模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统，涉及岩土力学桩基工程技术。本系统的结构是螺杆、钢梁和底座通过螺母组成外部反力框架；在底座上设置有模型箱，在模型箱内底部设置有砂浆底层作为桩端持力层，在砂浆底层上设置有岩芯柱，在岩芯柱中浇注有砂浆；岩芯柱、胶结剂和砂浆构成本系统的复合岩层；从上至下，钢梁底面中心、荷载传感器、双动式千斤顶、压头和模型桩的顶部端头依次连接；荷载传感器和应变片分别通过传输线与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩的桩顶荷载和桩身应力分布。本系统可以模拟复合岩层中嵌岩桩的承载特性；运用荷载传感器和应变片可实时采集桩顶荷载和桩身应力分布，得到复合岩层中嵌岩桩的桩身荷载传递规律。

Test System for Simulating Bearing Behavior of Rock-socketed Piles in Composite Strata

The invention discloses an experimental system for simulating the bearing characteristics of rock-socketed piles in composite rock strata, which relates to geotechnical mechanics pile foundation engineering technology. The structure of this system is that screw, steel beam and base are composed of external reaction frame by nuts; model box is set on the base, bottom of model box is set up with mortar as pile end bearing layer, core column is set on mortar bottom, and mortar is poured into core column; core column, cementing agent and mortar constitute composite rock layer of this system; from top to bottom, bottom of steel beam is set up with mortar as pile end bearing layer. The top ends of core, load sensor, double-acting jack, pressure head and model pile are connected in turn. Load sensor and strain gauge are connected with stress and strain collector through transmission line respectively, so the load on top of model pile and the stress distribution of pile body can be obtained in real time. The system can simulate the bearing characteristics of rock-socketed piles in composite rock strata, collect the load on pile top and the stress distribution of pile body in real time by using load sensors and strain sheets, and obtain the load transfer law of rock-socketed piles in composite rock strata.

【技术实现步骤摘要】
模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统
本专利技术涉及岩土力学桩基工程技术，尤其涉及一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统。
技术介绍
