本發(fā)明涉及土木工程試驗技術領域，尤其涉及一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置及其試驗方法。

背景技術：

我國正在大力開展南海建設，積極實現(xiàn)“建設海洋強國”的戰(zhàn)略目標，而鈣質砂是一種廣泛分布于我國南海區(qū)域的天然地基土，它是由一種海洋生物成因、內部多孔隙、形狀不規(guī)則的特殊巖土介質，因此，對鈣質砂的研究有助于加快南海建設的進程，具有非常重大的戰(zhàn)略意義。樁基礎是工程建設中常用的地基處理方法，其具有承載力高，施工便捷、造價低等一系列優(yōu)點。然而由于鈣質砂本身具有易發(fā)生顆粒破碎的特性，在南海鈣質砂地區(qū)進行樁基工程建設，特別是在預制樁打樁過程中，由于沖擊荷載作用或者擠土效應使得樁周土體發(fā)生顆粒破碎，土體的顆粒破碎將改變土體的級配、土體的密實度，從而進一步影響樁基的承載力，因此，測定鈣質砂地基中預制樁在打樁過程中樁周土體的顆粒破碎情況對研究鈣質砂地基的樁基承載力具有非常重要的意義，而現(xiàn)有的研究中對樁土界面的受力試驗研究較少，更沒有專門的試驗裝置來研究樁土作用引起的顆粒破碎。因此，為填補這一空白，開發(fā)一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置及試驗方法成為一個刻不容緩的工作。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決鈣質砂地基的樁基建設過程中無法測定預制樁在打樁過程樁周土體顆粒破碎情況的問題，提供一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置及試驗方法。

為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術方案是這樣的，一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置，包括固定在實驗臺上的反力架和凍融模型箱。

所述反力架頂部橫梁的下表面設置有沉樁加載裝置。所述沉樁加載裝置下端可與模型樁相連，帶動模型樁沿縱向運動。所述模型樁中設置有溫度傳感器。

所述凍融模型箱布置在反力架測試中心區(qū)。所述凍融模型箱包括冷凍室和土樣室。

所述土樣室為上端敞口的矩形箱體。所述土樣室由金屬導熱材料制成。所述土樣室底部和內壁上均設有溫度傳感器。所述冷凍室為帶有頂蓋的矩形箱體。所述冷凍室由隔熱材料制成。

所述土樣室布置在冷凍室的內腔中。所述土樣室底部與冷凍室底部固定連接。所述冷凍室和土樣室之間形成空間S。所述空間S中注有冷凍液。所述冷凍室通過金屬冷卻管與制冷循環(huán)儀連通。試驗時，冷凍液在空間S和制冷循環(huán)儀之間循環(huán)流動。

一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置，其特征在于，包括固定在實驗臺上的反力架和凍融模型箱。

所述反力架頂部橫梁的下表面設置有沉樁加載裝置。所述沉樁加載裝置下端可與模型樁相連，帶動模型樁沿縱向運動。所述模型樁中設置有溫度傳感器。

所述凍融模型箱布置在反力架測試中心區(qū)。所述凍融模型箱包括冷凍室和土樣室。

所述土樣室為上端敞口且內中空的桶體。所述土樣室由金屬導熱材料制成。所述土樣室底部和內壁上均設有溫度傳感器。所述冷凍室為帶有頂蓋的中空桶體。所述冷凍室由隔熱材料制成。

所述土樣室布置在冷凍室的內腔中。所述土樣室底部與冷凍室底部固定連接。所述冷凍室和土樣室之間形成空間S。所述空間S中注有冷凍液。所述冷凍室通過金屬冷卻管與制冷循環(huán)儀連通。試驗時，冷凍液在空間S和制冷循環(huán)儀之間循環(huán)流動。

進一步，所述沉樁加載裝置包括電動加載裝置、傳動桿和模型樁安裝臺。其中，所述傳動桿設置在電動加載裝置下方，模型樁安裝臺設置在傳動桿下端。所述模型樁安裝臺上具有水準泡。所述模型樁安裝臺下表面具有固定螺旋帽。試驗時，模型樁插入固定螺旋帽預留的模型樁孔中，并通過擰緊螺栓固定在模型樁安裝臺上。電動加載裝置驅動傳動桿沿縱向運動，繼而帶動模型樁運動。

