本發(fā)明屬基礎(chǔ)工程特別是沿海軟土地區(qū)基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域，具體設(shè)計一種模擬注漿擴底樁抗抜承載力的試驗方法，該發(fā)明簡單易行，經(jīng)濟可靠。

背景技術(shù)：

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，地下空間的利用成為新的發(fā)展方向。但在我國沿海軟土地區(qū)，由于地下水位較高，大規(guī)模地下建筑的抗浮問題成為地下工程界的焦點問題。設(shè)置抗拔樁是解決地下工程抗浮問題的常用方法，長期以來得到廣泛的應(yīng)用。新型注漿成型擴底樁借鑒了傳統(tǒng)擴底樁的抗拔機理和注漿技術(shù)，將注漿成型裝置優(yōu)化為圓柱形，安裝在鋼筋籠底部，鉆孔灌注樁混凝土澆搗完成以后注漿就能夠在樁底形成擴大頭，完成了注漿成型擴底鉆孔灌注樁

抗拔樁的承載能力主要取決于樁端阻力，新型注漿成型擴底樁的抗拔承載力的提高主要源于擴底過程中的擠土效應(yīng)和注漿滲透時對擴大頭周圍土體的二次硬化，從而極大地提高了抗拔承載力。因此，對新型注漿成型擴底樁的力學特性的研究具有巨大的工程價值。

目前，新型注漿成型擴底樁的應(yīng)用尚處于起步階段，國內(nèi)外對其承載能力的研究并不充分。為彌補擴底樁現(xiàn)有研究的不足，針對擴底樁抗拔承載力研究亟待解決的問題，本發(fā)明提出一種測試新型注漿成型擴底樁力學性質(zhì)的試驗方法，從而更好的指導注漿成型螺紋抗拔樁的工程實踐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對新型注漿成型擴底抗拔樁承載力研究亟待解決的問題，提出一種試驗方法。

本發(fā)明提出的一種模擬注漿擴底樁抗抜承載力的試驗方法，把復(fù)雜的注漿過程等價轉(zhuǎn)換為較簡單的擴大頭等直徑擴大的方案模擬真實情況，采用室內(nèi)樁土模型試驗儀，進行模型樁擴底的抗抜試驗，獲得拉力和位移之間的關(guān)系，從而了解注漿成型擴底樁的力學特性；

所述室內(nèi)樁土模型試驗儀由樁土模型箱、加壓裝置、側(cè)向拉拔裝置和數(shù)據(jù)采集裝置組成，樁土模型箱為立方體結(jié)構(gòu)，樁土模型箱頂部設(shè)有加壓裝置，加壓裝置與杠桿一端連接，杠桿另一端懸掛砝碼進行加載；樁土模型箱前部開有圓孔，模型樁端部穿過該圓孔與側(cè)向拉拔裝置連接，加壓裝置下端與模型箱之間設(shè)有力傳感器和位移傳感器；

模型樁包括擴大頭頂板、擴大頭底板、擴大頭側(cè)板、螺栓和樁身，擴大頭頂板和擴大頭底板兩端設(shè)有卡槽，擴大頭頂板和擴大頭底板水平布置，兩塊擴大頭側(cè)板垂直布置，擴大頭頂板、擴大頭底板和兩塊擴大頭側(cè)板組成框架結(jié)構(gòu)，模型樁內(nèi)設(shè)有滑塊，所述滑塊與擴大頭底板之間固定有三塊通過鉸鏈合頁連接的弧形板以及彈簧，擴大頭頂板上方通過螺栓連接樁身，樁身內(nèi)設(shè)有兩塊可滑動橡膠塊，由兩塊可滑動橡膠塊和樁身內(nèi)壁組成的空間構(gòu)成一個密封區(qū)，所述密封區(qū)通過管道連接充氣泵，傳動桿一端依次穿過樁身和擴大頭頂板，通過螺栓與滑動連接；傳動桿上端設(shè)有刻度線；

具體步驟如下：

（1）模型樁制備和標定土壓力盒

在使用前對土壓力盒進行標定，以便于后續(xù)實驗過程中將土壓力盒量測得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真實的土壓力值；具體為：將土壓力盒平放在桌面上，通上電源，然后在其上面壓上已知重量的砝碼，用萬用表記錄下此時土壓力盒的電信號值，得到第一組數(shù)據(jù)，采用相同的方法，更換另一種已知重量的砝碼，得到第二組數(shù)據(jù)；這樣得到壓力和電信號值之間的關(guān)系；在模型試驗的操作時，通過電信號值就可以根據(jù)標定曲線得到對應(yīng)的土壓力值；

