本發(fā)明涉及復(fù)合荷載作用下單樁多向水平承載力的測(cè)試裝置,主要適用于室內(nèi)試驗(yàn)中在多向水平荷載與法向荷載共同作用下單樁水平承載力方面的研究，屬于樁基測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電、海上平臺(tái)及高層建筑等陸續(xù)興建，這些建筑物不但受到自重等豎向荷載的影響，也會(huì)受到風(fēng)荷載、地震和潮汐等水平荷載的影響，因此，豎向和水平荷載的共同作用模式(復(fù)合荷載)比豎向荷載或水平向荷載(單一荷載)的作用模式在受力性狀上也更加復(fù)雜，同時(shí)也更加符合工程實(shí)際。另外，由于建筑物或構(gòu)筑物的水平荷載往往不只有一個(gè)方向，通常具有多方向性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有技術(shù)無(wú)法有效測(cè)試復(fù)雜條件下單樁多向水平承載力的不足，本發(fā)明提供一種效果好、操作方便、費(fèi)用低的復(fù)合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測(cè)試裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種復(fù)合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測(cè)試裝置，包括模型箱、豎向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型箱內(nèi)鋪設(shè)模擬場(chǎng)地的箱內(nèi)土體，所述箱內(nèi)土體埋設(shè)試驗(yàn)樁，所述豎向加載系統(tǒng)包括立柱、橫梁、杠桿、豎向加載器和豎向加載砝碼，所述杠桿的一端鉸接在兩根立柱之間的轉(zhuǎn)軸上，所述杠桿的中部安裝豎向加載器，所述豎向加載器位于所述試驗(yàn)樁的頂部，所述杠桿的另一端掛接豎向加載砝碼；所述水平加載系統(tǒng)包括水平加載樁帽、可移動(dòng)定滑輪、鋼絲索和砝碼，所述水平加載樁帽安裝在所述試驗(yàn)樁的頂面，所述水平加載樁帽與所述鋼絲索的一端連接，所述鋼絲索穿過(guò)所述定滑輪，所述鋼絲索的另一端與水平加載砝碼連接，所述定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(jì)，所述位移計(jì)位于水平加載樁帽上，所述位移計(jì)與數(shù)據(jù)采集儀連接。

進(jìn)一步，所述水平加載系統(tǒng)為多向水平加載系統(tǒng)，所述定滑輪為可移動(dòng)定滑輪，所述定滑輪下部安裝滾輪，所述模型箱的一圈設(shè)有滾輪軌道，所述滾輪可滑動(dòng)地安裝在所述滾輪軌道上；所述鋼絲索的一端與卡套連接，所述水平加載樁帽一圈設(shè)有環(huán)形槽口，所述卡套可滑動(dòng)地安裝在所述環(huán)形槽口內(nèi)。

再進(jìn)一步，所述水平加載樁帽設(shè)有用于供卡套放入的導(dǎo)槽，所述導(dǎo)槽與所述環(huán)形槽口相通。

更進(jìn)一步，所述卡套包括球形夾具和上下夾片，所述球形夾具內(nèi)設(shè)有上下夾片，所述鋼絲索的一端位于上下夾片之間的夾持工位處。

所述水平加載樁帽上設(shè)有角度盤(pán)。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：(1)可實(shí)現(xiàn)豎向和多個(gè)水平向復(fù)合加載，應(yīng)用范圍廣。不但可以實(shí)現(xiàn)豎向和水平向的復(fù)合加載，而且可以考慮多個(gè)任意水平方向的水平向復(fù)合加載。能模擬豎向荷載作用下多個(gè)水平向荷載作用下樁基水平承載力的性能研究，工程應(yīng)用范圍廣。(2)水平向加載方式合理。采用水平加載樁帽連接樁與鋼絲索，再由樁帽以均勻受力的形式傳遞給樁基，更符合工程實(shí)際情況。(3)操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，周期短。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件及樁基施工的復(fù)雜性，難以獲得復(fù)合荷載作用下單樁多向水平承載力的變化規(guī)律，且具有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)費(fèi)用高、周期長(zhǎng)的不足，而本裝置能有效地解決現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難題，具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、周期短的特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是復(fù)合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是模型箱俯視圖。

