[发明专利]一种开口管桩锤击贯入和静荷载模拟实验装置及实验方法

说明书

技术领域

本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种开口管桩锤击贯入和静荷载模拟实验装置及实验方法。

背景技术

混凝土管桩广泛应用于工业与民用建筑、港口工程以及桥梁工程，桩端开口是其最为常用的形式。揭示开口混凝土管桩贯入时地基土的反应以及工后受荷时基桩的承载力性状，是开口混凝土管桩合理设计和使用的基础，而室内模型试验是实现这一目标的重要手段。开口混凝土管桩的特殊之处是桩体贯入地基土的过程中，部分土体挤入桩孔内形成土塞。由于土塞的存在，开口混凝土管桩的承载力性状至今未得到真正的揭示，尤其是土塞与桩壁间的摩擦剪切特征，这主要是由于现有的试验装置和方法存在以下问题：(1)常规1g模型试验很难模拟原位土体的应力水平，而土工离心机试验是目前模似ng重力场的最常见方法，但该方法技术操作复杂、试验成本昂贵，且很难实现图像的实时采集，无法实现多样本的桩-土微观作用机理的可视化研究。(2)现有针对开口混凝土管桩的模型试验装置采用的均为单壁模型桩，但基于此装置的模型试验无法分离桩壁内、外两侧的摩阻力，故而无法测得桩内壁摩阻力和径向土压力的分布规律，因此无法得知开口混凝土管桩真实的荷载传递过程。

发明内容

本发明的目的是提供了一种开口管桩锤击贯入和静荷载模拟实验装置及实验方法，利用本发明所述实验装置可以测定开口管桩内外两侧的摩阻力，可以获知开口混凝土管桩的真实荷载传递过程。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种开口管桩锤击贯入和静荷载模拟实验装置，它包括模型箱、模型桩、立柱组件和横梁组件，所述模拟实验装置还包括打桩组件或静荷载组件；

所述的模型桩包括外筒、内筒、半圆钢板、导杆圆柱，所述内筒和外筒筒壁上设有轴向和径向传感器；

所述立柱组件包括与所述模型箱的四周刚性连接的四根立柱；

所述横梁组件包括下横梁组件和上横梁组件；

所述打桩组件包括马达、桩锤、桩锤导向装置和滑轮组，所述桩锤通过钢丝绳绕过滑轮组与所述马达连接，所述滑轮组连接在所述上横梁组件之间；

所述静荷载组件包括液压千斤顶、液压控制装置、桩锤导向装置和固定于所述桩锤导向装置的连接件。

对上述技术方案的进一步改进，所述模型箱为正方体，其右侧、左侧、上侧、下侧和后侧均由钢板制成，前侧由钢化玻璃制成。

对上述技术方案的进一步改进，所述的下横梁组件包括下前横梁、下右横梁、下后横梁、下左横梁和下中横梁，所述下中横梁包括连接在下左横梁和下右横梁之间的与下前横梁平行的两根下中横梁，以及连接在下前横梁和下后横梁之间的与下左横梁平行的一根下中横梁；所述的上横梁组件包括上左横梁、上右横梁和上中横梁，所述上中横梁包括连接在上左横梁和上右横梁之间的两根上中横梁。

对上述技术方案的进一步改进，所述的模型箱上侧钢板连接有模型桩导杆圆柱，上侧钢板上设有排气孔、供水及水头控制装置的预留孔道，所述的下侧钢板设有尾水采集装置的预留孔道。

对上述技术方案的进一步改进，所述的桩锤导向装置为由左前角钢、右前角钢、右后角钢、左后角钢组成的桩锤导轨，四个角钢分别连接在所述的两根上中横梁和两根下中横梁之间。

对上述技术方案的进一步改进，所述模型箱上侧设有用于模型桩定位的模型桩定位导向槽。

对上述技术方案的进一步改进，所述外筒和内筒之间设有硅胶。

本发明还提供了利用所述模拟实验装置进行模拟锤击贯入的实验方法，它包括以下步骤：

(1)、首先在模型箱内填入松散或密实粉砂，松散粉砂相对密实度控制在0～1/3，密实粉砂相对密实度控制在1/3～2/3，随后缓缓注水至粉砂表面以上2～3cm处，静置24小时后从箱底泄水孔排水至水面与粉砂表面持平，达到饱和粉砂的制备；

(2)、完成粉砂填埋48小时后，然后进行粉砂填料的双桥静力触探试验，记录触探仪的锥头阻力及侧壁摩阻力沿深度的变化；

(3)、完成双桥静力触探试验12小时后，打桩将桩打入粉砂中，将模型桩插入填料深度为0.7m，调整模型桩导向槽和桩锤导向装置确保模型桩和桩锤在同一竖直线上，通过模型桩导向槽将模型桩的轴向切面紧贴模型箱的玻璃侧板的内壁，测定打桩过程中模型桩的摩阻力。

在打桩过程需要还测定以下指标：每次锤击后的贯入及回弹量、每次锤击后的桩身残余应力、土塞指标和土颗粒的位移。