穩定承壓水條件下單樁豎向靜載試驗的測試裝置的制作方法

本發明涉及穩定承壓水條件下單樁豎向靜載試驗的測試裝置，主要適用于室內豎向靜載試驗中承壓水條件下的單樁豎向承載特性方面的研究，屬于樁基測試技術領域。

背景技術：

隨著全國城市的加速發展，建筑規模逐漸增大，高層建筑越來越多。高層建筑的屹立，樁基起著不可或缺的作用，它可以將上部荷載傳遞給地基。為了達到理想的持力層，樁基的長度不斷增加，樁基礎往往會深入到甚至穿過承壓層。由于動水壓力的存在，承壓水條件下的樁基豎向承載力與潛水條件下的樁基豎向承載力特性有較大差異，工程問題也更加復雜。樁基豎向承載力通常由現場豎向靜載試驗來獲得，但是現場試驗存在操作復雜、成本高、時間長等不足，且難以獲得大量靜載測試數據，因此可采用室內豎向靜載試驗代替現場靜載試驗。目前，室內試驗中很難實現穩定的高承壓水環境，主要原因有：1)無法形成封閉的承壓水層。承壓層中水會在壓力作用下沿著樁-土界面、土與模型箱的界面向上發生滲流，導致高承壓水條件下的靜載試驗難以進行，尤其是當承壓水的壓力水頭較大時，這一點尤為突出。2)土體隆起甚至破壞。根據壓力平衡法，當承壓水的滲透壓力超過上部土體的自重，就會發生土體隆起甚至破壞，導致承壓水條件下的單樁豎向靜載試驗失敗。

技術實現要素：

為了克服已有單樁豎向靜載試驗方式的效果較差、操作復雜、費用較高、周期較長的不足，本發明提供一種效果好、操作方便、費用低、時間短的穩定承壓水條件下單樁豎向靜載試驗的測試裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種穩定承壓水條件下單樁豎向靜載試驗的測試裝置，包括模型箱、豎向加載系統、水壓加載系統和數據采集系統，所述模型箱內鋪設模擬場地的箱內土體，所述箱內土體埋設試驗樁，所述豎向加載系統包括反力架、杠桿、壓樁器和砝碼，所述壓樁器與杠桿中部連接，所述壓樁器位于所述試驗樁的頂部，所述杠桿的一端鉸接在所述反力架上，所述反力架安裝在所述模型箱上，所述杠桿的另一端掛接砝碼；所述水壓加載系統包括水泵、進口反濾芯筒、出口反濾芯筒、傳力水袋和反壓板，所述水泵的出水口與反濾芯筒連接，所述進口反濾芯筒安裝在模型箱壁面的進水口上，所述出口反濾芯筒安裝模型箱的壁面的出水口上，所述箱內土體的頂面鋪設所述傳力水袋，所述傳力水袋上設置反壓板，所述反壓板分為左右兩部分且均與轉軸連接，左右兩塊反壓板之間采用旋蓋連接，所述旋蓋穿過所述試驗樁；所述數據采集系統包括位移計，所述位移計位于壓樁器的頂部，所述位移計與數據采集儀連接。

進一步，所述模型箱的一圈設有滾輪軌道，所述反力架上安裝滾輪，所述滾輪安裝在所述滾輪軌道上。

再進一步，所述試驗樁上安裝環形止水條，所述環形止水條包括螺桿、滑槽和橡膠止水條，所述橡膠止水條可滑動地位于所述滑槽內，所述螺桿伸入所述滑槽內，所述橡膠止水條位于所述試驗樁的外表面。

