排水桩桩土接触面剪切实验装置

1.本发明涉及桩土接触界面力学特性测试实验装置领域，尤其是涉及一种静钻根植排水桩桩土界面剪切实验装置。


背景技术：

2.传统的桩基础大致可以分为钻孔灌注桩和预制桩这两类。钻孔灌注桩具有承载力高、桩身长度和直径容易控制以及噪音小等特点，但是在施工过程中会排放大量泥浆造成严重的社会问题；预制桩由于其工厂化生产、打桩速度快、成本相对较低等优点被广泛应用于施工中，然而在施工过程中会产生挤土效应、噪声大等问题，对周边建筑产生不利影响。
3.为了解决钻孔灌注桩和预制桩存在的问题，人们发明了静钻根植桩。静钻根植桩采用预钻孔及桩端扩底后在桩孔内注入一定的水泥浆形成水泥土，再植入高强预应力管桩与竹节桩的方法，大大减轻了预制桩施工过程中的挤土问题，且通过将水泥浆注入到土中形成水泥土使得泥浆排放大大减少。具有桩身质量有保证、环境影响小、噪音小、挤土效应轻微、适用土层广以及承载力高等优点。但是，在我国东岸沿海地区，广泛分布有深厚软土地基。静钻根植桩在深厚软土场地应用时发现，桩周水泥土固化速度慢，固化效果有时不理想，由此对工期和桩基承载特性带来影响。近年，有学者提出静钻根植排水桩技术。其技术要点是在静钻根植桩植桩之前将塑料排水板与预制桩绑扎固定，植桩过程中塑料排水板伴随预制桩沉桩而带入地基，完成桩周竖向排水通道的布设，再将塑料排水板与地表真空泵相连，进行真空负压排水固结，减少水泥土和临近土体的含水率及土中超静孔压，由此实现桩基承载力提高和抗变形能力增强的目的。
4.静钻根植排水桩是一种新型绿色桩基技术，已有研究证明了其有效性。对于静钻根植排水桩，其承载特性与桩土接触面的相对位移、法向应力以及破坏形式等相关。通过开展接触面剪切试验，可获得静钻根植排水桩桩侧摩阻力。但是，传统的直剪试验、单剪试验和环剪试验只能模拟土体之间的剪切试验，不能模拟静钻根植排水桩在实际土体中的受力情况。目前缺乏研究静钻根植排水桩所需要的试验装置。在此背景下，本发明提供一种排水桩桩土接触面剪切实验装置。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种排水桩桩土接触面剪切实验装置，该实验装置可模拟不同深度、不同固结度、不同真空度下桩土接触面情况，可测定静钻根植排水桩或预制桩与水泥土或黏土或砂土接触面的土压力、相对位移和侧摩阻力，为沿海地区桩基承载特性研究提供重要的支撑。
6.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：排水桩桩土接触面剪切实验装置，包括模型柱、支撑系统、压力控制系统、抽排水系统和测量系统；
7.所述的模型柱包括挡板和底板，所述的挡板呈圆筒形，所述的底板固定在所述的挡板的底部，所述的底板上开设有第一圆孔和若干第二圆孔，所述的第一圆孔位于所述的
底板的中央，所述的若干第二圆孔以所述的底板的中心为原点对称分布，所述的模型柱用于填装土层和模型桩，填装后，所述的模型桩直立设置在所述的土层内并位于所述的第一圆孔的上侧，所述的模型桩的两侧设有排水板，所述的排水排组成排水通道；
8.所述的支撑系统包括设于所述的底板的下侧的四个支撑柱，所述的四个支撑柱以所述的底板的中心为原点对称分布；
