一种任意受拉方向下抗拔桩模型试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种任意受拉方向下抗拔桩模型试验装置，属岩土工程技术领域。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，国民对城市生活水平的要求不断提升，大力促进了城市建设领域的纵向发展，受到地下工程施工的影响，现有建筑结构基础难免受到上拔力的作用。尤其在我国南方大部分地区，降雨量充沛，常年地下水位较高，土质情况较差，当上部结构荷重不能平衡地下水浮力的时候，结构的整体或局部也会受到向上力的作用。
3.为防止建（构）筑物受拉破坏，应用最为广泛的措施就是设置抗拔桩，其作用机理是依靠桩身与土层的摩擦力来有效抵抗结构受到的轴向拉力。抗拔桩的抗拔承载力大小一般取决于桩侧与周围岩土的阻力或桩身材料的设计强度限值，因此，在抗拔桩设计前，基于在上拔荷载作用下桩与土的相互作用原理，对抗拔桩进行抗拔验算，揭示各影响因素对抗拔桩承载力的影响规律，对于其一种结构设计和准确预测抗拔性能具有重要意义。
4.与桩基抗压承载力的相关研究比较，目前抗拔领域的理论研究相对欠缺，数值模拟缺乏数据依据，通常通过室内试验和现场试验两种方式检测抗拔桩抗拔性能。但现场情况一般较为复杂，如按照现场情况去分析研究抗拔桩性能，难度较大成本高耗时长，且不具备普适性。因此，相比现场试验，室内试验成为一种更为便捷的测试手段。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是，为了高效地测试基坑开挖环境中不同角度拉力作用下抗拔桩及桩侧土的受力位移情况，为抗拔桩性能研究提供实验数据和基础参数，提出一种任意受拉方向下抗拔桩模型试验装置。
6.本实用新型实现的技术方案如下，一种任意受拉方向下抗拔桩模型试验装置，包括模型箱、加载机构、监测元器件、基坑支护和桩基结构；所述基坑支护和桩基结构安装在模型箱中；所述加载机构安装在模型箱上部，上部加载机构与下部模型箱构成组装结构，通过螺母与模型箱四个角落的预置螺栓固定；所述监测元器件布置在基坑支护和桩基结构中。
7.所述模型箱为四方形框架结构，由刚性框架、钢化玻璃和钢板构成；刚性框架为四方形钢结构框架，框架四周安装有钢化玻璃，底部安装有钢板。
8.所述加载机构包括支撑钢架、连接钢片、焊接定滑轮、非焊接定滑轮、t型螺栓、螺母、钢丝绳和承重桶；所述支撑钢架由四根竖直支撑钢架、六根水平支撑钢架和六根倾斜支撑钢架组成；所述水平支撑钢架与与竖直支撑钢架焊接，其中三根与应力加载方向垂直，另外三根与应力加载方向水平；其中第三根垂直向水平支撑钢架位于模型箱外部的上方，重心与承重桶中心在同一垂线上；第二根水平向水平支撑钢架重心与模型箱中心在同一垂线上；所述倾斜支撑钢架的一端与竖直支撑钢架焊接固定，另一端与水平支撑钢架焊接固定；
焊接定滑轮和非焊接定滑轮处于同一水平线上，焊接定滑轮在第三根垂直向水平支撑钢架中心位置，非焊接定滑轮沿着第二根水平向水平支撑钢架自由移动，并在所需位置利用t型螺栓和螺母实现固定；所述钢丝绳的一端连接承重桶，另一端带有挂钩，通过焊接定滑轮及非焊接通定滑轮与模拟桩顶的圆环连接；所述承重桶用于放置砝码重物。
9.所述竖直支撑钢架一端的两侧各焊有一片连接钢片，连接钢片开有一个圆孔用于与下部刚性框架四个顶角的螺栓对接，随后通过螺母即可将加载机构固定于模型箱上。
10.所述基坑支护和桩基结构包括支护结构和模拟桩；所述支护结构由四块pvc板和卡槽组成，四块pvc板通过卡槽相互拼接成基坑形状以模拟地连墙；所述模拟桩由空心铝管桩身和桩顶盖组成。所述桩顶盖上方中部设置圆环，附近设置导线口；下部设为螺纹圆柱表面与桩身顶部内的螺纹镶嵌。
11.所述监测元器件包括电阻应变片、土压力盒和位移百分表；所述电阻应变片、土压力盒、位移百分表分别通过数据线与数据采集器相连；所述电阻应变片沿桩身内部不同刻度处对称布设；所述土压力盒埋置于模拟桩周围土体中；所述位移百分表均匀布置于桩顶盖。
