申请/专利权人：浙江大学

申请日：2019-07-01

公开（公告）日：2024-02-13

公开（公告）号：CN110331743B

主分类号：E02D33/00

分类号：E02D33/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.13#授权;2019.11.08#实质审查的生效;2019.10.15#公开

摘要：本发明公开了一种测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置和试验方法。该装置包括模型箱、加载板、反力梁、加载电机、圆形模具、空气压缩机和储浆罐。模型箱由钢板焊接而成，模型箱内部填筑有砂土，砂土内部埋设孔隙水压力传感器、土压力传感器和圆形模具；圆形模具由两块半圆铝合金板经螺栓连接组合而成；储浆罐为储存水泥土浆液的圆形桶，储浆罐、空气压缩机和模型箱通过注浆管连接，注浆管伸入到圆形模具所预留的空间内；加载板放置在砂土层上表面通过千斤顶施加上覆压力模拟不同应力水平；通过加载电机可对模型箱中的静钻根植模型桩进行加载。本装置结构合理，操作简单，为静钻根植桩桩端扩大头承载性能的研究提供了一种有效手段。

主权项：1.一种静钻根植桩桩端扩大头承载性能研究的试验方法，其特征在于：基于一种测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置实现，所述试验装置包括模型箱1、加载板2、反力梁3、加载电机4、圆形模具5、空气压缩机6和储浆罐7，所述模型箱1由钢板焊接而成，模型箱侧面和底部均焊接工字钢1-1以增加模型箱刚度，模型箱底部焊接钢支座1-2；所述模型箱1内部填筑有砂土层1-3；所述砂土层1-3内部预埋有若干土压力传感器1-4和若干孔隙水压力传感器1-5；所述砂土层1-3内部预埋有圆形模具5；所述圆形模具5为空心圆柱体，由两块半圆铝合金板5-1、5-2经螺栓5-3连接组合而成，其内部形成预留空间1-7；所述模型箱1中心处还设有模型桩1-6，所述的模型桩1-6悬挂在反力梁3上，且模型桩1-6的桩端位于圆形模具5内部的预留的空间1-7中心处；所述的加载板2为一中心开有通孔的方形板，设置于砂土层1-3上，所述模型桩1-6穿过该通孔；所述加载板2上方设置两个钢垫块2-1，所述钢垫块2-1对称分布于加载电机4两侧，每个钢垫块2-1上方均设置有千斤顶2-2；所述的反力梁3焊接于模型箱1上，反力梁3与千斤顶2-2上端相抵；所述加载电机4位于模型桩1-6上方并固定在反力梁3上；所述的储浆罐7内部为搅拌均匀的液态水泥土，储浆罐7上设置有泄压阀7-1、调压开关7-2和注浆管7-4；所述注浆管7-4上设置有注浆阀门7-3，且注浆管7-4的端部需埋入预留的空间1-7内，将液态水泥土注入到预留空间1-7中；所述的空气压缩机6上设置有通过输气管6-3，其上设置有压力表6-1和调压开关6-2，所述输气管6-3用于将气压输入到储浆罐7中；所述的千斤顶2-2通过加载板2对砂土层1-3进行加载，模拟不同应力水平；模型桩1-6直径小于圆形模具5直径；所述的储浆罐7中的搅拌均匀水泥土试样，水泥土试样的含水率均超过液限含水量，水泥土试样呈液态所述试验方法包括如下步骤：在模型箱1内填筑砂土，并在填筑过程中预埋土压力传感器1-4、孔隙水压力传感器1-5和圆形模具5，将注浆管7-4预埋到预留空间1-7，并将模型桩1-6放入模型箱1的中心处，将模型桩1-6固定在反力梁3上并使模型桩1-6桩端处于圆形模具5内部的预留的空间1-7中心处，且模型桩底部封堵，将圆形模具5的顶端封闭；当砂土填筑高度与圆形模具5顶部高度相同时，安装好空气压缩机6和储浆罐7，在储浆罐7中装入搅拌均匀的液态水泥土7-5，调节空气压缩机6使储浆罐7内达到设计注浆压力值，维持设计注浆压力并开始对预留空间1-7内进行注浆，在注浆的同时慢慢地将圆形模具5从砂土中取出使液态水泥土浆液充满圆形模具5所预留空间1-7，形成桩端扩大头；注浆完成7-28天后在砂土层顶部再填筑20-50cm厚的砂土层，将加载板2覆盖在填筑完成的砂土层1-3上表面，通过千斤顶2-2对砂土层施加上覆压力，使所施加上覆压力值达到设计压力值并维持稳定；注浆完成28-90天后通过加载电机4对模型桩进行加载。

