CN104374648A - 一种测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置及方法，该试验装置包括振动平台、管桩模型试验箱、加载机构和监测系统，所述管桩模型试验箱包括钢底板、层叠的钢框架、限位机构、设置在钢框架内的管桩和砂土体；钢框架之间设置有导向滑槽，导向滑槽上设置有滚珠；所述钢底板上铺设有硬土；所述管桩与砂土体之间填充水泥浆；所述钢框架内壁上设置有密封薄膜；所述监测系统包括位移传感器、设置在所述管桩外表面的应变花组以及设置在砂土体中的压力盒。本发明能较好地消除箱壁边界影响，避免缩尺效应和试验模型相似比关系难确定的问题，测试结果更加准确、合理、可靠，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。

Description

一种测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程试验装置技术领域，具体涉及一种用于测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置及方法。

背景技术

自从我国引进预应力混凝土管桩并大量地使用以来，每年不但节约了大量的各种建筑材料、能源以及资金，而且大大的缩短工程建设周期。管桩是建筑物的常用基础形式，主要用作建筑物的抗压、抗拔和抗水平力等。由于高强预应力混凝土管桩所消耗的建筑材料少，工厂化生产效率高，成桩质量好、强度高、耐施打等优点。因此，近年来随着世界经济建设的迅速发展，节能环保概念的提出，以及建筑地基基础抗震设计要求的提高，国外越来越多的工程项目采用PHC管桩基础，且正朝着高承载力的大直径(Φ800mm以上)、薄壁、超高强度(混凝土强度等级C105、C123)、无焊接接头预应力混凝土管桩方向发展。但是，管桩作为薄壁混凝土杆件，抵抗地震动力产生的剪切和弯曲荷载能力较差，在上部建筑结构重力荷载和地震水平力共同作用下很容易产生破坏。在2008年汶川大地震发生后，我国加强了对建筑基础结构的地震震害性关注，特别是软土和易液化砂土地基中大量采用的管桩基础在地震中的表现性状及桩身抗震构造措施方面越来越引起重视。

采用大直径随钻跟管钻机(专利号：ZL 200820158894.7)施工的管桩，管壁外侧灌注水泥浆(钻孔直径较管桩直径大40～100mm)以提高管桩的侧摩阻力。然而，在地震动力作用下管桩与其桩周注浆土体的剪切、错动、和脱开等非连续变形破坏问题，尚缺乏深入系统的研究。主要原因是目前的管桩与土的剪切试验设备大部分是静力的，即使循环加载剪切仪、改造的振动单剪仪也是人为假定结构与土的接触界面为破坏面，两种材料变形协调，而实际上结构与土界面剪切破坏时界面剪切强度可能高于土体本身的剪切强度，使得剪切破坏面发生在土体内部。针对结构与周围包裹的水泥注浆土体而言，通常水泥浆与结构的粘结强度要高于普通的注浆土体强度，剪切破坏面将发生在注浆土体内部，形成一个具有一定厚度的剪切破坏带。此外，桩土相互作用分析的重点也大都在桩身承载力、桩体沉降、桩端与桩侧阻力比、桩身构造、土体位移与强度等方面。少有关于管桩与注浆土体圆弧界面的动力剪切原型试验研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性时，现有试验设备及测试方法针对性不强，精度不高，箱壁边界效应，缩尺效应，试验模型相似比关系难确定的技术问题，提供一种操作简便、测试准确、试验模型接近工程实际的测试管桩与注浆土体之间的动力剪切试验装置及方法。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现：

本发明所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，包括振动平台、设置在振动平台上的管桩模型试验箱以及用于管桩加载负荷的加载机构和监测系统。

所述管桩模型试验箱包括钢底板、设置在钢底板上的若干相互层叠的钢框架、用于限制所述钢框架相互滑移距离的限位机构、设置在钢框架内的管桩、以及填充钢框架的砂土体；所述钢框架为方形的封闭式钢框架；相邻两个钢框架之间设置有导向滑槽，所述导向滑槽上设置有滚珠；