12.本实用新型的有益效果在于，本实用新型装置与传统抗拔实验装置相比，第二根水平向水平支撑钢架处的非焊接定滑轮可沿着钢架进行水平方向上的自由移动，并通过t型螺栓和螺母使其能在任意位置处完成固定，进而实现桩基在不同受拉方向下的抗拔试验；本实用新型装置在模型箱上部设置的支撑框架作为施加上拔力的承载体，由螺母与预置螺栓固定于模型箱顶部，可以实现自由拆卸，利于模型箱再次用于其它室内模型试验。
附图说明
13.图1为一种任意受拉方向下抗拔桩模型试验装置的结构示意图；
14.图2为模型箱与加载机构装配示意图；
15.图3为本实用新型的非焊接定滑轮固定示意图；
16.图4为本实用新型的支护结构示意图；
17.图5为本实用新型的桩顶盖示意图；
18.图6为监测元件的布置示意图；
19.图中，1是模型箱：11是钢化玻璃，12是钢板，13是刚性框架，14是预置螺栓；2是加载机构：21支撑钢架，22是连接钢片，23是焊接定滑轮，24是非焊接定滑轮，25是t型螺栓，26是螺母，27是钢丝绳，28是承重桶；3是基坑支护和桩基结构：31是pvc板，32是卡槽，33是桩身，34是桩顶盖；4是监测元器件：41是电阻应变片，42是土压力盒，43是位移百分表。
具体实施方式
20.本实用新型的具体实施方式如附图所示。
21.如图1所示，本实施例一种任意受拉方向下抗拔桩模型试验装置，由四个部分组成，分别为用于放置试验材料和设备的模型箱1、施加上拔力的加载机构2、基坑支护和桩基结构3、用于测定试验过程中各项参数的监测元器件4。所述上部加载机构2与下部模型箱1为组装结构，通过螺母与模型箱四个角落的预置螺栓固定；所述加载机构2与模拟桩通过钢丝绳相连。
22.本实施例的模型箱1为框架结构，包括钢化玻璃11、钢板12、刚性框架13。刚性框架和预置螺栓14；模型箱框架结构由一定厚度的柱形钢管焊接而成，为玻璃箱体的底面和侧面提供支撑保护。框架四周采用透明耐高压的钢化玻璃11填充，底部为具有一定厚度的钢板12。框架的四个顶角分别设有两个预置螺栓14，用于装配加载机构，如图2所示。此外，为防止钢材锈蚀，将模型箱的所有刚性框架均涂抹防锈漆。所述钢化玻璃11同样具有一定厚度，刚度较高且密封良好，透明的玻璃围腔有利于清楚观察基坑和桩基的受力破坏过程。
23.本实施例的加载机构2由支撑钢架21、连接钢片22、焊接定滑轮23、非焊接定滑轮24、t型螺栓25、螺母26、钢丝绳27、承重桶28和重物组成。
24.支撑钢架21包括四根竖直支撑钢架、六根水平支撑钢架和六根倾斜支撑钢架。所述竖直支撑钢架一端的两侧各焊有一片连接钢片22，连接钢片22开有一个圆孔用于与下部刚性框架四个顶角的螺栓对接，随后通过螺母即可将加载机构固定于模型箱上，如图2所示。水平支撑钢架与竖直支撑钢架焊接，其中三根与应力加载方向垂直，另外三根与应力加载方向水平；其中第三根垂直向水平支撑钢架位于模型箱外部的上方，重心与承重桶中心在同一垂线上，第二根水平向水平支撑钢架重心与模型箱中心在同一垂线上。所述倾斜支撑钢架的一端与竖直支撑钢架焊接固定，另一端与水平支撑钢架焊接固定，以保证应力加载机构的整体稳定性。
25.焊接定滑轮23、非焊接定滑轮24处于同一水平线上，使得钢丝绳27也保持水平。其中定滑轮23焊接在第三根垂直向水平支撑钢架中心位置，另一个非焊接定滑轮24可沿着第二根水平向水平支撑钢架自由移动，并可在所需位置利用t型螺栓25和螺母26实现固定，如图3所示，利于进行桩基在不同角度下的受拉试验。所述钢丝绳27的一端连接承重桶28，另一端带有挂钩，通过两个定滑轮与模拟桩顶的圆环连接。所述承重桶28用于放置砝码等重物。
26.基坑支护和桩基结构3包括支护结构和模拟桩。
