本發明屬于巖土工程中樁基模型試驗技術領域，具體涉及一種模擬與測試樁端不同承載作用的裝置及方法。

背景技術：

經過多年的發展，對于樁基承載能力的研究主要有現場原型試驗、室內模型試驗及基于試驗數據之上的數值模擬三種方法，由于現場原型試驗費用高、試驗數據不易采集、地質條件變化不具規律性等缺點，使得現場試驗難以大規模開展，而數值計算方法尚不足以全面模擬巖土體的復雜性及樁土之間的相互作用機理，因此室內模型試驗是研究樁基承載能力和變形特性切實有效、經濟可行的技術手段。

在樁基模型試驗中，樁側摩阻力及樁周土的變形是我們研究的重點，為了使模型試驗中的樁基達到極限承載能力狀態，需要對模型樁的樁端承載作用進行處理，采用的方法主要有模型箱底開洞或樁端設置泡沫，但模型箱底開洞的方法與實際樁基的樁端端承作用相距較遠，而端承作用的改變會對樁側摩阻力造成難以估量的影響，設置泡沫的方法雖然在一定程度上可以模擬樁端的承載作用，但如何控制泡沫的剛度使之與樁端巖土體的基床系數等效不易實現。

因此，研制一種可精確模擬樁端承載作用，且可以根據不同巖土體基床系數進行改變的試驗裝置及方法顯得尤為迫切。

技術實現要素：

本發明為了克服現有技術方法的不足，提出了一種模擬與測試樁端不同承載作用的裝置及方法，更真實的模擬樁基試驗中樁端的實際端承作用，測試模型樁的荷載分布及沉降規律，探究樁土相互作用機理。

為了解決上述問題，本發明按以下技術方案予以實現的：一種模擬與測試樁端不同承載作用的裝置，包括模型試驗箱、模型樁、彈簧組合結構、第一組傳感器和第二組傳感器，所述模型樁、彈簧組合結構、第一組傳感器和第二組傳感器置于所述模型試驗箱內；所述彈簧組合結構包括上支撐面、下支撐面及抵頂于所述上支撐面和下支撐面之間的至少一個彈簧，所述上支撐面的上板面與所述模型樁的底部連接，所述彈簧組合結構彈性承載所述模型樁，所述第一組傳感器置于所述模型樁的底部，所述第二組傳感器置于所述模型樁的頂部。

所述彈簧為n個，每個彈簧對應的彈性系數分別為k₁、k₂、k₃…k_n；所述彈簧的個數及每個彈簧對應的彈性系數通過公式k＝K·A和數學模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n得到；其中，k為所述彈簧組合結構的彈簧總彈性系數，K為樁底巖土體的基床系數，A為所述模型樁的樁端面積。通過選擇不同的彈簧進行組合可以模擬模型試驗中樁端不同的承載作用。

所述彈簧的自由長度相等。確保所述彈簧組合結構的上支撐面水平，以水平承載模型樁。

包括至少四根彈性系數相同的彈簧或其等效彈簧組，所述彈簧或其等效彈簧組以所述上支撐面的中心為基準等角度等距離環繞設置。確保平穩承載模型樁。

所述上支撐面包括至少一個上圓環，所述下支撐面包括至少一個下圓環，所述彈簧的兩端分別連接與所述彈簧對應的上圓環和下圓環，所述彈簧、上圓環和下圓環形成至少一個彈簧環。多個彈簧環之間可以相互組合，組成組合所需的彈簧組合結構。

組成所述等效彈簧組的至少兩根彈簧相互之間為并列設置或套合設置。

還包括樁端支撐板，其設置于所述彈簧組合結構與模型樁之間，且所述第一組傳感器置于所述樁端支撐板的上板面。所述樁端支撐板用于承擔樁端荷載并將其均勻的傳遞到所述彈簧上。

所述第一組傳感器包括第一位移傳感器和第一載荷傳感器，所述第二組傳感器包括第二位移傳感器和第二載荷傳感器。所述第一組傳感器和第二組傳感器分部設置于樁端和樁頂兩處，用于測量模型試驗過程中的模型樁樁端阻力、樁頂壓力、樁端沉降及樁頂位移，并基于所述測量數據求出模型樁的樁側摩阻力和樁身壓縮量。

