研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统及方法，包括模型制作系统、模型加载系统和监测系统，所述模型制作系统包括用于填筑软岩相似材料与嵌岩桩相似材料的模型箱、嵌在所述软岩相似材料当中以形成预留嵌岩桩孔洞的且底部密封的PVC管和与所述PVC管连接以使所述PVC管竖直的固定于相应位置的焊接铁架，所述嵌岩桩相似材料在所述嵌岩桩孔洞中形成嵌岩桩，所述模型加载系统包括加载板，所述加载板设于所述嵌岩桩的上方用于对所述嵌岩桩的顶部施加垂向荷载，所述监测系统设于所述嵌岩桩顶部和所述加载板之间，包括用于监测所述加载板施加于所述嵌岩桩的荷载的荷载传感器和用于监测所述嵌岩桩位移的位移传感器。

【技术实现步骤摘要】
研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统及方法
本专利技术涉及桩基础承载力物理模型试验领域，尤其涉及一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统及方法。
技术介绍
钻孔灌注桩在施工过程中，由于施工设备、技术及工艺水平的限制，无法完全清除桩底沉渣，因此会造成桩基承载力出现不同程度地降低，威胁桩基础结构的安全。桩底存在沉渣且桩基承载力达不到设计要求的钻孔灌注桩称为沉渣缺陷桩。目前对沉渣缺陷桩承载特性的研究方法包括现场测试、数值模拟、模型试验方法等。而现场测试方法会造成资源极大的浪费，且不便于检测沉渣厚度；随着计算机模拟技术的发展，大量的数值模拟软件涌现，虽然利用数值模拟技术可以更直观地获得桩与岩体的应力应变规律，但其计算结果的正确性、可靠性往往难以保证，这使得模型试验方法成为检验和修正数值模拟计算的重要手段。通过模型试验方法对沉渣对软岩嵌岩桩承载力的影响规律进行研究，能够克服现场试验费时费力、影响正常工作秩序、资源浪费等缺点，进而为数值模拟的研究成果提供科学的参考及验证，所获得的数据又可用于指导实际施工中桩底沉渣厚度的控制，实现研究结果的定性与定量相结合的分析，因而具有重要的理论和实践意义。目前桩基础模型试验多选取有机玻璃棒模拟单桩，加载装置大多为手动液压千斤顶，这些均会造成试验结果与实际出现较大误差。模型的制作、有效监测方法的运用是模型试验中的难点问题，制约着桩基础模型试验的应用，为取得沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验预期成果，必须研制出一套满足相似条件、能较为真实地模拟桩与岩体接触及可以减小监测系统误差的模型试验方法和系统。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种能够克服模型试验的难点、能够满足相似条件、能较为真实地模拟桩与岩体接触及可以减小监测系统误差的研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统及方法。本专利技术的实施例提供一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，包括模型制作系统、模型加载系统和监测系统，所述模型制作系统包括用于填筑软岩相似材料与嵌岩桩相似材料的模型箱、嵌在所述软岩相似材料当中以形成预留嵌岩桩孔洞的且底部密封的PVC管和与所述PVC管连接以使所述PVC管竖直的固定于相应位置的焊接铁架，所述嵌岩桩相似材料在所述嵌岩桩孔洞中形成嵌岩桩，所述模型加载系统包括加载板，所述加载板设于所述嵌岩桩的上方用于对所述嵌岩桩的顶部施加垂向荷载，所述监测系统设于所述嵌岩桩顶部和所述加载板之间，包括用于监测所述加载板施加于所述嵌岩桩的荷载的荷载传感器和用于监测所述嵌岩桩位移的位移传感器。进一步地，所述模型箱包括棱架和面板，所述棱架由角钢制成，所述面板具有5个且均由木材制成，5个所述面板嵌入所述棱架当中并在所述棱架的固定下围成一个上端开口的箱体结构。进一步地，所述模型加载系统包括反力架，所述反力架下方设有放置所述模型箱的放置空间，所述加载板水平的设置于所述反力架且位于所述放置空间的上方，所述模型箱放置于所述放置空间，做软岩嵌岩桩承载力试验时，一加载墩设于所述嵌岩桩，且通过所述监测系统与所述加载板连接，所述加载板、所述加载墩和对应的所述嵌岩桩的中心位于同一垂线上。