全文数据：一种测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置和试验方法技术领域本发明涉及岩土工程领域中桩端承载性能研究的试验装置，特别涉及一种测试静钻根植桩端扩大头承载性能的试验装置和试验方法，可用于研究砂土相对密度不同，桩端扩大头直径不同，桩端水泥土强度不同，注浆压力不同以及上覆压力不同时的静钻根植桩的桩承承载特性。背景技术随着我国城市建设的快速发展，出现了很多超高层建筑高速铁路、大跨桥梁以及复杂地下基础设施等工程，对地基承载力要求较高。桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中，目前应用于实际工程中的桩基础主要为预应力管桩和钻孔灌注桩，然而，这两种桩型在实际工程应用中都存在着一些不足。传统预应力管桩施工过程中会产生挤土效应和噪音污染，钻孔灌注桩施工过程中会产生大量泥浆，泥浆排放以及泥浆污染问题已经引起社会广泛关注。近年来，随着桩基工程实际工程经验的积累和理论研究的深入，出现在一些新型桩基础。静钻根植桩是一种由预应力管桩和桩周水泥土所组成的新型组合桩基础，其施工过程不会产生挤土效应，且钻孔中的大部分泥浆在掺入水泥浆进行搅拌后形成水泥土，使泥浆排放量大为减少。静钻根植桩目前在我国东南沿海地区已经得到了成功应用，并取得了较大的社会经济效益。由于静钻根植桩的施工工艺与传统桩基有所不同，且静钻根植桩桩端处存在着一个水泥土扩大头，因此其桩端承载性能与传统桩基础的桩端承载性能不同，无法用已有的桩端承载力计算公式计算静钻根植桩的桩端承载力。需要结合模型试验对静钻根植桩的桩端承载特性进行研究，为实际工程中静钻根植桩的设计提供理论依据。目前对桩端承载性能的研究主要是基于现场试验和模型试验，且主要基于传统预应力管桩和钻孔灌注桩。现场试验中桩端承载性能的研究中桩端承载力主要是基于靠近桩端位置处桩身钢筋应力计读数进行转化或者由埋在桩端处的桩端土压力传感器直接测得；桩端位移测量十分困难，主要根据桩顶位移和桩身压缩量进行估算；目前现场试验中桩端承载性能的研究主要是基于预应力管桩和钻孔灌注桩，以及桩端后注浆钻孔灌注桩。桩端后注浆钻孔灌注桩中桩端位置预埋注浆管，桩基施工完成后通过预埋注浆管在桩端位置进行注浆，所注入的浆液为水泥净浆，注浆体形状不规则，桩端承载性能十分复杂。模型试验中对桩端承载性能的研究也主要基于传统预应力管桩和钻孔灌注桩，以及桩端后注浆钻孔灌注桩，模型试验中可以得到比较准确的桩端荷载位移关系曲线，然而模型试验中桩端后注浆钻孔灌注桩桩端位置处的注浆体形状也不规则，桩端承载力的离散性较大，桩端承载性能不稳定。目前对于静钻根植桩桩端承载性能的研究很少，静钻根植桩桩端存在一个搅拌均匀的水泥土扩大头，其承载性能与传统预应力管桩和钻孔灌注桩不同，桩端后注浆钻孔灌注桩的桩端承载特性与静钻根植桩有一些相似之处，然而桩端后注浆钻孔灌注桩中桩端直接注入水泥浆，水泥浆形状不规则，桩端承载性能不稳定，桩端极限承载力的差异性较大；静钻根植桩桩端位置处水泥土扩大头形状规则圆柱体，且水泥土进行充分搅拌，强度较均匀，桩端承载性能稳定且承载力较高。因此，对静钻根植桩桩端承载性能进行研究具有十分重要的意义。但是，现有的现场试验和模型试验无法模拟静钻根植桩桩端扩大头的承载性能。发明内容针对现有技术的不足，本发明提供了一种测试静钻根植桩端扩大头承载性能的试验装置和试验方法，该装置可用于模拟不同桩端土体相对密实度、不同应力水平、不同桩端扩大头直径以及不同注浆压力时的静钻根植桩的桩承承载特性，且该装置可保证桩端扩大头形状与实际工程中静钻根植桩桩端扩大头形状相似。