本發(fā)明涉及一種管樁擠土效應(yīng)測(cè)試裝置及方法，屬于樁基工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

管樁因其具有制作工藝簡(jiǎn)單、植樁方便、質(zhì)量容易保證、造價(jià)低、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在房屋建筑、海港碼頭、跨海大橋、海上石油平臺(tái)和海上風(fēng)機(jī)等工程中得到了廣泛應(yīng)用。管樁在靜壓或振動(dòng)沉樁過(guò)程中勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)、重塑以及擠壓作用，樁周附近土體的剪切模量、密度等參數(shù)不可避免地會(huì)發(fā)生變化，使土體在徑向上呈現(xiàn)出不均勻性。擠土效應(yīng)產(chǎn)生的土體垂直隆起和水平移動(dòng)，可能使鄰近既有樁體上浮、偏移甚至導(dǎo)致樁體斷裂，同時(shí)沉樁過(guò)程改變了樁周擾動(dòng)區(qū)域土體的應(yīng)力狀態(tài)和性質(zhì)，產(chǎn)生很高的超孔隙水壓力以及硬化或軟化效應(yīng)，將對(duì)后續(xù)相鄰樁的貫入施工及樁的承載性能造成顯著影響。

目前，室內(nèi)模型試驗(yàn)大多通過(guò)布置樁身應(yīng)變片、土壓力盒和孔壓計(jì)等傳感器對(duì)貫入阻力、樁側(cè)土壓力和超孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行量測(cè)，或輔于可視化窗口對(duì)沉樁過(guò)程中土體位移場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。然而，上述常規(guī)1g縮尺模型試驗(yàn)提供的土中應(yīng)力水平很低，無(wú)法模擬土層不同深度處的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)。由于貫入引起的土體擾動(dòng)受側(cè)向應(yīng)力和土塞效應(yīng)的影響，低圍壓下土體往往表現(xiàn)出強(qiáng)烈的剪脹和應(yīng)變軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致土體擾動(dòng)范圍、擾動(dòng)程度和土塞高度等因素與實(shí)際存在較大差異。中國(guó)發(fā)明專利“模擬圍壓條件下靜壓鋼管樁沉樁過(guò)程的試驗(yàn)裝置及其方法(CN201610013846.8)”和“一種開(kāi)口管樁錘擊貫入和靜荷載模擬實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法(CN201410172279.1)”分別公開(kāi)了一種通過(guò)三軸試驗(yàn)施加圍壓和滲水力作用模擬樁在不同深度處原位土體的應(yīng)力水平，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值，但存在土樣尺寸過(guò)小和滲透系數(shù)難以控制等缺陷，且都無(wú)法對(duì)沉樁過(guò)程中樁周土性質(zhì)的動(dòng)態(tài)演化進(jìn)行測(cè)試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種管樁擠土效應(yīng)測(cè)試裝置及方法，為不同土層深度處的管樁沉樁模擬提供真實(shí)的應(yīng)力環(huán)境，實(shí)現(xiàn)管樁貫入阻力和樁周土擾動(dòng)位移場(chǎng)和剪切波速的同步測(cè)試，克服以往室內(nèi)模型試驗(yàn)無(wú)法獲取擠土效應(yīng)引起的土層性質(zhì)演化的缺陷。

本發(fā)明提供了一種管樁擠土效應(yīng)測(cè)試裝置，包括模型桶、反力架、氣壓室、模型管樁、鋼化玻璃板、Y型基座、電液伺服千斤頂、彎曲元測(cè)試裝置和高分辨率相機(jī)；

所述模型桶為鋼制半圓形筒體結(jié)構(gòu)，在桶底圓心處沿徑向設(shè)置一條形基座，模型桶上部設(shè)有一Y型基座，模型桶上方設(shè)有氣壓室；

氣壓室為底部開(kāi)口的同心半圓環(huán)筒體結(jié)構(gòu)，氣壓室的外緣與模型桶的外緣重合，氣壓室底面采用乳膠膜密封，頂部設(shè)有注氣孔，環(huán)狀氣壓室的中心設(shè)有模型管樁；