所述傳力水袋有4個，所述傳力水袋之間通過連通管連通，所述連通管與水壓力計連接。

所述水壓加載系統還包括用于固定所述反壓板的擋板，所述擋板可轉動地安裝在擋板轉軸上，所述擋板轉軸固定在所述模型箱內。

所述杠桿的一端通過刀口鉸與所述反力架連接。

所述模型箱內開有供反濾芯筒放置的安裝槽，反濾芯筒與模型箱的壁面之間通過橡膠墊圈密封連接，所述水泵與所述進口反濾芯筒之間的管路上安裝閥門和水壓力計。

所述出口反濾芯筒的出口安裝閥門，所述閥門的下方設有集水池。

本發明的有益效果主要表現在：(1)承壓水穩定可控。承壓層采用壓力泵加載，保證試驗的壓力需求。壓力大小通過水壓力進行控制和調整。當達到目標壓力后，關閉閥門，維持土體中水壓力的穩定。(2)實現土與模型箱壁面和樁土界面的止水。在樁土界面的設置環形止水片，能夠阻擋自下向上的滲流。模型箱四周采用凹凸相間的壁面，增加承壓水的滲流路徑，阻止滲流。(3)防止土體隆起破壞。傳力水袋能夠有效地在反壓板和土體之間傳遞壓力，同時反壓板被擋板和旋蓋固定。所以對于上部不透水層而言，由于土體上表面受反力板約束，避免了土體在承壓水作用下的滲流隆起破壞。(4)操作簡單，費用低。相對于現場的高昂花費而言，室內試驗的裝置可以根據需要進行組裝，而且可以重復使用。(5)加載力穩定。根據杠桿原理采用砝碼加載克服了液壓加載的不穩定性，可同時對樁施加幾十倍于砝碼重量的荷載，增加加載裝置的測試范圍。

附圖說明

圖1是穩定承壓水條件下單樁豎向靜載試驗的測試裝置的結構示意圖。

圖2是傳力水袋圖。

圖3是壓水板俯視圖。

圖4是止水條樣圖。

圖5是旋蓋樣圖。

圖6是反濾芯筒與模型箱連接圖。

圖7是反力架與模型箱連接圖。

圖8是杠桿與反力架連接圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

參照圖1～圖8，一種穩定承壓水條件下單樁豎向靜載試驗的測試裝置，包括模型箱、豎向加載系統、水壓加載系統和數據采集系統，所述模型箱內鋪設模擬場地的箱內土體，所述箱內土體埋設試驗樁，所述豎向加載系統包括反力架、杠桿、壓樁器和砝碼，所述壓樁器與杠桿中部采用螺栓連接，所述壓樁器位于所述試驗樁的頂部，所述杠桿的一端鉸接在所述反力架上，所述反力架安裝在所述模型箱上，所述杠桿的另一端掛接砝碼；所述水壓加載系統包括水泵、進口反濾芯筒、出口反濾芯筒、傳力水袋和反壓板，所述水泵的出水口與反濾芯筒連接，所述進口反濾芯筒安裝在模型箱壁面的進水口上，所述出口反濾芯筒安裝模型箱的壁面的出水口上，所述箱內土體的頂面鋪設所述傳力水袋，所述傳力水袋上設置反壓板，所述反壓板分為左右兩部分且均與轉軸連接，左右兩塊反壓板之間采用旋蓋連接，所述旋蓋穿過所述試驗樁；所述數據采集系統包括位移計，所述位移計位于壓樁器的頂部，所述位移計與數據采集儀連接。

進一步，所述模型箱的一圈設有滾輪軌道，所述反力架上安裝滾輪，所述滾輪安裝在所述滾輪軌道上。

再進一步，所述試驗樁上安裝環形止水條，所述環形止水條包括螺桿、滑槽和橡膠止水條，所述橡膠止水條可滑動地位于所述滑槽內，所述螺桿伸入所述滑槽內，所述橡膠止水條位于所述試驗樁的外表面。

