本發明涉及一種模擬樁周土徑向非均質性的試驗裝置及方法，屬于樁基工程技術領域。

背景技術：

樁基礎作為一種深基礎形式，在基礎工程中有著廣泛的應用。對于預制樁，在靜壓或振動沉樁施工過程中勢必對樁周土體產生擾動、重塑以及擠壓作用，而鉆孔灌注樁在施工過程中存在成孔卸荷效應和動態荷載作用的影響，削弱了樁周土層的應力，這些都將導致樁周附近土體的剪切模量和密度等參數發生變化，從而造成樁周土沿徑向呈現出非均質特性。在松散或不太密實的砂土、粉土中打入擠土型樁（如預制樁），樁側附近將產生擠土效應，土體密實度、剪切模量可能得到一定程度提高（硬化）。而在密實的砂土、粉土或高靈敏性軟黏土中進行鉆孔灌注樁施工，樁側附近土體將受到鉆孔擾動和松弛效應的影響，其密實度、剪切模量可能有所下降（軟化）。

目前，對于沉樁過程中樁周土體非均質特性的研究，主要是通過理論分析來進行的。利用復剛度傳遞平面應變土體模型，對徑向非均質土中樁基振動特性的研究發現，施工效應導致的土體徑向非均質性，不管是在擾動程度，還是擾動范圍上，均對樁基振動特性有著十分明顯的影響；擾動范圍、擾動土劃分圈數與土體硬(軟)化徑向分布模式均對樁基特性有著不可忽視的影響。然而，樁側土受施工效應的影響十分復雜，單純的理論分析并不能真實的模擬土體實際狀態，有必要設計一種能夠模擬樁周擾動土體徑向非均質特性的試驗裝置，為從試驗角度研究土體擾動狀態下的樁土體系提供可能，進而驗證理論計算模型的合理性和準確性。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種模擬樁周土徑向非均質性的試驗裝置及方法，為模型樁提供任意圈層徑向非均質的樁周土體，實現樁周擾動土體的徑向分圈，克服以往只能通過理論分析來研究樁周土徑向非均質性的不足。

本發明提供了一種模擬樁周土徑向非均質性的試驗裝置，包括壓土裝置、加載裝置、套筒、反力橫梁、模型樁、反力架和模型箱，壓土裝置通過齒形壓桿與加載裝置的驅動齒輪連接，加載裝置置于反力架的橫梁上；反力橫梁通過螺栓與兩端帶孔的l型角鋼相連，l型角鋼固定于模型箱縱向的頂部；

壓土裝置由上下兩層承壓板、若干環形壓土板和齒形壓桿組成；齒形壓桿與上承壓板相連，上承壓板和下承壓板通過第一螺桿連接，下承壓板通過傳力桿與環形壓土板連接，環形壓土板位于土體上方；當試驗中上拔套筒時，下承壓板通過第二螺桿與反力橫梁連接；齒形壓桿向下運動時推動承壓板，并帶動壓土板對各套筒內土體實施同步等厚壓實，通過控制填土質量繼而獲得沿徑向不同的土體密實度；待填土至一定深度后，松開上、下承壓板之間的螺栓，借助齒形壓桿向上運動分離上承壓板，并帶動吊耳上移套筒，開始下一階段的壓實填土；

套筒由多層同心薄壁鋼圓筒組成，試驗開始時，套筒置于模型箱底部，且圓心與上下承壓板的圓心對應；

上承壓板為圓形板，中間設有孔，底部沿徑向均勻設有一排吊耳，套筒頂部的吊耳與其對應設置，二者通過鋼絲繩連接；

加載裝置由置于反力架橫梁上的一對小型電動機和兩對驅動齒輪組成；試驗時，利用電機驅動齒輪旋轉，通過機械傳導帶動齒形壓桿作垂直運動。

反力橫梁為一帶有兩個螺孔的圓桿，與兩端帶孔l型角鋼連接，并設置在模型樁縱向樁頂以上20～40cm高度處；l型角鋼通過螺栓固定于模型箱頂部；

模型樁為預制實心樁或中空的管樁；模型樁位于模型箱中心距離底部10～20cm處；模型箱為鋼制長方體結構。

上述裝置中，所述套筒為壁厚1～2mm的薄壁鋼筒，用于將樁周擾動土劃分為多個同心圓圈層；筒高為模型箱高度的1/3～1/4；套筒表面敷設聚酯薄膜并涂抹聚四氟乙烯涂料以減少套筒拔出時的摩阻力；距離套筒頂部處預留兩個直徑為4cm的圓孔，即為吊耳孔，用于上拔套筒時穿過鋼絲繩。

上述裝置中，上承壓板為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比最外圈套筒的直徑大10cm；上承壓板中央設置與模型樁直徑相同的圓孔；在上承壓板邊緣2cm處，沿圓周方向均勻布置四個螺孔，并與下承壓板的螺孔對應，用于穿過第一螺桿與下承壓板固定；上承壓板底部徑向焊接若干吊耳，每個套筒對應2個吊耳，用于懸掛鋼絲繩上拔套筒。