9.所述的压力控制系统包括若干组压力控制单元，每组所述的压力控制单元包括杠杆、钩码、拉索、定滑轮、连接筒、盖板、固定架和千斤顶，所述的杠杆的支点与固定在地面的重物相连，所述的杠杆的一端设有用于悬挂所述的钩码的挂钩，所述的杠杆的另一端连接所述的拉索，所述的定滑轮固定在地面上，所述的盖板盖设在所述的土层上，所述的固定架设置在所述的盖板的顶部，所述的连接筒直立设置在所述的挡板的内侧，所述的连接筒的上端穿设并固定于所述的盖板，所述的连接筒的下端穿设并固定于一个所述的第二圆孔，所述的拉索绕过所述的定滑轮并穿过所述的连接筒与所述的固定架固定连接，利用杠杆原理，通过所述的盖板向所述的土层施加压力，以模拟不同深度下桩土接触情况；所述的千斤顶设于所述的第一圆孔的下侧，所述的千斤顶用于向所述的模型桩加载竖向作用力，形成模型桩与桩周土体接触面剪切；
10.所述的抽排水系统包括多个排水孔、透水布、抽气管、真空泵，所述的多个排水孔开设在所述的盖板上，所述的透水布垫设在所述的盖板的下侧，所述的抽气管的一端密封连接位于地面的所述的真空泵，所述的抽气管的另一端通过穿过所述的盖板与所述的排水通道的上端密封连接，在所述的压力控制系统的作用下，所述的土层受到所述的盖板施加的压力时，通过所述的透水布和多个排水孔排出桩周土体的水，桩周土体固结，以模拟软土处于不同固结度下桩土接触面情况；通过调节所述的真空泵改变真空度，利用真空泵真空负压抽水，使所述的模型桩桩侧水泥土和桩周土体的水通过所述的排水通道排出，以模拟在不同真空度下桩土接触面情况；
11.所述的测量系统包括若干百分表、若干土压力计、若干压力传感器和若干孔压计，所述的若干百分表设置在所述的模型桩的顶端，用以测量在压力控制系统作用下模型桩与桩周土体竖向相对位移；所述的若干土压力计固定在所述的挡板的内壁的竖向，利用土压力分布的对称性测量在压力控制系统作用下一定深度的土压力；所述的若干孔压计设置在所述的土层内，以测量实验过程中土层内孔隙水压力的变化；所述的若干压力传感器设置在所述的千斤顶上，以测量千斤顶对模型桩加载过程中施加的压力值。
12.作为优选，所述的百分表的数量为两个，对称设置在所述的模型桩的顶端的两侧；所述的土压力计的数量为三个，分别位于所述的挡板的内壁的一侧的1/3高度处、2/3高度处和另一侧的1/2高度处；所述的孔压计的数量为三个，每个所述的孔压计设置在一个所述的土压力计旁。
13.作为优选，所述的盖板由若干圆弧形板组成。
14.与现有技术相比，本发明排水桩桩土接触面剪切实验装置具有如下优点：
15.1)利用杠杆原理，通过悬挂钩码施加较小的荷载对桩周土体施加较大压力，模拟在不同深度下桩土接触情况，且在土层上无需使用电机或堆放大量混凝土试块施加荷载，拉索通过连接筒和固定架与盖板相连，拉索与土层隔离，对周围土体影响小；
16.2)盖板上设有多个排水孔，下垫透水布，在压力作用下土中水通过透水布和排水
孔排出，使土体固结，可由孔压计测得任意时刻的孔隙水压力，模拟软土处于不同固结度下桩土接触面情况，此外，土层上方垫有透水布，使土层更加平整，减少两侧土体被挤出；
17.3)设有真空泵、抽气管，可根据需要通过模型桩桩侧的竖向排水通道进行真空负压排水，土中水通过排水通道排出，减少水泥土和桩周土体的含水率和超静孔压，增加桩侧摩阻力，通过调节真空泵，模拟在不同真空度下桩土接触面情况；
18.4)土压力计沿挡板内壁竖向设置，可测得不同深度处挡墙内壁上的土压力，利用土压力分布的对称性，得到不同深度处桩土接触面上的土压力，无需直接安置在桩土接触面上，对实验影响小；
