一种室内工程桩模型的承载力试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及工程桩的承载力检测的技术领域，特别是涉及一种室内工程桩模型的承载力试验装置及试验方法。


背景技术：

2.目前，随着我国基础建设规模进一步扩大，提出了更多工程建设的需求，许多工程项目开展建设，如大型地下室、高层建筑、海上码头平台等，工程桩作为土木工程建设中不可缺少的必要构件，以其承载力高、适用性广的特点满足了许多施工需求。而工程桩的承载力是其工程性能的重要评价指标，对工程桩进行承载力检测是把控测试桩施工质量及建设效果的关键之一。
3.真实施工条件下，场地上存在许多因素会影响测试桩的承载力发挥，如邻近基坑的开挖导致土体围压变化会对基坑支护桩的承载力造成影响，现有的试验装置未有考虑施工场地土压力对承载力的印象，导致承载力检测试验结果未能较真实地还原测试桩在实际工程应用中的服役表现。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：提供一种室内工程桩模型的承载力试验装置及试验方法，通过可拆卸气囊模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化，使检测结果更贴近施工因素影响下测试桩的真实承载力，提升检测试验结果的真实性，真实地还原测试桩在实际工程应用中的服役表现。
5.为了实现上述目的，本发明提供了一种室内工程桩模型的承载力试验装置，包括控制器、支撑框架和模型箱，所述支撑框架连接有加载器，所述控制器通信连接有所述加载器，所述加载器的加载端朝向所述模型箱设置；
6.所述模型箱内设有开口朝上的测试腔，所述模型箱的底部开设有排水口，所述排水口与所述测试腔连通，所述测试腔内设有侧水管和至少两个气囊圈，至少两个所述气囊圈沿高度方向堆叠，所述气囊圈包括填砂口，各所述气囊圈的所述填砂口沿高度方向向上增大，各所述填砂口同轴连通形成用于填充砂子后插入测试桩的填砂通道，所述填砂通道的下端与所述测试腔连通，相邻的所述气囊圈之间形成渗水间隙，所述侧水管安装于所述气囊圈外侧，所述侧水管沿高度方向间隔开设有侧面进水口。
7.作为优选方案，所述气囊圈的轴向截面呈梯形，在相邻的两个所述气囊圈中，上方的所述气囊圈的所述填砂口的下端直径与下方的所述气囊圈的所述填砂口的上端直径相等，所述填砂通道呈倒梯形。
8.作为优选方案，所述测试腔为圆柱形，所述侧水管数量设置多个，各侧水管沿所述测试腔的周向间隔设置。
9.作为优选方案，所述测试腔内设有环形水管，所述环形水管设置于所述测试腔的底部，所述环形水管开设有底部进水口。
10.作为优选方案，所述试验装置包括水泵，所述水泵位于所述模型箱外，所述环形水管与所述侧水管分别与所述水泵连通，所述水泵与所述控制器通信连接。
11.作为优选方案，所述支撑框架连接有竖向加载器和横向加载器，所述竖向加载器的加载端向下朝向所述模型箱设置，所述支撑框架的侧面连接有横向加载器，所述横向加载器的加载端朝向所述模型箱设置。
12.作为优选方案，所述支撑框架滑动连接有活动横梁，所述活动横梁的两端分别滑动连接于所述支撑框架，所述竖向加载器滑动连接于所述活动横梁，所述横向加载器滑动安装于所述支撑框架的一侧。
13.作为优选方案，所述支撑框架包括上横梁、两个立柱和底梁，所述上横梁的两端分别与两个所述立柱的上端连接，所述底梁的两端分别与两个所述立柱的下端连接，所述底梁滑动连接有固定座，所述模型箱通过固定座固定安装于所述支撑框架。
14.作为优选方案，所述控制器通信连接有压力传感器、位移传感器和多个孔隙水压计，所述压力传感器和所述位移传感器安装于所述加载端，所述孔隙水压计安装于所述测试腔内，所述孔隙水压计沿高度方向间隔设置。
15.一种室内工程桩模型的承载力试验方法，通过所述的室内工程桩模型的承载力试验装置进行测试桩试验，包括以下步骤：
16.所述模型箱定位，将所述模型箱固定于所述支撑框架内；
17.所述模型箱布置，将多个气囊圈堆叠至试验要求的砂土高度，在填砂通道内灌入砂土，在灌入所述砂土过程中沿高度方向间隔放入多个孔隙压力计，通过孔隙压力计监测进水模拟渗透下的水头变化，所述测试桩间隔布置有多个位移传感器，所述测试桩插入所述砂土中；
