一種測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置及方法，該試驗裝置包括管樁模型試驗箱、監測系統和加載機構，所述管樁模型試驗箱包括箱體、設置在箱體內的管樁、土體和水泥漿；所述管樁底部設置有支承部；所述監測系統包括設置在管樁上部的位移傳感器、設置在加載機構上的壓力傳感器、以及設置在所述管樁外表面的一排或一排以上的應變花組；所述應變花組沿所述管樁圓周方向均勻分布；所述應變花組包括沿所述管樁中心軸方向均勻分布的若干應變花，所述應變花連接有自動記錄儀。本發明通過對混凝土管樁模型測試，能較真實地反映實際工程中混凝土管樁的受力和變形機理，測試結果更加準確、可靠、離散性小，為理論分析和工程實踐提供可靠的基礎數據。
【專利說明】一種測試管粧與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于土木工程試驗裝置【技術領域】，具體涉及一種測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置及方法。
【背景技術】
[0002]結構與注漿巖土土體之間力學特性研究是巖土工程領域的重要課題之一，是解決結構與注漿土體之間相互作用的前提。傳統試驗裝置:單剪儀、直剪儀、扭剪儀和循環加載剪切儀等，均人為假定結構與土的接觸界面為破壞面，而實際上結構與土界面剪切破壞時界面剪切強度可能高于土體本身的剪切強度，使得剪切破壞面發生在土體內部。針對結構與周圍包裹的水泥注漿土體而言，通常水泥漿與結構的粘結強度要高于普通的注漿土體強度，剪切破壞面將發生在注漿土體內部，形成一個具有一定厚度的剪切破壞帶。因此，現有的剪切試驗裝置難以真實、準確地測定和觀測分析結構與注漿土體之間的剪切特性。
[0003]管樁是高層建筑物的常用基礎形式，主要用作建筑物的抗壓、抗拔和抗水平力等。采用大直徑隨鉆跟管鉆機(專利號:21 200820158894.7)施工的管樁，管壁外側灌注水泥漿(鉆孔直徑較管樁直徑大40?100^)以提高管樁的側摩阻力，然而，管樁與其樁周注漿土體的剪切、錯動、和脫開等非連續變形破壞問題，尚缺乏深入系統的研究。主要原因是目前的結構與土的剪切試驗設備大部分是平面上的，少有關于弧面的剪切試驗研究，尺寸一般也較小，無法模擬結構與注漿土體在單調加載或者循環加載條件下的實際力學行為。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了解決現有試驗設備測試精度不高，針對性不強，取樣不可靠，試驗結果離散性大的技術問題，提供一種操作簡便、測試準確、樣本接近工程實際的測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置及方法。
[0005]為了解決上述問題，本發明按以下技術方案予以實現的:
[0006]本發明所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，包括管樁模型試驗箱、加載機構和監測系統，所述管樁模型試驗箱包括箱體、設置在箱體內的管樁、用于填充箱體的土體、設置在管樁外圓周上的水泥漿；所述管樁底部設置有支承部；
[0007]所述監測系統包括設置在管樁上部的位移傳感器、設置在加載機構上的壓力傳感器、以及設置在所述管樁外表面的一排或一排以上的應變花組；所述應變花組沿所述管樁圓周方向均勻分布；
[0008]所述應變花組包括沿所述管樁中心軸方向均勻分布的若干應變花，所述應變花連接有自動記錄儀。
[0009]進一步地，所述支承部為壓縮板或塑料泡沫板，在制作模型箱時，為管樁提供豎向承載力，在試驗時能產生較大的壓縮變形，使得管樁在盡可能理想的狀態下測試其與注漿土體之間的剪切情況。
[0010]進一步地，所述加載機構包括設置在所述管樁頂部的樁帽、船筏和水平放置于船筏上的主梁，所述船筏的數量為偶數且對稱分布于管樁軸線的兩側，所述船筏與所述主梁活動連接，所述樁帽與主梁之間設置有千斤頂，所述千斤頂的軸心線與所述主梁的重心線相互重合。千斤頂為管樁施加壓力，船筏和主梁為千斤頂提供反力，使得加載機構更穩定，施加的壓力范圍較大，適用范圍廣。
[0011]進一步地，所述船筏沿豎直方向設置有開口固定孔，所述主梁在背離船筏一側設置有小梁，所述小梁上設置有與所述開口固定孔同軸的連接孔，貫穿所述開口固定孔和連接孔設置有螺栓，所述船筏和主梁通過所述小梁和螺栓活動連接。
