模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置及方法，该试验装置包括包括加载系统、矩形模型箱、支架系统、带侧翼桩基、桩端土模拟装置和量测系统；其测量方法当加载机构采用桩基加压装置时，桩基产生正摩阻力；当加载机构采用堆载加压装置时，桩基产生负摩阻力。侧翼随桩周土体产生向上和向下的弯曲，根据侧翼弯曲可以得到桩周土的位移场，并根据插值法分析出中性点的位置；桩端弹簧发生变形，根据变形量可以测得桩端轴力，即端阻力。本发明专利技术给出的力学试验装置，简单、精度高，既能模拟正负摩阻力的桩端阻力大小和桩周土变形，也能模拟负摩阻力时中性点位置的变化。

【技术实现步骤摘要】
模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置及方法
本专利技术涉及土木工程
，确切地说是模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置及方法。
技术介绍
桩基的主要作用是将上部荷载传递到下部土层，其竖向承载力是桩土共同作用提供的，传递过程中桩身会与桩周及桩端土进行相互作用形成摩阻力与端阻力。当桩周土下沉位移小于桩身时，桩周会产生方向向上的正摩阻力，阻止桩基沉降；当桩周土下沉位移大于桩身时，桩周会产生方向向下的负摩阻力，加大桩基沉降，造成建筑物不均匀下沉。受荷载大小、桩体刚度、桩周土和桩端土性质等因素的影响，桩土的相互作用和荷载传递机理复杂，目前的相关研究理论仍不完善。在桩周土性质不变时，桩端土刚度对摩阻力和端阻力占总承载力的比例大小影响极大：当桩端土的刚度较小时，摩阻力充分发挥，端阻力占比较小；反之，摩阻力不能充分发挥，端阻力占比较大。当产生负摩阻力时，在桩周土与桩截面沉降相等、无相对位移发生处其摩阻力为零，即为桩的中性点。在此位置之上的摩阻力为负摩阻力，在此位置之下的摩阻力为正摩阻力，在该点处桩身轴力达到最大值。中性点是桩基受力分析和承载力设计中的重要参数，其位置的变化直接影响桩基负摩阻力的大小。目前规范中规定的中性点深度比ln/l0（其中ln为中性点深度，l0为桩周软弱土层下限深度）是从工程经验中得到的，根据桩端土持力层特征进行估算，在实际设计中往往存在误差过大的情况。常规的试验研究方法是通过测定桩周土压力和桩身应力分布来计算桩土的相对位移，推算出位移零点作为中性点深度。中性点位置不能直接测定，桩土的相互作用也不能直接观测，机构误差较难控制。中国专利公开号CN108181180A公开了一种模拟由地面堆载引起桩负摩阻力中性点变化的试验装置及方法。该试验装置通过有色砂砾和桩侧标记得到了桩周土不同深度的沉降和桩-土相对位移以确定中性点位置变化。但存在以下缺陷：所用材料只能为透明土，作为标记用的有色砂砾容易和透明土混杂不清；需要进行排水，排水条件与实际情况不符；采用相机的图像处理确定沉降和变形，数据难以保持精确；加载机构制作较为繁琐，成本较高。本专利技术给出的力学试验装置，简单、精度高，既能模拟正负摩阻力的桩端阻力大小和桩周土变形，也能模拟负摩阻力时中性点位置的变化。可以作为课堂上的教具，使学生一目了然地理解桩基承载力的概念；也可以为桩基设计提供重要的应用参考，具有较高的理论和应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置及方法，该装置及方法给出的力学试验装置简单、精度高，既能模拟正负摩阻力的桩端阻力大小和桩周土变形，也能模拟负摩阻力时中性点位置的变化。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术手段：模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，包括加载机构、矩形模型箱、支架机构、带侧翼桩基、桩端土模拟机构和量测机构，所述加载机构包括桩顶荷载加压装置、地面堆载加压装置和砝码；所述的矩形模型箱包括左右侧壁和透明的前后侧壁；矩形模型箱内容纳桩基、实验用土；所述支架机构包括支架上盘、支架下盘与支架柱；支架上盘与支架下盘之前设有与支架柱；支架上盘支撑矩形模型箱，支架上盘中心处设有桩基插口；所述带侧翼的桩基包括桩基与侧翼两部分；所述桩端土模拟机构包括上承压板、下承压板、导向杆及弹簧，弹簧套在导向杆上，弹簧的两端分别抵接在上承压板、下承压板上，上承压板受力时沿导向杆运动，桩端土模拟机构用以模拟桩端土的竖向变形；桩基竖向设置在矩形模型箱内，桩基的顶端自矩形模型箱向外伸出，桩基的底端穿过桩基插口后抵接在上承压板上表面上，桩基位于箱体内的部分左右两侧均设有间隔设置的侧翼；侧翼用半柔性材料制成，侧翼随土体变形而变形；砝码直接放置在桩顶荷载加压装置或地面堆载加压装置上面；采用桩基加压装置时能够使桩基产生正摩阻力；采用堆载加压装置时能够使桩基产生负摩阻力；所述的量测机构包括直尺及设置在前透明侧壁上的刻度。