测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置
技术领域
本实用新型涉及土工离心模型试验领域，具体涉及一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置。
背景技术
针对复杂的岩土工程问题，目前最常采用的试验手段包括现场试验、缩尺模型试验和土工离心模型试验等。鉴于土是一种与重力场关系密切的材料，土体性状也表现为应力依赖性。因此，土工离心模型试验(超重离心模型试验)通过离心机的高度旋转产生的向心加速度使模型自重提高至与原型基本相同，能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，表现出比常重力小足尺模型试验更符合原型性状的优势，是目前公认的最先进、最有效的试验方法，已经越来越广泛地被应用于岩土工程的科学研究中。
目前，采用土工离心模型试验研究与桩相关的岩土问题时，往往需要考虑桩基的受力状态。比如，在研究桩承式路堤、高层建筑等工程中的桩基问题时，需要考虑桩基上部建(构)筑物产生的竖向作用荷载；在研究挡土墙、离岸码头等工程中的桩基问题时，需要考虑桩基承受风力、海浪、地震等因素产生的水平作用荷载。在研究桥墩桥台、被动桩等桩基问题时，需要同时考虑桩基的竖向作用荷载和水平作用荷载。可见，在采用土工离心模型试验开展相关研究之前，需要确定桩基的竖向和水平极限承载力，进而判断桩基的受力状态。因此，有必要研发一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，能够采用缩尺模型在超高重力状态下真实模拟单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验，数据真实可靠。
这种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，包括模型箱、横向支架、第一模型桩、第二模型桩、第一液压千斤顶、第二液压千斤顶、第一伺服阀、第二伺服阀、竖向位移传感器、水平位移传感器及模型用土；所述模型箱通过隔板和可调式支撑分隔为主体试验箱和附属试验箱，所述横向支架架设在模型箱上方，所述横向支架包括长桁架和短桁架，所述长桁架上设置第一垫板和第二垫板，所述第一模型桩和第二模型桩均包括粘贴有半导体应变片的桩身和设置于桩身顶部的桩帽，所述第一液压千斤顶和第二液压千斤顶均包括油缸、活塞、进油阀和回油阀，模型箱顶部安装第一伺服阀、第二伺服阀和监控相机，所述第一伺服阀和第二伺服阀均包括进油阀、回油阀和控制阀，所述竖向位移传感器和水平位移传感器均包括夹具块、波导管和活动磁环，所述模型用土水平铺设在主体试验箱内。
作为优选：所述可调式支撑包括花篮螺丝、旋杆和支撑座，花篮螺丝中部设有旋杆，花篮螺丝两端设有支撑座；可调式支撑对撑在模型箱箱壁与隔板之间。
作为优选：所述横向支架的长桁架横跨模型箱，短桁架焊接在长桁架两端，短桁架通过螺栓锚固在箱壁顶部的滑槽中。
作为优选：所述桩身为底部密封的空心铝合金管结构，桩身外侧均匀涂有一层保护半导体应变片的环氧树脂胶，桩身顶部与管帽通过螺丝紧固连接。
作为优选：所述半导体应变片沿桩身竖向等间距分布，同一横截面内的两对半导体应变片对称粘贴在桩身两侧，导线依次穿过桩身微孔和管帽底部的U型孔后汇集成束，并最终连接在悬挂于模型箱侧壁的数据采集仪上。
作为优选：所述第一模型桩和第二模型桩在同一横截面内的两对半导体应变片采用惠斯通电桥连接，第一模型桩和第二模型桩同一侧的每对半导体应变片之间分别采用垂直交叉和互相平行的分布方式。