上述裝置中，下承壓板為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比上承壓板的直徑大10cm；下承壓板中心設有與模型樁直徑相同的圓孔；在距離邊緣2cm處縱向對稱布置兩個螺孔，用于穿過第二螺桿與反力橫梁連接；在與上承壓板連接處，沿圓周方向均勻布置四個螺孔，并與上承壓板的螺孔對應，用于穿過第一螺桿與上承壓板固定；在與上承壓板吊耳對應位置，徑向對稱設置若干直徑2cm的圓孔，用于穿過鋼絲繩。

上述裝置中，壓土板為厚度是1cm的鋼制環狀板，數量與套筒數相同，徑向寬度與各圈土層寬度一致，各壓土板之間的間隙與套筒壁厚相同；中心壓土板中央留有穿過模型樁的圓孔，其直徑與樁徑一致；每塊壓土板與下承壓板通過4根沿圓周均勻分布的傳力桿連接；傳力桿上、下端分別通過螺栓與下承壓板和壓土板連接。

上述裝置中，所述齒形壓桿側面標有刻度線，便于為壓桿垂直運動時提供位移標準。

上述裝置中，所述第一螺桿和第二螺桿直徑均為30mm。

本發明的有益效果：

（1）通過對樁周土體劃分圈層并控制土體密實度，實現了樁周土徑向非均質特性的模擬，為分析施工效應等因素下樁-擾動土相互作用機理提供了試驗分析手段；

（2）通過控制各圈層土體寬度和密實度，可考慮擾動范圍、圈層數、擾動土硬(軟)化等不同情況，最大限度的反映土體真實擾動狀態對樁土體系力學行為的影響；

（3）借助電動機轉動帶動齒形壓桿以恒定速率對土體進行等厚壓實，可實現對樁周土體密實度的精確控制，保證了填土壓實的均勻性和質量，且填土方便快捷。

附圖說明

圖1是本發明試驗裝置的結構示意圖。

圖2是反力橫梁連接下承壓板時圖1的側視圖。

圖3是圖1中沿a-a線的剖視圖。

圖4是圖1中沿b-b線的剖視圖。

圖5是本裝置對套筒內土體進行壓實的狀態示意圖。

圖6是本裝置對套筒上拔的狀態示意圖。

圖7是圖6的左視圖。

圖中：1、齒形壓桿，2、模型樁，3、上承壓板，4、第一螺桿，5、吊耳，6、第二螺桿，7、下承壓板，8、鋼絲繩，9、傳力桿，10、壓土板，11、套筒，12、模型土，13、模型箱，14、l形角鋼，15、反力橫梁，16、反力架，17、齒輪，18、電動機，19、鏈條。

具體實施方式

下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限于以下實施例。

如圖1~4所示，一種模擬樁周土徑向非均質性的試驗裝置，包括壓土裝置、加載裝置、套筒、反力橫梁、模型樁、反力架和模型箱，壓土裝置通過齒形壓桿1與加載裝置的驅動齒輪17連接，加載裝置置于反力架16的橫梁上，試驗時，利用電機驅動齒輪旋轉，通過機械傳導帶動齒形壓桿作垂直運動；反力橫梁15通過螺栓與兩端帶孔的l型角鋼14相連，l型角鋼14固定于模型箱13縱向的頂部，若模型箱13的尺寸較小，可解除l型角鋼14，將第二螺桿6用螺栓直接連接于反力架16的橫梁上；試驗開始時，套筒11置于模型箱13底部，且圓心與上下承壓板的圓心對應。

如圖5，壓土裝置由上下兩層承壓板、若干環形壓土板10和齒形壓桿1組成；齒形壓桿1與上承壓板3相連，上承壓板3和下承壓板7通過第一螺桿4連接，下承壓板7通過傳力桿9與環形壓土板10連接，環形壓土板10位于土體上方；當試驗中上拔套筒時，下承壓板7通過第二螺桿6與反力橫梁15連接；齒形壓桿1向下運動時推動承壓板，并帶動壓土板10對各套筒11內土體實施同步等厚壓實，通過控制填土質量繼而獲得沿徑向不同的土體密實度；

如圖6、7，待填土至一定深度后，松開上、下承壓板之間的螺栓，下承壓板7利用第二螺桿6連接于反力橫梁15，壓土板10固定于套筒內土體表面，借助齒形壓桿1向上運動分離上承壓板3，并帶動吊耳5上移套筒11，開始下一階段的壓實填土；

