本發(fā)明涉及單樁水平承載特性的測試方法，特別是考慮承壓水作用下單樁水平承載特性的測試方法，主要適用于室內承壓水作用下單樁水平承載特性方面的研究，屬于樁基測試技術領域。

背景技術：

樁基礎已廣泛應用于工業(yè)和民用建筑之中，成為一種重要的基礎形式。由于高層及超高層建筑物越來越多，其樁基礎也越來越深，特別是對于有承壓水地層的區(qū)域，樁基礎可能會進入或穿過承壓水土層，由于承壓水的影響，使得樁基承載性狀不同于無承壓水區(qū)域。為了獲得樁土性狀及單樁承載力的變化規(guī)律，常采用單樁現(xiàn)場承載試驗進行研究，在現(xiàn)場試驗中由于承壓水層受試驗場地區(qū)域邊界影響難以控制承壓水的水壓和水量，造成現(xiàn)場實測試驗數(shù)據(jù)的離散性大、效果差，難以獲得與之相匹配的樁土承載性狀規(guī)律，而且現(xiàn)場試驗的周期長、費用高，通常一組(3根樁)有承壓水作用下的單樁水平承載力試驗需要幾個月才能完成，且所需費用高達幾十萬甚至上百萬。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有單樁水平承載特性測試方式的效果較差、操作不便、工期較長、費用高昂的不足，本發(fā)明提供一種效果好、操作方便、工期短、費用低的考慮承壓水作用下單樁水平承載特性的測試方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種考慮承壓水作用下單樁水平承載特性的測試裝置，包括模型箱、供壓系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型箱內鋪設模擬場地的箱內土體，所述箱內土體埋設試驗樁，所述模型箱設有進水孔和出水孔，所述進水孔位于承壓透水土層的上部，所述進水孔與供壓箱連通，所述出水孔位于所述承壓透水土層的下部，所述出水孔安裝泄壓閥；所述水平加載系統(tǒng)包括試驗樁帽、導向滑輪、牽引繩和砝碼，所述試驗樁帽安裝在所述試驗樁的頂面，所述試驗樁帽與所述牽引繩的一端連接，所述牽引繩穿過所述導向滑輪，所述牽引繩的另一端與砝碼連接，所述導向滑輪安裝在所述模型箱上；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移計、孔隙水壓力計和土壓力計，所述位移計位于試驗樁帽上，所述孔隙水壓力計位于承壓透水土層內，所述土壓力計位于承壓水層上的箱內土體內，所述位移計、孔隙水壓力計和土壓力計與數(shù)據(jù)采集儀連接。

所述測試方法包括以下步驟：

(1)選擇試驗樁的樁材、截面形狀及對應的試驗樁帽；

(2)確定試驗樁尺寸；

(3)選擇試驗土樣作為模擬場地的箱內土體，并確定土層厚度；

(4)確定承壓水的壓力，選擇對應供壓箱高度；

(5)供壓箱和模型箱的連接；

(6)分層鋪設土層，埋設試驗樁；

(7)埋設位移計、孔隙水壓力計和土壓力計；

(8)充水并測試水壓；

(9)安放試驗樁帽，連接水平加載系統(tǒng)；

(10)確定加載級別，實行分級加載；

(11)確定加載方式進行試驗，并同步數(shù)據(jù)采集；

(12)單樁水平承載力特征值確定：當出現(xiàn)樁身斷裂或者水平位移超過40mm或者水平位移急劇增加時終止試驗，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范確定單樁的水平承載力特征值，并獲得相應的水土土壓力特性；

(13)回收試驗用水和土樣，拆卸試驗裝置；

(14)確定單樁水平承載力的特征值，重復步驟(5)～(13)，獲得一組三根樁水平承載力的特征值，當三根樁極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為單樁水平承載力的特征值；

