一种温控桩基模型试验装置

1.本实用新型涉及多年冻土地区桩基工程室内模型试验装置技术领域，具体涉及一种温控桩基模型试验装置。


背景技术：

2.多年冻土是指连续存在两年及两年以上的冻土，我国多年冻土主要分布于东北地区与青藏高原地区。冻土受温度影响显著，气候变暖与工程扰动均容易引起多年冻土退化，导致地基承载能力下降。以青藏铁路为例，为减少道路工程对多年冻土的热扰动，特别是在高温多年冻土区，大量采用以桥代路，而现浇钢筋混凝土桩基属于大体积混凝土，由于水泥水化放热影响，桩基养护龄期内会向多年冻土层释放大量的热量，导致桩周冻土升温，桩土界面强度降低，而桩基回冻周期较长，严重影响桩基施工进度。
3.为了缩短桩基回冻周期，提升桩土界面强度，有学者提出采用热棒、风机与冷浴机等装置对多年桩基降温，通过现场试验也证实了制冷桩基确实具有明显的降温效果，由此可见，制冷桩基有望成为未来多年冻土地区主要的桩基结构形式。然而，由于现场试验成本极高、且受现场条件、施工周期等因素的影响，很难开展制冷桩基降温机理与承载能力的系统研究，尚未形成制冷桩基应用理论体系。
4.缩尺模型试验是将几何尺寸与时间尺度进行缩放，通过较小的模型与较短的周期可以较为准确地反映客观规律，是工程领域重要的研究手段之一，目前，尚缺乏适用于开展多年冻土地区温控桩基模型，因此，研发一种温控桩基模型试验装置，对于揭示多年冻土地区制冷桩基降温机理与研究承载能力时空演化规律具有重要意义，对于多年冻土地区桩基工程建设同样具有参考价值。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种能够模拟多年冻土地区特殊地温、气温环境条件以及桩基的主动制冷过程，且便于揭示多年冻土地区制冷桩基降温机理与研究承载能力时空演化规律的温控桩基模型试验装置。
6.为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：
7.一种温控桩基模型试验装置，其包括温控试验系统、结构加载系统和检测采集系统；
8.所述温控试验系统包括模型箱、桩基和温控冷浴机组；所述模型箱设有土槽，所述土槽内填充有填土，所述桩基立设在所述填土中且其上端凸出于所述模型箱，所述模型箱包括上顶板和下箱体，所述上顶板盖设在所述下箱体的顶部，所述上顶板和所述下箱体均在靠近所述土槽的一侧设有内夹层，所述桩基内布置有制冷管，所述内夹层和所述制冷管内均填充有冷媒介质，所述温控冷浴机组设有3个且分别与所述上顶板的内夹层、所述下箱体的内夹层和所述制冷管相连；
9.所述结构加载系统架设在所述模型箱的上方，用于对所述桩基加载垂直向下的压
力；
10.所述检测采集系统包括数据采集仪、用于检测桩周填土的水分迁移规律与冻融过程水分迁移变化的水分传感器、用于检测桩周填土温度的温度传感器、用于检测填土对桩侧摩擦阻力的应变片以及用于检测桩基底反力的压力传感器，所述数据采集仪分别与所述水分传感器、温度传感器、应变片和压力传感器电连接。
11.作为本实用新型优选的方案，所述结构加载系统包括刚性框架、起吊装置、竖向压力伺服装置和传压装置；所述刚性框架包括设置于其下部的固定支座和两根设置于其上部的有轨横梁，两个所述有轨横梁呈上下布置且分别为上有轨横梁和下有轨横梁，所述起吊装置连接于所述上有轨横梁且能沿所述上有轨横梁的轨道方向移动，所述竖向压力伺服装置连接于所述下有轨横梁且能沿所述下有轨横梁的轨道方向移动；所述传压装置连接于所述桩基的上端，所述传压装置包括上承压板、下承压板与连接杆，所述连接杆的两端分别与所述上承压板和所述下承压板螺纹连接；所述下承压板设有可供所述制冷管穿过的通孔。