进一步地，填筑入所述模型箱中的所述软岩相似材料多层，每层所述软岩相似材料厚度相同，填筑入所述嵌岩桩孔洞中的所述嵌岩桩相似材料具有多层，每层所述软岩相似材料厚度相同，且每层所述软岩相似材料的厚度大于每层所述软岩相似材料的厚度。进一步地，还包括具有不同尺寸的第一压实锤和第二压实锤，所述第一压实锤用于压实每层所述软岩相似材料，所述第二压实锤用于压实每层所述嵌岩桩相似材料。进一步地，还包括沉渣模拟材料，做有沉渣单桩的荷载—沉降试验时，所述沉渣模拟材料位于所述嵌岩桩孔洞的底部，所述嵌岩桩相似材料填筑于所述沉渣模拟材料之上，所述沉渣模拟材料为软岩相似材料碎屑。本专利技术的实施例提供一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作模型制作系统，所述模型制作系统包括模型箱、软岩相似材料和嵌岩桩相似材料，将所述软岩相似材料填筑于所述模型箱，并在所述模型箱中的所述软岩相似材料中预留出一个或者多个嵌岩桩孔洞；S2：若做有沉渣单桩的荷载—沉降试验，所述模型制作系统还包括沉渣模拟材料，首先将所述沉渣模拟材料填筑于所述嵌岩桩孔洞底部，再在所述有沉渣模拟材料上填筑所述嵌岩桩相似材料，直至填筑至所述岩桩孔洞顶部；若做无沉渣单桩的荷载—沉降试验，将所述嵌岩桩相似材料填筑于所述嵌岩桩孔洞直至填筑至所述岩桩孔洞顶部；S3：使用万能材料试验机进行有沉渣单桩的荷载—沉降试验或者无沉渣单桩的荷载—沉降试验，绘制有沉渣单桩的荷载—沉降曲线或者无沉渣单桩的荷载—沉降曲线。进一步地，S1中，将所述软岩相似材料填筑于所述模型箱时，首先将所述软岩相似材料分成若干层，每层厚度为n，n为大于0的整数，逐层填筑所述软岩相似材料，并用第一压实锤在单位面积上锤击多次位于所述模型箱最上层的所述软岩相似材料，直至填筑的总厚度为3n，将一根或者多根底部密封的PVC管放置于所述软岩相似材料的上表面，用焊接铁架固定所述PVC管以使所述PVC管竖直的固定于相应位置，继续逐层填筑和锤击所述软岩相似材料，直至填筑至所述模型箱顶部，待所述软岩相似材料初凝后拔出所述PVC管，所述嵌岩桩孔洞即形成。进一步地，S2中，首先将所述嵌岩桩相似材料分成若干层，每层的厚度为2n，若做有沉渣单桩的荷载—沉降试验，在所述嵌岩桩孔洞的底部填筑一定厚度的所述沉渣模拟材料，再在所述沉渣模拟材料上逐层填筑所述嵌岩桩相似材料，每填筑一层所述嵌岩桩相似材料，均由第二压实锤在单位面积上锤击多次位于所述嵌岩桩孔洞最上层的所述嵌岩桩相似材料，直至所述嵌岩桩相似材料填筑至所述嵌岩桩孔洞顶部，自然养护所述嵌岩桩相似材料直至其形成嵌岩桩；若做有沉渣单桩的荷载—沉降试验，在所述沉嵌岩桩孔洞内逐层填筑所述嵌岩桩相似材料，每填筑一层所述嵌岩桩相似材料，均由第二压实锤在单位面积上锤击多次位于所述嵌岩桩孔洞最上层的所述嵌岩桩相似材料，直至所述嵌岩桩相似材料填筑至所述嵌岩桩孔洞顶部，自然养护所述嵌岩桩相似材料直至其形成嵌岩桩。进一步地，所述万能材料试验机包括模型加载系统和监测系统，所述模型加载系统包括反力架和水平的设置于所述反力架上的加载板，所述反力架下方设有放置所述模型箱的放置空间，所述加载板位于所述放置空间的上方，将填筑有所述软岩相似材料和形成有所述嵌岩桩的所述模型箱放置于所述放置空间，在所述嵌岩桩的顶部设置加载墩，所述加载墩通过所述监测系统与所述加载板连接，所述加载板、所述加载墩和对应的所述嵌岩桩的中心位于同一垂线上，所述监测系统包括用于监测所述加载板施加于所述嵌岩桩的荷载的荷载传感器和用于监测所述嵌岩桩位移的位移传感器；利用所述加载板在所述嵌岩桩桩顶施加荷载，荷载采用分级加载的方式，每次加载aN，保持bs，依此类推，如该级荷载下的所述嵌岩桩的桩顶沉降速率超过上级沉降速率的5倍或总沉降量达到预设深度，则停止试验，试验完毕后输出每根桩的荷载—沉降曲线，a、b为大于零的整数。本专利技术的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)所述模型制作系统能够制作出重度大、强度和变形模量低、弹塑性与原型相似的小比例尺嵌岩桩模型，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：包括模型制作系统、模型加载系统和监测系统，所述模型制作系统包括用于填筑软岩相似材料与嵌岩桩相似材料的模型箱、嵌在所述软岩相似材料当中以形成预留嵌岩桩孔洞的且底部密封的PVC管和与所述PVC管连接以使所述PVC管竖直的固定于相应位置的焊接铁架，所述嵌岩桩相似材料在所述嵌岩桩孔洞中形成嵌岩桩，所述模型加载系统包括加载板，所述加载板设于所述嵌岩桩的上方用于对所述嵌岩桩的顶部施加垂向荷载，所述监测系统设于所述嵌岩桩顶部和所述加载板之间，包括用于监测所述加载板施加于所述嵌岩桩的荷载的荷载传感器和用于监测所述嵌岩桩位移的位移传感器。