18.对测试桩进行加载及注水，所述加载器的加载端移动至所述测试桩的对应上方或所述测试桩的侧面，通过控制器控制所述加载器对测试桩进行加载，通过侧水管向测试腔内注水；
19.在加载过程中根据试验需求调整气囊圈的数量，以模拟邻近基坑上层土开挖下的土压力变化。
20.本发明实施例一种室内工程桩模型的承载力试验装置及试验方法与现有技术相比，其有益效果在于：通过支撑框架支撑加载器，控制器控制加载器的加载情况。侧水管通过侧面进水口在测试过程中向测试腔内注入水，侧水管中的水通过渗水间隙进入填砂通道，以模拟渗流情况。多个气囊堆叠形成填砂通道，各所述气囊圈的所述填砂口沿高度方向向上增大，在填砂通道内倒入砂土，将测试桩插入填砂通道内，用于模拟邻近土体真实围压，根据测试试验需要，在试验过程中，调整气囊圈的个数，可用于模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化。考虑施工场地因素对土压力的影响、从而对承载力的影响，通过可拆卸气囊模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化，使检测结果更贴近施工因素影响下工程桩的真实承载力，提升检测试验结果的真实性，真实地还原测试桩在实际工程应用中的服役表现。
附图说明
21.图1是本发明实施例的整体结构示意图。
22.图2是本发明实施例模型箱的结构示意图。
23.图3是本发明实施例的气囊圈结构示意图。
24.图4是本发明实施例的模拟邻近基坑开挖下检测支护桩双向承载力试验的结构示意图。
25.图5是本发明实施例的抗拔桩—地下室底板—柱结构承载力试验的整体结构示意图。
26.图中：
27.10、支撑框架；11、活动横梁；12、滑轨；13、上横梁；14、立柱；15、底梁；
28.20、模型箱；21、测试腔；22、排水口；23、填砂通道；24、渗水间隙；
29.30、加载器；31、竖向加载器；32、横向加载器；
30.40、气囊圈；41、填砂口；
31.50、测试桩；51、水泵；52、孔隙水压计；53、位移传感器；54、砂土；55、密封膜；56、测试底板；
32.60、环形水管；61、底部进水口；62、侧水管；63、侧面进水口；70、固定座；71、球形铰支座。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例，对本发明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发明，但不用来限制本发明的范围。
34.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
35.在本发明的描述中，应当理解的是，本发明中采用术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是焊接连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.如图1至图5所示，本发明实施例优选实施例的一种室内工程桩模型的承载力试验装置，包括控制器、支撑框架10和模型箱20，支撑框架10连接有加载器30，控制器通信连接有加载器30，加载器30的加载端朝向模型箱20设置；
37.模型箱20内设有开口朝上的测试腔21，模型箱20的底部开设有排水口22，排水口22与测试腔21连通，测试腔21内设有侧水管62和至少两个气囊圈40，至少两个气囊圈40沿高度方向堆叠，气囊圈40包括填砂口41，各气囊圈40的填砂口41沿高度方向向上增大，各填砂口41同轴连通形成用于填充砂子后插入测试桩50的填砂通道23，填砂通道23的下端与测试腔21连通，相邻的气囊圈40之间形成渗水间隙24，侧水管62安装于气囊圈40外侧，侧水管62沿高度方向间隔开设有侧面进水口63。
38.本发明的室内工程桩模型的承载力试验装置，通过支撑框架10支撑加载器30，控