[0012]進一步地，所述船筏上堆載有配重塊。
[0013]進一步地，所述配重塊為水泥砼塊、鋼塊或沙袋。
[0014]進一步地，測試模型較小時，所述加載機構為壓力試驗機，方便操作，適用于小型模型試驗。
[0015]一種測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗方法，其步驟包括:
[0016](I)將管樁放置在箱體內，并且在管樁底部放置支承部；
[0017](2)在管樁外套設與管樁對應的鋼套筒，鋼套筒內表面與管樁外表面之間預留用于灌注水泥漿的空隙；所述管樁外表面貼有若干應變花；管樁頂部設置有位移傳感器；
[0018](3)所述鋼套筒的內徑比所述管樁的外徑大20mm?100mm，可根據試驗研究的需要制作不同厚度的水泥注漿體；
[0019](4)用土體填充箱體，并且將土體夯實；
[0020](5)在管樁與鋼套筒之間灌注水泥漿，并且一邊灌注水泥漿一邊拔出鋼套筒，或在水泥漿初凝前拔出所述鋼套筒；所述管樁與所述土體之間灌注特定水灰比的水泥漿，所述水泥漿的水灰比為0.4?1.0，針對砂土優選0.7 ；
[0021 ] (6)加載機構從上部通過承壓板對管樁施加豎向壓力，逐步增加壓力，直到管樁與周圍水泥注漿體之間發生剪切破壞；所述加載機構上設置有壓力傳感器；
[0022](7)記錄所述應變花、位移傳感器和壓力傳感器的數據。
[0023]進一步地，所述裝有混凝土管樁的箱體在施加壓力之前，需要多于28天的凝固時間。
[0024]進一步地，所述步驟(I)中的支承部為壓縮板或塑料泡沫板。
[0025]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0026]本發明通過對混凝土管樁模型測試，與現實中的混凝土管樁的仿真性好，測試結果更加準確、可靠、離散性小，為理論分析和工程實踐提供可靠的基礎數據。
[0027]大型的管樁模型試驗箱采用船筏和主梁為千斤頂提供反力，千斤頂對管樁施加壓力，形成穩定的加載機構，而且施力范圍大，適應的試驗范圍廣。而小型的管樁模型試驗箱采用壓力試驗機作為加載機構，方便操作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明，其中:
[0029]圖1是本發明所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置的管樁試驗箱結構示意圖；
[0030]圖2是管樁模型試驗箱的剖面示意圖；
[0031]圖3是管樁模型試驗箱的箱體內部結構示意圖；
[0032]圖4是加載機構的俯視圖；
[0033]圖5是圖4的1-1的剖面視圖；
[0034]圖6是圖4的I1-1I的剖面視圖；
[0035]圖中:1-箱體，2- 土體，3-水泥衆，4-管樁，41-支承部，42-應變花，43-樁帽，5_船筏，6-主梁，7-小梁，71-螺栓，8-千斤頂，9-配重塊。
【具體實施方式】
[0036]以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0037]實施例一
[0038]如圖1?圖6所示，本發明所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，包括管樁模型試驗箱和加載機構，所述管樁模型試驗箱包括箱體1、設置在箱體I內的管樁4、用于填充箱體I的土體2、設置在管樁外圓周上的水泥漿3，所述水泥漿的水灰比為0.6?0.8，針對砂土優選0.7。所述管樁4的底部設置有支承部41，所述支承部41由較易變形的材料制成，例如壓縮板或塑料泡沫板，在制作管樁模型試驗箱時，為管樁4提供支承力，在測試時，支承部容易變形，其對管樁4的剪切影響減小，使得管樁4在較為理想的狀態下，測試靜力剪切特性。
[0039]所述監測系統包括設置在管樁4上部的位移傳感器、設置在加載機構上的壓力傳感器、以及設置在所述管樁4外表面的一排或一排以上的應變花組；所述應變花組沿所述管樁圓周方向均勻分布，所述應變花組包括沿所述管樁中心軸方向均勻分布的若干應變花42，所述應變花為三軸應變花，所述應變花42連接有自動記錄儀，所述自動記錄儀用于接收和記錄所述應變花42監測到的數據。