【技术特征摘要】
1.一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：包括模型制作系统、模型加载系统和监测系统，所述模型制作系统包括用于填筑软岩相似材料与嵌岩桩相似材料的模型箱、嵌在所述软岩相似材料当中以形成预留嵌岩桩孔洞的且底部密封的PVC管和与所述PVC管连接以使所述PVC管竖直的固定于相应位置的焊接铁架，所述嵌岩桩相似材料在所述嵌岩桩孔洞中形成嵌岩桩，所述模型加载系统包括加载板，所述加载板设于所述嵌岩桩的上方用于对所述嵌岩桩的顶部施加垂向荷载，所述监测系统设于所述嵌岩桩顶部和所述加载板之间，包括用于监测所述加载板施加于所述嵌岩桩的荷载的荷载传感器和用于监测所述嵌岩桩位移的位移传感器。2.如权利要求1所述的研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：所述模型箱包括棱架和面板，所述棱架由角钢制成，所述面板具有5个且均由木材制成，5个所述面板嵌入所述棱架当中并在所述棱架的固定下围成一个上端开口的箱体结构。3.如权利要求1所述的研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：所述模型加载系统包括反力架，所述反力架下方设有放置所述模型箱的放置空间，所述加载板水平的设置于所述反力架且位于所述放置空间的上方，所述模型箱放置于所述放置空间，做软岩嵌岩桩承载力试验时，一加载墩设于所述嵌岩桩，且通过所述监测系统与所述加载板连接，所述加载板、所述加载墩和对应的所述嵌岩桩的中心位于同一垂线上。4.如权利要求1所述的研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：填筑入所述模型箱中的所述软岩相似材料具有多层，每层所述软岩相似材料厚度相同，填筑入所述嵌岩桩孔洞中的所述嵌岩桩相似材料具有多层，每层所述软岩相似材料厚度相同，且每层所述软岩相似材料的厚度大于每层所述软岩相似材料的厚度。5.如权利要求4所述的研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：还包括具有不同尺寸的第一压实锤和第二压实锤，所述第一压实锤用于压实每层所述软岩相似材料，所述第二压实锤用于压实每层所述嵌岩桩相似材料。6.如权利要求1所述的研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验系统，其特征在于：还包括沉渣模拟材料，做有沉渣单桩的荷载—沉降试验时，所述沉渣模拟材料位于所述嵌岩桩孔洞的底部，所述嵌岩桩相似材料填筑于所述沉渣模拟材料之上，所述沉渣模拟材料为软岩相似材料碎屑。7.一种研究沉渣对软岩嵌岩桩承载力影响的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作模型制作系统，所述模型制作系统包括模型箱、软岩相似材料和嵌岩桩相似材料，将所述软岩相似材料填筑于所述模型箱，并在所述模型箱中的所述软岩相似材料中预留出一个或者多个嵌岩桩孔洞；S2：若做有沉渣单桩的荷载—沉降试验，所述模型制作系统还包括沉渣模拟材料，首先将所述沉渣模拟材料填筑于所述嵌岩桩孔洞底部，再在所述有沉渣模拟材料上填筑所述嵌岩桩相似材料，直至填筑至所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：周传波，高坛，周小勇，蒋楠，吴廷尧，周家全，王腾，段扬扬，李远远，夏宇磬，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42