（2）埋置模型樁和土壓力盒

需要將待加載的模型樁埋置在樁土模型箱內(nèi)，所用土樣為粉細砂，采用落雨-夯實的方式進行土樣的裝填，為保證每組試驗土樣初始狀態(tài)的一致性，裝填中應(yīng)定量落雨，逐層夯實，以此控制填砂密實程度一致；

具體為：使用同種規(guī)格不銹鋼盆向樁土模型箱內(nèi)采用落雨傾倒方式加粉細砂，并使其在模型箱內(nèi)平鋪，每向樁土模型箱中使用不銹鋼盆傾倒 10 盆粉細砂，當填砂平面上升 3.5cm時，進行一次夯實，依照 s 形逐排夯實，待夯實完成后，填砂平面下降 1cm，而后繼續(xù)落雨填砂，如此往復(fù)循環(huán)，直至裝填到預(yù)定高度；待填砂平面到達位于模型箱前部所開圓孔底部時，進行模型樁的安放；首先用抹泥板將填砂表面嚴格整平，而后將模型樁順直放置在填砂平面上，模型樁的樁身需與圓孔所在的樁土模型箱側(cè)壁保持嚴格的垂直，以確保試驗過程中對樁體的拉拔保持軸向，不引起偏心；模型樁頂部從圓孔伸出 3cm，以便與側(cè)向拉拔裝置連接，模型樁與側(cè)向拉拔裝置之間安裝有位移傳感器及力傳感器，通過側(cè)向拉拔裝置上的精密螺桿輸出向上或者向下的位移；將模型樁安放妥當后，在模型樁四周覆蓋一層薄砂，并在其上安放用于測量土壓力的土壓力盒，繼續(xù)填砂；

（3）連接加載設(shè)備

模型箱內(nèi)的填砂平面隨著填砂進程不斷上升，待填砂平面升至距模型箱頂 2cm 距離時，停止填砂，將帶有鋼柱的鋼板覆蓋到粉細砂頂面，為防止頂部固結(jié)加壓裝置加壓過程中鋼柱發(fā)生偏斜導致鋼板無法豎向垂直施壓，影響試驗效果，在鋼柱頂端安裝一加固橫梁，而后在固結(jié)加載裝置的杠桿一側(cè)添加需要的砝碼，啟動固結(jié)加載裝置，對模型箱內(nèi)的土樣頂部施加豎向壓力。

將側(cè)向拉拔裝置與模型箱壁進行連接之后，需進行模型樁的樁頭與拉力傳感器的連接；該連接實現(xiàn)兩個功能：一是需要保證模型樁在樁體上拔程中始終處于軸向受拉狀態(tài)，不發(fā)生偏斜；二是需要確保該連接構(gòu)件本身在上拔力的作用下變形很小，相對于樁體的上拔位移可以忽略不計。采用鋼制 U 形扣連接方式，能夠很好滿足以上的兩點要求。

將帶有橫梁的鋼制樁帽通過螺紋與樁頂相連，然后將 U 形扣穿過樁帽的橫梁，并將開口對準拉力傳感器的鋼環(huán)，隨后使用螺帽將 U 形扣的開口封閉，從而實現(xiàn)樁頂與拉力傳感器的連接。

（4）抗抜加載測試

側(cè)向拉拔裝置所有參數(shù)設(shè)定完畢，然后進行調(diào)試，啟動室內(nèi)樁土模型試驗儀，由擴大頭內(nèi)部的滑塊，通過氣壓伺服傳動機制移動滑塊，來帶動傳動桿水平移動，直到達到目標擴大頭直徑，然后開始拔樁；采用位移加載方式，模型樁在拉拔試驗過程中，控制拉拔速率為 0.1mm/min 不變，當側(cè)向拉拔位移達到 6mm 時終止試驗；最后導出位移與荷載的關(guān)系曲線以及土壓力在不同位移時達到的土壓力值，用以分析土體的破壞機理以及擴底樁的抗拔承載力特性。

本發(fā)明中，所述步驟（1）中，模型樁選用鋼管制作，其可加工性強，拉伸強度大，保證了在試驗中模型樁能夠承受較大的上拔荷載而不被拉斷。模型共分兩部分，擴大頭部分和樁身部分，用螺栓連接。其中擴大頭部分由三塊孤型板用鉸鏈合頁連接，擴大頭頂板與樁身主體骨架用螺栓連接，共有三種不同的尺寸，以模擬不同的擴大頭直徑。其中，最重要的擴底過程用機械擴底的方法來實現(xiàn)。

本發(fā)明的有益效果在于：

注漿成型擴底樁是一種新型的抗拔樁基礎(chǔ)形式，國內(nèi)外對其承載能力的研究并不充分，對擴底樁樁土接觸面力學性質(zhì)的研究基本處于空白狀態(tài)。本發(fā)明提出一種注漿成型擴底抗拔樁抗抜承載力力學特性的測試方法，基于此可以了解注漿成型擴底抗拔樁端阻和側(cè)阻的發(fā)揮特性和荷載傳遞規(guī)律，得到這一新型擴底抗拔樁的關(guān)鍵性設(shè)計參數(shù)即擴大頭尺寸，從而合理地指導注漿成型擴底抗拔樁的工程實踐，確保新型樁基推廣應(yīng)用的經(jīng)濟性。