所述模型管樁為頂部密封的中空半圓柱體，頂部設(shè)有管樁注氣孔，樁芯設(shè)有活塞，通過(guò)對(duì)樁內(nèi)活塞施加氣壓模擬樁芯土塞上部應(yīng)力；

模型管樁上方設(shè)有電液伺服千斤頂，電液伺服千斤頂固定在反力架頂面，用以將模型管樁貫入土體，在千斤頂與模型管樁之間設(shè)置荷載傳感器和位移傳感器，實(shí)時(shí)記錄管樁貫入阻力和貫入深度；

所述鋼化玻璃板為長(zhǎng)方體板，設(shè)置在模型桶的平面一側(cè)并與模型桶兩端連接；鋼化玻璃板上部與氣壓室的兩端連接；

彎曲元測(cè)試裝置包括激發(fā)彎曲元和接收彎曲元；所述激發(fā)彎曲元固定在模型桶底部的條形基座上，所述接受彎曲元固定在Y型基座上，激發(fā)彎曲元和接收彎曲元分別沿條形基座和Y型基座等間距、上下成對(duì)布置，每上下兩個(gè)相對(duì)的彎曲元組成一組測(cè)試單元，對(duì)其之間的土體進(jìn)行剪切波波速測(cè)量；每組測(cè)試單元采用相同的偏振方向，而相鄰彎曲元設(shè)不同的偏振方向；激發(fā)彎曲元和接收彎曲元分別與彎曲元信號(hào)線連接；

所述高分辨率相機(jī)設(shè)置在模型桶的正前方，記錄管樁貫入過(guò)程中土體內(nèi)部的位移規(guī)律，通過(guò)Giodog等圖像處理軟件，可獲得土體位移云圖，以及樁芯土塞高度和土表隆起情況。

所述模型桶桶高30cm，側(cè)平面采用鋼化玻璃板制作；為避免彎曲元激發(fā)的土層振動(dòng)沿桶壁傳播而干擾剪切波波速的測(cè)量，以及為方便填土?xí)r排水，填土前在模型桶內(nèi)表面鋪設(shè)一層橡膠墊，并在其底端設(shè)一排水孔。

所述鋼化玻璃板高度為模型桶與氣壓室高度之和，寬度比半圓形模型桶的直徑長(zhǎng)10～20cm，鋼化玻璃板兩端分別伸出桶體外5～10cm，伸出部分設(shè)置螺孔并通過(guò)螺栓與模型桶連接。

所述氣壓室為底部開(kāi)口的同心半圓環(huán)筒體結(jié)構(gòu)，采用鋼化玻璃制作；橡膠膜敷設(shè)于模型桶內(nèi)的土體上表面，通過(guò)氣壓作用模擬上部土層自重應(yīng)力；內(nèi)圓筒直徑與模型管樁外徑一致，外圓筒直徑與模型桶外徑一致；為保證氣壓室氣密性，在內(nèi)、外圓筒側(cè)面和豎直側(cè)面均設(shè)置鋸齒狀接口，將乳膠膜外沿敷設(shè)其中，并楔入與之匹配的鋼化玻璃材質(zhì)的鋸齒形夾條，然后通過(guò)螺釘緊固。

在模型管樁的弧形面的外表面設(shè)有鋸齒狀接口，在該鋸齒狀接口上粘貼高阻尼合金外殼，避免土層振動(dòng)沿樁身傳播。

所述激發(fā)彎曲元和接收彎曲元埋入土體深度為5mm，工作頻率為5~25kHz，布置對(duì)數(shù)及間距可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮途唧w要求進(jìn)行選擇；為避免沉樁過(guò)程中土體側(cè)移損壞彎曲元，在距離每個(gè)彎曲元沉樁一側(cè)5mm處設(shè)置一擋土塊，埋入土體深度為10mm。