[0040]如圖4?圖6所示，所述加載機構包括設置在所述管樁4頂部的樁帽43、固定在管樁4頂部的船筏5和水平放置于船筏5上的主梁6，所述船筏5的數量為偶數且對稱分布于管樁軸線的兩側，所述船筏5與所述主梁6活動連接，所述樁帽43與主梁6之間設置有千斤頂8，所述千斤頂8的軸心線與所述主梁6的重心線相互重合，所述千斤頂的底端上設置有壓力傳感器61。所述船筏5沿豎直方向設置有開口固定孔51，所述主梁6在背離船筏5 一側設置有小梁7，所述小梁7上設置有與所述開口固定孔51同軸的連接孔，貫穿所述開口固定孔51和連接孔設置有螺栓71，所述船筏5和主梁6通過所述小梁7和螺栓71活動連接。所述船筏5上堆載有配重塊9，所述配重塊9可以是水泥砼塊、鋼塊或沙袋。
[0041]所述樁帽43上設置有位移傳感器，用于監測管樁4在千斤頂8的壓力下的垂直位移情況。
[0042]本發明所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗方法，其步驟包括:
[0043](I)將管樁4放置在箱體I內，并且在管樁4底部放置支承部41 ；
[0044](2)在管樁4外套設與管樁對應的鋼套筒，鋼套筒內表面與管樁4外表面之間預留用于灌注水泥漿3的空隙；所述管樁4外表面貼有若干應變花42 ;管樁4頂部設置有位移傳感器；
[0045](3)所述鋼套筒的內徑比所述管樁的外徑大20mm?100mm，可根據試驗研究的需要制作不同厚度的水泥注漿體；
[0046](4)用土體2填充箱體I，并且將土體2夯實；
[0047](5)在管樁4與鋼套筒之間灌注水泥漿3，并且一邊灌注水泥漿3 —邊拔出鋼套筒，或在水泥漿3初凝前拔出所述鋼套筒；所述管樁4與所述土體2之間灌注特定水灰比的水泥漿3，所述水泥漿的水灰比為0.4?1.0，針對砂土優選0.7 ；
[0048](6)將灌注了水泥漿3的箱體I靜置28天以上，待其凝固；
[0049](7)在管樁4上設置樁帽43，將千斤頂8設置在樁帽43上；
[0050](8)通過小梁7與螺栓71的配合將主梁6與船筏5活動連接，并使得主梁6的重心線與千斤頂8的軸心線重合；
[0051](9)在船筏5上放置若干水泥砼塊；在千斤頂8上設置壓力傳感器；
[0052](10)千斤頂8對樁帽43施加豎向壓力，逐步增加壓力，直到管樁4喪失承載能力，即管樁與水泥注漿、土體之間發生剪切破壞；
[0053](11)記錄所述應變花、位移傳感器和壓力傳感器的數據；作為試驗分析的基礎資料。
[0054]實施例二
[0055]本實施例所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其除了加載機構外，其它的結構和工作原理與實施例一相同，本實施例是針對小型的管樁模型試驗箱的，所述加載機構為壓力試驗機，由于壓力試驗機的尺寸有限，其針對寬度小于60cm的管樁模型試驗箱進行試驗。
[0056]本實施例所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗方法，其步驟包括:
[0057](I)將管樁4放置在箱體I內，并且在管樁4底部放置支承部41 ；
[0058](2)在管樁4外套設與管樁對應的鋼套筒，鋼套筒內表面與管樁4外表面之間預留用于灌注水泥漿3的空隙；所述管樁4外表面貼有若干應變花42 ;管樁4頂部設置有位移傳感器；
[0059](3)所述鋼套筒的內徑比所述管樁的外徑大20mm?100mm，可根據試驗研究的需要制作不同厚度的水泥注漿體；
[0060](4)用土體2填充箱體1，并且將土體2夯實；
[0061](5)在管樁4與鋼套筒之間灌注水泥漿3，并且一邊灌注水泥漿3 —邊拔出鋼套筒，或在水泥漿3初凝前拔出所述鋼套筒；所述管樁4與所述土體2之間灌注特定水灰比的水泥漿3，所述水泥漿的水灰比為0.4?1.0，針對砂土優選0.7 ；
[0062](6)將灌注了水泥漿3的箱體I靜置28天以上，待其凝固；
[0063](7)在壓力試驗機上設置壓力傳感器，壓力試驗機對管樁4施加豎向壓力，逐步增加壓力，直到管樁4喪失承載能力，即管樁與水泥注漿、土體之間發生剪切破壞；
[0064](8)記錄所述應變花、位移傳感器和壓力傳感器的數據；作為試驗分析的基礎資料。
[0065]本實施例所述試試管樁與不同厚度注漿土體之間剪切變形破壞特性的試驗裝置的其它結構參見現有技術。
