基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置及试验方法

摘要

基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置及试验方法，包括槽底座和槽底座上垂直设置的四根槽立柱，相邻槽立柱之间设有槽侧壁，同侧两根槽立柱上部分别设有柱顶横梁，两柱顶横梁之间连接有反力架，该试验装置各部件间多通过螺栓连接，为全机械式连接，便于拆装，可依据试验内容进行多种组合，且可根据试验要求调整装置的宽度和高度，调节能力强。本发明的试验方法设计合理，工艺简单，操作简便，可同时进行多根单桩加载试验或者单桩多向加载试验，试验过程中，可实现自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录和自动采集数据，可确保试验精度，可提高试验效率，且主机放置在实验室内，通过无线控制操作，作业环境好。

权利要求

1.基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，其特征在于，包括槽底座和槽底座上垂直设置的四根槽立柱，相邻槽立柱之间设有槽侧壁，同侧两根槽立柱上部分别设有柱顶横梁，两柱顶横梁之间连接有反力架；

所述槽底座包括地下室顶层和地下室顶层上预设的锚固孔；槽立柱包括柱基座和垂直设于柱基座上的H形钢柱，柱基座通过锚固孔内的基础螺栓固定于地下室顶层上，H形钢柱的翼板边缘处均布设有螺栓孔，且H形钢柱的翼板所在平面与柱顶横梁的长度方向平行；柱顶横梁为H形箱体梁，H形箱体梁两端与对应的H形钢柱卡装固连，H形箱体梁的边缘均布设有螺栓孔；反力架包括反力梁和反力梁两端的固定机构，固定机构包括边缘设孔的固定板和穿设在孔内的螺栓，反力梁通过固定板和螺栓安装在柱顶横梁上；槽侧壁包括多级挡板，每级挡板包括边框和边框内的面板，同一侧面内的相邻挡板通过边框相连；

所述H形钢柱的翼板边缘螺接有侧面反力架，侧面反力架为等边角钢，侧面反力架的两边均设有螺栓孔，侧面反力架另一边与边框螺纹连接；

所述槽侧壁的上方纵向叠加设置有空心方钢，空心方钢两端与侧面反力架螺纹连接或者与H形钢柱的槽内壁相接。

2.如权利要求1所述的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，其特征在于，所述面板包括钢板或者钢化玻璃板；边框上均布设有螺栓孔，同一侧面内的相邻挡板通过边框螺纹连接。

3.如权利要求2所述的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，其特征在于，所述空心方钢最上方低于柱顶横梁。

4.如权利要求3所述的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，其特征在于，所述柱基座为槽型，柱基座的槽内壁与侧面反力架之间、基础螺栓与挡板之间均设有槽底垫块，槽底垫块为矩形长钢条。

5.如权利要求4所述的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，其特征在于，所述地下室顶层由钢筋混凝土构成，其厚度不小于15cm，混凝土强度等级不小于C40，锚固孔等间距分布，锚固孔的直径不小于10cm；H形钢柱的高度为3～5m，相邻H形钢柱的水平间距为2～3m，且高度与水平间距的比值为1.5～2；基础螺栓的直径不小于10cm；每级挡板的高度为

50cm、长度为2～3m，槽侧壁的高度为2～4m；钢板的厚度不小于3mm，钢化玻璃板的厚度不小于1cm，空心方钢的数量为20～30根，空心方钢的截面边长为5cm；反力梁的截面宽度不小于

