本發(fā)明屬于地基測試領(lǐng)域，尤其涉及填土側(cè)摩阻力模型試驗裝置和試驗方法。

背景技術(shù)：

負(fù)摩阻力常發(fā)生于建于新填土、軟土、濕陷性黃土等土層中的樁基礎(chǔ)，或因地表大范圍堆載、土層中地下水位下降等原因產(chǎn)生，它使得樁基的承載力下降，沉降增大，對工程產(chǎn)生很大的危害。國內(nèi)外學(xué)者在負(fù)摩阻力的作用機(jī)理、計算方法、防治措施等方面開展了較多的研究工作，并取得了不少成果。但從現(xiàn)有資料看，其研究手段多以理論分析和數(shù)值計算為主，現(xiàn)場及室內(nèi)試驗成果較少。此外，對室內(nèi)模型試驗，其關(guān)鍵難點在于如何模擬填土的自重對樁施加作用的過程，該問題一直沒有很好解決。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了填土側(cè)摩阻力模型試驗裝置和試驗方法，通過開展模型試驗，為進(jìn)一步研究填土中負(fù)摩阻力的分布規(guī)律及計算方法，為設(shè)計提供理論依據(jù)。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種填土側(cè)摩阻力模型試驗裝置，包括樁基礎(chǔ)、模型箱、模型樁和載荷裝置，模型箱設(shè)于樁基礎(chǔ)上方由樁基礎(chǔ)支撐，樁基礎(chǔ)由豎直設(shè)置支撐模型箱的筒體，以及填充于筒體內(nèi)的原狀巖土層構(gòu)成，模型樁豎直設(shè)于模型箱內(nèi)，其下端由原狀巖土層支撐，其頂端設(shè)置逐級加載的載荷裝置，模型樁與模型箱之間填充填土；模型樁為一圓柱管，管外表面粘貼砂粒，管內(nèi)壁沿軸向布置若干層全橋連接的應(yīng)變片，每層應(yīng)變片由對稱布置的若干個應(yīng)變片組成；模型箱由若干個上下間隔層疊設(shè)置的模型環(huán)，以及可拆卸式設(shè)于各模型環(huán)之間用以限制各模型環(huán)之間不能相對位移的約束構(gòu)成，模型環(huán)由環(huán)狀體、承重環(huán)和擋土環(huán)構(gòu)成，承重環(huán)為設(shè)于環(huán)狀體內(nèi)壁底部的水平環(huán)形結(jié)構(gòu)(即一水平的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))，擋土環(huán)為設(shè)于承重環(huán)下方，且高度大于等于該模型環(huán)與下方模型環(huán)之間間隙高度的豎直環(huán)形結(jié)構(gòu)(即一豎直的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))；模型樁與模型箱之間填土內(nèi)沿深度方向布置有若干個土壓力盒和沉降量測點。

本發(fā)明中，模型樁的管外表面粘貼砂粒，以滿足樁-土間摩擦系數(shù)的相似要求。模型環(huán)由環(huán)狀體、承重環(huán)和擋土環(huán)構(gòu)成。環(huán)狀體的自重以及承重環(huán)上部填土的自重通過承重環(huán)傳遞給其下方填土，以模擬填土的自重應(yīng)力。此外，每個鋼環(huán)下部設(shè)置一道擋土環(huán)，以防止填土外漏。樁頂沉降由模型樁樁頂高度的變化量測，模型樁內(nèi)的應(yīng)變片量測樁身應(yīng)變，填土中土壓力盒量測填土壓力，沉降量測點量測土層沉降。

由于試驗時，很難按需要控制填土在自身重力作用下發(fā)生固結(jié)沉降的過程(例如，填土在填筑過程中即開始固結(jié)沉降，而當(dāng)開始量測時，有相當(dāng)部分的沉降已完成，而其準(zhǔn)確量值也難以估算)，故如前所述，以環(huán)狀體的自重以及承重環(huán)上部填土的重力作用于填土上，以其產(chǎn)生的壓力模擬填土自重產(chǎn)生的壓力(試驗時，應(yīng)使填土自重產(chǎn)生的固結(jié)沉降先期完成)。在試驗之前，周圍環(huán)狀體間有約束支承時，環(huán)狀體不產(chǎn)生沉降，其重力就不會傳至填土。撤去約束支承時，其重力就會傳至填土，使填土發(fā)生沉降，并在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。通過這種方法，可按試驗的需要，本發(fā)明可以有效地控制填土沉降的發(fā)生時間。