本专利技术的加载机构包括桩基加压装置和堆载加压装置，能够分别使桩基产生正摩阻力和负摩阻力；矩形模型箱的透明的前后侧壁便于观察；桩基的侧翼部分用半柔性材料制成，可随土的变形而弯曲变形，根据侧翼弯曲可以得到桩周土的位移场；桩端土模拟机构包括导向杆、上下承压板、弹簧、防偏板，用以模拟桩端土的竖向变形；量测机构包括带刻度的透明侧壁和直尺。本专利技术的工作原理如下：当加载机构采用桩基加压装置时，桩基产生正摩阻力。侧翼随桩周土体产生向上的弯曲，根据侧翼弯曲可以得到桩周土的位移场。桩端弹簧发生变形，根据变形量可以测得桩端轴力，即端阻力；当加载机构采用堆载加压装置时，桩基产生负摩阻力。侧翼随桩周土体产生向上和向下的弯曲，根据侧翼弯曲可以得到桩周土的位移场，并根据插值法分析出中性点的位置。桩端弹簧发生变形，根据变形量可以测得桩端轴力，即端阻力。只需通过更换桩基加压装置和地面堆载加压装置便可模拟桩基的正摩阻力和负摩阻力工况，不需要再借助其他内测设备，通过侧翼和弹簧的变形和位移，即可得到正摩阻力时桩周土的位移场，桩基的侧阻力和端阻力，得到负摩阻力时桩周土的位移场，桩基的中性点和端阻力。本专利技术的装置，简单、精度高，既能模拟正负摩阻力的桩端阻力大小和桩周土变形，也能模拟负摩阻力时中性点位置的变化。进一步的优选技术方案如下：所述桩基加压装置、堆载加压装置均设有压块、压块支架，桩基加压装置的压块支架卡套在桩基的顶端使桩基加压装置的重力作用于桩基的顶端；堆载加压装置的压块支架的底端设有压板，桩基的顶端向上透过压板且与压板之间没有摩擦，堆载加压装置的重力通过压板仅作用于矩形模型箱内填充的实验用土的上表面。通过设置压块支架，便于通过压块支架使桩基加压装置或堆载加压装置的重力作用于桩基或矩形模型箱内填充的实验用土的上表面。所述桩基加压装置、堆载加压装置由轻质材料制成。所述左右侧壁为刚性侧壁，前后侧壁为透明侧壁，刚性侧壁的前侧、后侧均设有竖向设置的嵌槽。上述设置，使前后透明侧壁可以方便地嵌套安装在刚性侧壁的嵌槽内或自刚性侧壁的嵌槽内抽出。所的支架上盘与刚性侧壁的底端粘接在一起组成矩形模型箱。通过上述设置，使支架上盘的一部分充当矩形模型箱的底面，同时支架上盘的还起到支撑矩形模型箱的作用。减少部件的设置数量，使本装置结构更简单。所述的支架柱设有四根，四根支架柱分别竖向设置在支架下盘的四个边角处，支架柱的底端分别与支架下盘连接固定；支架上盘与支架柱对应处设有支架插孔，支架上盘通过支架插孔套接在支架柱上。通过设置支架插孔，便于支架上盘通过支架插孔套接在支架柱上。所述的四根支架柱的顶端均设有承托螺栓，承托螺栓设置在同一高度，承托螺栓支撑支架上盘。支架柱上设置承托螺栓对支架上盘进行限位及支撑。支架柱也可以设置限位台或限位凸代替螺栓。所述的下承压板的前后两个侧面连接设置有防偏板，防偏板竖向设置且底端与下承压板固定连接。上承压板的宽度与两个防偏板之间的间隔相应，上承压板与防偏板之间无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.桩端土模拟机构和量测机构，其特征在于：/n所述加载机构包括桩顶荷载加压装置（12）、地面堆载加压装置（13）和砝码（14）；/n所述的矩形模型箱包括左右侧壁和透明的前后侧壁；矩形模型箱内容纳桩基（1）、实验用土（3）；/n所述支架机构包括支架上盘（8）、支架下盘（5）与支架柱（6）；支架上盘（8）与支架下盘（5）之前设有与支架柱（6）；支架上盘（8）支撑矩形模型箱，支架上盘（8）中心处设有桩基插口；/n所述带侧翼的桩基包括桩基（1）与侧翼（2）两部分，侧翼（2）用半柔性材料制成，可随土体变形而变形；/n所述桩端土模拟机构包括上承压板（4.2）、下承压板（4.5）、导向杆（4.1）及弹簧（4.3），弹簧（4.3）套在导向杆（4.1）上，弹簧的两端分别抵接在上承压板（4.2）、下承压板（4.5）上，上承压板（4.2）受力时沿导向杆运动，桩端土模拟机构用以模拟桩端土的竖向变形；/n桩基（1）竖向设置在矩形模型箱内，桩基（1）的顶端自矩形模型箱向外伸出，桩基（1）的底端穿过桩基插口后抵接在上承压板（4.2）上表面上，桩基（1）位于箱体内的部分左右两侧均设有间隔设置的侧翼（2）；侧翼（2）用半柔性材料制成，侧翼（2）随土体变形而变形；砝码（14）直接放置在桩顶荷载加压装置（12）或地面堆载加压装置（13）上面；采用桩基加压装置（13）时能够使桩基（1）产生正摩阻力；采用堆载加压装置（12）时能够使桩基（1）产生负摩阻力；/n所述的量测机构包括直尺（16）及设置在前透明侧壁（11）上的刻度（15）。/n...