15cm、厚度不小于1cm。

6.权利要求1-5任意一项所述的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）、铺设槽底座、固定模型桩，在槽底座上围绕模型桩安装基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，包括自下而上安装面板为钢板的槽侧壁与面板为钢化玻璃板的槽侧壁以及安装柱顶横梁和反力架，且在需要提供水平反力的槽侧壁上方固定空心方钢；（2）、安装水平反力装置：在空心方钢内侧固定液压千斤顶，液压千斤顶端部安装荷载传感器，使用球形支座连接荷载传感器与模型桩的桩头，以保证模型桩始终受到水平荷载的作用；（3）、安装竖向反力装置：首先，根据模型桩所处位置调整反力架在柱顶横梁上的位置，使反力架位于待测模型桩的正上方，以保证各个位置模型桩的竖向加载能够顺利进行；然后，在反力架上固定荷载传感器，模型桩的桩头设置液压千斤顶，连接荷载传感器与液压千斤顶；（4）、布置多向加载系统：以匹配基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置为原则，多向加载系统包括主机、端前测控器和无线通信器，主机可满足最多同时控制三个方向加载的要求，以实现控制单根模型桩三个方向同时加载或者三根模型桩同时单向加载的目的；（5）、加载测试：通过无线通信器控制多向加载系统，试验中多向加载系统自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录，自动采集数据。

7.如权利要求6所述的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置的试验方法，其特征在于，所述模型桩为单桩或者群桩，即单根模型桩或者多根模型桩；在步骤（2）中，空心方钢内侧设有位于液压千斤顶底部的垫板，使空心方钢受力均匀，垫板的高度与空心方钢的叠加高度相等、长度不小于1m；在步骤（3）中，模型桩的桩头上设有垫板，垫板与液压千斤顶相连，垫板与模型桩的桩头之间铺设5mm厚的砂土，以保证模型桩均匀受力；在步骤（4）中，主机放置在实验室内。

说明书

基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置及试验方法

技术领域

[0001] 本发明属于大型桩基模型试验技术领域，特别涉及一种基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置及试验方法。

背景技术

[0002] 随着国民经济的快速发展，桩基础在超高层建筑、高铁、深基坑支护等工程中的应用越来越多，与桩基础相关的桩基测试也变得越来越重要。由于桩基现场测试具有费用高、工程桩不能加载到破坏的程度、考虑因素有限等缺陷，因此，在现场试验条件有限的情况下进行大比例尺模型试验，各种工况下都可以加载到破坏，更能综合考虑单桩和群桩承载性能的影响因素，对掌握各种桩基础桩土相互作用机理以及优化桩基础设计具有重要的意义。

[0003] 目前，专利号为ZL 03125454.3的发明专利公开了一种非饱和土桩基模型试验装置，其由上盖和底座可以拆卸的压力容器组成，通过对上盖、底座和凹槽特殊处理，可在试验中方便地控制土样的地质吸力，实现非饱和土体中模型桩的承载性能测试；但是，该装置中模型比例小，且属于非全机械式连接，不能实现水平桩的有效加载。另有专利号为ZL 201210081275.3的发明专利，其公开了一种土工离心模型试验模型桩的压桩装置，该装置能针对单桩和群桩等实施压入操作，能够调节桩的压入角度和速度，保证模型桩埋设位置的准确性，能够在1g和离心环境下完成压桩过程；但是，该装置仅局限于离心环境下实现模型桩的准确压入，没有涉及大比例尺模型桩多向加载试验方法，且属于非全机械式连接方式。

[0004] 另外，普通模型试验装置多为钢筋混凝土结构，模型侧壁无法调节，大多只能实现单向静载荷试验，且在加载中所模拟的桩长和测试方法单一，无法实现同时多向加载或不同桩长的模型试验，使用局限性较大。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种结构合理、便于调节、操作简便和可对模型单桩或群桩进行多向加载试验的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置及试验方法。

[0006] 本发明技术方案为：基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，包括槽底座和槽底座上垂直设置的四根槽立柱，相邻槽立柱之间设有槽侧壁，同侧两根槽立柱上部分别设有柱顶横梁，两柱顶横梁之间连接有反力架。

[0007] 所述槽底座包括地下室顶层和地下室顶层上预设的锚固孔；槽立柱包括柱基座和垂直设于柱基座上的H形钢柱，柱基座通过锚固孔内的基础螺栓固定于地下室顶层上，H形钢柱的翼板边缘处均布设有螺栓孔，且H形钢柱的翼板所在平面与柱顶横梁的长度方向平行；柱顶横梁为H形箱体梁，H形箱体梁两端与对应的H形钢柱卡装固连，H形箱体梁的边缘均布设有螺栓孔；反力架包括反力梁和反力梁两端的固定机构，固定机构包括边缘设孔的固定板和穿设在孔内的螺栓，反力梁通过固定板和螺栓安装在柱顶横梁上；槽侧壁包括多级挡板，每级挡板包括边框和边框内的面板，同一侧面内的相邻挡板通过边框相连。