所述傳力水袋有4個，所述傳力水袋之間通過連通管連通，所述連通管與水壓力計連接。

所述水壓加載系統還包括用于固定所述反壓板的擋板，所述擋板可轉動地安裝在擋板轉軸上，所述擋板轉軸固定在所述模型箱內。

所述杠桿的一端通過刀口鉸與所述反力架連接。

所述模型箱內開有供反濾芯筒放置的安裝槽，反濾芯筒與模型箱的壁面之間通過橡膠墊圈密封連接，所述水泵與進水口處的所述反濾芯筒之間管路上安裝閥門和水壓力計。

所述模型箱的出水口安裝閥門，所述閥門的下方設有集水池。

本實施例的測試裝置包括模型箱1；試驗樁2；箱內土體3(包括素填土31；粉土32；淤泥質粘土33；砂土34；致密粘土35)；水壓力泵4；反濾芯筒5；環形止水條6；傳力水袋7；反壓板8；旋蓋9；擋板10；反力架11；杠桿12；壓樁器13；砝碼14；集水池15；水壓力計16；閥門17；lvdt位移計18；數據采集儀19；計算機控制系統20；擋板轉軸21；反壓板轉軸22；凹凸面23；刀口鉸24；滾輪25；連通管26；橡膠墊圈27；螺桿28；滑槽29；橡膠止水條30。

模型箱1與反濾芯筒5之間采用螺栓連接。傳力水袋7內部采用連通管26連通，在反壓板8與箱內土體3傳遞壓力。反壓板8與模型箱1通過反壓板轉軸22連接，反壓板8與旋蓋9采用螺栓連接。擋板10與模型箱1通過擋板轉軸21連接，擋板10位于反壓板8上。反力架11的滾輪25可以在模型箱1中滾動。杠桿12通過刀口鉸24與反力架11相接，壓樁器13通過螺栓固定在杠桿12上，用于將荷載傳遞給試驗樁2。環形止水條6包括螺桿28、滑槽29和橡膠止水條30，轉動螺桿28可以將橡膠止水條30在滑槽29中移動，使橡膠止水條30緊貼在試驗樁2外表面。lvdt位移計18與數據采集儀19用數據線傳輸信號，再將數據轉換傳輸給計算機控制系統20。

所述模型箱是由有機玻璃、型鋼拼裝而成，型鋼用以加固模型箱。所述豎向加載系統由反力架、杠桿、壓樁器、砝碼組成。壓樁器通過螺栓與杠桿連接，可以將荷載傳遞給樁體。所述水壓加載系統由水泵、不銹鋼接口、反濾芯筒、閥門、傳力水袋和反壓板、擋板組成。反壓板分為由左右兩部分組成，均與模型箱的反壓板轉軸相連，反壓板可以繞轉軸旋轉收起。2塊反壓板采用旋蓋連接，同時由6塊擋板固定。擋板位于模型箱側壁，可以繞擋板在水平面內的轉軸旋轉。傳力水袋分為4個，能夠覆蓋整個土體表面。每個傳力水袋之間采用連通管連接，并與水壓力計相連。所述數據采集系統由lvdt位移計和數據采集儀組成，所述計算機控制系統內帶軟件，可以收集和處理測試數據。

所述反濾芯筒可以將透水層的砂層與水隔離。所述環形止水條可以根據樁尺寸自行選擇。所述反濾芯筒使用螺紋與模型箱相接。所述旋蓋的內徑應稍大于樁徑，可以根據樁徑選擇。所述環形止水條為防銹蝕的材料制作，避免銹蝕。所述橡膠墊圈為環形，位于模型箱和反濾芯筒之間。

本試驗模型箱的箱體內部尺寸為1000mm×1000mm×1000m。箱壁由有機玻璃制作，型鋼焊接組成框架。工程中的現場試驗樁尺寸為直徑0.8m，長度為30m的鉆孔灌注樁。場地土層自上而下依次是素填土、粉土、淤泥質粘土、砂土、致密粘土，厚度分別為2m、2m、16m、4m、6m。砂土層為透水土層，不透水土層為淤泥質粘土和致密粘土。

本發明的測試方法的步驟如下：

1)確定模型樁的尺寸、材質。根據設計的工程樁尺寸確定模型樁的形狀，模型樁尺寸按工程樁尺寸進行等比例縮小。本次試驗采用40:1比例，因此，可確定樁長為750mm，樁徑20mm。