所述Y型基座由一直橫梁和半圓環(huán)組成，采用不銹鋼材質(zhì)，埋設(shè)于土體表面以下5cm處；直橫梁部分與桶底彎曲元基座的位置相對(duì)應(yīng)；半圓環(huán)部分直徑與管樁外徑一致；Y型基座兩端分別通過(guò)螺釘與模型桶和鋼化玻璃板連接固定。

所述Y型基座的上表面開(kāi)設(shè)一凹槽，接收彎曲元信號(hào)線從該凹槽內(nèi)引出；條形基座的下表面開(kāi)設(shè)一凹槽，激發(fā)彎曲元信號(hào)線從該凹槽內(nèi)引出。

本發(fā)明提供了一種管樁擠土效應(yīng)測(cè)試方法，包括以下步驟：

① 安裝彎曲元：實(shí)驗(yàn)裝置組裝完成后，分別在模型桶底部基座和上部Y型基座上安裝激發(fā)彎曲元和接收彎曲元，并引出彎曲元信號(hào)線；

② 填土：根據(jù)壓實(shí)度和含水量控制指標(biāo)配制土樣，采用填土方式將土樣均勻填入模型桶內(nèi)，直到土面高度超過(guò)桶頂，刮去表面多余土體，保持土面與桶頂齊平及表面平整；

③ 埋設(shè)傳感器：根據(jù)測(cè)試需要，可在填土過(guò)程中布置孔隙水壓力計(jì)，土壓力計(jì)傳感器，但應(yīng)注意埋設(shè)位置應(yīng)遠(yuǎn)離彎曲元所在平面；

④ 密封氣壓室：選擇一張尺寸大于氣壓室底面尺寸的環(huán)形乳膠膜，將乳膠膜一邊敷設(shè)在氣壓室外圓筒內(nèi)表面的鋸齒狀接口內(nèi)，楔入與之匹配的齒形夾條，并擰緊螺釘固定；再將乳膠膜其余邊敷設(shè)在氣壓室側(cè)平面和內(nèi)圓筒外表面的鋸齒狀接口內(nèi)；

⑤ 安裝氣壓室：將氣壓室敷設(shè)于模型桶土體表面，并保持乳膠膜與土體貼合，擰緊外環(huán)的緊固螺栓與模型桶相連；

⑥ 安裝模型管樁：將模型管樁置于沉樁位置，樁端與土面齊平；在樁頂布置荷載和位移傳感器，伸長(zhǎng)電液伺服千斤頂使其能恰好接觸荷載傳感器；

⑦ 充氣加壓：通過(guò)恒壓氣源對(duì)樁芯進(jìn)行少量充氣，使樁芯活塞頂住土面，后關(guān)閉氣源閥門(mén)；接著將氣壓室加壓至設(shè)定目標(biāo)氣壓，取模擬深度處土層的上部自重應(yīng)力；再打開(kāi)樁芯進(jìn)氣閥，將樁芯活塞加壓至設(shè)定目標(biāo)氣壓，取模擬深度處上部樁芯土塞應(yīng)力；

⑧ 沉樁測(cè)試：首先對(duì)各傳感器進(jìn)行調(diào)試、清零，運(yùn)行彎曲元，測(cè)得土體初始剪切波速；接著將模型管樁穿過(guò)氣壓室內(nèi)圓筒，豎直立于圓孔中，并與土面接觸；通過(guò)千斤頂施加荷載，使管樁緩慢貫入土中，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并采用高分辨率相機(jī)對(duì)土體內(nèi)部位移規(guī)律進(jìn)行連續(xù)拍攝；待沉樁至預(yù)定位置后，依次運(yùn)行彎曲元，對(duì)沉樁擠土后的土體剪切波速再次進(jìn)行測(cè)量。