嵌岩桩是指部分桩身或全部桩身嵌入岩石的一种桩基形式。由于嵌岩桩的桩端嵌入基岩，使得嵌岩桩的桩身荷载传递规律具有区别于普通桩基的特征：在基岩面以上的覆盖土层中，荷载通过桩身侧面传递至桩周土体，这与普通灌注桩相似；而在嵌岩段中，荷载主要通过桩端的侧面和端面传入岩基。嵌岩桩的承载力由上部桩土间的摩阻力、嵌岩段的摩阻力和端阻力组成。根据桩侧、桩端分担外荷载的大小，嵌岩桩又可分为侧阻嵌岩桩、端承嵌岩桩和全阻嵌岩桩。嵌岩桩较其他类型的桩基具有显著的优点：嵌岩桩可充分发挥基岩的承载性能，提高单桩承载力；由于桩端持力层是压缩性极小的基岩，嵌岩桩的单桩沉降量和群桩效应均较小，并且施工过程中便可完成建筑物沉降；以嵌岩桩为基础的建筑物在地震中产生的地震反应小于其他基础形式，抗震性能好。上述优点使得嵌岩桩基础在桥梁、高层建筑和重型厂房等结构荷载大、沉降要求高的建筑物中得到广泛应用。在嵌岩桩理论的应用和发展过程中，由于嵌岩桩的嵌岩条件和桩身混凝土施工质量的差异性、嵌岩桩施工工艺的多样性，以及桩身极限承载力较高，缺乏破坏性试桩资料等原因，至今工程界对嵌岩桩的承载性状存在着不同的认识。目前，国内外学者采用现场桩基载荷试验、室内缩尺寸模型试验、理论分析及数值计算等方法针对嵌岩桩的承载机理和荷载传递规律进行了深入研究，揭示了嵌岩桩的承载机理与桩身荷载传递规律，推动了嵌岩桩理论的发展。但以上关于嵌岩桩的研究多集中在完整均一的岩体中，对于复合岩层中的嵌岩桩研究较少，未能揭示复合岩层对桩身应力分布的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是鉴于目前现场桩基载荷试验、室内缩尺寸模型试验、理论分析及数值计算未能充分考虑复合岩层条件对桩身应力分布和荷载传递的影响，提供一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统，通过该模型试验系统获得嵌岩桩在复合岩层中的荷载传递规律。本专利技术的目的是这样实现的：一、模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统（简称系统）本系统包括螺杆、钢梁、底座、模型箱、螺母、岩芯柱、胶结剂、砂浆、钻孔、模型桩、凹槽、应变片、水泥浆、压头、荷载传感器、双动式千斤顶和传输线；其位置和连接关系是：螺杆、钢梁和底座通过螺母组成外部反力框架；在底座上设置有模型箱，在模型箱内底部设置有砂浆底层作为桩端持力层，在砂浆底层上设置有岩芯柱，在岩芯柱中浇注有砂浆；所述的岩芯柱包括从下至上采用胶结剂粘结组成的第1、2……N岩芯层，N是自然数，1≤N≤10；所述的砂浆包括从下至上和第1、2……N岩芯层对应的第1、2……N砂浆层，N是自然数，1≤N≤10；岩芯柱、胶结剂和砂浆构成本系统的复合岩层，在复合岩层中心设置有钻孔；模型桩插入钻孔，水泥浆沿模型桩和钻孔浇入密封；从上至下，钢梁底面中心、荷载传感器、双动式千斤顶、压头和模型桩的顶部端头依次连接；在模型桩两侧分别纵向对称设置有凹槽，在凹槽内等距设置有应变片；荷载传感器和应变片分别通过传输线与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩的桩顶荷载和桩身应力分布。二、模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验方法（简称方法）本方法包括下列步骤：①制样在模型桩的两侧沿纵向对称设置凹槽，在凹槽内设置分布式应变片，传输线与应变片连接，并引至凹槽外；第1、2……N岩芯层从下至上采用胶结剂粘结组成岩芯柱；模型箱的底部填筑一定高度的砂浆；将岩芯柱居中放置在模型箱内，置于底部砂浆之上；第1、2……N砂浆层在模型箱中分层填筑，并与第1、2……N岩芯层相对应，组成复合岩层；从岩芯柱的顶部由上至下，居中钻取钻孔，钻孔内居中放置模型桩；在钻孔孔壁和模型桩之间浇筑水泥浆；待水泥浆凝结硬化达到指定强度后完成制样；②组装将底座置于水平地面上，模型箱居中放于底座上部，钢梁通过螺母水平固定在螺杆上，螺杆、钢梁和底座组成反力框架；调整左右螺杆上的螺母使钢梁保持水平，并与模型桩桩顶保持一距离；模型桩的桩顶放置压头，后依次由下至上放置双动式千斤顶和荷载传感器，双动式千斤顶上部作用力通过荷载传感器作用在钢梁上，钢梁提供支撑反力；③试验通过双动式千斤顶向模型桩桩顶分级施加竖向荷载，传输线与应力应变采集仪连接，可实时采集桩身应变和桩顶荷载，得到桩身应力分布和桩身荷载传递规律。本专利技术具有下列优点和积极效果：①利用胶结剂粘结不同强度的岩芯，获得复合岩芯柱；②砂浆分层填筑，并与岩芯一一对应，组成复合地层；③模型箱在试验中可提供侧限约束；④底座、螺杆和钢梁组成稳定坚固的反力框架，为桩顶荷载提供反力支撑；⑤模型桩两侧沿纵向等距布置的分布式应变片在试验中可实时获得桩身应变，推算得到得到桩身应力分布；⑥应力应变采集仪与荷载传感器和应变片连接，可实时采集桩顶竖向荷载和桩身应力分布，获得复合岩层中嵌岩桩桩身荷载传递规律；⑦装置可拆卸，方便脱模后二次使用。总之，本系统可以模拟复合岩层中嵌岩桩的承载特性。运用荷载传感器和应变片可实时采集桩顶荷载和桩身应力分布，得到复合岩层中嵌岩桩的桩身荷载传递规律；同时，本系统标准统一，可实现多次工业复制。附图说明图1是本系统的结构示意图；图2是本系统的岩芯柱示意图；图3是本系统的模型桩示意图。图中：1—螺杆；2—钢梁；3—底座；4—模型箱；5—螺母；6—岩芯柱，6-1、6-2……6-N—第1、2……N岩芯层，N是自然数，1≤N≤10；7—胶结剂；8—砂浆，8-0—砂浆底层，8-1、8-2……8-N—第1、2……N砂浆层，N是自然数，1≤N≤10；9—钻孔；10—模型桩；11—凹槽；12—应变片；13—水泥浆；14—压头；15—荷载传感器；16—双动式千斤顶；17—传输线。