2)確定室內試驗的土層厚度。根據地質勘察報告中的土層分布及其厚度進行按比例縮小。本次試驗采用40:1比例縮小。素填土、粉土、淤泥質粉質粘土、砂土、致密粘土厚度分別為0.05m、0.05m、0.4m、0.1m、0.15m。

3)確定止水條的尺寸和數目。根據試驗樁的外徑尺寸，選擇與之匹配的環形止水條，即內部直徑為20mm。根據試驗中承壓水確定環形止水條的數目。在本次實例中采用3個環形止水條。

4)安裝環形止水條。預估模型樁在淤泥質粘土的區域，在該區域沿高度均勻地布置3個環形止水條。將環形止水條穿過樁身放置到相應位置后，擰動螺栓，橡膠止水條便會在螺栓的推動下前進，直至與樁身接觸。樁土界面發生的滲流就會被環形止水條阻擋。

5)確定承壓層水壓壓力。本次試驗根據現場的承壓水壓0.6mpa，按照40:1，試驗壓力為15kpa，分3級加載，首次加載5kpa，之后每次加載梯度為5kpa。

6)分層鋪設土層，埋設試驗樁。然后在模型箱內鋪設樁端的致密粘土層，當鋪設到樁底的位置時，將樁身垂直放置模型箱的中心位置，并繼續自下而上按照土層的順序和厚度依次鋪設相應土層，直至到頂部素填土層。在各層鋪設過程中要保證相應的土層特性和平整度。

7)安放傳力水袋。傳力水袋按照序號安放在土層上部的相應位置處，將傳力水袋的水管與水壓力計連接。通過水壓力計可以實時觀測傳力水袋中的壓力。

8)安放反壓板。將反壓板繞轉軸旋轉并蓋在傳力水袋上，再用旋蓋將左右兩側的反壓板連接成整體，從模型箱外側旋出擋板，使擋板能夠有效地壓住反壓板，防止反壓板和傳力水袋的隆起，保證土體受到承壓水作用不會發生隆起破壞。

9)安放豎向加載系統和數據采集系統。將反力架在模型箱上移動，使杠桿處于樁頂上方，繼續在杠桿調整壓樁器位置，使壓樁器處于樁頂正上方。將2個lvdt位移計安放在支架上，并與數據采集儀相連接，用于測試樁頂的豎向位移。

10)承壓層水壓加載。通過水泵向模型箱中注水，當達到目標水壓后，繼續穩壓一段時間后關閉閥門保證恒壓。

11)確定加載級別，實行分級加載。根據《建筑基樁檢測技術規范》(jgj106-2014)及模型樁、土層參數初估最大單樁靜載值，采用10級加載且每次加載為預估值的1/10。本實施例中，由現行樁基規范初估樁基承載力為10kn，按每級1kn進行，共分10級施加砝碼。

12)樁頂豎向加載。加載采用現行規范中的慢速維持荷載法進行加載，具體的加卸載分級、試驗方法、穩定標準及結束標準按現行規范進行，數據采集系統能自動記錄荷載及加卸載過程中的位移和殘余位移。

13)確定試驗樁的豎向抗壓極限承載力。根據加載力和lvdt監測的實時位移，可以繪制出該次試驗的荷載—位移(q—s)曲線，依據現行規范的取值要求確定出單樁豎向承載力極限值。

14)回收試驗用水和土體，拆卸試驗裝置，清理模型箱。關閉儀器，打開閥門，進行承壓水的回收，然后移開反力架，打開旋蓋，收起反壓板，依次收起傳力水袋，試驗用土體、樁、環形止水條，反濾芯筒，清理模型箱以便下次試驗。

15)確定單樁的豎向承載力特征值。重復上述步驟6)-14)，獲得一組三根樁的豎向抗壓極限承載力。當三根樁極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為單樁豎向抗壓極限承載力。單樁的豎向承載力特征值取單樁豎向抗壓極限承載力的50％。

16)調整承壓水層壓力。調整承壓層水壓的壓力值，再次重復上述步驟5)-15)，得出不同承壓水壓力條件下的樁基豎向承載力的極限值和特征值。