本實(shí)用新型屬于土木工程領(lǐng)域，具體涉及一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，許多大型公共基礎(chǔ)設(shè)施如橋梁、大型建筑物、高速鐵路等建設(shè)需求越來越大，但這些公共基礎(chǔ)設(shè)施因?yàn)榘踩?、穩(wěn)定等多方面的考慮對結(jié)構(gòu)物的沉降和承載力的要求越來越高，樁基由于具有這方面的顯著優(yōu)勢被大量應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，并取得了顯著地成果。

但是對于樁基的研究發(fā)現(xiàn)：樁有時(shí)不僅直接承擔(dān)豎向的荷載，而且還會承受側(cè)向的荷載。常見的這類樁有坡體抗滑樁、堤岸護(hù)坡樁以及道路橋梁樁基等。這類樁的受力要比一般的樁復(fù)雜得多，這是因?yàn)闃对趥?cè)向力的作用下可能引起樁結(jié)構(gòu)的側(cè)向偏位，在豎向荷載及側(cè)向荷載共同作用下樁頭出現(xiàn)附加二階彎矩，引發(fā)樁的壓屈變形、破壞，減少樁基的使用壽命，甚至造成工程事故。因此，有必要對這類樁的力學(xué)規(guī)律進(jìn)行研究分析。

對于研究樁在豎向、側(cè)向或其組合受力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律來說，室內(nèi)模型試驗(yàn)是目前研究樁基處治技術(shù)性能的常用手段之一。但已有的樁基試驗(yàn)裝置都僅針對樁在單一荷載作用下的狀態(tài)進(jìn)行研究，無法對樁在不同受力狀態(tài)或其組合受力下進(jìn)行樁-土作用規(guī)律的室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。本實(shí)用新型的試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)對不同狀態(tài)下的試驗(yàn)樁分別或者同時(shí)進(jìn)行豎向和水平向的加載，通過伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)研究樁身的應(yīng)力-應(yīng)變變化以及樁周土體的土壓力或者孔隙水壓力變化規(guī)律，并確定樁頭位移與樁受力之間的關(guān)系。為以后樁的理論研究以及力學(xué)分析做出技術(shù)性指導(dǎo)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單合理、實(shí)用方便、穩(wěn)定好、方便運(yùn)輸、組裝以及存放、操作簡單、數(shù)據(jù)處理方便、并且可循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)，適用范圍更廣。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案：

一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置，包括豎向加載裝置和橫向加載裝置，所述豎向加載裝置與承臺頂面連接，所述橫向加載裝置與承臺側(cè)面連接；所述承臺底部與多個(gè)待測樁連接，所述待測樁外周填設(shè)土體。本實(shí)用新型中豎向加載裝置和橫向加載裝置組合使用，在試驗(yàn)過程中方便模擬實(shí)際工程中樁的豎向以及側(cè)向的復(fù)雜受力狀態(tài)；橫向加載裝置和豎向加載裝置通過承臺將加載力傳遞給待測樁，從而研究樁基的樁-土之間的相互作用特性。

所述土體設(shè)置于試驗(yàn)箱內(nèi)，所述試驗(yàn)箱包括由多個(gè)箱側(cè)主體圍成的定位空間；所述箱側(cè)主體由多榀鋼格板連接而成。

所述鋼格板呈田字形，鋼格板之間均通過連接件連接。

為防止試驗(yàn)用土從中間漏出，在所述鋼格板的內(nèi)側(cè)設(shè)置有機(jī)玻璃板，用于限制土的移動(dòng)防止其漏出。

優(yōu)選的，所述承臺頂面和側(cè)面均設(shè)置自由加載板，承臺頂面的自由加載板設(shè)置掛環(huán)與豎向加載裝置連接，承臺側(cè)面的自由加載板設(shè)置掛環(huán)與橫向加載裝置連接。

所述待測樁沿樁體軸向均勻設(shè)置多個(gè)應(yīng)變片，所述應(yīng)變片與控制器連接。

根據(jù)試驗(yàn)的要求與目的，在所述土體內(nèi)沿豎向均勻設(shè)置多個(gè)土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)。

所述豎向加載裝置包括豎向液壓裝置，豎向液壓裝置的動(dòng)作端與承臺頂面連接。

所述豎向液壓裝置頂部與橫向反力架連接，所述橫向反力架兩端固定于反力梁上。

所述豎向液壓裝置上設(shè)有豎向位移傳感器。

所述橫向加載裝置包括橫向液壓裝置，橫向液壓裝置的動(dòng)作端與承臺側(cè)面連接。

所述橫向液壓裝置設(shè)置于反力板上，所述反力板固定于豎向反力架上。

所述橫向液壓裝置上設(shè)有橫向位移傳感器。

一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)試驗(yàn)要求，確定試驗(yàn)裝置的尺寸，組裝試驗(yàn)裝置；