所述彈簧環組合的原則為：

其中 p—樁底均布荷載； K—基床系數；

k—彈簧總彈性系數； F—樁端載荷；

s—樁端沉降； A—樁端面積；

即彈簧總彈性系數由樁底巖土體的基床系數和樁端面積決定。

由多個彈簧組合的彈簧總彈性系數k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n。

其中k₁、k₂、k₃…k_n—單個彈簧的彈性系數。

作為本發明提供的另一個解決技術問題的技術方案，提供了一種模擬與測試樁端不同承載作用的方法，步驟如下：

S1：試驗準備階段，

S11、根據實際樁端巖土體的基床系數K、模型樁的樁端面積A，利用公式k＝K·A計算得到彈簧組合結構的彈簧總彈性系數k；

S12、通過數學模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需彈簧的個數及每個彈簧對應的彈性系數；其中，n為彈簧組合結構所需的彈簧的個數，k₁、k₂、k₃…k_n為每個彈簧對應的彈性系數；

S13、組裝所述彈簧組合結構，所述彈簧組合結構包括上支撐面、下支撐面及抵頂于所述上支撐面和下支撐面之間的n個彈簧；

S2：試驗安裝階段，

S21、將組裝好的所述彈簧組合結構放入模型試驗箱，于所述彈簧組合結構的上支撐面上設置第一組傳感器；

S22、把模型樁吊入，所述模型樁置于所述彈簧組合結構上；

S23、往所述模型試驗箱中分層填土，分層壓密夯實直至土體達到所述模型樁的頂部；

S24、在所述模型樁的頂部設置第二組傳感器；

S3：試驗加載階段，利用反力架和千斤頂對所述模型樁的頂部施加荷載；

其中，所述第一組傳感器包括第一位移傳感器和第一載荷傳感器，所述第二組傳感器包括第二位移傳感器和第二載荷傳感器。

進一步，在所述試驗安裝階段，在將所述模型樁臨時固定之后，且在往所述模型試驗箱中分層填土之前，在所述彈簧組合結構外側纏繞一圈或多圈柔性材料形成圍護。優選地，所述柔性材料如軟塑料、纖維布等。采用柔性圍護結構既可以防止填土時，土體擠入彈簧內部，影響彈簧正常壓縮，又可以協同支撐板一起壓縮下降，而不會破壞水泥漿與土體之間的相互作用。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.本發明針對樁基模型試驗中模型箱尺寸有限及單樁預埋的特點，利用彈簧組合結構實現樁端巖土體支撐作用的模擬，使樁基受力過程與現場實際情況更加相似，對于研究樁基端承力與摩阻力的變化規律，揭示單樁承載機理具有重要意義。

2.本發明中的彈簧組合結構，由多個彈簧環組合而成，可以基于k＝K·A的原則，根據樁底巖土體的基床系數和樁端面積，組合出完全等效的彈簧組合結構。

3.本發明裝置可以通過改變彈簧的彈性系數、改變彈簧的個數或改變彈簧環的個數等多種方法得到不同的彈簧總彈性系數，實現對巖土體不同基床系數及不同直徑樁基的模擬，進行多種工況下的模型試驗，研究樁底巖石剛度和樁端面積對單樁極限承載力的影響規律。

4.本發明通過在樁頂和樁底分部設置位移傳感器和載荷傳感器，避免了在樁身貼應變片的不便，并且基于測試數據可以求得樁側摩阻力和樁身應變。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明，其中：

圖1為實施例1的試驗裝置布置示意圖。

圖2為實施例1的彈簧組合結構、樁端支撐板及第一組傳感器的組合示意圖。

圖3為實施例1的彈簧環的結構示意圖。

圖4為實施例1的彈簧環的俯視圖。

圖中：模型試驗箱1、模型樁2、彈簧組合結構3、樁端支撐板4、第一組傳感器5、第二組傳感器6、上圓環71、下圓環72和彈簧8。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1～圖4所示，本發明所述的模擬與測試樁端不同承載作用的裝置，包括模型試驗箱1、模型樁2、彈簧組合結構3、第一組傳感器5和第二組傳感器6。所述模型樁2、彈簧組合結構3、第一組傳感器5與第二組傳感器6置于模型試驗箱1的容腔。所述彈簧組合結構3包括上支撐面、下支撐面及抵頂于所述上支撐面和下支撐面之間的至少一個彈簧8，通過所述上支撐面的上板面與所述模型樁2的底部連接，所述彈簧組合結構3彈性承載所述模型樁2，所述第一組傳感器5置于所述模型樁2的底部，所述第二組傳感器置6于所述模型樁2的頂部。

本發明所述的模擬與測試樁端不同承載作用的方法，步驟如下：

S1：試驗準備階段，

S11、根據實際樁端巖土體的基床系數K、模型樁的樁端面積A，利用公式k＝K·A計算得到彈簧組合結構的彈簧總彈性系數k；

S12、通過數學模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需彈簧的個數及每個彈簧對應的彈性系數；其中，n為彈簧組合結構所需的彈簧的個數，k₁、k₂、k₃…k_n為每個彈簧對應的彈性系數；