作为优选：所述第一液压千斤顶的油缸垂直固定在横向支架上的第一垫板内，第一垫板沿长桁架的滑槽横向滑移，第一液压千斤顶的活塞下端连接粘贴有竖向压力传感器的竖向延伸杆，竖向延伸杆与第一模型桩位于同一中轴线；所述第二液压千斤顶的油缸水平固定在附属试验箱内的底座上，第二液压千斤顶的活塞右侧连接粘贴有水平压力传感器的水平延伸杆，水平延伸杆与第二模型桩的左侧桩身之间设有U型垫块。
作为优选：所述第一伺服阀的进油阀和回油阀与第一液压千斤顶的进油阀和回油阀通过油管对应连接，第二伺服阀的进油阀和回油阀与第二液压千斤顶的进油阀和回油阀通过油管对应连接，控制阀通过导线连接在数据采集仪上。
作为优选：所述竖向位移传感器和水平位移传感器的波导管通过夹具块和连接杆分别垂直固定于第一垫板和第二垫板上，竖向位移传感器的活动磁环抵在竖向延伸杆上的横肋板表面并随其同步移动，水平位移传感器的活动磁环抵在地表处的第二模型桩的右侧桩身上。
本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型采用缩尺模型能够有效模拟单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验，真实再现桩基的承载性能，通过滑移精确定位可以防止施加荷载的偏移和位移测量误差，数据真实可靠，为判断桩基的受力状态提供科学依据。
2.本实用新型通过竖向位移传感器和粘贴有应变片的第一模型桩可以直接测得在各级竖向荷载作用下的桩顶沉降和桩身轴力分布规律，绘制出荷载-沉降曲线和沉降-时间曲线等，准确得到桩基的竖向抗压极限承载力。
3.本实用新型通过水平位移传感器和粘贴有应变片的第二模型桩可以直接测得在各级水平荷载作用下的桩顶转角和桩身弯矩分布规律，推算桩身挠曲变形，绘制出水平力-时间-作用点位移关系曲线和水平力-位移梯度关系曲线等，准确得到桩基水平临界和极限承载力。
附图说明
图1是离心模型试验装置的正视图。
图2是离心模型试验装置的俯视图。
图3是可调式支撑的结构示意图。
图4是第一模型桩的x轴方向、y轴方向以及桩身横截面的结构示意图(其中图a是第一模型桩的x轴方向示意图，图b是第一模型桩的y轴方向示意图，图c是第一模型桩的1-1横截面示意图)。
图5是第二模型桩的x轴方向、y轴方向以及桩身横截面的结构示意图(其中图a是第二模型桩的x轴方向示意图，图b是第二模型桩的y轴方向示意图，图c是第二模型桩的2-2横截面示意图)。
图6是第一模型桩和第二模型桩的应变片粘贴方法示意图(其中图a是第一模型桩的应变片粘贴方法示意图，图b是第二模型桩的应变片粘贴方法示意图)。
图7是图1区域A的放大示意图。
图8是图1区域B的放大示意图。
图9是离心模型试验装置在土工离心机上的安装示意图。
附图标记说明：1-模型箱，2-横向支架，3-第一模型桩，4-第二模型桩，5-第一液压千斤顶，6-第二液压千斤顶，7-第一伺服阀，8-第二伺服阀，9-竖向位移传感器，10-水平位移传感器，11-模型用土，12-隔板，13-可调式支撑，14-主体试验箱，15-附属试验箱，16-长桁架，17-短桁架，18-半导体应变片，19-桩身，20-桩帽，21-油缸，22-活塞，23-进油阀，24-回油阀，25-控制阀，26-夹具块，27-波导管，28-活动磁环，29-花篮螺丝，30-旋杆，31-支撑座，32-螺栓，33-环氧树脂胶，34-螺丝，35-导线，36-桩身微孔，37-U型孔，38-数据采集仪，39-竖向延伸杆，40-底座，41-水平延伸杆，42-U型垫块，43-连接杆，44-横肋板，45-第一垫板，46-第二垫板，47-滑槽，48-竖向压力传感器，49-水平压力传感器，50-监控相机，51-土工离心机，52-挂篮平台，53-配重。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
