[发明专利]一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置及方法

权利要求书

1.一种用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，所述测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置包括框架，其特征在于：所述框架内设有透明试验罩，所述透明试验罩内自下而上依次填充多层填筑层；多层填筑层绕试验桩填筑，将桩体围于其中，试验桩的周侧填筑层内布置有朝向试验桩的多个土压力计；

所述试验桩上端穿出顶部填筑层，所述试验桩下端首先由其下部的辅助桩抵住从而与透明试验罩底部平齐；

所述顶部填筑层的上表面覆盖加压板，所述加压板由液压加载系统进行压力加载；

所述试验桩的上端与桩基拔升系统相连接，所述桩基拔升系统用于向上提升试验桩；

所述透明实验罩下方设有辅助桩和用于升降辅助桩的辅助桩升降系统，所述辅助桩的平面尺寸与试验桩的平面尺寸相同，且拔升试验桩时所述辅助桩始终与试验桩之间保持一定的间隙跟进，以使得辅助桩作为试验桩拔出后的空间填充；

所述测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置还包括位移监测器和压力传感器，所述位移传感器用于监测试验过程中试验桩被桩基拔升系统所拔升的高度，所述压力传感器用于监测液压加载系统对加压板的竖向压力。

2.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述液压加载系统包括变频器、升降台、液压升降机和加压柱，所述升降台由变频器驱动液压升降机形成升降，所述升降台下端固定加压柱，所述升降台用于向下驱动加压柱形成对加压板的压力加载。

3.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述桩基拔升系统包括提升索和卷索机，所述提升索下端具有桩帽，所述桩帽与试验桩的上端相固定，所述提升索在卷索机的驱动下向上提升试验桩。

4.根据权利要求3所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述桩帽包括左桩帽和右桩帽，所述桩帽为吸铁石材质以使得左桩帽和右桩帽经磁力相互吸引实现对试验桩桩顶的嵌固。

5.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述加压板上设有多个排水孔，所述排水孔用于在液压加载系统对压力板进行压力加载过程中进行填筑层的固结排水。

6.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述辅助桩升降系统包括千斤顶，所述千斤顶上端顶住辅助桩。

7.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述框架包括支撑柱、框架底座和框架立柱，所述框架底座下方固定有用于支撑框架底座的支撑柱，所述框架底座上承载透明试验罩，所述框架立柱立于框架底座上，所述框架立柱上布置液压加载系统和桩基拔升系统，所述框架底座下方布置辅助桩升降系统。

8.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述液压加载系统、桩基拔升系统、土压力计、位移监测器和压力传感器分别与计算机信号连接并由计算机进行控制。

9.根据权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，其特征在于：所述透明试验罩的外侧面上设有厚度标尺，所述厚度标尺覆盖多层填筑层的整体厚度，所述厚度标尺的延伸方向呈竖直方向。

10.一种库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法，其特征在于：所述库岸高填方中桩基负摩阻参数的获取方法基于权利要求1所述的用于测试库岸高填方中桩基负摩阻参数的试验装置，并包括如下步骤：

S1、装样和加载：

试验前，需进行填筑层装样；首先将辅助桩和试验桩置于中央位置，而后往透明试验罩内进行分层填筑高填方填料，同时在预设的位置处沿桩周埋设土压力计，填筑过程中需配合适度的压实，如此可模拟高填方中不同填筑层的土层结构；填筑完成后，将加压板置于填筑层顶部，继而通过液压加载系统压载加压板实现对填筑层的竖向加载，直至各个压力传感器测得的压力值总和为预先设定的竖向荷载P，后由计算机系统伺服控制整个试验过程中所施加的竖向荷载均维持在P值；

S2、拔桩试验测试：

装样和加载完成后，通过桩基拔升系统提升试验桩，桩基拔升系统的拔升力记为F，F为与拔升位移D相关的变量；开始拔桩试验测试，在此过程中控制加压板所施加的竖向荷载始终为P，通过桩基拔升系统以均匀的拔桩速率v匀速将试验桩向上拔起，该过程实时测量并反馈给计算机提升索所提供的拔升力F，同时全过程监测并反馈给计算机拔桩试验过程中的桩周土压力计的数值；拔桩过程中，以相同的速率跟进辅助桩上升，并与试验桩保持一定间距，确保拔桩过程中不发生桩孔塌壁和应力损失；

S3、做功积分求解：

以试验桩为受力分析对象，可知桩体在拔桩试验过程中受到自身重力W、桩身负摩阻力f_m以及拔升力F的作用，其中W为常数，f_m可根据摩尔库伦准则由桩周正应力、各填筑层与桩基间的负摩阻参数c、φ表示，F为与拔桩位移相关的变量；

因此，可基于试验全过程的监测数值，考虑做功积分方法构建做功平衡方程；

以三层填筑层为例，构建做功积分平衡方程：

①从拔桩位移为D_k开始，直至拔桩位移至D₃，建立首次做功积分平衡方程，该方程形如式(1)，含所有填筑层的6个未知的负摩阻参数c₃、φ₃、c₂、φ₂、c₁、φ₁；其中，D_k为净拔升力峰值点对应的位置；D₃为填筑层三顶面的位置；

②从拔桩位移为D₃开始，直至拔桩位移至D₂+D₃，建立第二次做功积分平衡方程，该方程形如式(2)，含填筑层一和填筑层二的4个未知的负摩阻参数c₂、φ₂、c₁、φ₁；其中，D₂+D₃为填筑层二顶面的位置；

③从拔桩位移为D₂+D₃开始，直至拔桩位移至D₁+D₂+D₃，建立第三次做功积分平衡方程，该方程形如式(3)，仅含填筑层一的2个未知的负摩阻参数c₁、φ₁；其中，D₁+D₂+D₃为填筑层一顶面的位置；

分别在不同的P值竖向荷载下开展试验，例如在P₁和P₂值下开展，则可分别获得如式(1)～(3)和式(4)～(6)所示的做功积分平衡方程；

P₁压力下：

P₂压力下：

式中，r为试验桩桩身半径，v为拔桩速率，t为时间，D为试验桩拔桩位移，D_kP1表示P₁条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，D_kP2表示P₂条件下净拔升力峰值点处的拔升位移，F(D)表示P₁条件下随拔桩位移变化的拔升力，F’(D)表示P₂条件下随拔桩位移变化的拔升力，表示P₁条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，表示P₂条件下随拔桩时间变化的桩周均值正应力，且t＝D/v；

此时，先联立式(3)和式(6)，即可求得填筑层一中的2个负摩阻参数c₁、φ₁；继而将其值代入式(2)和式(5)，联立求解即可获得填筑层二中的2个负摩阻参数c₂、φ₂；同样，将已求得的c₁、φ₁、c₂、φ₂代入式(1)和式(4)，进行联立求解，即可获取填筑层三中的2个负摩阻参数c₃、φ₃；最终实现对库岸高填方中桩基负摩阻参数的求解。