【技术特征摘要】
1.桩端土模拟机构和量测机构，其特征在于：
所述加载机构包括桩顶荷载加压装置（12）、地面堆载加压装置（13）和砝码（14）；
所述的矩形模型箱包括左右侧壁和透明的前后侧壁；矩形模型箱内容纳桩基（1）、实验用土（3）；
所述支架机构包括支架上盘（8）、支架下盘（5）与支架柱（6）；支架上盘（8）与支架下盘（5）之前设有与支架柱（6）；支架上盘（8）支撑矩形模型箱，支架上盘（8）中心处设有桩基插口；
所述带侧翼的桩基包括桩基（1）与侧翼（2）两部分，侧翼（2）用半柔性材料制成，可随土体变形而变形；
所述桩端土模拟机构包括上承压板（4.2）、下承压板（4.5）、导向杆（4.1）及弹簧（4.3），弹簧（4.3）套在导向杆（4.1）上，弹簧的两端分别抵接在上承压板（4.2）、下承压板（4.5）上，上承压板（4.2）受力时沿导向杆运动，桩端土模拟机构用以模拟桩端土的竖向变形；
桩基（1）竖向设置在矩形模型箱内，桩基（1）的顶端自矩形模型箱向外伸出，桩基（1）的底端穿过桩基插口后抵接在上承压板（4.2）上表面上，桩基（1）位于箱体内的部分左右两侧均设有间隔设置的侧翼（2）；侧翼（2）用半柔性材料制成，侧翼（2）随土体变形而变形；砝码（14）直接放置在桩顶荷载加压装置（12）或地面堆载加压装置（13）上面；采用桩基加压装置（13）时能够使桩基（1）产生正摩阻力；采用堆载加压装置（12）时能够使桩基（1）产生负摩阻力；
所述的量测机构包括直尺（16）及设置在前透明侧壁（11）上的刻度（15）。


2.根据权利要求1所述的模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述桩基加压装置（13）、堆载加压装置（12）均设有压块、压块支架，桩基加压装置（13）的压块支架卡套在桩基（1）的顶端使桩基加压装置（13）的重力作用于桩基（1）的顶端；堆载加压装置（12）的压块支架的底端设有压板，桩基（1）的顶端向上透过压板且与压板之间没有摩擦，堆载加压装置（12）的重力通过压板仅作用于矩形模型箱内填充的实验用土的上表面。


3.根据权利要求1所述的模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述桩基加压装置（13）、堆载加压装置（12）由轻质材料制成。


4.根据权利要求1所述的模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述左右侧壁为刚性侧壁（10），前后侧壁为透明侧壁（11），刚性侧壁（10）的前侧、后侧均设有竖向设置的嵌槽。


5.根据权利要求4所述的模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所的支架上盘（8）与刚性侧壁（10）的底端粘接在一起组成矩形模型箱。


6.根据权利要求1所述的模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪振强，孙翰耕，赵庆双，李聪，孟昭博，张保良，田忠喜，张玉萌，苏大海，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东;37