(15)調整承壓水的水頭高度，重復步驟(4)～(14)，獲得不同承壓水頭條件下的單樁水平承載特性的變化規(guī)律。

進一步，所述步驟(13)中，試驗結束后，按先去掉砝碼、后回收試驗用水，然后再回收土樣的順序進行。

再進一步，所述步驟(13)中，首先把加載的砝碼去除，然后切斷供水源，關閉進水閥門，打開泄水閥，回收試驗用水，再按從上到下的土層順序回收土樣，并拆除測試裝置。

更進一步，所述供壓箱包括箱體、水位標尺線、密封條、水位升降閥和隔離膜，所述水位標尺線刻在箱體上，水位升降閥帶動隔離膜在密封條內上下滑動；所述步驟(5)中，用塑料軟管將供壓箱與模型箱連接，再由水源向供壓箱供水，檢驗水壓可控性及管路的密閉性。

所述模型箱的內壁設有卡槽，止水條粘結在模型箱內；所述步驟(7)中，將預先開孔的土工膜穿過試驗樁鋪設在該土層內，并將其與箱內壁止水條進行熱熔連接。

所述試驗樁上安裝應變片，在所述步驟(6)之前，在試驗樁的側面布置應變片，兩側對稱設置。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：(1)實現(xiàn)了地下承壓水的模擬環(huán)境，且承壓水的壓力可調、可控。本裝置采用供水源、供壓箱、蓄壓池、不透水土層、承壓透水土層、土工膜等實現(xiàn)了地下承壓水的模擬，而且通過水位升降閥來調整和控制地下承壓水的水壓高低。(2)實現(xiàn)了不同承壓水壓頭作用下單樁水平承載力試驗。有無地下承壓水及水壓高低都會對單樁水平承載性狀有較大影響，采用本裝置可實現(xiàn)不同承壓水頭作用下單樁水平承載特性研究。(3)加載系統(tǒng)穩(wěn)定。本裝置采用試驗樁帽、牽引繩、導向滑輪、砝碼等組成加載系統(tǒng)，可實現(xiàn)逐級穩(wěn)定加載，避免了由液壓或電機引起的加載過程中荷載不穩(wěn)定的情況，實現(xiàn)了穩(wěn)定加載。(4)效果好。由于現(xiàn)場地層及水文條件的復雜性，現(xiàn)場試驗難以獲得穩(wěn)定承壓水頭，造成現(xiàn)場實測試驗數(shù)據(jù)的離散性大、效果差，而本裝置能提供相同的試驗條件，保證了試驗結果的可靠性。(5)周期短、費用底、操作方便?，F(xiàn)場試驗的周期長、費用高及試驗程序復雜，通常一組(3根樁)承壓水作用下的單樁水平承載力試驗需要幾個月才能完成，且所需費用高達幾十萬甚至上百萬，而本裝置試驗費用低、工期短、操作方便，且可重復使用。

附圖說明

圖1是考慮承壓水作用下單樁水平承載特性的測試裝置的結構示意圖。

圖2是模型箱圖。

圖3是供壓箱圖。

圖4是隔離膜圖。

圖5是供壓箱剖面圖。

圖6是蓄壓池圖。

圖7是過濾網(wǎng)與蓄壓池的連接圖。

圖8是蓄壓池與卡槽的連接圖。

圖9是試驗樁帽圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖9，一種考慮承壓水作用下單樁水平承載特性的測試方法，實現(xiàn)所述測試方法的裝置包括模型箱、供壓系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型箱內鋪設模擬場地的箱內土體，所述箱內土體埋設試驗樁，所述模型箱設有進水孔和出水孔，所述進水孔位于承壓透水土層的上部，所述進水孔與供壓箱連通，所述出水孔位于所述承壓透水土層的下部，所述出水孔安裝泄壓閥；所述水平加載系統(tǒng)包括試驗樁帽、導向滑輪、牽引繩和砝碼，所述試驗樁帽安裝在所述試驗樁的頂面，所述試驗樁帽與所述牽引繩的一端連接，所述牽引繩穿過所述導向滑輪，所述牽引繩的另一端與砝碼連接，所述導向滑輪安裝在所述模型箱上；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移計、孔隙水壓力計和土壓力計，所述位移計位于試驗樁帽上，所述孔隙水壓力計位于承壓透水土層內，所述土壓力計位于承壓水層上的箱內土體內，所述位移計、孔隙水壓力計和土壓力計與數(shù)據(jù)采集儀連接；