附圖說明

圖1為模型樁擴底前狀態(tài)圖；

圖2為模型樁擴底后狀態(tài)圖；

圖3為1-1剖面圖；

圖4為2-2剖面圖；

圖5為裝置正立面示意圖；

圖6為固結(jié)加載裝置側(cè)立面示意圖；

圖中標號：１為刻度線，2-螺紋（連接拉拔裝置），3-螺栓，4-擴大頭頂板，5-卡槽，6-擴大頭底板，7-充氣泵，8-密封區(qū)，9-可滑動橡膠塊，10-擴大頭側(cè)板，11-滑塊，12-彈簧，13-固定螺栓，14-加壓裝置，15-模型箱，16-側(cè)向拉拔裝置，17-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，18-模型樁，19-土壓力盒。

具體實施方式

下面通過實施例結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。

實施例１：

１、試驗方案

本試驗開展模擬新型注漿成型擴底樁的室內(nèi)模型抗拔承載力試驗，同時考察擴大頭直徑與樁身直徑之比（簡稱頭徑比）、擴大頭長度及直徑之比（簡稱長徑比）等參數(shù)對注漿成型擴底樁承載特性的影響。以此認識剪切過程中荷載傳遞規(guī)律，擴大頭附近土壓力分布規(guī)律和變化特性，初步探索注漿成型擴底樁的承載機理。同時開展不同法向壓力條件下的擴底樁抗拔試驗，以考察不同埋深處擴大頭端阻的發(fā)揮性狀。實驗方案布置如圖2 所示。同時擬定進行2種不同擴大頭長度的擴底樁分別在100kPa、200kPa豎向圍壓下分別以1.5和2的頭頸比（擴大頭直徑和樁身直徑之比）擠擴土體的模擬抗拔試驗，為了方便試驗的開展，本試驗采用的模型樁樁身直徑取40mm，擴大頭擴大后直徑分別為60mm和80mm，同時還分別考慮兩種擴大頭的長度（75mm、100mm），共6組。

２、試驗裝置

采用的主要設(shè)備為室內(nèi)樁土模型試驗儀，主要由以下四部分構(gòu)成：樁土模型箱、加壓裝置、側(cè)向拉拔裝置、數(shù)據(jù)采集裝置。

2.1 樁土模型箱

樁土模型箱采用鋼板焊接而成，能夠在試驗所需的頂壓下保證足夠的強度與剛度。其內(nèi)部尺寸為 850mm×850mm×900mm （長×寬×高），模型箱的頂部配有相應(yīng)的鋼板，并與加壓裝置相連；模型箱的前部開有一圓孔，可以使模型樁頭穿過此圓孔與側(cè)向拉拔裝置連接。

2.2 加壓裝置

加壓裝置采用由南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的 DGJ-250 型大型離心機固結(jié)加載裝置。使用時在固結(jié)裝置的一端懸掛砝碼進行加載，經(jīng)由電機制動進行平衡后的杠桿對施加的荷載進行放大，從而得到試驗所需的高固結(jié)壓力，本加載裝置杠桿放大系數(shù)為 36 倍。

2.3 側(cè)向拉拔裝置

側(cè)向拉拔裝置如圖4所示，通過儀器內(nèi)部的精密螺桿輸出向上或者向下的位移，以此來實現(xiàn)對模型樁的拉拔及施壓。裝置位移的輸出速度可自行設(shè)定，速度范圍在0.01mm/min~5mm/min 之間。加載裝置下端與模型樁連接部位安裝有位移及力的傳感器，并通過數(shù)據(jù)線連接電腦可以實時輸出模型樁樁頂?shù)奈灰萍昂奢d。

2.4 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集裝置利用 VB 程序編制數(shù)據(jù)自動采集軟件，采集軟件可設(shè)定數(shù)據(jù)采樣周期，默認為 1s 采集一次（即每分鐘采集 60 組位移及荷載的數(shù)值），并可以將數(shù)據(jù)實時存儲到指定的數(shù)據(jù)庫中。

2.5 模型樁

為了模擬注漿擴底的過程，擬設(shè)計制作一種新型的模型樁，如圖5所示。該模型樁選用鋼管制作，其可加工性強，拉伸強度大，保證了在試驗中模型樁能夠承受較大的上拔荷載而不被拉斷。模型共分兩部分，擴大頭部分和樁身部分，用螺栓連接。其中擴大頭部分由三塊孤型板用鉸鏈合頁連接，擴大頭頂板與樁身主體骨架用螺栓連接，共有三種不同的尺寸，以模擬不同的擴大頭直徑。其中，最重要的擴底過程用電機氣壓控制鋼管內(nèi)滑塊的升降，然后通過傳動桿帶動擴大頭部分的三塊弧形鋼板水平移動來形成擴大頭。

