[发明专利]一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，装置包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统，固定系统包括底座、导轨和加固装置，用于对管桩进行固定，围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压，土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，牵引系统包括位移监测装置、第一测力计、第一伺服电机、第二测力计、第二伺服电机，用于对气囊施加牵引力。本发明提供了能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性的简易试验装置及其操作方法，待测模型桩不发生位移，而由待测土样发生位移，模拟了管桩与土塞的剪切过程，围压系统置于待测模型桩内，极大地节省了试验空间，使操作性更强。

技术领域

本发明涉及桩基工程技术领域，尤其涉及一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法。

背景技术

近年来，跨海大桥、海上钻井平台、海上风电机场等大型工程不断涌现，各类大直径管桩因其施工快捷、打入性好、承载力高等特点，在上述工程的基础建设中发挥了重要作用。与挤土桩不同，管桩在贯入过程中，土层中部分土体会挤入桩内，形成土塞。大量文献表明，当土塞达到一定高度后，至桩底向上两到三倍桩径范围内的土体密实度极高，形成所谓的“楔紧区”，该区域内土塞会对桩体产生极大的侧向力，导致该区域桩土界面上单位内摩阻力远大于桩外单位外摩阻力，从而影响管桩打入特性和成桩后管桩的承载力。

在海洋工程的基础建设中，基桩在成桩过程及成桩后服役期间，会持续受到上部构筑物荷载和洋流、风浪等外部荷载的循环扰动，使基桩的承载性能发生改变，即所谓的“循环荷载效应”；其中比较显著的现象之一就是桩侧摩阻力在循环荷载作用下的退化。目前，对这一现象的理论研究多集中于桩与外侧土接触面，而对土塞与管桩接触面在循环荷载扰动作用下剪切特性的研究较少。在试验开展方面，对桩土界面剪切特性的研究仍集中于桩与外侧土接触面上；其中，现场试验主要在桩身内安装测量元件，通过测量元件监测桩体在打桩和承载过程中的应力变化，从而反映其剪切特性的改变；此类方法可信度较高，但试验周期长，试验开销大，且测量元件一旦发生损坏则监测数据不再具有可信度，因此难以作为常规试验方式；室内试验目前应用较为广泛的是对直剪试验装置进行改造，例如将剪切盒用钢板替代，来模拟桩土界面，但上述试验装置剪切面积会发生改变，不能很好地反映桩土接触面的实际几何特性和受荷特性；为解决上述问题，环剪仪和恒刚度剪切仪等新型设备也不断被研制出来，但上述试验仪器成本较高，尺寸较小，仍不能很好反映桩土实际接触特性。

由于土塞处于管桩内，所处的应力场与位移场和桩外侧土有很大的不同，不能直接将桩土外侧界面的循环剪切特性与内侧进行等效，因此，研究管桩与土塞接触面在循环荷载作用下剪切特性的变化，从而为打桩工艺和管桩承载力的设计提供参考，将具有十分重要的工程和科研意义。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置及方法，所述管桩与土塞接触面循环剪切特性的试验装置能很好反映土塞应力状态且能模拟管桩与土塞接触特性。

为实现上述目的，本发明采用了一种技术方案：一种管桩与土塞接触面循环剪切试验装置，包括固定系统、围压系统、土塞模拟系统和牵引系统；

所述固定系统包括底座、导轨和加固装置，所述底座起支撑作用；所述导轨的表面有凹槽，所述导轨焊接于所述底座上，用于安放待测模型桩；所述加固装置包括轴向加固装置和径向加固装置，所述轴向加固装置安放在所述导轨的凹槽中，用于控制所述待测模型桩的轴向位移，所述径向加固装置焊接于所述底座上，用于控制所述待测模型桩径向位移；

所述围压系统包括气囊、气压表、压力控制装置和高压气瓶，用于对管桩与土塞接触面施加围压；所述气囊置于所述待测模型桩的内侧，所述气囊通过导管依次与所述气压表、所述压力控制装置和所述高压气瓶连接；

所述土塞模拟系统包括尼龙袋和待测土样，所述尼龙袋的外侧粘有所述待测土样，所述尼龙袋的内侧系有绑带，将粘有所述待测土样的所述尼龙袋绑于所述气囊的外侧，使得所述待测土样与所述待测模型桩内壁接触；