步驟2：在待測樁側(cè)部設(shè)置應(yīng)變片，以設(shè)定樁間距在試驗(yàn)裝置內(nèi)安置待測樁；

步驟3：在待測樁外周填設(shè)土體，在土體內(nèi)設(shè)定位置埋置土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)；

步驟4：將待測樁頂部與承臺連接，豎向加載裝置和橫向加載裝置以設(shè)定加載方式分別對承臺施加豎向力和橫向力；

步驟5：采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理分析，得到在不同受力狀態(tài)下待測樁-土體相互作用力的變化規(guī)律。

本實(shí)用新型的有益效果為：

1、本實(shí)用新型采用高強(qiáng)鋼材料，強(qiáng)度及剛度較高，可滿足試驗(yàn)加載的要求，并能長期使用；模型為組合式結(jié)構(gòu)，安裝、運(yùn)輸以及存放均可實(shí)現(xiàn)模塊化，對于試驗(yàn)極具方便性，并可在試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行回收、重復(fù)利用，避免資源浪費(fèi)，有效降低試驗(yàn)費(fèi)用。

2、本實(shí)用新型試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置的豎向以及側(cè)向加載系統(tǒng)可進(jìn)行組合使用，在試驗(yàn)過程中可方便的模擬實(shí)際工程中樁的豎向以及側(cè)向的復(fù)雜受力狀態(tài)。

3、本實(shí)用新型的是液壓加載系統(tǒng)均通過伺服動(dòng)態(tài)加載系統(tǒng)進(jìn)行控制，加載穩(wěn)定、可靠，并可通過伺服加載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的力學(xué)加載方式，因此，本實(shí)用新型更具有精密性，可實(shí)現(xiàn)高精度下的樁-土相互作用的實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

4、本實(shí)用新型提出的一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置及方法，可用于研究樁基的樁-土相互作用特性研究，確定不同樁底約束狀態(tài)下的樁在不同樁距下的相互影響距離及樁周土體影響范圍?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，為樁的理論研究及工程應(yīng)用推廣提供試驗(yàn)基本參數(shù)。

5、通過數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)將伺服加載系統(tǒng)以及各數(shù)據(jù)采集儀集合在一起，可實(shí)現(xiàn)一邊加載一邊對不同加載狀態(tài)下的樁身的應(yīng)力-應(yīng)變變化以及樁周土體的土壓力及孔隙水壓力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，省掉數(shù)據(jù)后處理的時(shí)間，自動(dòng)化程度高，節(jié)省試驗(yàn)總時(shí)間。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，本申請的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。

圖1為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置軸測圖；

圖2為橫向加載裝置軸測圖；

圖3為樁身的應(yīng)變片安裝位置圖；

圖4為豎向加載土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)的位置示意圖；

圖5為水平向加載土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)的位置示意圖；

圖中，1、試驗(yàn)箱；2、鋼格板；3、反力梁；4、承臺；5、自由加載板；6、反力架；7、豎向液壓千斤頂；8、豎向位移傳感器；9、側(cè)向反力架；10、反力板；11、側(cè)向液壓千斤頂；12、側(cè)向位移傳感器；13、土壓力計(jì)；14、應(yīng)變片。

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本申請的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1-5所示，提供了一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置，該裝置由試驗(yàn)箱、豎向加載裝置、伺服動(dòng)態(tài)加載分析系統(tǒng)、位移傳感器、側(cè)向加載裝置、土壓力計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集儀以及自由轉(zhuǎn)動(dòng)板等組成；

試驗(yàn)箱1包括由多個(gè)箱側(cè)主體圍成的定位空間，本實(shí)施例中采用4個(gè)箱側(cè)主體圍成試驗(yàn)箱整體，箱側(cè)主體由多榀鋼格板2連接而成。多榀鋼格板是鋼板焊接的呈現(xiàn)“田”字形的裝置，四周開設(shè)有螺栓圓孔。用于作為試驗(yàn)箱的拼接元件組成一特定試驗(yàn)空間，作為研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置主體。每榀鋼格板通過法蘭墊片及高強(qiáng)螺栓連接。

試驗(yàn)箱1內(nèi)設(shè)置多個(gè)待測樁，待測樁頂部設(shè)置承臺4，待測樁外周填設(shè)土體；

承臺4頂面和側(cè)面均設(shè)置自由加載板5，承臺4頂面的自由加載板5設(shè)置掛環(huán)與豎向加載裝置連接，承臺4側(cè)面的自由加載板5設(shè)置掛環(huán)與橫向加載裝置連接。