所述測試方法包括以下步驟：

(1)選擇試驗樁的樁材、截面形狀及對應的試驗樁帽；

(2)確定試驗樁尺寸；

(3)選擇試驗土樣作為模擬場地的箱內土體，并確定土層厚度；

(4)確定承壓水的壓力，選擇對應供壓箱高度；

(5)供壓箱和模型箱的連接；

(6)分層鋪設土層，埋設試驗樁；

(7)埋設位移計、孔隙水壓力計和土壓力計；

(8)充水并測試水壓；

(9)安放試驗樁帽，連接水平加載系統(tǒng)；

(10)確定加載級別，實行分級加載；

(11)確定加載方式進行試驗，并同步數(shù)據(jù)采集；

(12)單樁水平承載力特征值確定：當出現(xiàn)樁身斷裂或者水平位移超過40mm或者水平位移急劇增加時終止試驗，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范確定單樁的水平承載力特征值，并獲得相應的水土土壓力特性；

(13)回收試驗用水和土樣，拆卸試驗裝置；

(14)確定單樁水平承載力的特征值，重復步驟(5)～(13)，獲得一組三根樁水平承載力的特征值，當三根樁極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為單樁水平承載力的特征值；

(15)調整承壓水的水頭高度，重復步驟(4)～(14)，獲得不同承壓水頭條件下的單樁水平承載特性的變化規(guī)律。

進一步，所述步驟(13)中，試驗結束后，按先去掉砝碼、后回收試驗用水，然后再回收土樣的順序進行。

再進一步，所述步驟(13)中，首先把加載的砝碼去除，然后切斷供水源，關閉進水閥門，打開泄水閥，回收試驗用水，再按從上到下的土層順序回收土樣，并拆除測試裝置。

更進一步，所述供壓箱包括箱體、水位標尺線、密封條、水位升降閥和隔離膜，所述水位標尺線刻在箱體上，水位升降閥帶動隔離膜在密封條內上下滑動；所述步驟(5)中，用塑料軟管將供壓箱與模型箱連接，再由供水源向供壓箱提供水源，檢驗水壓可控性及管路的密閉性。

所述模型箱的內壁設有卡槽，止水條粘結在模型箱內；所述步驟(7)中，將預先開孔的土工膜穿過試驗樁鋪設在該土層內，并將其與箱內壁止水條進行熱熔連接。

所述試驗樁上安裝應變片，在所述步驟(6)之前，在試驗樁的側面布置應變片，兩側對稱設置。

本實施例的考慮承壓水作用下單樁水平承載特性的測試裝置，包括模型箱、供壓系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)，所述模型箱1是由有機玻璃和型鋼拼裝而成，在內壁上附有4個卡槽和繞內壁一圈的止水條。所述模型箱的兩側分別開設4個水孔，進水側水孔位于承壓水層的上部，控制高壓水的流入，出水側水孔位于承壓水層的下部，在模型箱出水孔外側設有泄壓閥，控制承壓水的流出。所述供壓箱由水位標尺線15、密封條16、水位升降閥17、隔離膜18組成。所述水位標尺線15刻在供壓箱2上，水位升降閥17帶動隔離膜18可以在密封條16內上下滑動。所述水平加載系統(tǒng)由試驗樁帽11、牽引繩12、導向滑輪13、砝碼14組成。所述試驗樁帽11可以根據(jù)樁的截面形狀進行選擇。導向滑輪13在模型箱外側桁架上，且高度可根據(jù)樁頂高度進行調整。牽引繩在導向滑輪上滑動，并將砝碼和試驗樁連接起來。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)包括lvdt位移傳感器28、孔隙水壓力計29、土壓力計30、數(shù)據(jù)采集儀32、計算機控制系統(tǒng)33組成。

本實施例的測試裝置包括模型箱1；供壓箱2；蓄壓池3；不透水土層41；承壓透水土層42；不透水土層43；試驗樁5；土工膜6；箱內壁止水條7；卡槽8；承壓板9；壓重堆載10；試驗樁帽11；牽引繩12；導向滑輪13；砝碼14；水位標尺線15；密封條16；水位升降閥17；隔離膜18；供水源19；進水閥20；塑料軟管21；過濾網(wǎng)22；泄壓閥23；溢水池24；收集池25；水壓表26；磁力表座27；lvdt位移傳感器28；孔隙水壓力計29；土壓力計30；應變片31；數(shù)據(jù)采集儀32；計算機控制系統(tǒng)33。