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于：包括模型箱、加载板、反力梁、加载电机、圆形模具、空气压缩机和储浆罐，所述模型箱由钢板焊接而成，模型箱侧面和底部均焊接工字钢以增加模型箱刚度，模型箱底部焊接钢支座；所述模型箱内部填筑有砂土层；所述砂土层内部预埋有若干土压力传感器和若干孔隙水压力传感器；所述砂土层内部预埋有圆形模具；所述圆形模具为空心圆柱体，由两块半圆铝合金板经螺栓连接组合而成，其内部形成预留空间；所述模型箱中心处还设有模型桩，所述的模型桩悬挂在反力梁上，且模型桩的桩端位于圆形模具内部的预留的空间中心处；所述的加载板为一中心开有通孔的方形板，设置于砂土层上，所述模型桩穿过该通孔；所述加载板上方设置两个钢垫块，所述钢垫块对称分布于加载电机两侧，每个钢垫块上方均设置有千斤顶；所述的反力梁焊接于模型箱上，反力梁与千斤顶上端相抵；所述加载电机位于模型桩上方并固定在反力梁上；所述的储浆罐内部为搅拌均匀的液态水泥土，储浆罐上设置有泄压阀、调压开关和注浆管；所述注浆管上设置有注浆阀门，且注浆管的端部需埋入预留的空间内，将液态水泥土注入到预留空间中；所述的空气压缩机上设置有通过输气管，其上设置有压力表和调压开关，所述输气管用于将气压输入到储浆罐中。上述技术方案中，进一步地，所述的模型箱边长与圆形模具的直径之比不小于10。进一步地，所述的圆形模具底部与模型箱底部之间的距离与圆形模具的直径之比不小于10。进一步地，所述的千斤顶通过加载板对砂土层进行加载，模拟不同应力水平。进一步地，所述的模型桩直径小于圆形模具直径。进一步地，所述的加载电机的极限加载值为200kN，行程为100mm。进一步地，所述的加载板中心圆孔的直径与模型桩的直径相同。进一步地，所述的储浆罐侧壁采用透明有机玻璃制成，且侧壁上标有容积刻度。进一步地，所述的储浆罐中的搅拌均匀水泥土试样，水泥土试样的含水率均超过液限含水量，水泥土试样呈液态。本发明还提供了一种采用上述装置进行静钻根植桩桩端扩大头承载性能研究的试验方法，包括如下步骤：在模型箱内填筑砂土，并在填筑过程中预埋土压力传感器、孔隙水压力传感器和圆形模具，将注浆管预埋到预留空间，并将模型桩放入模型箱的中心处，将模型桩固定在反力梁上并使模型桩桩端处于圆形模具内部的预留的空间中心处，且模型桩底部封堵，将圆形模具的顶端封闭；当砂土填筑高度与圆形模具顶部高度相同时，安装好空气压缩机和储浆罐，在储浆罐中装入搅拌均匀的液态水泥土，调节空气压缩机使储浆罐内达到设计注浆压力值，维持设计注浆压力并开始对预留空间内进行注浆，在注浆的同时慢慢地将圆形模具从砂土中取出使液态水泥土浆液充满圆形模具所预留空间，形成桩端扩大头；注浆完成7-28天后在砂土层顶部再填筑20-50cm厚的砂土层，将加载板覆盖在填筑完成的砂土层上表面，通过千斤顶对砂土层施加上覆压力，使所施加上覆压力值达到设计压力值并维持稳定；注浆完成28-90天后通过加载电机对模型桩进行加载。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明中在砂土填筑过程中采用圆形模具预留水泥土注浆空间，并将搅拌均匀的水泥土注入到预留空间处，得到的桩端扩大头形式与实际工程中静钻根植桩桩端扩大头形式相似。2、本发明中所填筑砂土密实度可根据要求进行改变，可以研究桩端砂土层密实度不同对静钻根植桩桩端承载性能的影响，砂土层中预埋的孔隙水压力传感器可测得砂土层中的注浆压力以及压力消散规律，预埋的土压力传感器可测得桩端土体中的土压力以及土压力消散规律。3、本发明中的预埋的圆形模具直径可进行调整，从而可以改变桩端扩大头的直径；同时空气压缩机和注浆罐可以调整注浆压力。4、本发明中采用千斤顶对砂土层施加上覆压力，可通过改变千斤顶所施加荷载调节上覆压力。5、本发明中采用加载电机进行静钻根植模型桩的加载，可满足各种不同砂土密实度、不同上覆压力应力水平、不同扩大头直径、不同注浆压力情况下的静钻根植桩桩端承载性能研究的试验要求。附图说明图1为模型箱测试图；图2为加载板示意图；图3为圆形模具俯视图；图4为完整的静钻根植桩桩端扩大头承载性能研究的试验装置测试图；图中：模型箱1、工字钢1-1、钢支座1-2、砂土层1-3、土压力传感器1-4、孔隙水压力传感器1-5、模型桩1-6、预留空间1-7、加载板2、刚垫块2-1、千斤顶2-2、反力梁3、加载电机4、圆形模具5、半圆铝合金板5-1，5-2、螺栓5-3、空气压缩机6、压力表6-1、调压开关6-2、输气管6-3、储浆罐7、泄压阀7-1、调压开关7-2、注浆阀门7-3、注浆管7-4、液态水泥土7-5。