12.作为本实用新型优选的方案，所述上顶板的内夹层、所述下箱体的内夹层和所述制冷管均设有与所述温控冷浴机组相连的进液口和出液口。
13.作为本实用新型优选的方案，所述上顶板与所述下箱体可拆卸连接，所述上顶板的中心处开设有可供所述桩基的上端穿过的孔洞；所述上顶板的上表面焊接有起吊孔。
14.作为本实用新型优选的方案，所述上顶板与所述下箱体之间设有密封件。
15.作为本实用新型优选的方案，所述上顶板和所述下箱体均在远离所述土槽的一侧设有外夹层，所述外夹层内填充有保温材料。
16.作为本实用新型优选的方案，所述制冷管呈u型或螺旋型布置。
17.作为本实用新型优选的方案，所述桩基的直径不超过所述模型箱的边长的1/6。
18.作为本实用新型优选的方案，所述下箱体的内夹层上端与所述下箱体的上沿相隔一定距离。
19.作为本实用新型优选的方案，所述水分传感器在所述填土中设有多个，多个所述水分传感器布置在所述桩基的一侧的同一垂直平面上；所述水分传感器沿水平方向呈等距间隔布置并形成一排，所述水分传感器沿竖直方向呈等距间隔布置并形成一列，形成一列的所述水分传感器位于形成一排的所述水分传感器远离所述桩基的一侧；所述温度传感器在所述填土内设有多个，多个所述温度传感器均匀布置在所述桩基的一侧的同一垂直平面上；所述应变片沿所述桩基的长度方向上等距间隔地布置有多个，所述应变片粘贴于桩身纵筋或桩体表面；所述压力传感器设置在所述桩基的底部。
20.实施本实用新型提供的一种温控桩基模型试验装置，与现有技术相比，其有益效果在于：
21.一方面，借助本试验装置能够开展多年冻土地区温控桩基的缩尺模型试验研究，通过几何缩尺与时间缩尺，能够通过较小的模型与较短的试验周期来代替现场试验过程，大幅地降低试验成本与缩短试验周期；另一方面，本试验装置具有较为完善的数据检测系统与加载系统，能够检测温控桩基制冷过程中桩周冻土的水热状态变化以及荷载作用下桩体受力分析，对于揭示多年冻土地区制冷桩基降温机理、研究温控桩基承载能力时空演化规律具有重要意义，对于多年冻土地区桩基工程建设同样具有参考价值。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
23.图1是本实用新型实施例提供的一种温控桩基模型试验装置的结构示意图；
24.图2是传压装置的结构示意图。
25.图中标记：
26.1、温控试验系统，11、模型箱，12、桩基，13、温控冷浴机组，14、填土，15、上顶板，16、下箱体，17、内夹层，18、制冷管，19、保温材料，151、起吊孔；
27.2、结构加载系统，21、刚性框架，22、起吊装置，23、竖向压力伺服装置，24、传压装置，25、固定支座，26、上有轨横梁，27、下有轨横梁；241、上承压板，242、下承压板，243、连接杆，244、通孔；
28.3、检测采集系统，31、数据采集仪，32、水分传感器，33、温度传感器，34、应变片，35、压力传感器，36、数据线。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。应当理解的是，本实用新型中采用术语“上端”、“下端”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，“上端”信息也可以被称为“下端”信息，类似的，“下端”信息也可以被称为“上端”信息。
31.如图1和图2所示，本实用新型优选实施例提供的一种温控桩基模型试验装置，其包括温控试验系统1、结构加载系统2和检测采集系统3。