其中，模型箱1與供壓箱2之間采用塑料軟管21連接，蓄壓池3與模型箱1采用卡槽8連接?？ú?和箱內壁止水條7均粘接在模型1內壁，土工膜6與箱內壁止水條7熱焊在一起。承壓板9位于壓重堆載10和不透水土層43之間。試驗樁帽11安放在試驗樁5的頂部，牽引繩12的一端連接在試驗樁帽11上，另一端繞過導向滑輪13與砝碼14連接。水位標尺線15刻在供壓箱2的側壁上，密封條16粘接在供壓箱2上，水位升降閥17上位于密封條16的凹槽，隔離膜18粘接在水位升降閥17上。應變片31粘貼在樁身上。lvdt位移傳感器28、孔隙水壓力計29、土壓力計30與數(shù)據(jù)采集儀32用數(shù)據(jù)線傳輸信號，再將數(shù)據(jù)轉換傳輸給計算機控制系統(tǒng)33。

所述塑料軟管將供壓箱的出水孔與模型箱的進水孔相連。所述砝碼由0.1kg、0.2kg、0.5kg、1kg、2kg、5kg、10kg、20kg、50kg、100kg共10種規(guī)格組成，根據(jù)測試的單樁水平承載力的大小來調整砝碼數(shù)量及規(guī)格。所述樁帽可以根據(jù)樁的截面形狀自行選擇。隔離膜與箱內壁止水條進行可靠連接，可用熱熔等方式進行連接。

本實施例中模型箱的箱體內部長寬高尺寸為1906×906×915mm，外部長寬高尺寸為2620×1050×1015mm；有機玻璃作為箱壁，型鋼焊接組成框架；供壓箱長寬高尺寸為500×500×1000mm；隔離膜采用0.5mm厚的hdep防滲土工膜；過濾網(wǎng)采用雙層尼龍網(wǎng)布。

本發(fā)明的實施步驟是：

1)選擇試驗用的樁材、截面形狀及對應的樁帽。根據(jù)工程樁材及截面形狀確定試驗樁材及截面形狀；由截面形狀選擇對應的試驗樁帽。該實施例中工程樁的截面為封底的圓形鋼樁，因此，試驗樁也選用封底的圓形鋼樁，選用的樁帽截面為圓形。

2)確定試驗樁尺寸。根據(jù)工程樁長度與模型箱內可填土層的高度確定試驗樁的長度；按照工程樁長徑比確定試驗樁的長徑比，進而由試驗樁的長度確定試驗樁的直徑。實施例中工程樁長度和直徑分別為32m和0.8m。本次實驗的縮放比例為40：1,可計算出試驗樁的高度為0.8m，根據(jù)工程樁長徑比為40：1可計算出試驗樁的直徑為0.02m。

3)選擇試驗土樣。試驗土樣選擇待測實際工程中的土樣。根據(jù)實際工程樁深度范圍內的土層從下到上分別為致密老黏土、砂土、淤泥質黏土，因此該實施例中不透水土層41、透水土層42、不透水土層43分別采用致密老黏土、砂土、淤泥質黏土。

4)確定土層厚度。土層厚度也由相同樁長比確定土層厚度。由工程樁與試驗樁的樁長比40：1，由于致密老黏土、砂土、淤泥質黏土的厚度分別為5m、5m、20m，因此，可計算出該實施例中模型箱內的致密老黏土、砂土、淤泥質黏土的土層厚度分別為0.125m、0.125m、0.5m。

5)安裝樁身應變片。為了獲得水平荷載用下樁身應力變化規(guī)律，需要應變片進行測量，采用焊接或粘貼等方式在樁身側面等間距布置應變片，并且在樁身兩側對稱設置。實施例中，采用環(huán)氧樹脂沿高度每隔0.3m粘貼一組應變片，且要求在樁身兩側對稱設置，共布置3組6個應變片。