本实用新型提供一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，本实施例以均质土层中的摩擦型桩为研究对象，具体实施方法包括如下步骤：
步骤一：
如图1和图2所示，在模型箱1内安装铝合金制隔板12将其分隔为主体试验箱14和附属试验箱15，在附属试验箱15内均布安装多道图3所示的可调式支撑13对撑在箱壁与隔板12之间。调节可调式支撑13的旋杆30至隔板12保持垂直稳定，最后用玻璃胶密封隔板12与箱壁、箱底之间的缝隙。
步骤二：
制作第一模型桩3：如图4所示，桩身19采用空心铝合金管制成，在y轴方向的桩身19两侧自上而下均布打设直径为1/10桩径的桩身微孔36，密封桩底。铝合金制桩帽20上部分为圆形实体，下部分为空心圆管。圆形实体沿x轴方向的左下方开有U型孔37，与空心圆管连通。空心圆管的外径与桩身的铝合金管内径一致，使桩帽20恰好嵌合在桩身19内。
沿y轴方向，在桩身19两侧的桩身微孔36下方垂直交叉粘贴一对半导体应变片18，标记好的导线35穿过桩身微孔36后沿桩身内部自U型孔37穿出。同一横截面的两对半导体应变片18之间采用如图6a所示的惠斯通电桥连接。待导线35全部自U型孔37穿出汇集成束后，拧紧桩身19两侧的螺丝34加强与桩帽20的连接，随后在桩身外侧均匀涂抹一层保护半导体应变片18的环氧树脂胶33。最后，在试验机上进行桩身轴力的标定，得到不同横截面处桩身轴力和电压的关系曲线。
制作第二模型桩4：如图5所示，在x轴方向的桩身19两侧自上而下均布打设直径为1/10桩径的桩身微孔36，在桩帽20圆形实体沿x轴方向的左下方开设U型孔37与空心圆管连通。
沿x轴方向，在桩身19两侧的桩身微孔36下方平行粘贴一对半导体应变片18。同一横截面的两对半导体应变片18之间采用如图6b所示的惠斯通电桥连接。待导线35全部穿过桩身微孔36沿桩身内部自U型孔37穿出汇集成束后，拧紧桩身19两侧的螺丝34，随后在桩身外侧均匀涂抹一层保护半导体应变片18的环氧树脂胶33。最后，在试验机上进行桩身弯矩的标定，得到不同横截面处桩身弯矩和电压的关系曲线。
步骤三：
如图1和图2，根据第一模型桩3和第二模型桩4的设计位置，在主体试验箱14内壁标记尺寸刻度作为基准线，采用临时固定装置定位安装第一模型桩3和第二模型桩4，水平尺辅助确保其垂直度。如图7所示，第二模型桩4的半导体应变片18应与水平荷载的施加方向一致，以确保测量得到桩身弯矩。第一模型桩3和第二模型桩4位于同一水平线，桩间距不宜小于6倍的桩径，以避免因群桩效应相互影响。随后，采用砂雨法等方式分层均质铺设模型用土11。最后，在模型箱1顶部安装第一伺服阀7、第二伺服阀8和监控相机50，调节相机角度至画面覆盖大部分主体试验箱14，在模型箱1外侧悬挂安装数据采集仪38。
步骤四：
