、桩底端环、应变片和排式导线，其采用了双壁桩的形式，可以准确得到大直径钢管桩模型桩的内、外侧摩阻力沿桩身的分布，为研究大直径钢管桩竖向承载力的发挥机理和改进大直径钢管桩的设计方法提供了试验数据支持，从而使得大直径钢管桩竖向承载力的计算更加准确，减少了实际工程的用钢量，带来了很大的经济效益。

技术领域

本发明涉及一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的室内模型桩、试验系统及方法，属于深水基础工程领域。

背景技术

复钢管桩单桩基础是海上风电的一种重要基础形式。随着海上风电工程的建设区域水深逐渐增加以及风机尺寸的不断加大，单桩基础由原来的小直径钢管桩逐渐发展成为大直径以及超大直径钢管桩，呈现出大型化的发展趋势，目前单桩基础直径已经达到了8m。现行的规范(API)是在小直径钢管桩的基础之上提出的，由于小直径钢管桩的土塞闭塞效应明显并且往往呈现出完全闭塞的情况，在计算钢管桩的竖向承载力时，API规范采用外侧摩阻力加上端阻力的方法，即：

Q_u＝Q_f+Q_p＝f×A_s+q×A_p

钢管桩直径增大使得桩在贯入过程中土塞闭塞效应减弱，大直径钢管桩的桩管与桩内土的桩土协同作用远小于小直径钢管桩，此时桩内土不是完全闭塞的，因此竖向承载力就不能简单地看做外侧摩阻力和端阻力两部分的叠加，而应为外侧摩阻力、环形部分端阻力和内侧摩阻力的叠加。故现行的针对小直径钢管桩提出的设计方法不能很好地适用于大直径钢管桩，常常导致竖向承载力计算结果偏小、实际用钢量增大，造成了很大的经济损失和资源浪费。因此，迫切需要一种能够很好地计算大直径及超大直径钢管桩竖向承载力的设计方法，这就需要通过室内模型试验手段来探究大直径钢管桩内、外侧摩阻力的分布以及内、外侧摩阻力在总承载力中的占比。目前被普遍采用的测量钢管桩侧摩阻力的室内模型试验方法是沿桩身轴向方向在桩的外侧面布置一定数量的应变片，通过应变片测得对应截面的轴力，则相邻截面的轴力之差即为两截面之间这一段桩受到的侧摩阻力，但是这种方法存在一个很大的问题，即对于土塞高度范围内的桩身部分而言，测得的侧摩阻力为内、外侧摩阻力之和，无法确定二者各自沿桩身的分布和相对大小，并且由于试验方法的缺陷，在连接应变片导线的走线方面也会耗费大量的时间和精力，故亟需一种新的可以便捷测量大直径钢管桩内外侧摩阻力的室内模型桩试验系统和试验方法，其中的难点便在于内侧摩阻力的测量，目前还没有一种有效的方法能够便捷并且准确地测量大直径钢管桩的内侧摩阻力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的室内模型桩、试验系统及方法，相较于目前被普遍采用的方法，其具有方便快捷的优点，能够节省大量的时间和精力，并且可以分别得到内、外侧摩阻力沿桩身的分布和大小。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的室内模型桩，包括桩帽、内管、外管、桩顶端环、桩底端环、应变片和排式导线；

所述内管、外管为长度相等同轴设置的空心管体，其两端分别设置桩顶端环和桩底端环，在所述桩顶端环一侧设置桩帽，所述桩帽(向内)一侧形成有桩顶端环插入的插槽；

所述外管、桩顶端环和桩帽上分别设置有位于对侧、相重合的切口结构，外管切口位于所述外管一侧端部、桩顶端环切口位于所述桩顶端环嵌入内管、外管之间的桩顶端环定位环上、桩帽切口位于所述桩帽插槽的两侧；

所述内管外壁沿轴向相对设置2列应变片，所述内管外壁设置2组分别与各应变片相连排式导线，所述排式导线的上端由所述切口结构穿出；所述外管外壁沿轴向相对设置2列应变片，所述外管外壁设置2组分别与各应变片相连的排式导线。

在上述技术方案中，所述桩帽中部形成有透气孔。