圖3是可移動(dòng)定滑輪與模型箱連接圖。

圖4是水平加載樁帽大樣圖，其中，(a)是正面，(b)是反面。

圖5是卡套與鋼絲索連接圖。

圖6是水平加載樁帽與卡套連接圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖6，一種復(fù)合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測(cè)試裝置，包括模型箱、豎向加載系統(tǒng)、多向水平加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所述模型箱是無(wú)頂蓋內(nèi)空的圓柱形，箱身由環(huán)形不銹鋼板焊接而成。所述豎向加載系統(tǒng)由立柱、橫梁、杠桿、豎向加載器、砝碼等組成。橫梁位于立柱的上端，用于放置磁力表座和提高模型箱的穩(wěn)定性。杠桿與立柱之間采用轉(zhuǎn)軸連接，杠桿可以繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所述水平加載系統(tǒng)由水平加載樁帽、球形卡具、鋼絲索、可移動(dòng)定滑輪、砝碼組成。水平加載樁帽上設(shè)有槽口與導(dǎo)槽，用于連接卡套，在其外側(cè)壁刻有角度盤(pán)，用于測(cè)量角度?？ㄌ子蓛蓧K錐形夾片和空心的球形卡具組成，用于固定鋼絲索。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由lvdt位移計(jì)和數(shù)據(jù)采集儀組成，所述計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)帶軟件，可以記錄和處理數(shù)據(jù)。

所述水平加載樁帽可以根據(jù)樁的形狀自行選擇。所述水平加載樁帽與試驗(yàn)樁之間采用螺紋連接。所述可移動(dòng)定滑輪可以通過(guò)底部滾輪在模型箱邊框上進(jìn)行360度轉(zhuǎn)動(dòng)。所述球形卡具可以在導(dǎo)槽內(nèi)進(jìn)行360度轉(zhuǎn)動(dòng)。所述角度盤(pán)最小刻度線為5度。

本實(shí)施例的復(fù)合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測(cè)試裝置包括模型箱1；試驗(yàn)樁2；箱內(nèi)土體3(雜填土31、粉質(zhì)粘土32、粉砂33、中砂34、圓礫35)；水平加載樁帽4；卡套5(由夾片18和球形卡具19組成)；鋼絞線6；可移動(dòng)定滑輪7；豎向加載器8；杠桿9；砝碼10；橫梁11；磁力表座12；lvdt位移計(jì)13；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15；槽口16；導(dǎo)槽17；夾片18；球形卡具19；立柱20，轉(zhuǎn)軸21；滾輪22；角度盤(pán)23。

其中，模型箱1外與4個(gè)立柱20焊接，杠桿9采用轉(zhuǎn)軸與同一側(cè)的兩個(gè)立柱連接，杠桿9用螺栓固定豎向加載器8，橫梁11焊接在立柱20上，用于放置磁力表座12。水平加載樁帽4采用螺紋與試驗(yàn)樁2連接，水平加載樁帽4設(shè)有槽口16與導(dǎo)槽17，卡套5的球形卡具19可以進(jìn)入槽口16并在導(dǎo)槽17中移動(dòng)。夾片18與鋼絞線6相接，并楔進(jìn)球形卡具19中。可移動(dòng)定滑輪7下部設(shè)有滾輪22，使可移動(dòng)定滑輪7能夠在模型箱1的箱壁上移動(dòng)。lvdt位移計(jì)13與數(shù)據(jù)采集儀14用數(shù)據(jù)線傳輸信號(hào)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換傳輸給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15。

某擬建住宅樓為26層建筑，剪力墻結(jié)構(gòu)，樁—筏基礎(chǔ)，采用鉆孔灌注樁為樁基，長(zhǎng)為18m，直徑為0.6m，單樁豎向承載力為1500kn。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞南潴w內(nèi)部尺寸為直徑1000mm，高1000mm。場(chǎng)地土層自上而下依次是雜填土、粉質(zhì)粘土、粉砂、中砂、圓礫，厚度分別為2m、10m、15m、5m、15m，樁身進(jìn)入圓礫層2m。

本發(fā)明的實(shí)施步驟是：

1)確定試驗(yàn)樁尺寸。根據(jù)設(shè)計(jì)的工程樁尺寸按一定的比例縮小來(lái)制作模型樁。本次實(shí)例采用鋼管作為試驗(yàn)樁，按50：1的比例進(jìn)行放縮，試驗(yàn)樁徑為30mm，高度為900mm。

2)確定土層分布及厚度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告和和樁身的長(zhǎng)度來(lái)確定試驗(yàn)所需要的土層，各個(gè)土層的厚度按照50：1的比例縮放，場(chǎng)地土層自上而下依次是雜填土、粉質(zhì)粘土、粉砂、中砂、圓礫，厚度分別為0.04m、0.2m、0.3m、0.1m、0.3m，樁身進(jìn)入圓礫層0.04m。

3)確定豎向加載值和加載級(jí)別。根據(jù)設(shè)計(jì)的樁頂豎向承載力按比例縮放，采用5級(jí)加載。本實(shí)例將單樁豎向承載力按50：1的比例縮放，豎向加載值為30kn，每次按6kn遞增進(jìn)行加載。