所述填土方式是指分層錘擊法、自由下落法、排水固結(jié)法中的一種。

所述密封氣壓室的具體操作為：將橡膠膜敷設(shè)于模型桶內(nèi)的土體上表面，通過(guò)氣壓作用模擬上部土層自重應(yīng)力；為保證氣壓室氣密性，在氣壓室的內(nèi)、外圓筒側(cè)面和豎直側(cè)面均設(shè)置鋸齒狀接口，將乳膠膜外沿敷設(shè)其中，并楔入與之匹配的鋼化玻璃材質(zhì)的鋸齒形夾條，然后通過(guò)螺釘緊固。

本發(fā)明的原理是：氣壓室內(nèi)氣壓作用模擬上部土層自重應(yīng)力，模型管樁內(nèi)氣壓作用模擬樁芯土塞上部應(yīng)力，通過(guò)記錄樁周土體內(nèi)剪切波速的變化、位移規(guī)律、孔隙水壓力的變化，來(lái)反應(yīng)土層不同深度處管樁沉樁的擠土效應(yīng)。

本發(fā)明的有益效果是：

（1）通過(guò)改變氣壓大小，為土層不同深度處的管樁沉樁模擬提供了真實(shí)的應(yīng)力環(huán)境，突破了傳統(tǒng)模型試驗(yàn)中土層只能從地表開(kāi)始模擬的限制，并可對(duì)管樁擠土引起的土體垂直隆起和水平移動(dòng)進(jìn)行整體量測(cè)；

（2）實(shí)現(xiàn)了管樁貫入阻力和樁周土擾動(dòng)后位移場(chǎng)和剪切波速的同步測(cè)試，克服了以往沉樁模型試驗(yàn)無(wú)法獲取擠土效應(yīng)引起的土層性質(zhì)演化的缺陷；

（3）裝置具有土塞應(yīng)力可控、可視化觀測(cè)、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)；且安裝方便，可拆卸，便于更換部件和清洗。

附圖說(shuō)明

圖1是管樁擠土效應(yīng)測(cè)試裝置的主視圖；

圖2是管樁擠土效應(yīng)測(cè)試裝置的右視圖；

圖3是圖2中沿A-A線的剖面圖；

圖4是圖2中沿B-B線的剖面圖；

圖中：1—模型筒；2—模型土；3—反力架；4—排水孔；5—鋼化玻璃板；6—乳膠膜；7—?dú)鈮菏遥?—齒形夾條；9—?dú)鈮菏易饪祝?0—模型管樁；11—高阻尼合金外殼；12—管樁注氣孔；13—活塞；14—激發(fā)彎曲元；15—接收彎曲元；16—Y型基座；17—電液伺服千斤頂；18—荷載傳感器；19—位移傳感器；20—高分辨率相機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例：

如圖1~4所示，一種管樁擠土效應(yīng)測(cè)試裝置，包括模型桶1、反力架3、氣壓室7、模型管樁10、鋼化玻璃板5、Y型基座16、電液伺服千斤頂17、彎曲元測(cè)試裝置和高分辨率相機(jī)20；

所述模型桶1為鋼制半圓形筒體結(jié)構(gòu)，在桶底圓心處沿徑向設(shè)置一條形基座，模型桶1上部設(shè)有一Y型基座16，模型桶1上方設(shè)有氣壓室7；

氣壓室7為底部開(kāi)口的同心半圓環(huán)筒體結(jié)構(gòu)，氣壓室7的外緣與模型桶1的外緣重合，氣壓室7底面采用乳膠膜6密封，頂部設(shè)有氣壓室注氣孔9，環(huán)狀氣壓室的中心設(shè)有模型管樁10；

所述模型管樁10為頂部密封的中空半圓柱體，頂部開(kāi)有管樁注氣孔12，樁芯設(shè)有活塞13，通過(guò)對(duì)樁內(nèi)活塞施加氣壓模擬樁芯土塞上部應(yīng)力；