進一步，所述模型樁的樁徑為10mm～30mm，長度為100～300mm；所述制冷循環(huán)儀的溫控范圍為-20℃～80℃之間。

進一步，所述土樣室的長度為a,寬度為b，高度為c，壁厚為d。其中，a＝400～600mm，b＝400～600mm，c＝500～700mm，d＝5～10mm。所述冷凍室長度為900mm，寬度為900mmmm，高度為800mm，壁厚為10mm。

進一步，所述土樣室和冷凍室底部對應位置預留螺孔。所述土樣室和冷凍室通過螺栓固定連接。

本發(fā)明還公開一種關于上述模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置的試驗方法，包括以下步驟：

1)按照預定級配配制鈣質砂并混合均勻。

2)采用砂雨法將鈣質砂土樣裝入土樣室內，并根據(jù)所需飽和度灌入適量的水形成鈣質砂土層。其中，鈣質砂土樣的填充高度為300～500mm。

3)調整模型樁垂直度，將模型樁固定在沉樁加載裝置下端。

4)啟動加載裝置，按照要求將模型樁壓入鈣質砂土層設定深度。

5)蓋上冷凍室的蓋板，設定制冷循環(huán)儀溫度為-10℃，啟動制冷循環(huán)儀直至土樣室和模型樁內的溫度傳感器溫度穩(wěn)定到設定值。

6)關閉制冷循環(huán)儀，打開冷凍室的蓋板，用取土器取出不同樁徑和樁底范圍的鈣質砂土樣，測量土樣的體積和質量，然后將土樣放入烘箱在60℃下烘烤24小時。

7)土樣烘干后，通過振動篩粉機進行顆分試驗，可得到不同樁徑處鈣質砂的顆分曲線。

進一步，所述取土器為方形取土器。所述方形取土器為上下端均敞口的中空長方體。這個長方體長20～150mm，寬20～150mm，高100～600mm。所述中空長方體上下端敞口處均具有鋒利的金屬切刀。

進一步，所述取土器為圓形取土器。所述圓形取土器為上下端均敞口的中空圓柱體。這個中空圓柱體的內徑為39.1～50.1mm，高度為80～100mm。所述中空圓柱體上下端敞口處均具有鋒利的金屬切刀。

本發(fā)明的技術效果是毋庸置疑的：

A.本模型裝置可以很好的模擬鈣質砂地層樁基工程中預制樁的打樁過程，通過制冷循環(huán)儀凍結土樣從而獲得完整鈣質砂土樣，以研究鈣質砂地層經(jīng)受樁基處理后的顆粒破碎情況、級配演化以及密度變化，有效的解決了鈣質砂地基打樁過程中樁周和樁地土體的顆粒破碎試驗研究問題；

B.本模型裝置可以配合使用不同取土器，可以很好的獲得不同樁徑處的鈣質砂樣，從而較好的研究鈣質砂地層的顆粒破碎隨樁徑的變化情況；

C.本模型裝置根據(jù)需要模擬不同密實度、不同飽和度鈣質砂地基，不同直徑、不同樁型以及可以提供不同的沉樁加載速率，適用性廣。

附圖說明

圖1為模型裝置結構示意圖；

圖2為凍融模型箱工作示意圖；

圖3為凍融模型箱結構示意圖；

圖4為沉裝加載裝置結構示意圖；

圖5為方形取土器結構示意圖；

圖6為圓形取土器結構示意圖。

圖中：空間S、冷凍室1、頂蓋101、土樣室2、鈣質砂土層3、取土器4、模型樁5、冷凍液7、沉樁加載裝置8、電動加載裝置801、傳動桿802、模型樁安裝臺803、水準泡8031、固定螺旋帽8032、反力架9、制冷循環(huán)儀10、實驗臺11、金屬冷卻管12。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術思想的情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的保護范圍內。

實施例1：

本實施例提供一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置，包括固定在實驗臺11上的反力架9和凍融模型箱。

參見圖1，所述反力架9頂部橫梁的下表面設置有沉樁加載裝置8。所述沉樁加載裝置8下端可與模型樁5相連，帶動模型樁5沿縱向運動。所述沉樁加載裝置8可提供恒定的加載速率和恒定壓力，以模擬捶擊沉樁和靜壓沉樁。所述模型樁5中設置有溫度傳感器。

所述凍融模型箱布置在反力架9測試中心區(qū)，即凍融模型箱放置在沉樁加載裝置8的下方，且凍融模型箱與沉樁加載裝置8中心對準。所述凍融模型箱包括冷凍室1和土樣室2。