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明：一、系统1、总体如图1、2、3，本系统包括螺杆1、钢梁2、底座3、模型箱4、螺母5、岩芯柱6、胶结剂7、砂浆8、钻孔9、模型桩10、凹槽11、应变片12、水泥浆13、压头14、荷载传感器15、双动式千斤顶16和传输线17；其位置和连接关系是：螺杆1、钢梁2和底座3通过螺母5组成外部反力框架；在底座3上设置有模型箱4，在模型箱4内底部设置有砂浆底层8-0作为桩端持力层，在砂浆底层8-0上设置有岩芯柱6，在岩芯柱6中浇注有砂浆8；所述的岩芯柱6包括从下至上采用胶结剂7粘结组成的第1、2……N岩芯层6-1、6-2……6-N，N是自然数，1≤N≤10；所述的砂浆8包括从下至上和第1、2……N岩芯层6-1、6-2……6-N对应的第1、2……N砂浆层8-1、8-2……8-N，N是自然数，1≤N≤10；岩芯柱6、胶结剂7和砂浆8构成本系统的复合岩层，在复合岩层中心设置有钻孔9；模型桩10插入钻孔9，水泥浆13沿模型桩10和钻孔9浇入密封，从上至下，钢梁2底面中心、荷载传感器15、双动式千斤顶16、压头14和模型桩10的顶部端头依次连接；在模型桩10两侧分别纵向对称设置有凹槽11，在凹槽11内等距设置有应变片12；荷载传感器15和应变片1分别通过传输线17与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩10的桩顶荷载和桩身应力分布。工作机理：螺杆1、钢梁2和底座3组成外部反力框架；模型桩10顶部设置有压头14，可保证模型桩10桩顶在荷载作用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统，其特征在于：本系统包括螺杆（1）、钢梁（2）、底座（3）、模型箱（4）、螺母（5）、岩芯柱（6）、胶结剂（7）、砂浆（8）、钻孔（9）、模型桩（10）、凹槽（11）、应变片（12）、水泥浆（13）、压头（14）、荷载传感器（15）、双动式千斤顶（16）和传输线（17）；其位置和连接关系是：螺杆（1）、钢梁（2）和底座（3）通过螺母（5）组成外部反力框架；在底座（3）上设置有模型箱（4），在模型箱（4）内底部设置有砂浆底层（8‑0）作为桩端持力层，在砂浆底层（8‑0）上设置有岩芯柱（6），在岩芯柱（6）中浇注有砂浆（8）；所述的岩芯柱（6）包括从下至上采用胶结剂（7）粘结组成的第1、2……N岩芯层（6‑1、6‑2……6‑N），N是自然数，1≤N≤10；所述的砂浆（8）包括从下至上和第1、2……N岩芯层（6‑1、6‑2……6‑N）对应的第1、2……N砂浆层（8‑1、8‑2……8‑N），N是自然数，1≤N≤10；岩芯柱（6）、胶结剂（7）和砂浆（8）构成本系统的复合岩层，在复合岩层中心设置有钻孔（9）；模型桩（10）插入钻孔（9），水泥浆（13）沿模型桩1（0）和钻孔（9）浇入密封；从上至下，钢梁（2）底面中心、荷载传感器（15）、双动式千斤顶（16）、压头（14）和模型桩（10）的顶部端头依次连接；在模型桩（10）两侧分别纵向对称设置有凹槽（11），在凹槽（11）内等距设置有应变片（12）；荷载传感器（15）和应变片（12）分别通过传输线（17）与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩（10）的桩顶荷载和桩身应力分布。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟复合岩层中嵌岩桩承载特性的试验系统，其特征在于：本系统包括螺杆（1）、钢梁（2）、底座（3）、模型箱（4）、螺母（5）、岩芯柱（6）、胶结剂（7）、砂浆（8）、钻孔（9）、模型桩（10）、凹槽（11）、应变片（12）、水泥浆（13）、压头（14）、荷载传感器（15）、双动式千斤顶（16）和传输线（17）；其位置和连接关系是：螺杆（1）、钢梁（2）和底座（3）通过螺母（5）组成外部反力框架；在底座（3）上设置有模型箱（4），在模型箱（4）内底部设置有砂浆底层（8-0）作为桩端持力层，在砂浆底层（8-0）上设置有岩芯柱（6），在岩芯柱（6）中浇注有砂浆（8）；所述的岩芯柱（6）包括从下至上采用胶结剂（7）粘结组成的第1、2……N岩芯层（6-1、6-2……6-N），N是自然数，1≤N≤10；所述的砂浆（8）包括从下至上和第1、2……N岩芯层（6-1、6-2……6-N）对应的第1、2……N砂浆层（8-1、8-2……8-N），N是自然数，1≤N≤10；岩芯柱（6）、胶结剂（7）和砂浆（8）构成本系统的复合岩层，在复合岩层中心设置有钻孔（9）；模型桩（10）插入钻孔（9），水泥浆（13）沿模型桩1（0）和钻孔（9）浇入密封；从上至下，钢梁（2）底面中心、荷载传感器（15）、双动式千斤顶（16）、压头（14）和模型桩（10）的顶部端头依次连接；在模型桩（10）两侧分别纵向对称设置有凹槽（11），在凹槽（11）内等距设置有应变片（12）；荷载传感器（15）和应变片（12）分别通过传输线（17）与应力应变采集仪连接，可实时获得模型桩（10）的桩顶荷载和桩身应力分布。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海峰，朱长歧，崔翔，孟庆山，吴文娟，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42