[发明专利]一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用

说明书

本发明涉及一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用，包括模型箱、开口管桩、导杆和穿心锤，模型箱内部填充砂样，砂样中埋设连接数据采集仪的微型土压力计和加速度传感器，开口管桩竖直设置在模型箱的中心，导杆竖直设于开口管桩的上端，穿心锤穿过导杆，位于开口管桩上部。与现有技术相比，本发明可模拟管桩动力沉桩过程中土塞的形成并时实测量土塞高度，也可以测量在土塞高度一定时，动力沉桩过程中桩周的动力响应，克服模型箱壁带来的边界效应，能够较好地探讨土塞效应下开口管桩锤击动力响应，研究锤击沉桩引起的挤土效应、振动波衰减、荷能量传递规律。

技术领域

本发明涉及岩土力学桩基工程技术，具体涉及一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用。

背景技术

锤击沉桩给施工带来方便的同时，它对周围环境的影响也受到人们日益关注。对环境的影响一般分为两类，一类是挤土效应，使周围一定范围内的建筑物基础和地下设施产生不均匀沉降，从而引起这些建筑物开裂、倾斜甚至破坏，道路路面损坏和地下管线爆裂等灾难性后果；另一类是振害问题，锤击沉桩产生的振动不同于地震产生的土体振动，亦不同于地面震源产生的以面波为主的振动，它是以桩尖为震源，向四周以球面波动的形式传播，且震源随着桩尖位置的下移而不断变化，从而也引起其振动频率和振动衰减特性的不断变化，它对人类身体健康、对周围土层、对建筑物均有不同程度的影响。

多数情况下预应力混凝土管桩的桩端采用开口形式，此举在一定程度上可减小贯入阻力和挤土效应，但开口管桩在沉桩过程中，土体会因压力挤入管桩内部，产生土塞效应，在土塞效应的影响下，其挤土效应以及工程振动的理论分析变得更加困难。为了较好地探讨土塞效应下开口管桩锤击动力响应，研究锤击沉桩引起的挤土效应、振动波衰减、荷能量传递规律，对锤击沉桩振害事故提出相应的措施，对其进行控制与预防，建立合适的方法来评价其对周围建筑物的影响，需要进行沉桩模型试验。

目前国内外考虑土塞效应的模型试验方案都有一定的不足，大部分试验方案无法时实测量管桩中土塞的高度，部分试验通过半桩试验的方式观测土塞的变化。半桩试验中半桩要紧贴模型箱壁，模型箱壁带来的边界效应使数据有一定的误差，同时由锤击沉桩过程中的振动波通过模型箱壁会进行反射，反射波也会对数据产生干扰，使得微型传感器测量数据有较大误差。中国专利CN 105424913A提出了一种模拟开口式管桩沉桩过程中产生土塞效应的试验装置，但该装置仅孤立地研究土塞效应，并没有将土塞与桩身结合起来，无法模拟在实际锤击沉桩过程中土塞变化以及对周围土体的动力响应。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种考虑土塞效应的沉桩模型试验装置，包括模型箱、开口管桩、导杆和穿心锤，所述的模型箱内部填充砂样，所述的砂样中埋设连接数据采集仪的微型土压力计和加速度传感器，所述的开口管桩竖直设置在模型箱的中心，所述的导杆竖直设于开口管桩的上端，所述的穿心锤穿过导杆，位于开口管桩上部。

进一步地，所述的开口管桩下端的内部设置上下移动的圆环垫片，所述的圆环垫片连接细线，圆环垫片在沉桩过程中随土塞高度的升高而升高，通过细线可以精确测得土塞上升的高度，用于模拟管桩动力沉桩过程中土塞的形成并时实测量土塞高度。

进一步地，所述的开口管桩下端的内部固定设置圆形垫片，所述的圆形垫片由设于圆形垫片上部的细铁棒卡死，所述的细铁棒呈十字交叉水平穿过开口管桩，用于测量在土塞高度一定时，动力沉桩过程中桩周的动力响应，测量沉桩过程中不同深度处径土压力发展规律。

进一步地，所述的开口管桩与导杆之间设有桩帽，该桩帽的中心设有插入导杆的孔洞，桩帽的设置可减少锤击过程中对桩身的损坏。

进一步地，所述的桩帽上部设置钢垫，钢垫上部设置橡胶垫，所述的穿心锤位于橡胶垫的上部，所述的桩帽通过桩帽螺栓固定在开口管桩上。