參見圖2和圖3，所述土樣室2為上端敞口且內中空的矩形箱體。所述土樣室2由金屬導熱材料制成。所述土樣室2底部和內壁上均設有溫度傳感器。所述冷凍室1為帶有頂蓋101的中空矩形箱體。所述冷凍室1由隔熱材料制成。

所述土樣室2布置在冷凍室1的內腔中。所述土樣室2和冷凍室1底部對應位置預留螺孔。所述土樣室2和冷凍室1通過螺栓固定連接。所述冷凍室1和土樣室2之間形成空間S。所述空間S中注有冷凍液7。所述冷凍室1通過金屬冷卻管12與制冷循環(huán)儀10連通。試驗時，冷凍液7在空間S和制冷循環(huán)儀10之間循環(huán)流動，以提供空間S內的凍結冷量。

實施例2：

本實施例提供一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置，包括固定在實驗臺11上的反力架9和凍融模型箱。

所述反力架9頂部橫梁的下表面設置有沉樁加載裝置8。所述沉樁加載裝置8下端可與模型樁5相連，帶動模型樁5沿縱向運動。所述沉樁加載裝置8可提供恒定的加載速率和恒定壓力，以模擬捶擊沉樁和靜壓沉樁。所述模型樁5中設置有溫度傳感器。

所述凍融模型箱布置在反力架9測試中心區(qū)，即凍融模型箱放置在沉樁加載裝置8的下方，且凍融模型箱與沉樁加載裝置8中心對準。所述凍融模型箱包括冷凍室1和土樣室2。

所述土樣室2為上端敞口且內中空的桶體。所述土樣室2由金屬導熱材料制成。所述土樣室2底部和內壁上均設有溫度傳感器。所述冷凍室1為帶有頂蓋101的中空桶體。所述冷凍室1由隔熱材料制成。

所述土樣室2布置在冷凍室1的內腔中。所述土樣室2和冷凍室1底部對應位置預留螺孔。所述土樣室2和冷凍室1通過螺栓固定連接。所述冷凍室1和土樣室2之間形成空間S。所述空間S中注有冷凍液7。所述冷凍室1通過金屬冷卻管12與制冷循環(huán)儀10連通。試驗時，冷凍液7在空間S和制冷循環(huán)儀10之間循環(huán)流動，以提供空間S內的凍結冷量。

實施例3：

本實施例提供一種模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置，包括固定在實驗臺11上的反力架9和凍融模型箱。

參見圖1，所述反力架9頂部橫梁的下表面設置有沉樁加載裝置8。

參見圖4，所述沉樁加載裝置8包括電動加載裝置801、傳動桿802和模型樁安裝臺803。其中，所述傳動桿802設置在電動加載裝置801下方，模型樁安裝臺803設置在傳動桿802下端。所述電動加載裝置為應力—應變控制式，可提供恒定的加載速率和恒定壓力，以模擬捶擊沉樁和靜壓沉樁。所述模型樁安裝臺803下表面具有固定螺旋帽8032。模型樁5插入固定螺旋帽8032預留的模型樁孔中，并通過擰緊螺栓固定在模型樁安裝臺803上。所述模型樁安裝臺803上還具有水準泡8031，以保證模型樁沉樁的垂直度。所述模型樁5的樁徑為10mm，長度為100mm。所述模型樁5中設置有溫度傳感器。試驗時，電動加載裝置801驅動傳動桿802沿縱向運動，繼而帶動模型樁5沿縱向運動。

所述凍融模型箱布置在反力架9測試中心區(qū)，即凍融模型箱放置在沉樁加載裝置8的下方，且凍融模型箱與沉樁加載裝置8中心對準。所述凍融模型箱包括冷凍室1和土樣室2。

參見圖2和圖3，所述土樣室2為上端敞口的矩形箱體。所述土樣室2由金屬導熱材料制成。所述土樣室2底部和內壁上均設有溫度傳感器。所述冷凍室1為帶有頂蓋101的矩形箱體。所述冷凍室1由隔熱材料制成。

所述土樣室2布置在冷凍室1的內腔中。所述土樣室2底部與冷凍室1底部固定連接。所述冷凍室1和土樣室2之間形成空間S。所述空間S中注有冷凍液7。所述冷凍室1通過金屬冷卻管12與制冷循環(huán)儀10連通。試驗時，冷凍液7在空間S和制冷循環(huán)儀10之間循環(huán)流動，以提供空間S內的凍結冷量。

