一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，主要由竖向位移传动系统、恒刚度弹性仿真系统、桩‑土界面力学响应系统、数据采集系统、伺服液压动力系统、模型箱组成。混凝土管桩在沉桩过程中，挤土效应、土塞效应会使土体产生强烈的压缩和膨胀，桩‑土接触面法向应力变化很大，而土体的法向劲度基本不变，鉴于此，采用弹簧提供恒刚度来模拟桩周以及桩端弹性区土体，模型试验机理更接近于真实的管桩沉桩过程。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于试验仪器
涉及一种考虑桩周土体及桩端土体影响的简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，该试验仪器适用于压桩过程中考虑桩端土体阻力以及桩周土体影响的的混凝土管桩桩-土体系荷载传递机理的研究。
技术介绍
混凝土管桩在我国工程建设中广为应用，它以其承载性能佳、施工快捷、成本低等综合优势迅速成为建筑物桩基的主流桩型之一，由于管桩为隐蔽工程，其桩身质量与承载力是否满足设计要求,对于上部结构安全尤为重要。目前对于混凝土管桩的荷载传递机理以及承载力的发挥机制仍亟待完善,现场足尺试验由于其试验条件复杂、试验周期长、试验耗资大等缺点给试验研究带来一定难度，室内模型试验加载简单，节省财力、物力、人力，可以比较方便的控制或改变试验条件，可以实现不同对比试验，试验反复性强，因此，针对目前的研究现状，研制考虑桩周土体及桩端土体影响的简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置具有重要的科研价值。《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）中规定单桩竖向极限承载力标准值是总极限侧阻力标准值与总极限端阻力标准值之和。因此，研究混凝土管桩承载力机制需要同时考虑桩侧阻力与桩端阻力，孤立地将两者割裂分开研究不符合规范要求以及现场桩体的真实受力情况。White根据沉桩过程中桩体对土体的扰动程度，将桩周土体划分为三个区域：塑性区、弹性区、未扰动区。塑性区为直接与桩接触的薄层土体，在沉桩过程中剪切变形显著；弹性区位于塑性区与未扰动区之间，土体发生弹性变形，不发生结构性破坏；未扰动区对桩-土体系不产生影响。因此，考虑到土体弹性变形的影响，采用弹簧来模拟弹性区土体进行模型试验研制，模型试验原理接近于真实的桩-土接触机理。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，利用本技术所述试验装置可以模拟混凝土管桩不同沉桩方式以及沉桩过程，测量桩侧阻力与桩端阻力以及桩侧土体的变形量,进而研究桩-土界面荷载传递机理。本技术一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，主要由竖向位移传动系统、恒刚度弹性仿真系统、桩-土界面力学响应系统、数据采集系统、伺服液压动力系统、模型箱组成；其特征在于：所述竖向位移传动系统与所述模型箱连接，所述恒刚度弹性仿真系统与所述模型箱连接，所述数据采集系统与所述模型箱连接。所述竖向位移传动系统由混凝土管桩竖向传动部件、水平弹簧侧板竖向传动部件组成，其中混凝土管桩竖向传动部件为直径为15mm的滚轴及滑动轨道，其中混凝土管桩竖向传动部件经滑动轨道分别与混凝土支撑架右侧、模型箱右侧挡板连接，水平弹簧侧板竖向传动部件经滚轴与模型箱左侧板连接。所述恒刚度弹性仿真系统由桩端土体弹性仿真部件、水平桩侧土体弹性仿真部件、竖向桩侧土体弹性仿真部件组成，其中桩端土体弹性仿真部件是指刚度系数为k1的弹簧组，由3×3共9根弹簧组成，弹簧组初始长度为125mm，弹簧组下端固定在模型箱底板，弹簧组上端固定在混凝土支撑架下端；水平桩侧土体弹性仿真部件是指刚度系数为k2的弹簧组，由4×3共12根弹簧组成，弹簧组初始长度为125mm，弹簧组左端固定在水平弹簧侧板竖向传动部件右侧,弹簧组右端固定在桩-土界面力学响应系统中活动砂箱左侧板; 竖向桩侧土体弹性仿真部件是指刚度系数为k3的弹簧组，由7×3共21根弹簧组成，弹簧组初始长度为125mm,弹簧组下端固定在模型箱底板，弹簧组上端固定在桩-土界面力学响应系统底板；其中桩端土体弹性仿真部件与竖向桩侧土体弹性仿真部件之间通过一高为155mm、厚度为10mm的钢板分隔。所述桩-土界面力学响应系统由活动砂箱、混凝土支撑架组成，其中，活动砂箱尺寸为310mm×350mm，其左侧板与刚度系数为k2的弹簧组刚性连接，并在刚度系数为k2的弹簧组的控制下左右移动；活动砂箱底板由刚度系数为k3的弹簧组控制上下移动，活动砂箱右侧为混凝土，前后侧板与模型箱前后侧板重合；混凝土支撑架为长540mm，宽为179mm的U型钢板槽，厚度为20mm，混凝土支撑架左侧与砂箱右侧直接接触，右侧与竖向滚轴连接，下侧与刚度系数为k1的弹簧组连接，上侧与动力系统连接，其中，混凝土试块放置于混凝土支撑架内部。所述数据采集系统主要由LVDT位移传感器、光纤光栅位移传感器以及微型土压力计组成，LVDT位移传感器测量三组弹簧组变形量；光纤光栅位移传感器置于混凝土表面，测量压桩过程中界面剪应力；微型土压力计置于活动砂箱的底部与左侧，测量压桩过程中桩周土体的土压力变化。