模型管樁10上方設(shè)有電液伺服千斤頂17，電液伺服千斤頂17固定在反力架3頂面，用以將模型管樁10貫入土體，在千斤頂與模型管樁10之間設(shè)置荷載傳感器18和位移傳感器19，實(shí)時(shí)記錄管樁貫入阻力和貫入深度；

所述鋼化玻璃板5為長(zhǎng)方體板，設(shè)置在模型桶1的平面一側(cè)并與模型桶兩端連接；鋼化玻璃板5上部與氣壓室7的兩端連接；

彎曲元測(cè)試裝置包括激發(fā)彎曲元14和接收彎曲元15；所述激發(fā)彎曲元14固定在模型桶1底部的條形基座上，所述接收彎曲元15固定在Y型基座16上，激發(fā)彎曲元14和接收彎曲元15分別沿條形基座和Y型基座等間距、上下成對(duì)布置，每上下兩個(gè)相對(duì)的彎曲元組成一組測(cè)試單元，對(duì)其之間的土體進(jìn)行剪切波波速測(cè)量；每組測(cè)試單元采用相同的偏振方向，而相鄰彎曲元設(shè)不同的偏振方向；激發(fā)彎曲元14和接收彎曲元15分別與彎曲元信號(hào)線連接；

所述高分辨率相機(jī)20設(shè)置在模型桶1的正前方，記錄管樁貫入過(guò)程中土體內(nèi)部的位移規(guī)律，通過(guò)Giodog等圖像處理軟件，可獲得土體位移云圖，以及樁芯土塞高度和土表隆起情況。

所述模型桶1桶高30cm，側(cè)平面采用鋼化玻璃板制作；為避免彎曲元激發(fā)的土層振動(dòng)沿桶壁傳播而干擾剪切波波速的測(cè)量，以及為方便填土?xí)r排水，填土前在模型桶內(nèi)表面鋪設(shè)一層橡膠墊，并在其底端設(shè)一排水孔4。

所述鋼化玻璃板5高度為模型桶與氣壓室高度之和，寬度比半圓形模型桶的直徑長(zhǎng)10～20cm，鋼化玻璃板兩端分別伸出桶體外5～10cm，伸出部分設(shè)置螺孔并通過(guò)螺栓與模型桶連接。

所述氣壓室9為底部開(kāi)口的同心半圓環(huán)筒體結(jié)構(gòu)，采用鋼化玻璃制作；橡膠膜6敷設(shè)于模型桶內(nèi)的土體上表面，通過(guò)氣壓作用模擬上部土層自重應(yīng)力；內(nèi)圓筒直徑與模型管樁外徑一致，外圓筒直徑與模型桶外徑一致；為保證氣壓室氣密性，在內(nèi)、外圓筒側(cè)面和豎直側(cè)面均設(shè)置鋸齒狀接口，將乳膠膜外沿敷設(shè)其中，并楔入與之匹配的鋼化玻璃材質(zhì)的鋸齒形夾條，然后通過(guò)螺釘緊固。

在模型管樁10的弧形面的外表面設(shè)有鋸齒狀接口，在該鋸齒狀接口上粘貼高阻尼合金外殼11，避免土層振動(dòng)沿樁身傳播。

所述激發(fā)彎曲元14和接收彎曲元15埋入土體深度為5mm，工作頻率為5~25kHz，布置對(duì)數(shù)及間距可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮途唧w要求進(jìn)行選擇；為避免沉樁過(guò)程中土體側(cè)移損壞彎曲元，在距離每個(gè)彎曲元沉樁一側(cè)5mm處設(shè)置一擋土塊，埋入土體深度為10mm。

所述Y型基座16由一直橫梁和半圓環(huán)組成，采用不銹鋼材質(zhì)，埋設(shè)于土體表面以下5cm處；直橫梁部分與桶底彎曲元基座的位置相對(duì)應(yīng)；半圓環(huán)部分直徑與管樁外徑一致；Y型基座兩端分別通過(guò)螺釘與模型桶和鋼化玻璃板連接固定。