具體步驟如下：

１、制作模型樁和標定土壓力盒

本試驗采用的土壓力盒在使用前需要進行標定，以便于后續(xù)實驗過程中將土壓力盒量測的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為真實的土壓力值。具體的操作如下：將土壓力盒平放在桌面上，通上電源，然后在上面壓上已知重量的砝碼，用萬用表記錄下此時土壓力盒的電信號值，更換另一種已知重量的砝碼，得到第二組數(shù)據(jù)。這樣，就可以得到壓力和電信號值之間的關(guān)系。在模型試驗的操作時，只要知道電信號值就可以根據(jù)標定曲線得到對應(yīng)的土壓力值。

２、埋置模型樁和土壓力盒

將待加載的模型樁埋置在樁土模型箱內(nèi)。本次試驗樁所用土樣為粉細砂，故而采用落雨—夯實的方式進行土樣的裝填，為保證每組試驗土樣初始狀態(tài)的一致性，裝填中應(yīng)定量落雨，逐層夯實，以此控制填砂密實程度一致。具體地，使用同種規(guī)格不銹鋼盆向模型箱內(nèi)將粉細砂落雨傾倒，并使其在箱內(nèi)平鋪，每向模型箱中使用不銹鋼盆傾倒 10 盆粉細砂，填砂平面上升 3.5cm，而后進行一次夯實，依照 s 形逐排夯實，待夯實完成后，填砂平面下降 1cm，而后繼續(xù)落雨填砂，如此往復(fù)循環(huán)，直至裝填到預(yù)定高度。

待填砂平面到達位于模型箱中部圓孔底部時，進行模型樁的安放。首先用抹泥板將填砂表面嚴格整平，而后將模型樁順直放置在填砂平面上，樁身需與圓孔所在的箱體側(cè)壁保持嚴格的垂直，以確保試驗過程中對樁體的拉拔保持軸向，不引起偏心。樁頂部從圓孔伸出 3cm，以待后續(xù)與拉拔裝置連接。將模型樁安放妥當后，在樁周覆蓋一層薄砂并安放用于測量土壓力的土壓力盒，繼續(xù)填砂。

３、連接加載設(shè)備

模型箱內(nèi)的填砂平面隨著填砂進程不斷上升，待該平面升至距箱頂 2cm 距離時，停止填砂，并將帶有鋼柱的鋼板覆蓋到砂土頂面，為防止頂部加壓過程中鋼柱發(fā)生偏斜導致加壓鋼板無法豎向垂直施壓，影響試驗效果，為此特別在鋼柱頂端安裝一加固橫梁，而后在固結(jié)加載裝置的杠桿一側(cè)添加需要的砝碼，啟動固結(jié)加載裝置，對模型箱內(nèi)的土樣頂部施加豎向壓力。

將側(cè)向拉拔裝置與模型箱壁進行連接之后，需進行模型樁的樁頭與拉力傳感器的連接。該連接需要實現(xiàn)以下兩個功能：一是需要保證模型樁在樁體上拔程中始終處于軸向受拉狀態(tài)，不發(fā)生偏斜；二是需要確保該連接構(gòu)件本身在上拔力的作用下變形很小，相對于樁體的上拔位移可以忽略不計。采用鋼制 U 形扣連接方式，能夠很好滿足以上的兩點要求。將帶有橫梁的鋼制樁帽通過螺紋與樁頂相連，然后將 U 形扣穿過樁帽的橫梁，并將開口對準拉力傳感器的鋼環(huán)，隨后使用螺帽將 U 形扣的開口封閉，從而實現(xiàn)樁頂與拉力傳感器的連接。

4 抗抜加載測試

側(cè)向拉拔裝置所有參數(shù)設(shè)定完畢，然后進行各連接線路的調(diào)試，最后啟動裝置，藉由擴大頭內(nèi)部的滑塊，通過氣壓伺服傳動機制移動滑塊，來帶動傳動桿水平移動，直到達到目標擴大頭直徑，然后開始拔樁。如前所述，本次試驗采用位移加載方式，模型樁在拉拔試驗過程中，控制拉拔速率為 0.1mm/min 不變，當側(cè)向拉拔位移達到 6mm 時終止試驗。最后導出位移與荷載的關(guān)系曲線以及土壓力在不同位移時達到的土壓力值，用以分析土體的破壞機理以及擴底樁的抗拔承載力特性。

本發(fā)明已以較實例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明不限于上述實例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明的范疇所做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。