[发明专利]一种管桩挤土效应测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种管桩挤土效应测试装置及方法，包括模型桶、气压室、模型管桩、钢化玻璃板、Y型基座、弯曲元测试装置和数码摄像装置；气压室为底部开口的半圆环形筒体结构，底面采用乳胶膜密封，将其敷设于模型桶内的土体上表面，通过气压作用模拟上部土层自重应力；模型管桩为顶部密封的半圆柱体，顶部开有注气孔，通过对桩内活塞施加气压模拟桩芯土塞上部应力；在模型桶底基座和Y型基座上等间距布置上下相对的激发弯曲元和接收弯曲元，并外接数据采集系统。本发明可模拟管桩沉桩过程中土层不同深度处的真实应力环境，实现了管桩贯入阻力和桩周土扰动后位移场和剪切波速的同步测试，具有土塞应力可控、可视化观测、操作简便等优点。

技术领域

本发明涉及一种管桩挤土效应测试装置及方法，属于桩基工程技术领域。

背景技术

管桩因其具有制作工艺简单、植桩方便、质量容易保证、造价低、施工速度快等优点，近年来在房屋建筑、海港码头、跨海大桥、海上石油平台和海上风机等工程中得到了广泛应用。管桩在静压或振动沉桩过程中势必会对周围土体产生扰动、重塑以及挤压作用，桩周附近土体的剪切模量、密度等参数不可避免地会发生变化，使土体在径向上呈现出不均匀性。挤土效应产生的土体垂直隆起和水平移动，可能使邻近既有桩体上浮、偏移甚至导致桩体断裂，同时沉桩过程改变了桩周扰动区域土体的应力状态和性质，产生很高的超孔隙水压力以及硬化或软化效应，将对后续相邻桩的贯入施工及桩的承载性能造成显著影响。

目前，室内模型试验大多通过布置桩身应变片、土压力盒和孔压计等传感器对贯入阻力、桩侧土压力和超孔隙水压力的发展规律进行量测，或辅于可视化窗口对沉桩过程中土体位移场进行观测。然而，上述常规1g缩尺模型试验提供的土中应力水平很低，无法模拟土层不同深度处的真实应力状态。由于贯入引起的土体扰动受侧向应力和土塞效应的影响，低围压下土体往往表现出强烈的剪胀和应变软化现象，导致土体扰动范围、扰动程度和土塞高度等因素与实际存在较大差异。中国发明专利“模拟围压条件下静压钢管桩沉桩过程的试验装置及其方法(CN201610013846.8)”和“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(CN201410172279.1)”分别公开了一种通过三轴试验施加围压和渗水力作用模拟桩在不同深度处原位土体的应力水平，具有一定的工程应用价值，但存在土样尺寸过小和渗透系数难以控制等缺陷，且都无法对沉桩过程中桩周土性质的动态演化进行测试。

发明内容

本发明旨在提供一种管桩挤土效应测试装置及方法，为不同土层深度处的管桩沉桩模拟提供真实的应力环境，实现管桩贯入阻力和桩周土扰动位移场和剪切波速的同步测试，克服以往室内模型试验无法获取挤土效应引起的土层性质演化的缺陷。

本发明提供了一种管桩挤土效应测试装置，包括模型桶、反力架、气压室、模型管桩、钢化玻璃板、Y型基座、电液伺服千斤顶、弯曲元测试装置和高分辨率相机；

所述模型桶为钢制半圆形筒体结构，在桶底圆心处沿径向设置一条形基座，模型桶上部设有一Y型基座，模型桶上方设有气压室；

气压室为底部开口的同心半圆环筒体结构，气压室的外缘与模型桶的外缘重合，气压室底面采用乳胶膜密封，顶部设有注气孔，环状气压室的中心设有模型管桩；

所述模型管桩为顶部密封的中空半圆柱体，顶部设有管桩注气孔，桩芯设有活塞，通过对桩内活塞施加气压模拟桩芯土塞上部应力；

模型管桩上方设有电液伺服千斤顶，电液伺服千斤顶固定在反力架顶面，用以将模型管桩贯入土体，在千斤顶与模型管桩之间设置荷载传感器和位移传感器，实时记录管桩贯入阻力和贯入深度；

所述钢化玻璃板为长方体板，设置在模型桶的平面一侧并与模型桶两端连接；钢化玻璃板上部与气压室的两端连接；