套筒11由多層同心薄壁鋼圓筒組成，試驗開始時，套筒11置于模型箱13底部，且圓心與上下承壓板的圓心對應；

上承壓板3為圓形板，中間設有孔，底部沿徑向均勻設有一排吊耳5，套筒11頂部的吊耳5與其對應設置，二者通過鋼絲繩8連接；

加載裝置由置于反力架橫梁15上的一對小型電動機18和兩對驅動齒輪組成；試驗時，利用電機驅動齒輪旋轉，通過機械傳導帶動齒形壓桿作垂直運動。

反力橫梁15為一帶有兩個螺孔的圓桿，與兩端帶孔l型角鋼連接，并設置在模型樁2縱向樁頂以上20～40cm高度處；l型角鋼通過螺栓固定于模型箱頂部；

模型樁2為預制實心樁或中空的管樁；模型樁2位于模型箱13中心距離底部10～20cm處；模型箱13為鋼制長方體結構。

上述裝置中，所述套筒11為壁厚1～2mm的薄壁鋼筒，用于將樁周擾動土劃分為多個同心圓圈層；筒高為模型箱高度的1/3～1/4；套筒表面敷設聚酯薄膜并涂抹聚四氟乙烯涂料以減少套筒拔出時的摩阻力；距離套筒頂部處預留兩個直徑為4cm的圓孔，即為吊耳孔，用于上拔套筒時穿過鋼絲繩。

上述裝置中，上承壓板3為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比最外圈套筒的直徑大10cm；上承壓板中央設置與模型樁直徑相同的圓孔；在上承壓板邊緣2cm處，沿圓周方向均勻分布有四個螺孔，并與下承壓板的螺孔對應，用于穿過第一螺桿與下承壓板固定；上承壓板底部徑向焊接若干吊耳，每個套筒對應2個吊耳，用于懸掛鋼絲繩上拔套筒。

上述裝置中，下承壓板7為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比上承壓板的直徑大10cm；下承壓板中心設有與模型樁直徑相同的圓孔；在距離邊緣2cm處縱向對稱布置兩個螺孔，用于穿過第二螺桿與反力橫梁連接；在與上承壓板連接處，沿圓周方向均勻分布有四個螺孔，并與上承壓板的螺孔對應，用于穿過第一螺桿與上承壓板固定；在與上承壓板吊耳對應位置，徑向對稱設置若干直徑2cm的圓孔，用于穿過鋼絲繩。

上述裝置中，壓土板10為厚度是1cm的鋼制環狀板，數量與套筒數相同，徑向寬度與各圈土層寬度一致，各壓土板之間的間隙與套筒壁厚相同；中心壓土板中央留有穿過模型樁的圓孔，其直徑與樁徑一致；每塊壓土板與下承壓板通過4根沿圓周均勻分布的傳力桿連接；傳力桿上、下端分別通過螺栓與下承壓板和壓土板連接。

上述裝置中，所述齒形壓桿1側面標有刻度線，便于為壓桿垂直運動時提供位移標準。

上述裝置中，所述第一螺桿4和第二螺桿6的直徑均為30mm。

本發明提供了一種模擬樁周土徑向非均質性的試驗方法，包括以下步驟：

①確定擾動土參數：首先通過土工試驗確定土體性質與密實度、密度之間的關系，然后根據樁周土性質沿徑向的變化模式，確定擾動區范圍、圈層數、圈層體積和密實度，并計算各圈層土體及非擾動區域填筑相同高度所需的土體質量；

②實驗裝置組裝：將加載裝置置于反力架橫梁上，通過齒形壓桿將加載裝置與壓土裝置連接；其中，上下承壓板通過第一螺桿連接，上下承壓板的圓心對應模型箱的中心；反力橫梁通過l型角鋼與模型箱連接；在模型箱內依次放置鋼套筒，套筒圓心對應上下承壓板的圓心；

③填筑樁端土：根據步驟①計算得到的密實度，在保證樁端土密度一致的前提下，將配制好的不同質量土體均勻鋪置在各套筒內，啟動電機驅動齒輪，齒形壓桿向下運動推動承壓板，并帶動壓土板對各套筒內土體實施同步等厚壓實，直至達到預定厚度，其中中心壓土板使用實心板；外圈套筒與模型箱側壁之間的土體采用人工壓實；

④填筑樁周土：放置模型樁，根據步驟①計算得到的各圈層密實度，將配制好的不同質量土體均勻鋪置在各套筒內，啟動電動機驅動齒輪旋轉，齒形壓桿向下運動推動承壓板，并帶動壓土板對各套筒內土體實施同步等厚壓實，直至達到預定厚度，最內側壓土板使用中心帶圓孔的環形板；外圈套筒與模型箱側壁之間的非擾動區域采用人工壓實填土；

⑤上拔套筒：當土體填筑高度距離套筒頂部5～10cm時，松開上、下承壓板之間的第一螺桿，通過鋼絲繩將套筒與上承壓板底部的吊耳相連，借助齒形壓桿向上運動分離上承壓板，并帶動套筒上移，上拔高度為套筒高度的1/2～1/3；期間，下承壓板利用第二螺桿連接于反力橫梁；壓土板固定于套筒內土體表面，防止上拔套筒時土體隆起和套筒發生側移；

⑥后續填土：解除鋼絲繩以及下承壓板與反力橫梁之間的第二螺桿，采用第一螺桿將上、下承壓板重新連接，重復步驟④～⑤，完成后續填土；最后，將套筒全部拔出，對非擾動區域土體進行人工壓實，平整土體表面。