[发明专利]一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置

说明书

本发明公开了一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置，包括圆柱形的外箱和内箱，内箱内放置土样，桩基埋设在土样中，内箱由至少四片相同的圆弧形磨具围合形成，外箱底部设置有四个径向的底座轨道，每片磨具的卡槽对应卡设在一个底座轨道上，每片磨具和相邻的两片磨具之间首尾搭接连接，外箱和内箱之间设置有向内箱侧壁施加压力的装置，使内箱的径向尺寸缩小；本发明通过设置外箱和可收缩的刚性内箱，分段模拟实际应力状态下桩‑土体系工作性状，在桩周土内设置垂直的压力计或气囊标定和实时监测桩‑土体系压力变化，从而得到一个可以重复利用的模拟原型桩‑土体系应力状态的缩尺模型试验装置。

技术领域

本发明涉及一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置，属于岩土工程室内试验领域。

背景技术

土体是一种具有“记忆性”的智能材料，其力学特性受应力历史影响。桩-土相互作用亦是如此，低应力状态下桩周土产生剪胀，而高应力状态下桩周土却产生剪缩。

现场试验可以还原桩-土体系的实际应力状态，但现场土层复杂多变，不具备代表性，更重要的是现场试验十分昂贵，往往仅能作为其他研究的验证。因此，桩-土作用机理的试验研究主要依托于常应力状态下的缩尺模型试验。但现有常应力状态下的缩尺模型不能模拟桩周土体应力状态，不能得到定量的试验结果。

发明内容

本发明的目的在于克服传统缩尺模型试验不能模拟桩周土体应力状态的缺陷，提供一种能够模拟原型桩基应力状态、可以重复利用的缩尺模型试验装置。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置，该试验装置包括圆柱形的外箱和内箱，外箱为有底无盖的壳体结构，内箱设置在外箱内，内箱内放置土样，桩基埋设在土样中，土样中设置有多对土压力计，每对土压力计包括一个与试验桩基平行的土压力计和一个与试验桩基垂直的土压力计；内箱由至少四片相同的圆弧形磨具围合形成，外箱底部设置有四个径向的底座轨道，每片磨具的底部开设有卡槽，每片磨具的卡槽对应卡设在一个底座轨道上，每片磨具和相邻的两个磨具之间首尾搭接连接，外箱和内箱之间设置有向内箱侧壁施加压力的装置，使内箱的径向尺寸缩小；外箱的顶部设置有反力架，内箱顶部的土样上设置有刚性垫板，反力架和刚性垫板之间设置有向内箱顶部施加压力的装置。

作为压力的装置的一个实施例，向内箱侧壁施加压力的装置为若干个千斤顶，千斤顶的底座固连于外箱内壁上，千斤顶的伸缩杆与内箱接触连接，千斤顶的伸缩杆伸长时，内箱的磨具之间发生相对滑动，使内箱的径向尺寸缩小。

作为压力的装置的一个实施例，向内箱顶部施加压力的装置为若干个千斤顶，千斤顶的底座固连于反力架上，千斤顶的伸缩杆与刚性垫板接触连接。

根据模型高度，内箱侧壁的千斤顶可以以位于内箱中部位置的中间组千斤顶周向位置为基准，在模型箱顶部和底部深度处分别布置一组千斤顶，保证内箱均匀收缩，与内箱中心位置同轴线的外箱上布置一组四个千斤顶，以此组千斤顶周向位置为基准，在外箱的反力架上安装一组四个千斤顶；分别通过顶部和周向千斤顶伸缩对内箱中土样施加轴压和围压，轴压通过刚性垫板传至土样，围压通过刚性内箱传至土样，保证了压力均匀；在土样中垂直布置一对土压力计，实时校核轴压和围压变化。

作为优选，磨具具有两端，一端为切除外壁的A端，另一端为切除内壁的B端，切除的厚度均为磨具厚度的一半，A端和B端所在圆弧的弧长均为磨具弧长的三分之一。

进一步地，作为磨具的一个实施例，磨具的A端外壁上开设有半圆形的凹槽作为侧壁轨道，磨具的B端内壁上开设有半圆形的凹槽作为侧壁轨道，侧壁轨道均沿弧长方向开设，一个磨具A端的侧壁轨道与相邻另一个磨具B端的侧壁轨道相对设置，且在二者围合形成的轨道中设置有滚珠，滚珠的直径等于轨道的内径，侧壁轨道的自由端内均设置有用于防止滚珠滑脱的挡板。