19.5)具备较多功能，可测定静钻根植排水桩或预制桩与水泥土或黏土或砂土接触面处土压力、相对位移和侧摩阻力，并且可通过桩土接触面剪切实验得到不同因素对桩侧摩阻力的影响，为桩基承载特性研究提供重要的支撑。
附图说明
20.图1为实施例中实验装置的正面外观示意图；
21.图2为实施例中实验装置的侧面外观示意图；
22.图3为实施例中实验装置的纵向剖视示意图；
23.图4为实施例中模型柱部分的俯视图；
24.图中编号：模型柱1、挡板11、底板12、第一圆孔13、第二圆孔14、压力控制系统2、杠杆21、钩码22、拉索23、定滑轮24、连接筒25、盖板26、固定架27、千斤顶28、支撑系统3、支撑柱31、抽排水系统4、排水孔41、透水布42、抽气管43、真空泵44、百分表51、土压力计52、压力传感器53、孔压计54、模型桩6、水泥土7、土层8。
具体实施方式
25.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
26.实施例的排水桩桩土接触面剪切实验装置，如图1～图4所示，包括模型柱1、支撑系统3、压力控制系统2、抽排水系统4和测量系统。
27.模型柱1包括挡板11和底板12，挡板11呈圆筒形，底板12固定在挡板11的底部，底板12上开设有第一圆孔13和两个第二圆孔14，第一圆孔13位于底板12的中央，两个第二圆孔14以底板12的中心为原点对称分布，模型柱1用于填装土层8和模型桩6，填装后，模型桩6直立设置在土层8内并位于第一圆孔13的上侧，模型桩6的两侧设有排水板，排水排组成排水通道。
28.支撑系统3包括设于底板12的下侧的四个支撑柱31，四个支撑柱31以底板12的中心为原点对称分布，通过四个支撑柱31支撑整个模型柱1，使实验装置更加稳定且具有更长寿命。四个支撑柱31将底板12顶至一定高度，为放置千斤顶28预留空间。
29.压力控制系统2包括两组压力控制单元，每组压力控制单元包括杠杆21、钩码22、拉索23、定滑轮24、连接筒25、盖板26、固定架27和千斤顶28，杠杆21的支点与固定在地面的重物相连，杠杆21的一端设有用于悬挂钩码22的挂钩，杠杆21的另一端连接拉索23，定滑轮24固定在地面上，盖板26由两块半圆环形板组成，盖板26盖设在土层8上，固定架27固定在盖板26的顶部，连接筒25直立设置在挡板11的内侧，连接筒25的上端穿设并固定于盖板26，
连接筒25的下端穿设并固定于一个第二圆孔14，本实施例中，连接筒25采用薄壁圆筒，作用是隔绝拉索23与周围土体，减少拉索23穿过土层8对实验的影响；拉索23绕过定滑轮24并穿过连接筒25与固定架27固定连接，通过悬挂钩码22，利用杠杆21原理，拉索23向下拉动固定架27，固定架27对对盖板26施加竖向压力，盖板26将压力传给土层8，通过改变悬挂钩码22的质量和数量，使土层8受到不同的压力，模拟不同深度下桩土接触面情况；千斤顶28设于第一圆孔13的下侧，千斤顶28用于向模型桩6加载竖向作用力，形成模型桩6与桩周土体接触面剪切。盖板26和底板12可以限制剪切过程中两侧土层位移。
30.抽排水系统4包括多个排水孔41、透水布42、抽气管43、真空泵44，多个排水孔41开设在盖板26上，透水布42垫设在盖板26的下侧，抽气管43的一端密封连接位于地面的真空泵44，抽气管43的另一端通过穿过盖板26与排水通道的上端密封连接，在压力控制系统2的作用下，土层8受到盖板26施加的压力时，通过透水布42和多个排水孔41排出桩周土体的水，桩周土体固结，以模拟软土处于不同固结度下桩土接触面情况；通过调节真空泵44改变真空度，利用真空泵44真空负压抽水，使模型桩桩侧水泥土和桩周土体的水通过排水通道排出，以模拟在不同真空度下桩土接触面情况。