S13、組裝所述彈簧組合結構，所述彈簧組合結構包括上支撐面、下支撐面及抵頂于所述上支撐面和下支撐面之間的n個彈簧；

S2：試驗安裝階段，

S21、將組裝好的所述彈簧組合結構放入模型試驗箱，于所述彈簧組合結構的上支撐面上設置第一組傳感器；

S22、把模型樁吊入，所述模型樁置于所述彈簧組合結構上；

S23、往所述模型試驗箱中分層填土，分層壓密夯實直至土體達到所述模型樁的頂部；

S24、在所述模型樁的頂部設置第二組傳感器；

S3：試驗加載階段，利用反力架和千斤頂對所述模型樁的頂部施加荷載；

其中，所述第一組傳感器包括第一位移傳感器和第一載荷傳感器，所述第二組傳感器包括第二位移傳感器和第二載荷傳感器。

實施例1

實施例1的模擬與測試樁端不同承載作用的裝置，包括模型試驗箱1、模型樁2、彈簧組合結構3、樁端支撐板4、第一組傳感器5和第二組傳感器6。其中，所述模型樁2、彈簧組合結構3、樁端支撐板4、第一組傳感器5與第二組傳感器6置于模型試驗箱1的容腔。其中，所述模型樁為預制樁。

具體地，本發明的彈簧組合結構3包括至少一個彈簧環，本實施例1的彈簧組合結構3包括第一彈簧環、第二彈簧環和第三彈簧環。第一彈簧環包括上圓環71、下圓環72和四根規格相同的彈簧8。上圓環71和下圓環72為形狀大小相同的圓環狀鋼板，下圓環72置于模型試驗箱1的箱底，上圓環71板面相對地置于下圓環72的上方。四個規格相同的彈簧8等角度環繞設置地抵頂于上圓環71和下圓環72兩者的板面之間，彈簧8的兩端分別連接上圓環71和下圓環72兩者的板面。使第一彈簧環為套筒狀。

同理，第二彈簧環與第一彈簧環結構大致相同，第二彈簧環與第一彈簧環區別在于：第二彈簧環的上圓環為第一彈簧環的上圓環的同心環，且第二彈簧環的上圓環的外徑小于或等于第一彈簧環的上圓環的內徑。第二彈簧環的下圓環為第一彈簧環的下圓環的同心環，且第二彈簧環的下圓環的外徑小于或等于第一彈簧環的下圓環的內徑。第二彈簧環的彈簧的自由長度與第一彈簧環的彈簧的自由長度相同，第二彈簧環的彈簧的彈性系數與第一彈簧環的彈簧的彈性系數可以不同，也可以相同。則，第一彈簧環可拆除地套設第二彈簧環。

同理，第二彈簧環套設第三彈簧環。

在組成彈簧組合結構3的三個彈簧環中，三個上圓環共同形成彈簧組合結構3的上支撐面，三個下圓環共同形成彈簧組合結構3的下支撐面。

彈簧組合結構3的上支撐面與樁端支撐板4的下板面連接，樁端支撐板4的上板面與模型樁2的底部連接，樁端支撐板4與模型樁2之間設有第一組傳感器5，所述第一組傳感器5包括第一位移傳感器和第一載荷傳感器。模型樁2豎直設立，其頂部設置第二組傳感器6，所述第二組傳感器6包括第二位移傳感器和第二載荷傳感器。

以下通過本實施例1進行樁端不同承載作用的模擬與測試：

S1：試驗準備階段，

S11、根據實際樁端巖土體的基床系數K、模型樁的樁端面積A，利用公式k＝K·A計算得到彈簧組合結構3的彈簧總彈性系數k；

S12、通過數學模型k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，得到所需彈簧8的個數及每個彈簧8對應的彈性系數；其中，n為彈簧組合結構3所需的彈簧8的個數，k₁、k₂、k₃…k_n為每個彈簧8對應的彈性系數，可以根據需要，形成不同彈簧總彈性系數的彈簧組合結構3，以等效不同的巖土體剛度；

S13、組裝所述彈簧組合結構3，所述彈簧組合結構3包括上支撐面、下支撐面及抵頂于所述上支撐面和下支撐面之間的n個彈簧8；

S2：試驗安裝階段，

S21、樁基模型試驗中，模型樁2一般采用預埋的方法；將組裝好的所述彈簧組合結構放入模型試驗箱1的中央位置，蓋上樁端支撐板4，在樁端支撐板4上設置第一組傳感器5；

S22、把模型樁吊入，使樁端與樁端支撐板4對齊，采用臨時支撐將模型樁2臨時固定；

S23、在往模型試驗箱1中分層填土之前，在彈簧組合結構3外側纏繞一圈或多圈柔性材料，形成圍護，圍護完成后往模型試驗箱1內分層填土、分層拆除臨時支撐，往所述模型試驗箱1中分層填土，分層壓密夯實直至土體達到所述模型樁2的頂部；