所述钢底板上铺设有一层硬土；所述管桩与所述砂土体之间填充水泥浆；所述钢框架内壁上设置有密封薄膜；

所述监测系统包括设置在管桩顶的位移传感器、设置在所述管桩外表面的一排或一排以上的应变花组以及若干设置在砂土体中的压力盒；所述压力盒竖向等间距设置在砂土体中；

所述应变花组沿所述管桩圆周方向均匀分布；所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自动记录仪。

进一步地，所述限位机构包括2个或以上的用于限制所述钢框架横向滑移的限位钢支架，所述限位钢支架上设置有若干间隔设置的螺栓孔，所述螺栓孔上设置有定位螺钉，所述钢框架上与所述定位螺钉位置对应的定位槽。

进一步地，若干压力盒沿水平施振方向对称设置在管桩的两侧，同侧水平方向上相邻两压力盒的距离为30cm～50cm，水平施振方向上的若干压力盒沿竖直方向等间距设置，相邻两排压力盒竖向间隔为20cm～30cm。

进一步地，所述硬土的厚度在15cm～30cm。

进一步地，所述钢底板上设置有若干用于与振动平台配合的定位螺栓孔。

进一步地，所述加载机构包括质量块、支撑架和用于放置质量块的承载板，所述承载板上设置有用于支撑架贯穿的安装孔，所述质量块上设置有用于支撑架贯穿的通孔，所述支撑架上设置有用于锁紧质量块的锁紧螺母；支撑架的底部焊接固定在管桩的端头板上；所述质量块上设置有加速度传感器。

进一步地，所述管桩底部设置有压力盒。

进一步地，所述钢框架由空心的箱形钢焊接而成。

一种测试管桩与注浆土体之间的动力剪切特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)组装剪切模型箱，并将其体固定在振动平台上；

(2)在钢框架形成的箱体内壁设置密封薄膜；

(3)在钢框架形成的箱体的底部铺设硬土，硬土厚度为15cm～30cm；

(4)将管桩放置在硬土上并位于钢框架的中间位置，在管桩外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述管桩外表面贴有若干应变花；管桩顶部对称设置2个位移传感器；

(5)用砂土体填充箱体，并且将砂土体夯实；

(6)在管桩两侧的砂土体中竖向等间距放置压力盒，相邻压力盒间隔为20cm～30cm；

(7)在管桩与钢套筒之间灌注水泥浆，并且一边灌注水泥浆一边拔出钢套筒；

(8)振动平台按照输入波的振动频率振动；

(9)加载机构从上部通过承压板对管桩施加竖向压力；

(10)记录所述应变花、位移传感器、加速度传感器、压力盒监测到的数据。

进一步地，所述装有混凝土管桩的层叠剪切模型箱在加载机构施加压力之前，静置多于28天的凝固时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过层叠的钢框架组成模型箱，层层之间采用滚珠与钢支架弹性约束系统，钢框架可在水平方向上滑动，使得设置在模型箱内的土体可以很好地模拟天然水平地基土层在地震力作用下的剪切变形，并且能较好地测试在地震力的作用下管桩与不同厚度不同水灰比的注浆土体之间的动力剪切特性，本发明测试结果更加准确、合理、可靠，避免了边界效应、缩尺效应以及模型相似比关系的确定，分析管桩与注浆土体的动力剪切变形破坏特征，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特试的试验装置的结构示意图；