制器控制加载器30的加载情况。侧水管62通过侧面进水口63在测试过程中向测试腔21内注入水，侧水管62中的水通过渗水间隙24进入填砂通道23，以模拟渗流情况。多个气囊堆叠形成填砂通道23，各气囊圈40的填砂口41沿高度方向向上增大，在填砂通道23内倒入砂土54，将测试桩50插入填砂通道23内，用于模拟邻近土体真实围压，根据测试试验需要，在试验过程中，调整气囊圈40的个数，可用于模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化。考虑施工场地因素对土压力的影响、从而对承载力的影响，通过可拆卸气囊模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化，使检测结果更贴近施工因素影响下工程桩的真实承载力，提升检测试验结果的真实性，真实地还原测试桩50在实际工程应用中的服役表现。
39.进一步的，如图3所示，气囊圈40的轴向截面呈梯形，在相邻的两个气囊圈40中，上方的气囊圈40的填砂口41的下端直径与下方的气囊圈40的填砂口41的上端直径相等，填砂通道23呈倒梯形，通过轴向截面呈梯形的气囊圈40的堆叠，使填砂通道23呈倒梯形，提升土体真实围压的模拟效果，提升试验结果的真实性。
40.作为优选的，如图1至图2所示，气囊圈40的外侧抵贴于测试腔21的内壁或侧水管62外壁，以使填砂通道23能设置更大的空间，以扩大试验需求的实用范围。
41.进一步的，如图1至图2所示，测试腔21为圆柱形，侧水管62数量设置多个，各侧水管62沿测试腔21的周向间隔设置，提升测试腔21径向渗流的渗入均匀性。
42.进一步的，如图1至图2所示，测试腔21内设有环形水管60，环形水管60设置于测试腔21的底部，环形水管60开设有底部进水口61。通过环形水管60设置在测试腔21的底部及侧水管62竖向设置在测试腔21的内轴，通过两种渗流进水，更真实还原现实土层中的渗流情况，可模拟多数有渗流土层。
43.进一步的，如图1所示，试验装置包括水泵51，水泵51位于模型箱20外，环形水管60与侧水管62分别与水泵51连通，水泵51与控制器通信连接，采用控制器自动控制水泵51的进水及水头，提升操作便捷度、操作效率及供水精度，提升试验效果数据的精确性。
44.作为优选的，如图1至图2所示，在模型箱20的底部设有进水连接口，环形水管60与侧水管62分别通过进水连接口与水泵51连通，提升模型箱20排出的水的收集便捷度。
45.进一步的，如图1所示，支撑框架10连接有竖向加载器31和横向加载器32，竖向加载器31的加载端向下朝向模型箱20设置，支撑框架10的侧面连接有横向加载器32，横向加载器32的加载端朝向模型箱20设置。通过竖向加载器31和横向加载器32的设置，以满足对测试桩50不同方向的加载试验，满足多种不同试验的加载要求，提升试验装置的试验范围。
46.作为优选的，竖向加载器31和横向加载器32为伺服电机，检测量程大且加载稳定。
47.进一步的，如图1所示，支撑框架10滑动连接有活动横梁11，活动横梁11的两端分别滑动连接于支撑框架10，竖向加载器31滑动连接于活动横梁11，横向加载器32滑动安装于支撑框架10的一侧。竖向加载器31横向移动，调整竖向加载器31对测试桩50的竖向加载位置，活动横梁11沿支撑框架10的侧面移动，以调整竖向加载器31的加载端高度，以满足不同高度测试桩50的试验需求。横向加载器32竖向移动，调整横向加载器32对测试桩50的侧面加载位置。支撑框架10为钢结构框架，横向及竖向加载作动器可分别在竖向、水平向上移动，改变加载位置以满足试验需求。
48.作为其中一实施例，如图1所示，支撑框架10的两侧分别设有竖向滑轨12，活动横梁11的两端分别与竖向滑轨12滑动连接，横向加载器32滑动安装于其中一竖向滑轨12。活
动横梁11和横向加载器分别开设有竖向定位孔，竖向定位孔转动安装有竖向定位螺栓，竖向定位螺栓的一端朝向竖向滑轨12设置，通过转动竖向定位螺栓，以实现横向加载器和活动横梁分别在竖向滑轨12中的滑动或定位。活动横梁11连接有横向滑轨12，竖向加载器31与横向滑轨12连接。横向加载器32安装于活动横梁11的下方。竖向加载器分别开设有横向定位孔，横向定位孔转动安装有横向定位螺栓，横向定位螺栓的一端朝向横向滑轨12设置，通过转动横向定位螺栓，以实现竖向加载器在横向滑轨12中的滑动或定位。横向加载器32与活动横梁11公用一竖向滑轨12，减少部件数量，降低生产成本。