所述Y型基座16的上表面開(kāi)設(shè)一凹槽，接收彎曲元信號(hào)線從該凹槽內(nèi)引出；條形基座的下表面開(kāi)設(shè)一凹槽，激發(fā)彎曲元信號(hào)線從該凹槽內(nèi)引出。

本發(fā)明提供了一種管樁擠土效應(yīng)測(cè)試方法，包括以下步驟：

① 安裝彎曲元：實(shí)驗(yàn)裝置組裝完成后，分別在模型桶底部基座和上部Y型基座上安裝激發(fā)彎曲元和接收彎曲元，并引出彎曲元信號(hào)線；

② 填土：根據(jù)壓實(shí)度和含水量控制指標(biāo)配制土樣，采用填土方式將土樣均勻填入模型桶內(nèi)，直到土面高度超過(guò)桶頂，刮去表面多余土體，保持土面與桶頂齊平及表面平整；

③ 埋設(shè)傳感器：根據(jù)測(cè)試需要，可在填土過(guò)程中布置孔隙水壓力計(jì)，土壓力計(jì)傳感器，但應(yīng)注意埋設(shè)位置應(yīng)遠(yuǎn)離彎曲元所在平面；

④ 密封氣壓室：選擇一張尺寸大于氣壓室底面尺寸的環(huán)形乳膠膜，將乳膠膜一邊敷設(shè)在氣壓室外圓筒內(nèi)表面的鋸齒狀接口內(nèi)，楔入與之匹配的鋸齒形夾條，并擰緊螺釘固定；再將乳膠膜其余邊敷設(shè)在氣壓室側(cè)平面和內(nèi)圓筒外表面的鋸齒狀接口內(nèi)；

⑤ 安裝氣壓室：將氣壓室敷設(shè)于模型桶土體表面，并保持乳膠膜與土體貼合，擰緊外環(huán)的緊固螺栓與模型桶相連；

⑥ 安裝模型管樁：將模型管樁置于沉樁位置，樁端與土面齊平；在樁頂布置荷載和位移傳感器，伸長(zhǎng)電液伺服千斤頂使其能恰好接觸荷載傳感器；

⑦ 充氣加壓：通過(guò)恒壓氣源對(duì)樁芯進(jìn)行少量充氣，使樁芯活塞頂住土面，后關(guān)閉氣源閥門(mén)；接著將氣壓室加壓至設(shè)定目標(biāo)氣壓，取模擬深度處土層的上部自重應(yīng)力；再打開(kāi)樁芯進(jìn)氣閥，將樁芯活塞加壓至設(shè)定目標(biāo)氣壓，取模擬深度處上部樁芯土塞應(yīng)力；

⑧ 沉樁測(cè)試：首先對(duì)各傳感器進(jìn)行調(diào)試、清零，運(yùn)行彎曲元，測(cè)得土體初始剪切波速；接著將模型管樁穿過(guò)氣壓室內(nèi)圓筒，豎直立于圓孔中，并與土面接觸；通過(guò)千斤頂施加荷載，使管樁緩慢貫入土中，利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并采用高分辨率相機(jī)對(duì)土體內(nèi)部位移規(guī)律進(jìn)行連續(xù)拍攝；待沉樁至預(yù)定位置后，依次運(yùn)行彎曲元，對(duì)沉樁擠土后的土體剪切波速再次進(jìn)行測(cè)量。

所述填土方式是指分層錘擊法、自由下落法、排水固結(jié)法中的一種。

所述密封氣壓室的具體操作為：將橡膠膜敷設(shè)于模型桶內(nèi)的土體上表面，通過(guò)氣壓作用模擬上部土層自重應(yīng)力；為保證氣壓室氣密性，在氣壓室的內(nèi)、外圓筒側(cè)面和豎直側(cè)面均設(shè)置鋸齒狀接口，將乳膠膜外沿敷設(shè)其中，并楔入與之匹配的鋼化玻璃材質(zhì)的鋸齒形夾條，然后通過(guò)螺釘緊固。