31.测量系统包括两个百分表51、三个土压力计52、若干压力传感器53和三个孔压计54，两个百分表51对称设置在模型桩6的顶端的两侧，用以测量在压力控制系统2作用下模型桩6与桩周土体竖向相对位移；三个土压力计52分别通过螺栓和螺母固定在挡板11的内壁的竖向，即分别位于挡板11的内壁的一侧的1/3高度处、2/3高度处和另一侧的1/2高度处，利用土压力分布的对称性测量在压力控制系统2作用下一定深度的土压力；三个孔压计54设置在土层8内，每个孔压计54设置在一个土压力计52旁，三个孔压计54用以测量实验过程中土层8内孔隙水压力的变化；若干压力传感器53设置在千斤顶28上，以实时测量显示千斤顶28对模型桩6加载过程中施加的压力值。
32.上述实验装置具备较多功能，可测定静钻根植排水桩或预制桩与水泥土或黏土或砂土接触面处土压力、相对位移和侧摩阻力，并且可通过桩土接触面剪切实验得到不同因素对桩侧摩阻力的影响，为桩基承载特性研究提供重要的支撑。
33.以静钻根植排水桩与软土为例，搭建以上实施例的排水桩桩土接触面剪切实验装置并进行实验过程如下。
34.静钻根植桩的桩侧摩阻力由混凝土-水泥土和水泥土-桩周土体接触面控制，为探究静钻根植排水桩两侧所带的塑料排水板是否会影响桩侧摩阻力，设置实验组和对照组，实验组模型桩6侧绑扎塑料排水板，对照组模型桩6侧不绑扎塑料排水板，以下均简称模型桩6，两组植桩均采用静钻根植桩技术，桩周土体为软土，其余条件均相同。
35.分别搭建模型柱1、支撑系统3和两组压力控制单元的杠杆21、拉索23、定滑轮24、连接筒25，使两个连接筒25分别固定在底板12两侧的第二圆孔14上，拉索23穿过连接筒25，设置土压力计52和孔压计54在挡板11内壁。将高度高于要填土层8的pvc管插入底板12的第一圆孔13中，向模型柱1内填软土并人工夯实，在土层8填筑完成后拔出pvc管，形成孔洞，在孔洞内灌入水泥土7并放入模型桩6，在土层8上布置透水布42和盖板26，拉索23穿过盖板26连接固定架27，固定架27固定在盖板26上，实验组中抽气管43与穿出盖板26的竖向排水通道的顶端用防水胶带缠绕封闭连接，真空泵44进行真空负压排水，加快土中水的排出，在模型桩6桩顶两侧对称放置两个百分表51，千斤顶28和压力传感器53放置在模型桩6下，对模
型桩6向上施加不同的作用力并由压力传感器53显示。逐渐通过增挂钩码22，增大盖板26对土层8的压力，模拟不同深度下的土层8。通过透水布42和排水孔41排水，模拟在不同固结度下桩土接触面情况。最终形成模型桩6-水泥土7接触面剪切。
36.每隔一定的时间分别记录测量系统中百分表51的读数，得到实验组和对照组模型桩6与桩周土体的相对位移，记录挡板11的内壁上的土压力计52的读数，得到两组一定深度处桩土接触面上的土压力，每隔一定的时间记录孔压计54显示的土层8内的孔隙水压力的示数，压力传感器53实时显示实验过程中千斤顶28对模型桩6施加的压力。在实验结束后另外通过室内土工实验得到土体的内摩擦角、黏聚力、密度等相关物理量。通过本实施例的排水桩桩土接触面剪切实验装置探究静钻根植排水桩桩侧所带排水板对桩侧摩阻力的影响和桩基承载特性。