32.所述温控试验系统1包括模型箱11、桩基12和温控冷浴机组13；所述模型箱11设有土槽，所述土槽内填充有填土14，所述桩基12立设在所述填土14中且其上端凸出于所述模型箱11，所述模型箱11包括上顶板15和下箱体16，所述上顶板15盖设在所述下箱体16的顶部，所述上顶板15和所述下箱体16均在靠近所述土槽的一侧设有内夹层17，所述桩基12内布置有制冷管18，所述内夹层17和所述制冷管18内均填充有冷媒介质；所述温控冷浴机组13设有3个，其一与所述上顶板15的内夹层17相连，用于控制上顶板15温以模拟多年冻土地表温度变化，其二与所述下箱体16的内夹层17相连，用于控制填土14的温度以模拟多年冻土地温，其三与所述制冷管18相连，用于控制桩基12的制冷温度以模拟桩基12制冷作用。
33.所述结构加载系统2架设在所述模型箱11的上方，用于对所述桩基12加载垂直向下的压力。具体的，所述结构加载系统2包括刚性框架21、起吊装置22、竖向压力伺服装置23和传压装置24；所述刚性框架21包括设置于其下部的固定支座25和两根设置于其上部的有轨横梁，两个所述有轨横梁呈上下布置且分别为上有轨横梁26和下有轨横梁27；所述起吊装置22连接于所述上有轨横梁26且能沿所述上有轨横梁26的轨道方向移动，用于所述上顶
板15的吊装；所述竖向压力伺服装置23连接于所述下有轨横梁27且能沿所述下有轨横梁27的轨道方向移动，用于实现桩基12的应力控制或位移控制的精准加载；所述传压装置24连接于所述桩基12的上端，所述传压装置24包括上承压板241、下承压板242与连接杆243，所述连接杆243的两端分别与所述上承压板241和所述下承压板242螺纹连接；所述下承压板242设有可供所述制冷管18穿过的通孔244；由此，该传压装置24既能够将竖向压力伺服装置23的测试力传递至桩基12桩顶，又能够方便制冷管18外接温控冷浴机组13。
34.所述检测采集系统3包括数据采集仪31、用于检测桩周填土14的水分迁移规律与冻融过程水分迁移变化的水分传感器32、用于检测桩周填土14温度的温度传感器33、用于检测填土14对桩侧摩擦阻力的应变片34以及用于检测桩基12底反力的压力传感器35，所述数据采集仪31通过数据线36分别与所述水分传感器32、温度传感器33、应变片34和压力传感器35电连接，用于获取各个检测器的数据；由此，通过该检测采集系统3的设置，能够检测桩基12制冷过程中桩周冻土的水热状态变化以及在荷载作用下桩体受力情况，有利于研究员综合分析多年冻土地区制冷桩基12降温机理、研究温控桩基12承载能力时空演化规律。
35.示例性的，所述模型箱11由不锈钢制成，为标准立方体，外部边长为1.5m，内部边长为1.3m，壁厚为0.1m。当然，在其它实施例中，所述模型箱11亦可以选择圆柱形结构，结构尺寸亦可以根据实际需求调整。
36.示例性的，所述刚性框架21为金属结构，不仅要满足自身稳定性要求，还要满足加载结构的刚度要求；所述固定底座通过焊接或是螺栓连接与基础固定。
37.示例性的，所述上顶板15的内夹层17、所述下箱体16的内夹层17和所述制冷管18均设有与所述温控冷浴机组13相连的进液口a和出液口b。这样的设计，能够使冷媒介质形成循环回路，实现连续不间断控温。需要说明的是，对于内夹层17的进液口a和出液口b的布置，尽量相隔较大的距离，以保证冷媒介质的能量充分利用。
38.示例性的，为方便试验结束后冷媒介质的排出与收集，所述上顶板15设有2个软管阀门，分别对应所述上顶板15的内夹层17的进液口a和出液口b；所述下箱体16设有2个软管阀门，分别对应所述下箱体16的内夹层17的进液口a和出液口b；所述制冷管18设有2个软管阀门，分别对应所述制冷管18的进液口a和出液口b。