6)確定承壓水的壓力，選擇對應供壓箱高度。根據(jù)工程中實測承壓水的水壓力，按工程樁與試驗樁的樁長比確定試驗水壓，并由承壓水的壓大小選擇對應的供壓箱高度，確保能提供足夠的水壓。實施例中，實際工程中承壓水的水壓為360kpa，由工程樁與試驗樁的樁長比40：1可得承壓水的水壓為9kpa，分3級施加，初次為3kpa，之后每次增加梯度為3kpa。根據(jù)水壓大小選擇供壓箱的高度為1m。

7)供壓箱和模型箱的連接。根據(jù)承壓水頭安放供壓箱的高度，然后關閉進水閥。用塑料軟管將供壓箱與模型箱連接，再由水源向供壓箱送水，檢驗水壓可控性及管路的密閉性。

8)分層鋪設土層，埋設試驗樁。先分層鋪設樁端底部以下土層，當鋪設到樁端位置時，將已裝好應變片的樁體垂直放置在模型箱的中間位置，繼續(xù)鋪設樁側土層，要求分層厚度不大于200mm，且采用承壓板和壓重堆載進行土樣固結，直到變形穩(wěn)定為止。實施例中先鋪設老黏土，到樁端底部時放置試驗樁，再鋪設樁側的老黏土、砂土和淤泥質黏土，且分層厚度不大于200mm，使用承壓板和壓重堆載進行土樣固結，直到變形穩(wěn)定后去除承壓板和壓重堆載。

9)埋設水、土壓力及位移計，鋪設隔離膜。在步驟(8)中的鋪設承壓透水層42(砂土)時要在本層土中放置二個孔隙水壓力計，在不透水土層43(淤泥質黏土)中放置二個土壓力計?？紫端畨毫τ嫼屯翂毫τ嬀詷遁S線對稱布置；當不透水土層43鋪設到箱內壁止水條的高度時，將預先開孔的土工膜穿過試驗樁鋪設在該土層內，并將其與箱內壁止水條進行熱熔連接。使用磁力表座將lvdt位移計固定在試驗樁頭處，監(jiān)測水平位移。

10)充水并測試水壓。關閉泄壓閥，打開進水閥，讓高壓水流向承壓水土層，根據(jù)水壓力計來判斷承壓水土層水壓力能否達到所需要的壓力值以及試驗過程中水壓力的穩(wěn)定。

11)安放樁帽，連接加載系統(tǒng)。將選用的樁帽套在試驗樁上，用牽引繩將砝碼盤和樁帽套接。實施例中選用圓形樁帽，用牽引繩將砝碼盤和樁帽套接。

12)確定加載級別，實行分級加載。根據(jù)現(xiàn)行樁基規(guī)范初估樁基承載力，分級施加砝碼進行加載，每次加載為預估值1/10。本實施例中，由現(xiàn)行樁基規(guī)范初估樁基承載力為4kn，按每級0.4kn進行，共分10級施加砝碼。

13)確定加載方式進行試驗，并同步數(shù)據(jù)采集。采用規(guī)范中的慢速維持荷載法進行加載，具體的加卸載分級、試驗方法及穩(wěn)定標準按現(xiàn)行規(guī)范進行。試驗過程中數(shù)據(jù)采集儀要同步記錄承壓水的壓力、樁的水平承載力、樁身應力、水壓力、土壓力等測試數(shù)據(jù)，并能自動繪出相應曲線圖。

14)單樁水平承載力特征值確定。當出現(xiàn)樁身斷裂或者水平位移超過40mm或者水平位移急劇增加時終止試驗，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范確定單樁的水平承載力特征值，并獲得相應的水土土壓力特性。

15)回收試驗用水和土樣，拆卸試驗裝置。試驗結束后，按先去掉砝碼、后回收試驗用水，然后再回收土樣的順序進行。首先把加載的砝碼去除，然后切斷供水源，關閉進水閥門，打開泄水閥，回收試驗用水，再按從上到下的土層順序回收土樣，并拆除試驗裝置。

16)確定單樁水平承載力的特征值。重復上述步驟7)-15)，獲得一組三根樁水平承載力的特征值，當三根樁極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為單樁水平承載力的特征值。

17)調整承壓水的水頭高度，重復上述步驟6)-16)，可獲得不同承壓水頭條件下的單樁水平承載特性的變化規(guī)律。