鋼板格2為承受試驗(yàn)土體側(cè)向位移變形受力的主體結(jié)構(gòu)，為防止試驗(yàn)用土從中間漏出，，其內(nèi)側(cè)安裝有較厚的高強(qiáng)有機(jī)玻璃板。

豎向加載裝置、側(cè)向加載裝置相對獨(dú)立安裝，豎向加載裝置、側(cè)向加載裝置均設(shè)有液壓加載裝置，并且可安裝伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)，伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

在土體內(nèi)待測樁周埋設(shè)土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)，在待測樁沿樁體軸向均勻安裝應(yīng)變片，通過伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)將液壓加載裝置、數(shù)據(jù)采集儀以及位移傳感器進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，通過所述伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)分析模塊繪制加載過程中樁側(cè)土壓力及樁身應(yīng)力變化曲線，實(shí)現(xiàn)對研究樁-土相互作用下樁的模擬加載與數(shù)據(jù)處理分析。

豎向加載裝置包括豎向反力架6、反力梁3，豎向反力架6與液壓加載裝置(即豎向液壓裝置)連接，本實(shí)施例中液壓加載裝置采用豎向液壓千斤頂7；側(cè)向加載裝置為側(cè)向反力架9、反力板10，側(cè)向反力架9與液壓加載裝置(即橫向液壓裝置)連接，本實(shí)施例中液壓加載裝置采用側(cè)向液壓千斤頂11。豎向反力架6與反力梁3之間通過法蘭墊片與高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接固定，側(cè)向反力架9與反力板10之間通過法蘭墊片與高強(qiáng)螺栓連接，并且豎向加載裝置與側(cè)向加載裝置均固定在試驗(yàn)地面不動(dòng)。

豎向液壓裝置、橫向液壓裝置均可以通過控制位移或控制受力的加載方式進(jìn)行加載。

位移傳感器包括安裝在豎向液壓千斤頂7上的豎向位移傳感器8以及安裝在側(cè)向液壓千斤頂11中的側(cè)向位移傳感器12，可分別實(shí)現(xiàn)對樁頭的豎向位移、側(cè)向位移的監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)所述對樁的不同方向的加載，采用所述自由加載板安放在樁頭，自由加載板在豎向、側(cè)向均設(shè)有與豎向液壓千斤頂7、側(cè)向液壓千斤頂11相連接的掛環(huán)。

本實(shí)用新型的試驗(yàn)裝置可適用于不同狀態(tài)的樁，不同狀態(tài)的樁是指樁數(shù)、樁徑、樁距、樁長、樁的模量、樁的截面形式、樁底約束形式，通過預(yù)制養(yǎng)護(hù)的形式將試驗(yàn)樁制作出來，并根據(jù)實(shí)際情況選擇樁底的約束形式。

應(yīng)變片14應(yīng)在待測樁的直徑兩側(cè)進(jìn)行等距安裝，并將應(yīng)變片所在樁徑線與側(cè)向液壓千斤頂11的中心線重合，根據(jù)試驗(yàn)的要求與目的，在土體內(nèi)沿豎向均勻設(shè)置多個(gè)土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)，本實(shí)施例中采用土壓力計(jì)13，土壓力計(jì)13則在延樁徑方向埋設(shè)數(shù)排，用于測量樁周土的土壓力。

伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)是將土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)、位移傳感器與液壓加載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取記錄；通過所述伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)分析模塊將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到樁在不同受力狀態(tài)下的樁身應(yīng)變或應(yīng)力、樁周土體的土壓力或孔隙水壓力變化規(guī)律以及樁頭位移變化規(guī)律。

不同受力狀態(tài)指的是樁承受的豎向荷載、側(cè)向荷載或者其組合，通過伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)確定對樁的加載方式(位移控制或力控制)，并確定樁的受力方向(豎向、側(cè)向或者同時(shí)進(jìn)行)，然后分別確定各受力方向的加載變化方式，可根據(jù)樁的實(shí)際受力情況，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)樁的組合式比例加載。

本申請的另一種典型的實(shí)施方式中，提供了一種研究樁-土相互作用的組合式比例加載試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)試驗(yàn)要求，確定試驗(yàn)裝置的尺寸，組裝試驗(yàn)裝置；