图2是管桩的结构示意图；

图3是本发明中的加载机构的结构示意图；

图4是本发明中承载板的结构示意图；

图5是本发明中的钢底板的结构示意图；

图6是本发明中的定位槽的结构示意图。

图中：1-振动平台，11-动力激振器，2-钢底板，21-螺栓孔，3-钢框架，31-定位槽，32-滚珠，4-限位钢支架，5-定位螺钉，6-砂土体，7-水泥浆，8-管桩，81-应变花，82-硬土，9-加载机构，91-支撑架，92-承载板，93-质量块，94-安装孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图6所示，本发明所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，包括振动平台1、设置在振动平台1上的管桩模型试验箱以及用于管桩加载负荷的加载机构9和监测系统，在本实施例中，所述加载机构9包括质量块93、支撑架91和用于放置质量块93的承载板92，所述承载板92上设置有用于支撑架91贯穿的安装孔94，支撑架91的底部焊接固定在管桩的端头板上，设置四根支撑架91，用于贯穿质量块93，使其定位稳固，支撑架91的顶部设置螺纹，通过螺母锁紧质量块93。

所述管桩模型试验箱包括钢底板2、设置在钢底板2上的若干相互层叠的钢框架3、设置在钢框架3内的管桩8、铺设在钢底板2上的硬土体以及用于填充钢框架3的砂土体6。所述钢底板2上设置有若干用于与振动平台1连接配合的定位螺栓孔21。所述钢框架3为方形的封闭式钢框架，层叠形成箱体，相邻两个钢框架3之间设置有导向滑槽，所导向滑槽上设置有滚珠32。所述钢框架3由空心的箱形钢焊接而成。

所述钢框架3内壁上设置有密封薄膜，所述钢底板上铺设一层硬土82，所述管桩8设置在硬土82上，并位于钢底板的中间位置，管桩8与砂土体6之间填充水泥浆7。

所述管桩模型试验箱上还设置有限制钢框架3滑动的限位机构，所述限位机构包括一个或两个以上平行设置的限位钢支架4，限位钢支架4上设置有若干间隔设置的螺栓孔，所述螺栓孔上设置有定位螺钉5，所述钢框架3上设置有与所述定位螺钉5位置对应的定位槽31。

所述监测系统包括设置在管桩上部的位移传感器，设置在质量块上的加速度传感器，设置在管桩外表面的四排的应变花组、设置在砂土体6中的若干压力盒，所述压力盒等间隔设置在砂土体8中，每铺设一定厚度的砂土体6，放置两排压力盒，分别沿水平施振方向对称设置在管桩8的两侧，每侧各一排压力盒；所述管桩8底部也放置一个压力盒。

所述应变花组沿所述管桩8圆周方向均匀分布；所述应变花组包括沿所述管桩8中心轴方向均匀分布的若干应变花81，所述应变花81连接有自动记录仪。

一种测试管桩与注浆土体之间的动力剪切特性的方法，包括以下步骤：

(1)组装剪切模型箱，并将其体固定在振动平台1上；

(2)在钢框架3形成的箱体内壁设置密封薄膜；

(3)在钢框架3形成的箱体的底部铺设硬土82，硬土82厚度为15cm～30cm

(4)将管桩8放置在硬土82上并位于钢框架3的中间位置，管桩8底部放置一压力盒，在管桩8外套设与管桩8对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述管桩外表面贴有若干应变花81；管桩8顶部对称设置有2个位移传感器；

(5)用砂土体6填充箱体，并且将砂土体6夯实；

(6)若干压力盒沿水平施振方向上对称设置在管桩8两侧的砂土体6中，，每排压力盒竖向间隔为20cm～30cm，水平施振方向于管桩一侧的相邻2个压力盒间距30cm～50cm；

(7)在管桩8与钢套筒之间灌注水泥浆7，并且一边灌注水泥浆7一边拔出钢套筒或在水泥浆7初凝前拔出所述钢套筒；灌注的水泥浆7需放置28天以上的凝固时间；

(8)将加载机构9的支撑架91焊接固定在管桩8的端头板上，固定好承载板92，在承载板92上放置质量块93，并在质量块93上设置加速度传感器；

(9)振动平台按照输入波的振动频率振动；

(10)记录所述应变花、位移传感器、加速度传感器、压力盒监测到的数据。

本发明的试验箱采用层叠的钢框架形成，层层之间采用轴承与钢支架弹性约束系统，能较好地消除边界影响，成功的模拟天然土层的地震反应，测试在地震力的作用下管桩与不同厚度不同水灰比的注浆土体之间的动力剪切特性，