作為選擇，模型環(huán)的環(huán)狀體為添加有鋼砂的鋼盒。該方案中，通過向鋼盒中添加鐵砂以獲得足夠的重量，可以通過鋼砂量靈活方便地控制載荷的逐級加載。

作為選擇，在填土的沉降測量點埋入有帶引出線的鋼板，引出線與百分表連接用以量測沉降。

作為選擇，模型樁頂端設(shè)置的載荷裝置為加載平臺，加載平臺采用鋼塊或砝碼分級加載。

作為選擇，樁基礎(chǔ)的筒體內(nèi)的原狀巖土層為強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化的軟巖。

作為選擇，模型樁為一鋁管，鋁管由軸向剖分的兩半拼合構(gòu)成。該方案中，為便于固定(例如粘貼)應(yīng)變片，將鋁管剖分為兩半，固定(例如粘貼)好后，再將其合為一體。

作為選擇，模型樁管內(nèi)壁沿軸向布置8～10層全橋連接的應(yīng)變片，每層應(yīng)變片由對稱布置的4個應(yīng)變片組成。該方案中，每個截面需對稱布置若干個應(yīng)變片可以消除偏心影響。

作為選擇，模型箱的填土中沿深度方向布置5～6個土壓力盒。

作為選擇，模型箱的填土中沿深度方向布置5～6個沉降量測點。

一種前述填土側(cè)摩阻力模型試驗裝置的試驗方法，依次包括以下步驟：

1)填土和設(shè)樁：

架設(shè)好樁基礎(chǔ)，逐層布置模型箱的模型環(huán)并在模型箱中填土，安置好模型樁，此時模型箱的各模型環(huán)位置固定，相互之間不能發(fā)生相對位移，逐層填土的過程中，同時布置好土壓力盒及沉降量測點；

2)樁頂加載：

采用不同的加載方式，并設(shè)樁頂最大荷載為pmax，試驗時按不同的級別施加：

第一種加載方式：先不施加樁頂荷載，而使填土在重力作用下充分固結(jié)沉降，并在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，待沉降完成后，再分級施加樁頂荷載：每級加載后，量測樁及土的變形和受力，穩(wěn)定后，加下一級荷載，依此逐級加至最大荷載；

第二種加載方式：先施加樁頂荷載，待變形及受力穩(wěn)定后，再使填土層在重力作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降，直至穩(wěn)定；然后，重新填土及安樁，改變樁頂荷載，重復(fù)上述過程；

步驟2)中土層固結(jié)沉降的實現(xiàn)方法：

在試驗時，不需要土層沉降時，模型箱的各模型環(huán)間由約束限制，模型環(huán)不產(chǎn)生沉降；當(dāng)需要產(chǎn)生土層沉降時，撤去模型箱的各模型環(huán)間約束，其重力傳至填土，使填土發(fā)生沉降，并在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力；

3)量測：

按一定的時間間隔，量測樁頂沉降、土層沉降、樁身應(yīng)變、填土壓力，直至變形及應(yīng)力穩(wěn)定。

作為選擇，撤去模型箱的各模型環(huán)間約束時，自上而下逐層撤去。

作為選擇，樁頂荷載按以下級別施加：p＝0、0.2pmax、0.4pmax、0.6pmax、0.8pmax、pmax。

前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案；且本發(fā)明，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

本發(fā)明的有益效果：通過模型試驗，結(jié)合數(shù)值計算分析及現(xiàn)場量測可以得到：

(1)填土自重及外荷載作用下樁的沉降；

(2)樁的軸力沿樁身的分布；

(3)樁側(cè)摩阻力的分布形式以及中性點位置等。

(4)不同深度填土的沉降。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例的模型環(huán)的縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的模型環(huán)的橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