4)確定水平加載值和加載級(jí)別。本實(shí)施例中試驗(yàn)采用10級(jí)加載，每次加載量為預(yù)估樁基水平承載力的1/10。本實(shí)例中根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范預(yù)估水平承載力為20kn，每次在三個(gè)方向均按2kn遞增進(jìn)行加載。

5)分層鋪設(shè)土層。根據(jù)土層的分布及其厚度，將各土層按照自下而上的順序依次分層鋪設(shè)。首先鋪設(shè)圓礫層，當(dāng)鋪設(shè)厚度達(dá)到樁端位置時(shí)，將樁身垂直地放置在圓礫土層上，且位于模型箱的中心位置，再繼續(xù)向上按順序鋪設(shè)相應(yīng)土層。每層土體的頂部和底部均用水平尺進(jìn)行量測(cè)，保證鋪設(shè)水平度，且要求鋪設(shè)土層盡可能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)的工程條件。

6)確定水平荷載的加載方向和數(shù)量。本試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)任意多個(gè)方向的加載，具體加載方向和數(shù)量可由工程樁所承受的水平荷載的方向和數(shù)量來(lái)確定。本實(shí)例根據(jù)工程樁實(shí)際所受的水平荷載情況采用三個(gè)方向進(jìn)行水平加載，夾角分別為30度和60度。模擬不同方向的單樁水平力加載的情形。

7)安裝水平加載樁帽。選擇與試驗(yàn)樁外徑一致的水平加載樁帽。將水平加載樁帽對(duì)準(zhǔn)并旋入試驗(yàn)樁中。

8)確定卡套數(shù)目和方向?？ㄌ椎臄?shù)量和方向應(yīng)與所加載的水平向荷載的數(shù)量和方向一致。在本次實(shí)例中，采用3個(gè)水平力加載，水平力之間分別為30度和60度。

9)連接鋼絞線與卡套。先將鋼絞線穿過(guò)球形卡具，再用兩塊對(duì)稱(chēng)夾片按壓在鋼絞線的伸出端處，并與鋼絞線一起推入球形卡具之中，在此過(guò)程中保證鋼絞線不超出球形卡具的范圍。按上述操作可完成其余2個(gè)卡套與鋼絞線的連接。鋼絞線的紋路走向與夾片一致，楔形的夾片能夠使鋼絞線在受外力作用可靠地固定在球形卡具中。

10)連接卡套與水平加載樁帽將3個(gè)卡套沿著槽口依此放入水平加載樁帽中，根據(jù)水平加載樁帽的角度盤(pán)調(diào)整卡套之間的角度，達(dá)到所需要的30度和60度時(shí)向外張拉鋼絞線并保證鋼絞線的延伸線過(guò)樁帽圓心。在模型箱上移動(dòng)定滑輪到鋼絞線處，使鋼絞線繞過(guò)定滑輪與砝碼盤(pán)連接。

11)安放豎向加載系統(tǒng)。調(diào)整杠桿到樁中心位置，使豎向加載器放置于水平加載樁帽頂正上方。

12)安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。復(fù)合荷載由1個(gè)豎向荷載和3個(gè)水平向荷載組成，因此，共需要4個(gè)lvdt位移計(jì)。將磁力表座放置在橫梁上，調(diào)整支架使4個(gè)lvdt位移計(jì)和待測(cè)方向保持垂直。連接lvdt位移計(jì)與數(shù)據(jù)采集儀，用于測(cè)試樁頂?shù)呢Q向位移及三個(gè)水平方向位移。

13)確定單次試驗(yàn)樁的多向水平極限承載力。根據(jù)水平加載力和lvdt監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)位移，繪制出3個(gè)水平方向的荷載—位移曲線，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的取值要求分別確定出該次試驗(yàn)樁在3個(gè)方向的水平承載力極限值，取三個(gè)水平方向中最小水平承載力極限值作為復(fù)合荷載作用下單樁多向水平極限承載力。

14)拆卸試驗(yàn)裝置，回收試驗(yàn)用土樣。關(guān)閉儀器，按順序拆除擦拭試驗(yàn)器械，先拆除3個(gè)水平向的加載砝碼，再拆除豎向加載砝碼，然后拆除橫梁和杠桿，再按上而下的順序回收試驗(yàn)土體以便下次使用。

15)確定豎向荷載下單樁的水平承載力特征值。重復(fù)上述步驟4)-14)，獲得一組共三根樁在不同豎向荷載下的單樁水平極限承載力。當(dāng)在同一豎向荷載下三根樁水平承載力極差不超過(guò)平均值的30％時(shí)，取其平均值作為該豎向荷載條件下的單樁多向水平極限承載力。

16)不同豎向荷載下單樁水平極限承載力確定。增大豎向荷載到下一級(jí)別，重復(fù)上述步驟3)-15)，獲得不同豎向荷載下的單樁在多向水平加載條件的極限承載力。