49.进一步的，如1所示，支撑框架10包括上横梁13、两个立柱14和底梁15，上横梁13的两端分别与两个立柱14的上端连接，底梁15的两端分别与两个立柱14的下端连接，底梁15滑动连接有固定座70，模型箱20通过固定座70固定安装于所述支撑框架10。通过上横梁13、两个立柱14和底梁15连接形成支撑框架10，固定座70用于将模型箱20固定于支撑框架10，防止模型箱20在测试过程中发生移动。更为具体的，固定座70通过底梁滑轨与底梁15滑动连接，其中在固定座70的底板上开设有滑轨固定孔，固定孔中转动安装有滑轨定位螺栓，通过滑轨定位螺栓的一端朝向底梁滑轨设置，将固定座70在底梁滑轨上滑动，以调节固定座70的安装位置，通过转动滑轨定位螺栓，使滑轨定位螺栓的一端抵顶于底梁滑轨实现固定座70在底梁滑轨上的定位，防止固定座70在测试过程中发生移动。更为具体的，固定座70由金属板围合形成，金属板内侧围合形成固定腔，模型箱20安装于固定腔内。作为其中一实施方式，在金属板的侧面开设有模型定位孔，在模型定位孔中转动安装有模型定位螺栓，模型定位螺栓的一端抵顶模型箱20的外侧，通过转动模型定位螺栓实现对模型箱20的夹紧或放松，操作便捷度高，结构简单，实现了不同尺寸的模型箱20在固定座内的固定。
50.作为其中一实施例，如图3所示，竖向加载器31的加载端通过球形铰支座71与测试桩50连接，提升测试桩50的固定便捷性，提升操作效率及固定效果。
51.进一步的，如图4至图5所示，控制器通信连接有压力传感器、位移传感器53和多个孔隙水压计52，压力传感器和位移传感器53安装于加载端，孔隙水压计52安装于测试腔21内，孔隙水压计52沿高度方向间隔设置。通过压力传感器的监测数据判断测试桩50是否破坏，位移传感器53用于测试桩50的形变及位移，判断试验是否完成。作为优选的，位移传感器53为lvdt传感器。孔隙水压计52用于监测渗流水头变化。其中，压力传感器根据实验需要安装于竖向加载器31和/或横向加载器32的测试端。
52.一种室内桩基模型的试验方法，如图1至图5所示，通过的室内工程桩模型的承载力试验装置进行测试桩50试验，包括以下步骤：
53.模型箱20定位，将模型箱20固定于支撑框架10内；更为具体的，模型箱20通过固定座70进行固定，放置在对测试桩50加载时，避免模型箱20发生移动，影响测试结果，提升测试结果的测试精度。
54.模型箱20布置，将多个气囊圈40堆叠至试验要求的砂土54高度，在填砂通道23内灌入砂土54，在灌入砂土54过程中沿高度方向间隔放入多个孔隙压力计，通过孔隙压力计监测进水模拟渗透下的水头变化，测试桩50间隔布置有多个位移传感器53，测试桩50插入砂土54中；多个气囊堆叠形成填砂通道23，各气囊圈40的填砂口41沿高度方向向上增大，在填砂通道23内倒入砂土54，将测试桩50插入填砂通道23内，用于模拟邻近土体真实围压，考虑施工场地因素对土压力的影响、从而对承载力的影响，通过可拆卸气囊模拟邻近基坑开
挖情况下的土体围压变化，使检测结果更贴近施工因素影响下工程桩的真实承载力，提升检测试验结果的真实性，真实地还原测试桩50在实际工程应用中的服役表现。
55.对测试桩50进行加载及注水，加载器30的加载端移动至测试桩50的对应上方或测试桩50的侧面，通过控制器控制加载器30对测试桩50进行加载，通过侧水管62向测试腔21内注水；侧水管62通过侧面进水口63在测试过程中向测试腔21内注入水，侧水管62中的水通过渗水间隙24进入填砂通道23，以模拟渗流情况。
56.在加载过程中根据试验需求调整气囊圈40的数量，以模拟邻近基坑上层土开挖下的土压力变化。根据测试试验需要，在试验过程中，调整气囊圈40的个数，可用于模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化，满足更多不同试验的要求，提升试验装置的试验种类适用性。
57.更为具体的，如图5所示，通过本发明的试验装置进行抗拔桩—地下室测试底板56—柱结构承载力试验，包括以下步骤：
58.模型箱20定位，调整固定座70的位置，通过旋转滑轨定位螺栓，使滑轨定位螺栓的一端抵顶底梁滑轨，实现固定座70在底梁滑轨上的定位，模型箱20放置于固定座70上，旋转模型定位螺栓，使模型定位螺栓的一端抵顶于模型箱20的侧面以使模型箱20夹紧于固定座70内；通过横向移动竖向加载器31以及竖向移动横向加载器32，调整横向加载器32和竖向加载器31的位置，大致居中对齐模型箱20。