其中1為模型樁、2為載荷裝置、3為筒體、4為原狀巖土層、5為填土、6為應(yīng)變片、7為模型環(huán)、71為環(huán)狀體、72為承重環(huán)、73為擋土環(huán)、8為約束、9為土壓力盒、10為沉降量測點。

具體實施方式

下列非限制性實施例用于說明本發(fā)明。

參考圖1至3所示，一種填土側(cè)摩阻力模型試驗裝置，包括樁基礎(chǔ)、模型箱、模型樁1和載荷裝置2，模型箱設(shè)于樁基礎(chǔ)上方由樁基礎(chǔ)支撐，樁基礎(chǔ)由豎直設(shè)置支撐模型箱的筒體3，以及填充于筒體3內(nèi)的原狀巖土層4構(gòu)成，模型樁1豎直設(shè)于模型箱內(nèi)，其下端由原狀巖土層4支撐，其頂端設(shè)置逐級加載的載荷裝置2，模型樁1與模型箱之間填充填土5；模型樁1為一圓柱管，管外表面粘貼砂粒，管內(nèi)壁沿軸向布置若干層全橋連接的應(yīng)變片6，每層應(yīng)變片6由對稱布置的若干個應(yīng)變片6組成；模型箱由若干個上下間隔層疊設(shè)置的模型環(huán)7，以及可拆卸式設(shè)于各模型環(huán)7之間用以限制各模型環(huán)7之間不能相對位移的約束8構(gòu)成，模型環(huán)7由環(huán)狀體71、承重環(huán)72和擋土環(huán)73構(gòu)成，承重環(huán)72為設(shè)于環(huán)狀體71內(nèi)壁底部的水平環(huán)形結(jié)構(gòu)(即一水平的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))，例如鋼片，擋土環(huán)73為設(shè)于承重環(huán)72下方，且高度大于等于該模型環(huán)7與下方模型環(huán)7之間間隙高度的豎直環(huán)形結(jié)構(gòu)(即一豎直的面沿水平面環(huán)繞成環(huán))；模型樁1與模型箱之間填土5內(nèi)沿深度方向布置有若干個土壓力盒9和沉降量測點10。作為選擇，如本實施例所示，模型環(huán)7為一鋼環(huán)，其環(huán)狀體71為添加有鋼砂的鋼盒。在填土5的沉降測量點10埋入有帶引出線的鋼板，引出線與百分表連接用以量測沉降。模型樁1頂端設(shè)置的載荷裝置2為加載平臺，加載平臺采用鋼塊或砝碼分級加載。樁基礎(chǔ)的筒體3內(nèi)的原狀巖土層4為強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化的軟巖(如泥巖、砂巖)。

作為示例，設(shè)計一種與現(xiàn)場原形幾何相似比為25的側(cè)摩阻力測試裝置并進(jìn)行試驗：

1.原型的參數(shù)：

樁直徑為0.8m，長度為20m；樁側(cè)土層為填土，樁底以下為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化的砂巖。

樁頂豎向荷載為6000kn。

2.室內(nèi)模型試驗：

(1)相似比：

按照相似理論，樁側(cè)填土的內(nèi)摩擦應(yīng)等于實際填土的內(nèi)摩擦角，即cφ＝1，而黏聚力的相似比cc＝25(即模型土的黏聚力為原型土的1/25)，同樣，其變形模量的ce＝25。

幾何相似比(原型/模型)為cl＝25，填土重度的相似比cγ＝2.5由此可確定試驗所需的相似材料。

(2)試驗設(shè)備：

1)模型箱(如圖1至3所示)：

①根據(jù)模型樁1的長度、直徑，為消除邊界影響，采用直徑800mm、高度1600mm的圓柱型模型箱。模型樁1的樁長為0.8m，外徑30mm、內(nèi)徑28mm，樁身材料為鋁管或其他材料，并在鋁管外表面粘貼砂粒，以滿足樁-土間摩擦系數(shù)的相似要求。