39.示例性的，为方便温控桩基12模型试验装置重复使用及维护，所述上顶板15与所述下箱体16可拆卸连接(优选为卡扣连接)；所述上顶板15的中心处开设有可供所述桩基12的上端穿过的孔洞；所述上顶板15的上表面焊接有起吊孔151。需要说明的是，起吊孔151的数量至少为2个，布置位置应尽可能对称，避免起吊过程出现偏心。
40.示例性的，所述上顶板15与所述下箱体16之间设有密封件，优选为柔性垫片(如：橡胶片)，以起到密封作用，用于减少冷量流失。
41.示例性的，所述上顶板15和所述下箱体16均在远离所述土槽的一侧设有外夹层，所述外夹层内填充有保温材料19，以起到保温作用，用于减少冷量流失。
42.示例性的，所述桩基12可以为钢筋混凝土桩，也可以为钢管混凝土桩，所述桩基12的直径不宜超过所述模型箱11的边长的1/6，以减弱边界效应影响。
43.示例性的，所述制冷管18可以为紫铜管或其他材料的管材，呈u型或螺旋型布置在桩基12的内部。
44.示例性的，所述下箱体16的内夹层17上端与所述下箱体16的上沿相隔一定距离。
由此，该相隔区域不会对该层土体进行直接降温，可用来模拟季节活动层。
45.示例性的，所述水分传感器32在所述填土14中设有多个，多个所述水分传感器32布置在所述桩基12的一侧的同一垂直平面上；所述水分传感器32沿水平方向呈等距间隔布置并形成一排，所述水分传感器32沿竖直方向呈等距间隔布置并形成一列，形成一列的所述水分传感器32位于形成一排的所述水分传感器32远离所述桩基12的一侧；所述温度传感器33在所述填土14内设有多个，多个所述温度传感器33均匀布置在所述桩基12的一侧的同一垂直平面上；所述应变片34沿所述桩基12的长度方向上等距间隔地布置有多个，所述应变片34粘贴于桩身纵筋或桩体表面；所述压力传感器35设置在所述桩基12的底部。这样的设计，能够保证各个检测器检测数据的准确性。
46.根据本实用新型提供的一种温控桩基12模型试验装置，其具体的应用方法如下：(1)将制冷管18与应变片34提前固定在桩内纵筋上，完成混凝土浇筑与养护；(2)将桩基12临时固定于下箱体16，采用分层填筑、击实填土14，并在相应位置布置其它检测器，如：水分传感器32、温度传感器33和压力传感器35；(3)使用起吊装置22进行上顶板15的吊装并固定；(4)依次在桩基12上端安装下承压板242、连接杆243和上承压板241，移动竖向压力伺服装置23与上承压板241对齐；(5)将上顶板15、下箱体16、桩基12与各自的温控冷浴机组13进行连接；(6)将各类检测器与数据采集仪31进行连接；(7)开启两个分别与上顶板15和下箱体16对应的温控冷浴机组13，先为填土14降温，待温度稳定后，开启与桩基12对应的温控冷浴机组13，开始桩基12制冷试验；(8)根据试验方案要求，开启静力/动力加载试验；(9)试验结束后，取出试验材料。
47.综上所述，实施本实用新型提供的一种温控桩基12模型试验装置，其优点在于：一方面，借助本试验装置能够开展多年冻土地区温控桩基12的缩尺模型试验研究，通过几何缩尺与时间缩尺，能够通过较小的模型与较短的试验周期来代替现场试验过程，大幅地降低试验成本与缩短试验周期；另一方面，本试验装置具有较为完善的数据检测系统与加载系统，能够检测温控桩基12制冷过程中桩周冻土的水热状态变化以及荷载作用下桩体受力分析，对于揭示多年冻土地区制冷桩基12降温机理、研究温控桩基12承载能力时空演化规律具有重要意义，对于多年冻土地区桩基12工程建设同样具有参考价值。
48.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
49.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。