步驟2：在待測樁側(cè)部設(shè)置應(yīng)變片，以設(shè)定樁間距在試驗(yàn)裝置內(nèi)安置待測樁；

步驟3：在待測樁外周填設(shè)土體，在土體內(nèi)設(shè)定位置埋置土壓力計(jì)或孔隙水壓力計(jì)；

步驟4：將待測樁頂部與承臺連接，豎向加載裝置和橫向加載裝置以設(shè)定加載方式分別對承臺施加豎向力和橫向力；

步驟5：采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理分析，得到在不同受力狀態(tài)下待測樁-土體相互作用力的變化規(guī)律。

具體的，上述試驗(yàn)方法如下：

根據(jù)試驗(yàn)要求及目的確定模型的尺寸，然后進(jìn)行鋼格板的安裝組合，并對其內(nèi)壁進(jìn)行高強(qiáng)有機(jī)玻璃板的粘貼密封防水處理；

將豎向加載裝置及側(cè)向加載裝置進(jìn)行定位拼裝固定，安裝液壓加載裝置及伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析裝置；

將預(yù)制好的樁進(jìn)行應(yīng)變片的安裝貼好，根據(jù)試驗(yàn)要求的樁的數(shù)量、樁間距以及樁底的約束形式確定試驗(yàn)箱中的樁的安置方式，并在樁周土體中按照設(shè)計(jì)位置埋置土壓力計(jì)、孔隙水壓力計(jì)；

埋置到預(yù)定高度后，為實(shí)現(xiàn)對多樁的統(tǒng)一加載，需對樁頭進(jìn)行連接承臺，承臺可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)制或者現(xiàn)澆。

將自由加載板放置在承臺上，并且將豎向、側(cè)向的液壓加載系統(tǒng)分別對準(zhǔn)自由加載板的豎向、側(cè)向加載掛環(huán)進(jìn)行栓錨連接，同時(shí)安裝相應(yīng)的位移傳感器，然后在伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)中確定對樁的加載方式(位移控制或力控制)，并確定樁的受力方向(豎向、側(cè)向或者同時(shí)進(jìn)行)，根據(jù)各受力方向的加載變化方式，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)樁的組合式比例加載。

通過伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集儀以及位移傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到樁在不同受力狀態(tài)下的樁身應(yīng)變-應(yīng)力、樁周土體的土壓力或孔隙水壓力變化規(guī)律以及樁頭位移與加載力之間的變化規(guī)律。

為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠更加清楚地了解本申請的技術(shù)方案，以下將結(jié)合具體的實(shí)施例詳細(xì)說明本申請的技術(shù)方案。

利用本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)的操作過程為：

1、根據(jù)試驗(yàn)要求及目的確定模型的尺寸，然后將定位柱1、鋼格板2進(jìn)行安裝組合，并對其內(nèi)壁進(jìn)行高強(qiáng)有機(jī)玻璃板的粘貼密封防水處理；

2、將反力梁3、反力架6、側(cè)向反力架9、反力板10分別組裝成豎向加載裝置及側(cè)向加載裝置并定位固定，分別將豎向液壓千斤頂7、豎向位移傳感器8、側(cè)向液壓千斤頂11、側(cè)向位移傳感器12安裝到加載裝置中。

3、將預(yù)制好的樁進(jìn)行應(yīng)變片14的安裝貼好，根據(jù)試驗(yàn)要求的樁的數(shù)量、樁間距以及樁底的約束形式確定試驗(yàn)箱中的樁的安置方式，并在樁周土體中按照設(shè)計(jì)位置埋置土壓力計(jì)13或孔隙水壓力計(jì)；

4、埋置到預(yù)定高度后，為實(shí)現(xiàn)對多樁的統(tǒng)一加載，需對樁頭進(jìn)行連接承臺4，承臺可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)制或者現(xiàn)澆；

5、將自由加載板5放置在承臺4上，并且將豎向、側(cè)向的液壓千斤頂?shù)沫h(huán)形接口分別對準(zhǔn)自由加載板的豎向、側(cè)向加載掛環(huán)進(jìn)行栓錨連接，同時(shí)安裝相應(yīng)的豎向位移傳感器8、側(cè)向位移傳感器12，然后在伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)中確定對樁的加載方式(位移控制或力控制)，并確定樁的受力方向(豎向、側(cè)向或者同時(shí)進(jìn)行)，根據(jù)各受力方向的加載變化方式，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)樁的組合式比例加載。

6、通過伺服動(dòng)態(tài)控制加載分析系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集儀以及位移傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，得到樁在不同受力狀態(tài)下的樁身應(yīng)變-應(yīng)力、樁周土體的土壓力或孔隙水壓力變化規(guī)律以及樁頭位移與加載力之間的變化規(guī)律。

以上所述僅為本申請的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請的保護(hù)范圍之內(nèi)。