②為模擬填土的自重作用，擬采用分離式模型環(huán)7組成模型箱的外壁：在模型樁1埋好以前，各模型環(huán)7通過約束8位置固定，相互之間不能發(fā)生位移。模型樁1埋設(shè)好后，取掉模型環(huán)7之間的約束8，使土層在模型環(huán)7自重作用下發(fā)生沉降。

2)作用在樁頂上的荷載：

模型樁1樁頂最大豎向荷載為384n，可采用在樁頂剛性支架上設(shè)置加載平臺，采用鋼塊或砝碼等重物分級加載。

(3)量測元件及布置方式：

1)采用百分比量測樁頂位移及填土的沉降。

2)在模型樁1樁身布置8～10個截面量測應(yīng)變，由應(yīng)變可推得樁身軸力、摩阻力的分布情況。為消除偏心影響，每個截面需對稱布置4個應(yīng)變片。采用全橋連接。

3)填土中不同深度布置5～6個土壓力量測斷面，通過土壓力盒9量測土中豎向壓力隨深度的變化。

4)填土中不同深度布置5～6個沉降量測點10，通過百分表量測填土在不同深度處的沉降。

(4)試驗過程：

1)填土和設(shè)樁：

在模型箱中填充填土5，并安置好模型樁1。此時模型環(huán)7位置固定，相互之間不能發(fā)生相對位移。逐層填土的過程中，同時布置好土壓力盒9及沉降量測點10。

2)樁頂加載：

在實際工程中，上部結(jié)構(gòu)在樁頂產(chǎn)生的壓力是逐漸增加的，填土施加在樁側(cè)的摩阻力也是隨填土層的固結(jié)沉降逐步發(fā)生的，這樣，就存在一個樁頂壓力、填土摩阻力施加的先后順序的問題。為反映出這一因素對負(fù)摩阻力的影響，在模型試驗時，將采用不同的加載方式。

①設(shè)樁頂最大荷載為pmax，試驗時按不同的級別施加，如p＝0、0.2pmax、0.4pmax、0.6pmax、0.8pmax、pmax。

②第一種加載方式：先不施加樁頂荷載，而使填土5在重力作用下充分固結(jié)沉降，并在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。待沉降完成后，再分級施加樁頂荷載：每級加載后，量測樁及土的變形和受力，穩(wěn)定后，加下一級荷載，依此逐級加至最大荷載。

③第二種加載方式：先施加樁頂荷載，待變形及受力穩(wěn)定后，再使填土5在重力作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降，直至穩(wěn)定。然后，重新填土及安樁，改變樁頂荷載，重復(fù)上述過程。也就是說，對上述每一級的樁頂荷載，都需重新進(jìn)行填土設(shè)樁加載土層沉降量測的試驗過程。

前述2)樁頂加載中土層沉降的實現(xiàn)：

由于試驗時，很難按需要控制填土在自身重力作用下發(fā)生固結(jié)沉降的過程(例如，填土在填筑過程中即開始固結(jié)沉降，而當(dāng)開始量測時，有相當(dāng)部分的沉降已完成，而其準(zhǔn)確量值也難以估算)，故如前所述，以土周圍模型環(huán)7的重力作用于填土上，以其產(chǎn)生的壓力模擬填土自重產(chǎn)生的壓力(試驗時，應(yīng)使填土自重產(chǎn)生的固結(jié)沉降先期完成)。在試驗時，周圍模型環(huán)7間有約束8支承時，模型環(huán)7不產(chǎn)生沉降，其重力就不會傳至填土5。撤去約束8支承時，其重力就會傳至填土5，使填土5發(fā)生沉降，并在樁側(cè)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。通過這種方法，可按試驗的需要，有效地控制填土沉降的發(fā)生時間。

4)量測：

按一定的時間間隔，量測樁頂沉降、土層沉降、樁身應(yīng)變、填土壓力等，直至變形及應(yīng)力穩(wěn)定。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。