监测土体位移量、加速度、土压力等物理量的变化情况，为理论分析或实际施工提供可靠的试验数据。

本实施例所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置的其它结构参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，包括振动平台、设置在振动平台上的管桩模型试验箱以及用于管桩加载负荷的加载机构和监测系统，其特征在于：

所述管桩模型试验箱包括钢底板、设置在钢底板上的若干相互层叠的钢框架、用于限制所述钢框架相互滑移距离的限位机构、设置在钢框架内的管桩、以及填充钢框架的砂土体；所述钢框架为方形的封闭式钢框架；相邻两个钢框架之间设置有导向滑槽，所述导向滑槽上设置有滚珠；

所述钢底板上铺设有一层硬土；所述管桩与所述砂土体之间填充水泥浆；所述钢框架内壁上设置有密封薄膜；

所述监测系统包括设置在管桩顶的位移传感器、设置在所述管桩外表面的一排或一排以上的应变花组以及若干设置在砂土体中的压力盒；所述压力盒竖向等间距设置在砂土体中；

所述应变花组沿所述管桩圆周方向均匀分布；所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自动记录仪。

2.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：所述限位机构包括2个或以上的用于限制所述钢框架横向滑移的限位钢支架，所述限位钢支架上设置有若干间隔设置的螺栓孔，所述螺栓孔上设置有定位螺钉，所述钢框架上与所述定位螺钉位置对应的定位槽。

3.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：若干压力盒沿水平施振方向对称设置在管桩的两侧，同侧水平方向上相邻两压力盒的距离为30cm～50cm，水平施振方向上的若干压力盒沿竖直方向等间距设置，相邻两排压力盒竖向间隔为20cm～30cm。

4.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：所述硬土的厚度在15cm～30cm。

5.根据权利要求4所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：所述钢底板上设置有若干用于与振动平台配合的定位螺栓孔。

6.根据权利要求1所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：所述加载机构包括质量块、支撑架和用于放置质量块的承载板，所述承载板上设置有用于支撑架贯穿的安装孔，所述质量块上设置有用于支撑架贯穿的通孔，所述支撑架上设置有用于锁紧质量块的锁紧螺母；支撑架的底部焊接固定在管桩的端头板上；所述质量块上设置有加速度传感器。

7.根据权利要求6所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：所述管桩底部设置有压力盒。

8.根据权利要求6所述测试管桩与注浆土体之间动力剪切特性的试验装置，其特征在于：所述钢框架由空心箱形钢焊接而成。

9.一种测试管桩与注浆土体之间的动力剪切特性的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)组装剪切模型箱，并将其体固定在振动平台上；

(2)在钢框架形成的箱体内壁设置密封薄膜；

(3)在钢框架形成的箱体的底部铺设硬土，硬土的厚度在15cm～30cm；

(4)将管桩放置在硬土上并位于钢框架的中间位置，管桩底部设置压力盒，在管桩外套设与管桩对应的钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述管桩外表面贴有若干应变花；管桩顶部设置有位移传感器；

(5)用砂土体填充箱体，并且将砂土体夯实；

(6)在管桩两侧的砂土体中各竖向间隔放置压力盒；

(7)在管桩与钢套筒之间灌注水泥浆，并且一边灌注水泥浆一边拔出钢套筒或在水泥浆初凝前拔出所述钢套筒；

(8)振动平台按照输入波的振动频率振动；

(9)加载机构从上部通过承压板对管桩施加竖向压力；

(10)记录所述应变花、位移传感器、加速度传感器、压力盒监测到的数据。

10.根据权利要求9所述观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验方法，其特征在于：所述装有混凝土管桩的钢框架在加载机构施加压力之前，静置多于28天的凝固时间。