59.模型箱20布置，在填砂通道23填充试验所需砂土54，填充至试验预设的土层深度；其次，布置监测传感器，在填充砂土54期间沿等高度放置孔隙水压计52，用于监测进水模拟渗透下的水头变化，在浇筑好的抗拔桩—地下室测试底板56的测试桩50上布置lvdt传感器，将其等距布置在桩身及测试底板56上，用于监测测试桩50位移及测试底板56隆起，作为停止试验的依据。安装测试桩50，将测试桩50插入模型箱20的砂土54中，测试桩50的测试底板56与模型箱20上端齐平，测试桩50的桩身插入砂土54内，测试桩50的测试底板56包有一圈密封膜55使其与模型箱20严密贴合；最后，打开水泵51控制进水及水位，模拟预设的土层渗流条件，测试桩50和测试底板56在渗流作用下向上浮起。需要说明的是，抗拔桩—地下室测试底板56的结构为现有技术。
60.开始检测试验，调整加载作动器位置，球形铰支座71与竖向加载器31的加载端同轴设置，并使竖向加载器31球形铰支座7与测试底板56的中心位置贴合；其次，完成控制器中试验参数的设置，启动竖向加载器31并通过控制器选择试验预设的加载模式，竖向加载器31作为测试底板56上的模拟柱，竖向加载器31仅监测压力是否超出预设的柱承载力限值，；测试桩50和测试底板56在渗流作用下向上浮起，对竖向加载器31提供向上作用力，再次，观察压力传感器、位移传感器53和孔隙水压计52的反馈，当测试桩50位移超过限制，或测试桩50的测试底板56出现过大隆起时停止试验，或竖向加载器31上的压力传感器测得的压力大于预设的模拟柱承载力限值，说明此时测试底板56上的模拟柱已破坏，同样停止试验。
61.通过控制器收集孔隙水压计52、位移传感器53和竖向加载器31上压力传感器的试验数据信息，打扫试验现场，完成试验。
62.更为具体的，如图4所示，通过本发明的试验装置进行模拟邻近基坑开挖下检测支护桩双向承载力试验，包括以下步骤：
63.模型箱20定位，与上述的抗拔桩—地下室测试底板56—柱结构承载力试验的模型箱20定位操作步骤相同；
64.模型箱20布置，在填砂通道23内填充砂土54；其次，在填充砂土54期间在不同高度的土体安装孔隙水压计52，在测试桩50的桩身上布置lvdt传感器；再次，将若干根测试桩50等距插入砂土54内；最后打开水泵51控制侧水管62和环形水管60的进水，模拟预设渗流条件；
65.开始检测试验，横向加载器32和竖向加载器31分别对测试桩50施加加载，横向加载器32抵贴于测试桩50的侧面，竖向加载器31抵贴于测试桩50的顶面，当测试桩50出现较大位移时停止加载；其次，拆卸最上层气囊圈40，用于模拟邻近基坑上层土开挖下的土压力变化，其余布置与模型箱20布置的步骤一致，再加载至结束；最后，重复依次拆卸气囊圈40，以模拟邻近基坑土层逐渐开挖的土压力变化，完成多次加载检测。
66.通过控制器收集压力传感器、位移传感器53和孔隙水压计52的试验数据信息，打扫试验现场，完成试验。
67.综上，本发明实施例提供一种室内工程桩模型的承载力试验装置及试验方法，通过支撑框架10支撑加载器30，控制器控制加载器30的加载情况。侧水管62通过侧面进水口63在测试过程中向测试腔21内注入水，侧水管62中的水通过渗水间隙24进入填砂通道23，以模拟渗流情况。多个气囊堆叠形成填砂通道23，各气囊圈40的填砂口41沿高度方向向上增大，在填砂通道23内倒入砂土54，将测试桩50插入填砂通道23内，用于模拟邻近土体真实围压，根据测试试验需要，在试验过程中，调整气囊圈40的个数，可用于模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化。考虑施工场地因素对土压力的影响、从而对承载力的影响，通过可拆卸气囊模拟邻近基坑开挖情况下的土体围压变化，使检测结果更贴近施工因素影响下工程桩的真实承载力，提升检测试验结果的真实性，真实地还原测试桩50在实际工程应用中的服役表现。
68.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。