S24、在所述模型樁2的頂部設置第二組傳感器6；

S3：試驗加載階段，利用反力架和千斤頂對模型樁2的頂部施加荷載，通過各傳感器記錄下樁頂、樁底的位移、荷載變化，研究單樁在樁端巖土體不同剛度時承載能力變化規律及樁土相互作用機理等問題。

在每一個彈簧環中設置規格相同的彈簧，規格相同即自由長度、圈數及彈性系數均相同的。這樣設計是為了保證樁端支撐板4的穩定性。

進一步，只要確保其上的樁端支撐板4和模型樁2穩定，則，彈簧組合結構3中的同一彈簧環內的彈簧不限制彈性系數一致。作為一個優選的例子，根據公式k＝k₁+k₂+k₃+…+k_n，實施例1中第一彈簧環中的其中一根彈簧被兩根彈簧替代。作為替代的所述兩根彈簧的彈性系數加和后等效于第一彈簧環中的任意一根彈簧。作為替代的所述兩根彈簧稱為被替代的那一根彈簧的等效彈簧組。

更進一步，還是以上述的兩根彈簧替換一根彈簧的例子。構成所述等效彈簧組的兩根彈簧相互的位置關系，可以是并列設置，也可以是套合設置。

優選地，每一個彈簧環具有四個以上彈簧，確保各方向上受力均勻。

在其他實施例中，還可以根據需要，設置更多不同直徑大小的彈簧環，相互等高套設。通過不同彈性系數的彈簧環組合，使樁基受力過程與現場實際情況更加相似，對于研究樁基端承力與摩阻力的變化規律，揭示單樁承載機理具有重要意義。

所述柔性材料如軟塑料、纖維布等。采用柔性圍護結構既可以防止填土時，土體擠入彈簧內部，影響彈簧正常壓縮，又可以協同支撐板一起壓縮下降，而不會破壞水泥漿與土體之間的相互作用。

實施例2

實施例2與實施例1的結構大致相同，區別在于：實施例2的彈簧組合結構3與實施例1的彈簧組合結構3結構不同；實施例2并未設置樁端支撐板4；實施例2的第一組傳感器設于彈簧組合結構3的上支撐面的上板面上。

實施例2的彈簧組合結構3包括上定位板、下定位板和多個彈簧8。上定位板為一圓形鋼板，下定位板為一圓形鋼板，上定位板和下定位板板面相對地上下設立，多個彈簧8抵頂于上定位板和下定位板兩者的板面之間，彈簧8的兩端分別連接上定位板和下定位板兩者的板面。

其中，實施例2的的彈簧組合結構3的彈簧8的自由長度均相同，但彈性系數可以不同。優選地，相同彈性系數的彈簧8以上定位板的圓心為基準等距離等角度環繞地設置，即，相同彈性系數的彈簧8在至少一個同心環內。不同彈性系數的彈簧8設置在不同的同心環內。在一同心環內的彈簧等角度設置，有效保證對模型樁的穩定支撐。

由于實施例2并未設置樁端支撐板4，模型樁2直接設立在彈簧組合結構3上，即，模型樁2的底部與彈簧組合結構3的上定位板的上板面連接。第一組傳感器5設置在彈簧組合結構3與模型樁2之間，即，第一組傳感器5設置在模型樁2的底部與彈簧組合結構3的上定位板的上板面之間。

從實施例2可見，彈簧組合結構3不是由彈簧環組成，但其起到的作用于組合彈簧環相同，也可以實現彈簧組合結構3的目標功能。此外，上定位板即為彈簧組合結構3的上支撐面，下定位板即為彈簧組合結構3的下支撐面。當上支撐面為一體成型的板面時，即不是實施例1的通過多個圓環組合，彈簧組合結構3的上支撐面，也就是彈簧組合結構3的上定位板可以直接承載模型樁2，無需設置樁端支撐板4。

從實施例1和實施例2中可見，彈簧組合結構的上支撐面為圓形或圓環型，之所以如此設計，是因為彈簧組合結構承載的模型樁為圓柱形，為了確保平穩地支撐模型樁，把上支撐面設計為圓形為圓環型，但是，在其他實施例中，可以將上支撐面設計為正多邊形，所以只要保證彈性系數相同的彈簧或其等效彈簧組以所述上支撐面的中心為基準等角度等距離環繞設置，同樣能實現對模型樁的平穩支撐。

本實施例所述模擬與測試樁端不同承載作用的裝置與方法的其它結構參見現有技術。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發明技術方案的范圍內。