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图4所示，本发明为可模拟不同桩端土体相对密实度、不同应力水平、不同桩端扩大头直径以及不同注浆压力的测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，包括模型箱1、加载板2、反力梁3、加载电机4、圆形模具5、空气压缩机6和储浆罐7共七个部分。所述方形模型箱1由钢板焊接而成，模型箱侧面顶部、底部以及中间位置分别焊接一道工字钢1-1，模型箱底部焊接两道工字钢1-1增加模型箱整体刚度，模型箱1边长和高度均为2m；所述模型箱1内部填筑一定密实度的砂土层1-3；所述砂土层1-3根据设计密实度要求采用不同方法进行填筑；所述砂土层填筑方法为砂雨法设计密实度较小时和分层夯实法设计密实度较大时；所述砂土层1-3填筑过程中内部预埋土压力传感器1-4和孔隙水压力传感器1-5，所述土压力传感器1-4和孔隙水压力传感器1-5分别埋设在圆形模具5底部以下0m,0.5m和1.0m深度处；所述土压力传感器1-4用以测量桩端土体的土压力，所述孔隙水压力传感器1-5用以测量砂土层中的注浆压力以及压力消散规律；所述砂土层1-3填筑过程中在设计桩端扩大头位置处预埋圆形模具5；所述圆形模具5由两块半圆铝合金板5-1、5-2经螺栓5-3连接组合而成，圆形模具5直径可根据试验要求进行调整，可设为模型桩1-6直径的1.5倍、2.0倍、2.5倍和3.0倍；所述模型箱1中心处放置模型桩1-6，且所述模型桩1-6桩端需位于圆形模具5所预留的空间1-7中心处，模型桩1-6直径为50mm，长度为1000mm；所述反力梁3焊接于模型箱上；所述加载电机4位于模型桩1-6上方并固定在反力梁3上；所述加载板2为一中心开有通孔的方形板，设置于砂土层1-3上，加载板2中心圆孔直径与圆形模具5顶部通孔的直径相同；所述加载板2上方设置两个刚垫块2-1对称分布于加载电机4两侧，所述刚垫块2-1上方分别设置两个千斤顶2-2，千斤顶2-2上端与反力梁3相抵向砂土层施加上覆压力；所述加载板2上方设置两个刚垫块2-1对称分布于加载电机4两侧所述空气压缩机6通过输气管6-3将气压输入到储浆罐7中，输气管上设置有压力表6-1和调压开关6-2，注浆压力值可控制在0.5-3MPa范围内；所述储浆罐7内部为搅拌均匀的液态水泥土，储浆罐7上设置了泄压阀7-1和调压开关7-2，通过注浆管7-4与模型箱连接；所述注浆管7-4上设置有注浆阀门7-3，且注浆管端部需埋入到圆形模具5所预留的空间1-7内，将液态水泥土注入到预留空间1-7中储浆罐7中液态水泥土体积需达到预留空间1-7体积的1.5倍以上。本发明的工作过程如下：首先需要在模型箱1内填筑一定密实度的砂土层1-3，当设计要求砂土层密实度较小时，采用砂雨法制备砂土层1-3，通过控制落砂装置底部与试验土体表面的落距得到设计要求的土体密实度，当设计要求砂土层密实度较大时，采用分层夯实法填筑砂土层，通过控制砂土干密度和体积的方法得到设计要求的土体密实度；砂土层1-3填筑过程中内部预埋土压力传感器1-4和孔隙水压力传感器1-5分别测量桩端土体的土压力和砂土层中的注浆压力以及压力消散规律；砂土层填筑过程中在设计桩端扩大头位置处预埋圆形模具5；模型箱1中心处放置模型桩1-6，桩端需位于圆形模具5所预留的空间1-7中心处；使用空气压缩机6和储浆罐7通过注浆管7-4将水泥土试样注入到预留空间1-7处，注浆同时将圆形模具5从砂土层中取出，注浆过程中以及注浆完成后每隔一段时间测试孔隙水压力数据；水泥土养护7天后再填筑20cm厚砂土层，然后将加载板2设置于砂土层上，加载板2上方设置刚垫块2-1和千斤顶2-2，千斤顶上端与反力梁3相抵向砂土层施加上覆压力；水泥土试样养护28天后通过加载电机4对模型桩进行静载试验，加载电机4所施加荷载及位移可自动读取和储存，试验过程中桩端土体的土压力及其消散规律以及桩端荷载位移相对位移关系都可以在试验中测得。