27.因本实施例试验是在基坑开挖条件下进行的，故需保证基坑不会坍塌，为此在基坑周围施加支护结构—地下连续墙。在考虑到成本与施工的前提下，所述支护结构选用具有一定厚度的四块pvc板31，通过卡槽32相互拼接成基坑形状以模拟地连墙，如图4所示。所述模拟桩由空心铝管桩身和桩顶盖组成，组合结构使黏贴应变片的过程更加便捷。所述桩身33的表面可以设置为光滑表面或者螺纹表面。所述桩顶盖34上方中部设置圆环，便于施加上拔力，如图5所示；附近设置导线口，便于数据线的导出；下部设为螺纹圆柱表面与桩身顶部内的螺纹镶嵌，使得二者形成一个整体。
28.本实施例的监测元器件4包括电阻应变片41、土压力盒42和位移百分表43。所述电阻应变片41、土压力盒42、位移百分表43分别通过数据线与数据采集器相连。所述电阻应变片41沿桩身内部不同刻度处对称布设，以实时获得抗拔桩轴力和侧磨阻力；所述土压力盒42埋置于模拟桩周围土体中，以获得桩侧土压力变化情况，如图6所示；所述位移百分表43均匀布置于桩顶盖34，以精确监测桩顶位移。
29.本实施例的具体实施步骤如下：
30.（1）试验准备：试验前，在模型箱1中以马克笔标记好模型桩、各检测元件埋置位置和基坑开挖位置等，并在模型箱1内壁涂抹一层医用凡士林以减小试验的边界效应。将加载机构2的连接钢片22的圆孔对准模型箱1四个顶角处的预置螺栓14放置后，通过螺母26进行
组装，如图2所示。
31.（2）填筑试验土体：根据实际场地地层信息，通过“落雨法”将试验土体分层填入模型箱1中，并通过称重及控制每次填砂质量来控制土层整体密实度，最后辅以振动压实器对其进行振动压实。
32.（3）安装监测元器件：如图6所示，沿桩身33内部对称布设两排电阻应变片41，应变片的导线从桩顶盖34预留的出线口处导出以防止扰动桩周土体，并与土压力盒42的线一同连接至应变仪测量通道。为了较好的得到桩顶位移，将桩顶盖34圆形平均分为4部份，并在每部份中心处各布置一个位移百分表43。
33.（4）埋设支护结构、桩基与监测元件：模型桩桩身开挖面以上需设置pvc套管，使其桩表面光滑，降低基坑开挖时，卸荷的土体与桩之间摩擦力对试验影响。待模型箱1内部均匀摊铺的试验土体至基坑支护和桩基结构3的底部标高时，将由pvc板31和卡槽32组装好的支护结构和由桩身33和桩顶盖34组成的模型桩轻轻置于砂土中，继续铺砂直至基坑顶部，与基坑上边缘相平，然后静置至少24h以确保土体变形稳定。在填砂过程中，保持砂土从同一高程撒入箱内，使得桩前桩后土体受力相等；当到达土压力盒42的设计标高时，将土压力盒42轻轻放置，并将导线引出模型箱1外。
34.（5）基坑开挖：待土体变形稳定后，逐步开挖基坑内部土体，且避免一侧开挖，保持开挖面水平，继而使模型桩在开挖过程中受力均匀，避免桩身33倾斜。到达指定深度后，静置一段时间，待位移百分表43在20min内的变化值小于0.01mm之后，记录采集数据。
35.（6）模型桩上拔：根据试验需要进行所需角度下的模型桩抗拔试验，先将非焊接定滑轮24移动至所需位置，使钢丝绳27与竖直方向的夹角达到试验指定的模型桩受拉角度，通过t型螺栓25和螺母26固定，如图3所示，钢丝绳27穿过模型箱1上方的焊接定滑轮23和非焊接定滑轮24，有铁钩端与桩顶盖34圆环相连，另一端与承重桶28连接。然后逐级加载重物施加上拔力，此时，外力通过焊接定滑轮23、非焊接定滑轮24和钢丝绳27作用至模型桩上。每加载一级，待变形稳定后每隔10min读数一次，直至模型桩失去承载能力。终止条件原则应满足《建筑桩基检测技术规范》(jgj 106-2003)。本次试验的终止条件为：若桩基结构被破坏拔出，即可认定为试验终止。
36.（7）待试验完成撤掉重物，卸下加载机构2，并将基坑支护和桩基结构3从试验土体中移出，然后将模型箱1内部的土体清理干净，箱体可备其它试验使用。重复上述步骤1～6，更换不同粗糙度的桩身33，就可进行不同表面粗糙度的抗拔桩试验，分析桩的粗糙度等因素对抗拔桩承载力的影响规律。