所述伺服液压动力系统可实现静压、振动两种压桩方式，进行不同的压桩过程的模拟；通过位移控制不同的桩体压入位移量；设置不同的压桩速度，控制范围在0.02mm/min-500mm/min，可通过伺服液压动力系统实现桩体服役全寿命过程的模拟。所述模型箱主要由前、后、左、右、下侧钢板焊接而成，厚度均为30mm。试验装置的安装和调试：在混凝土表面刻槽，将光纤光栅位移传感器用环氧树脂密封在槽内，将混凝土试块（模拟桩壁）放置在混凝土支撑架内部，使刚度系数为k1的弹簧组产生初始压缩量，通过LVDT位移传感器记录初始值；调整活动砂箱的左侧板，使刚度系数为k2的弹簧组产生初始压缩，通过LVDT位移传感器记录初始值；在活动砂箱内部分层均匀铺设试验用砂，并在土层内埋设微型土压力计，将上表面整理水平，刚度系数为k3的弹簧组产生初始压缩量，通过LVDT位移传感器记录初始值，然后控制伺服液压动力系统进行压桩过程的模型试验，试验中实时测读试验数据并记录。本技术的创新点：混凝土管桩在沉桩过程中，挤土效应、土塞效应会使土体产生强烈的压缩和膨胀，桩-土接触面法向应力变化很大，而土体的法向劲度基本不变，鉴于此，采用弹簧提供恒刚度来模拟桩周以及桩端弹性区土体，模型试验机理更接近于真实的管桩沉桩过程。本技术能够考虑到桩端土体对承载力机理的影响，使模型试验研究不再局限于仅研究桩侧阻力或仅研究桩端阻力等单一因素作用下桩-土体系的荷载传递机理。本技术通过伺服液压动力系统不仅可以模拟静压桩压桩过程，还可以通过振动电机实现锤击压桩过程。本技术可以通过设定不同压桩速度，不仅可以模拟压桩过程，也可模拟沉桩结束后桩体沉降规律，实现桩体服役过程中全寿命过程的试验模拟。本技术中采用光纤光栅位移传感器，测量精度更高，是对传统界面剪应力测量手段的一大突破。附图说明图1 是本技术一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置的整体结构示意图；图2是本技术一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置的俯视图。1：混凝土管桩竖向传动部件；2：水平弹簧侧板竖向传动部件；3：桩端土体弹性仿真部件；4：水平桩侧土体弹性仿真部件；5：竖向桩侧土体弹性仿真部件；6：活动砂箱；7：混凝土支撑架；8：LVDT位移传感器；9：光纤光栅位移传感器；10：微型土压力计；11：伺服液压动力系统；12：模型箱；13：混凝土试块。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步描述：如图1所示，一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，主要由竖向位移传动系统、恒刚度弹性仿真系统、桩-土界面力学响应系统、数据采集系统、伺服液压动力系统11、模型箱12组成，其特征在于：所述竖向位移传动系统与所述模型箱12连接，所述恒刚度弹性仿真系统与所述模型箱1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，主要由竖向位移传动系统、恒刚度弹性仿真系统、桩‑土界面力学响应系统、数据采集系统、伺服液压动力系统、模型箱组成；其特征在于：所述竖向位移传动系统与所述模型箱连接，所述恒刚度弹性仿真系统与所述模型箱连接，所述数据采集系统与所述模型箱连接。

【技术特征摘要】
1.一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，主要由竖向位移传动系统、恒刚度弹性仿真系统、桩-土界面力学响应系统、数据采集系统、伺服液压动力系统、模型箱组成；其特征在于：所述竖向位移传动系统与所述模型箱连接，所述恒刚度弹性仿真系统与所述模型箱连接，所述数据采集系统与所述模型箱连接。2.如权利要求1所述的一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，其特征在于所述竖向位移传动系统由混凝土管桩竖向传动部件、水平弹簧侧板竖向传动部件组成，其中混凝土管桩竖向传动部件为直径为15mm的滚轴及滑动轨道，其中混凝土管桩竖向传动部件经滑动轨道分别与混凝土支撑架右侧、模型箱右侧挡板连接，水平弹簧侧板竖向传动部件经滚轴与模型箱左侧板连接。3.如权利要求1所述的一种简易混凝土管桩压桩过程模型试验装置，其特征在于所述恒刚度弹性仿真系统由桩端土体弹性仿真部件、水平桩侧土体弹性仿真部件、竖向桩侧土体弹性仿真部件组成，其中桩端土体弹性仿真部件是指刚度系数为k1的弹簧组，由3×3共9根弹簧组成，弹簧组初始长度为125mm，弹簧组下端固定在模型箱底板，弹簧组上端固定在混凝土支撑架下端；水平桩侧土体弹性仿真部件是指刚度系数为k2的弹簧组，由4×3共12根弹簧组成，弹簧组初始长度为125mm，弹簧组左端固定在水平弹簧侧板竖向传动部件右侧，弹簧组右端固定在桩-土界面力学响应系统中活动砂箱左侧板；竖向桩侧土体弹性仿真部件是指刚度系数为k3的弹簧组，由7×3共21根弹簧组成，弹簧组初始长度为125mm，弹簧组下端固定在模型箱底板，弹簧组上端固定在桩-土界面力学响应系统底板；其中桩端土体弹性仿真部件与竖向桩侧土体弹性仿真部件之间通过一...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚文昌，刘俊伟，于秀霞，朱娜，李晓玲，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：新型
国别省市：山东;37