值得說明的是，本實施例中，土樣室2的長度為500mm,寬度為400mm，高度為600mm，壁厚為10mm。冷凍室1長度為900mm，寬度為900mmmm，高度為800mm，壁厚為10mm。制冷循環(huán)儀10的溫控范圍為-20℃～80℃之間。

實施例4：

本實施例公開一種關于實施例1或2所述模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置的試驗方法，包括以下步驟：

1)按照預定級配配制鈣質砂并混合均勻。

2)采用砂雨法將鈣質砂土樣裝入土樣室2內，并根據(jù)所需飽和度灌入適量的水形成鈣質砂土層3。其中，鈣質砂土樣3的填充高度為300～500mm。

3)調整模型樁5的垂直度，將模型樁5固定在沉樁加載裝置8的下端。

4)啟動加載裝置，按照要求將模型樁5壓入鈣質砂土層3設定深度。

5)蓋上冷凍室1的蓋板101，設定制冷循環(huán)儀溫度為-10℃，啟動制冷循環(huán)儀直至土樣室2和模型樁5內的溫度傳感器溫度穩(wěn)定到設定值。

6)關閉制冷循環(huán)儀，打開冷凍室1的蓋板，用取土器4取出不同樁徑和樁底范圍的鈣質砂土樣，測量土樣的體積和質量，然后將土樣放入烘箱在60℃下烘烤24小時。其中，所述取土器4為方形取土器。參見圖6，所述方形取土器為上下端均敞口的中空長方體。這個長方體長100mm，寬70mm，高200mm。所述中空長方體上下端敞口處均具有鋒利的金屬切刀。

7)土樣烘干后，通過振動篩粉機進行顆分試驗，可得到不同樁徑處鈣質砂的顆分曲線。

實施例5：

本實施例公開一種關于實施例1或2所述模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置的試驗方法，包括以下步驟：

1)按照預定級配配制鈣質砂并混合均勻。

2)采用砂雨法將鈣質砂土樣裝入土樣室2內，并根據(jù)所需飽和度灌入適量的水形成鈣質砂土層3。其中，鈣質砂土樣3的填充高度為300～500mm。

3)調整模型樁5的垂直度，將模型樁5固定在沉樁加載裝置8的下端。

4)啟動加載裝置，按照要求將模型樁5壓入鈣質砂土層3設定深度。

5)蓋上冷凍室1的蓋板101，設定制冷循環(huán)儀溫度為-10℃，啟動制冷循環(huán)儀直至土樣室2和模型樁5內的溫度傳感器溫度穩(wěn)定到設定值。

6)關閉制冷循環(huán)儀，打開冷凍室1的蓋板，用取土器4取出不同樁徑和樁底范圍的鈣質砂土樣，測量土樣的體積和質量，然后將土樣放入烘箱在60℃下烘烤24小時。其中，所述取土器為圓形取土器。參見圖5，所述圓形取土器為上下端均敞口的中空圓柱體。這個中空圓柱體的內徑為39.1mm，高度為80mm。所述中空圓柱體上下端敞口處均具有鋒利的金屬切刀。

7)土樣烘干后，通過振動篩粉機進行顆分試驗，可得到不同樁徑處鈣質砂的顆分曲線。

實施例6：

本實施例公開一種關于實施例3所述模擬鈣質砂地基打樁過程顆粒破碎試驗模型裝置的試驗方法，包括以下步驟：

1)按照預定級配配制鈣質砂并混合均勻。

2)采用砂雨法將鈣質砂土樣裝入土樣室2內，并根據(jù)所需飽和度灌入適量的水形成鈣質砂土層3。其中，鈣質砂土樣3的填充高度為300～500mm。

3)將模型樁5插入沉樁加載裝置8下端螺旋帽6的預留孔中，調整模型樁5垂直度后通過螺栓將模型樁5固定。

4)啟動加載裝置，按照要求將模型樁5壓入鈣質砂土層3設定深度。

5)蓋上冷凍室1的蓋板101，設定制冷循環(huán)儀溫度為-10℃，啟動制冷循環(huán)儀直至土樣室2和模型樁5內的溫度傳感器溫度穩(wěn)定到設定值。

6)關閉制冷循環(huán)儀，打開冷凍室1的蓋板，用取土器4取出不同樁徑和樁底范圍的鈣質砂土樣，測量土樣的體積和質量，然后將土樣放入烘箱在60℃下烘烤24小時。

7)土樣烘干后，通過振動篩粉機進行顆分試驗，可得到不同樁徑處鈣質砂的顆分曲線。