权利要求：1.一种测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于：包括模型箱1、加载板2、反力梁3、加载电机4、圆形模具5、空气压缩机6和储浆罐7，所述模型箱1由钢板焊接而成，模型箱侧面和底部均焊接工字钢1-1以增加模型箱刚度，模型箱底部焊接钢支座1-2；所述模型箱1内部填筑有砂土层1-3；所述砂土层1-3内部预埋有若干土压力传感器1-4和若干孔隙水压力传感器1-5；所述砂土层1-3内部预埋有圆形模具5；所述圆形模具5为空心圆柱体，由两块半圆铝合金板5-1、5-2经螺栓5-3连接组合而成，其内部形成预留空间1-7；所述模型箱1中心处还设有模型桩1-6，所述的模型桩1-6悬挂在反力梁3上，且模型桩1-6的桩端位于圆形模具5内部的预留的空间1-7中心处；所述的加载板2为一中心开有通孔的方形板，设置于砂土层1-3上，所述模型桩1-6穿过该通孔；所述加载板2上方设置两个钢垫块2-1，所述钢垫块2-1对称分布于加载电机4两侧，每个钢垫块2-1上方均设置有千斤顶2-2；所述的反力梁3焊接于模型箱1上，反力梁3与千斤顶2-2上端相抵；所述加载电机4位于模型桩1-6上方并固定在反力梁3上；所述的储浆罐7内部为搅拌均匀的液态水泥土，储浆罐7上设置有泄压阀7-1、调压开关7-2和注浆管7-4；所述注浆管7-4上设置有注浆阀门7-3，且注浆管7-4的端部需埋入预留的空间1-7内，将液态水泥土注入到预留空间1-7中；所述的空气压缩机6上设置有通过输气管6-3，其上设置有压力表6-1和调压开关6-2，所述输气管6-3用于将气压输入到储浆罐7中。2.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的模型箱1边长与圆形模具5的直径之比不小于10。3.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的圆形模具5底部与模型箱1底部之间的距离与圆形模具5的直径之比不小于10。4.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的千斤顶2-2通过加载板2对砂土层1-3进行加载，模拟不同应力水平。5.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，模型桩1-6直径小于圆形模具5直径。6.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的加载电机4的极限加载值为200kN，行程为100mm。7.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的加载板2中心圆孔的直径与模型桩1-6的直径相同。8.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的储浆罐7侧壁采用透明有机玻璃制成，且侧壁上标有容积刻度。9.根据权利要求1所述的静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置，其特征在于，所述的储浆罐7中的搅拌均匀水泥土试样，水泥土试样的含水率均超过液限含水量，水泥土试样呈液态。10.采用如权利要求1-9任一项所述的装置进行静钻根植桩桩端扩大头承载性能研究的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：在模型箱1内填筑砂土，并在填筑过程中预埋土压力传感器1-4、孔隙水压力传感器1-5和圆形模具5，将注浆管7-4预埋到预留空间1-7，并将模型桩1-6放入模型箱1的中心处，将模型桩1-6固定在反力梁3上并使模型桩1-6桩端处于圆形模具5内部的预留的空间1-7中心处，且模型桩底部封堵，将圆形模具5的顶端封闭；当砂土填筑高度与圆形模具5顶部高度相同时，安装好空气压缩机6和储浆罐7，在储浆罐7中装入搅拌均匀的液态水泥土7-5，调节空气压缩机6使储浆罐7内达到设计注浆压力值，维持设计注浆压力并开始对预留空间1-7内进行注浆，在注浆的同时慢慢地将圆形模具5从砂土中取出使液态水泥土浆液充满圆形模具5所预留空间1-7，形成桩端扩大头；注浆完成7-28天后在砂土层顶部再填筑20-50cm厚的砂土层，将加载板2覆盖在填筑完成的砂土层1-3上表面，通过千斤顶2-2对砂土层施加上覆压力，使所施加上覆压力值达到设计压力值并维持稳定；注浆完成28-90天后通过加载电机4对模型桩进行加载。

百度查询： 浙江大学 一种测试静钻根植桩桩端扩大头承载性能的试验装置和试验方法

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