如图1、图2和图8所示，将第一液压千斤顶5的油缸21垂直固定在第一垫板45中，活塞22下端连接粘贴有竖向压力传感器48的竖向延伸杆39。沿模型箱1箱壁顶部的滑槽47纵向(y轴方向)滑移横向支架2，同时沿长桁架16的滑槽47横向(x轴方向)滑移第一垫板45，直至第一液压千斤顶5的竖向延伸杆39与第一模型桩3位于同一中轴线。随后，采用螺栓32固定短桁架17和第一垫板45，采用油管对应连接第一液压千斤顶5与第一伺服阀7的进油阀23、回油阀24，同时将第一液压千斤顶5的控制阀25通过导线连接在数据采集仪38上。
步骤五：
如图1、图2和图7所示，将第二液压千斤顶6的油缸21水平安装在附属试验箱15内的底座40上，活塞22右端连接粘贴有水平压力传感器49的水平延伸杆41，使其与第二模型桩4位于同一水平线，同时将U型垫块42紧贴桩身左侧，防止直接接触受力对桩身表层的环氧树脂胶33造成破坏。随后，采用油管对应连接第二液压千斤顶6与第二伺服阀8的进油阀23、回油阀24，同时将第二液压千斤顶6的控制阀25通过导线连接在数据采集仪38上。为了防止油管和导线在高速旋转时发生拉断，采用束线带进行绑扎固定。
步骤六：
如图9所示，将模型箱1移至土工离心机51的右侧挂篮平台52上。如图1和图2所示，标定并安装竖向位移传感器9和水平位移传感器10，当活动磁环28嵌入波导管27的深度发生变化时，传感器电压也随之变化，通过标定得到的位移与电压的线性关系即可计算得到桩顶沉降和水平位移。
其中，如图1和图8所示，竖向位移传感器9的波导管27通过夹具块26和连接杆43垂直固定于第一垫板45上，活动磁环28抵在竖向延伸杆39上的横肋板44表面并随其同步移动。自竖向延伸杆39与桩帽20接触后，即可测量得到第一模型桩3在各级竖向荷载作用下的桩顶沉降。
如图1和图7所示，在邻近地表第二模型桩4的桩身处上下平行布置两个水平位移传感器10，以便计算得到在各级水平荷载作用下的桩顶转角。其波导管27通过夹具块26和连接杆43垂直固定于第二垫板46上，活动磁环28抵在第二模型桩4的桩身19右侧。
步骤七：
如图9所示，根据模型箱1的总重量和力矩平衡关系，计算配重53并固定在土工离心机51左侧的挂篮平台52上。调试检查无误后，启动土工离心机51，逐渐加速旋转至所需的重力加速度，实时监控离心机的工作状态。利用远程计算机分别通过第一伺服阀7和第二伺服阀8的控制阀25启动第一液压千斤顶5和第二液压千斤顶6，采用慢速维持荷载法分别开展第一模型桩3的竖向抗压静载试验和第二模型桩4的水平静载试验。
针对第一模型桩3的竖向抗压静载试验，如图1所示，第一液压千斤顶5启动后，竖向延伸杆39缓慢下移，竖向位移传感器9的活动磁环28随其同步下移；当竖向延伸杆39与桩帽20接触时，竖向压力传感器48读数开始变化，记录竖向位移传感器9读数作为初始值；随后，竖向延伸杆39继续下移逐级施加竖向荷载，桩基随之发生沉降，期间记录竖向压力传感器48和竖向位移传感器9的变化。
针对第二模型桩4的水平静载试验，如图1所示，在启动第二液压千斤顶6前记录水平位移传感器10读数作为初始值；启动后，水平延伸杆41缓慢右移直至与U型垫块42接触，此时水平压力传感器49读数开始变化；随后，水平延伸杆41继续右移逐级施加水平荷载，桩身发生水平位移，期间记录水平压力传感器49和水平位移传感器10的变化。
步骤八：
根据相关规范对慢速维持荷载法的规定，待试验达到终止加载条件时，关闭土工离心机51。处理第一模型桩3的试验数据，绘制荷载-沉降曲线和沉降-时间曲线等，确定单桩竖向抗压极限承载力；处理第二模型桩4的试验数据，绘制出水平力-时间-作用点位移关系曲线和水平力-位移梯度关系曲线等，分析各级水平荷载作用下的桩顶转角和桩身弯矩分布规律，推算桩身挠曲变形，确定单桩水平临界承载力和极限承载力等。