[0066]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
【權利要求】
1.一種測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，包括管樁模型試驗箱、監測系統和加載機構，其特征在于: 所述管樁模型試驗箱包括箱體、設置在箱體內的管樁、用于填充箱體的土體、設置在管樁外圓周上的水泥漿；所述管樁底部設置有支承部； 所述監測系統包括設置在管樁上部的位移傳感器、設置在加載機構上的壓力傳感器、以及設置在所述管樁外表面的一排或一排以上的應變花組；所述應變花組沿所述管樁圓周方向均勻分布； 所述應變花組包括沿所述管樁中心軸方向均勻分布的若干應變花，所述應變花連接有自動記錄儀。
2.根據權利要求1所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其特征在于:所述支承部為壓縮板或塑料泡沫板。
3.根據權利要求1所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其特征在于:所述加載機構包括設置在所述管樁頂部的樁帽、船筏和水平放置于船筏上的主梁，所述船筏的數量為偶數且對稱分布于管樁軸線的兩側，所述船筏與所述主梁活動連接，所述樁帽與主梁之間設置有千斤頂，所述千斤頂的軸心線與所述主梁的重心線相互重合。
4.根據權利要求3所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其特征在于:所述船筏沿豎直方向設置有開口固定孔，所述主梁在背離船筏一側設置有小梁，所述小梁上設置有與所述開口固定孔同軸的連接孔，貫穿所述開口固定孔和連接孔設置有螺栓，所述船筏和主梁通過所述小梁和螺栓活動連接。
5.根據權利要求4所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其特征在于:所述船筏上堆載有配重塊。
6.根據權利要求5所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其特征在于:所述配重塊為水泥砼塊、鋼塊或沙袋。
7.根據權利要求1所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的試驗裝置，其特征在于:所述加載機構為壓力試驗機。
8.—種測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的方法，其步驟包括: (1)將管樁放置在箱體內，并且在管樁底部放置支承部； (2)在管樁外套設與管樁對應的鋼套筒，鋼套筒內表面與管樁外表面之間預留用于灌注水泥漿的空隙；所述管樁外表面貼有若干應變花；管樁頂部設置有位移傳感器； (3)用土體填充箱體，并且將土體夯實； (4)在管樁外套設與管樁對應的鋼套筒，鋼套筒內表面與管樁外表面之間預留用于灌注水泥漿的空隙；所述鋼套筒的內徑比所述管樁的外徑大20mm?100mm，可根據試驗研究的需要制作不同厚度的水泥注漿體； (5)在管樁與鋼套筒之間灌注水泥漿，并且一邊灌注水泥漿一邊拔出鋼套筒或在水泥漿初凝前拔出所述鋼套筒； (6)加載機構從上部通過承壓板對管樁施加豎向壓力，逐步增加壓力，直到管樁與周圍水泥注漿體之間發生剪切破壞；所述加載機構上設置有壓力傳感器； (7)記錄所述應變花、位移傳感器和壓力傳感器的數據。
9.根據權利要求8所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的方法，其特征在于:所述裝有混凝土管樁的箱體在加載機構施加壓力之前，靜置多于28天的凝固時間。
10.根據權利要求8所述測試管樁與注漿土體之間靜力剪切特性的方法，其特征在于:所述步驟(I)中的支承部為壓縮板或塑料泡沫板。
【文檔編號】G01N3/24GK104374650SQ201410674906
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月20日 優先權日:2014年11月20日
【發明者】唐孟雄, 戚玉亮, 胡賀松 申請人:廣州市建筑科學研究院有限公司, 廣州市建筑科學研究院新技術開發中心有限公司