[0008] 所述面板包括钢板或者钢化玻璃板；边框上均布设有螺栓孔，同一侧面内的相邻挡板通过边框螺纹连接。

[0009] 所述H形钢柱的翼板边缘螺接有侧面反力架，侧面反力架为等边角钢，侧面反力架的两边均设有螺栓孔，侧面反力架另一边与边框螺纹连接。

[0010] 所述槽侧壁的上方纵向叠加设置有空心方钢，空心方钢两端与侧面反力架螺纹连接或者与H形钢柱的槽内壁相接。

[0011] 所述空心方钢最上方低于柱顶横梁。

[0012] 所述柱基座为槽型，柱基座的槽内壁与侧面反力架之间、基础螺栓与侧面反力架或者挡板之间均设有槽底垫块，槽底垫块为矩形长钢条。

[0013] 所述地下室顶层由钢筋混凝土构成，其厚度不小于15cm，混凝土强度等级不小于C40，锚固孔等间距分布，锚固孔的直径不小于10cm；H形钢柱的高度为3～5m，相邻H形钢柱的水平间距为2～3m，且高度与水平间距的比值为1.5～2；基础螺栓的直径不小于10cm；每级挡板的高度为50cm、长度为2～3m，槽侧壁的高度为2～4m；钢板的厚度不小于3mm，钢化玻璃板的厚度不小于1cm，空心方钢的数量为20～30根，空心方钢的截面边长为5cm；反力梁的截面宽度不小于15cm、厚度不小于1cm。

[0014] 所述的基于多向加载系统的大型桩基模型试验方法，包括如下步骤：（1）、铺设槽底座、固定模型桩，在槽底座上围绕模型桩安装基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，包括自下而上安装面板为钢板的槽侧壁与面板为钢化玻璃板的槽侧壁以及安装柱顶横梁和反力架，且在需要提供水平反力的槽侧壁上方固定空心方钢；（2）、安装水平反力装置：在空心方钢内侧固定液压千斤顶，液压千斤顶端部安装荷载传感器，使用球形支座连接荷载传感器与模型桩的桩头，以保证模型桩始终受到水平荷载的作用；（3）、安装竖向反力装置：首先，根据模型桩所处位置调整反力架在柱顶横梁上的位置，使反力架位于待测模型桩的正上方，以保证各个位置模型桩的竖向加载能够顺利进行；然后，在反力架上固定荷载传感器，模型桩的桩头设置液压千斤顶，连接荷载传感器与液压千斤顶；（4）、布置多向加载系统：以匹配基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置为原则，多向加载系统包括主机、端前测控器和无线通信器，主机可满足最多同时控制三个方向加载的要求，以实现控制单根模型桩三个方向同时加载或者三根模型桩同时单向加载的目的；（5）、加载测试：通过无线通信器控制多向加载系统，试验中多向加载系统自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录，自动采集数据。

[0015] 所述模型桩为单桩或者群桩，即单根模型桩或者多根模型桩；在步骤（2）中，空心方钢内侧设有位于液压千斤顶底部的垫板，使空心方钢受力均匀，垫板的高度与空心方钢的叠加高度相等、长度不小于1m；在步骤（3）中，模型桩的桩头上设有垫板，垫板与液压千斤顶相连，垫板与模型桩的桩头之间铺设5mm厚的砂土，以保证模型桩均匀受力；在步骤（4）中，主机放置在实验室内。

[0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0017] 1、本发明公开了一种基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，该试验装置各部件间多通过螺栓连接，为全机械式连接，便于拆装，可依据试验内容进行多种组合，且可根据试验要求调整装置的宽度和高度，调节能力强；槽侧壁为多级拼接而成，槽侧壁的面板选用钢化玻璃板时，便于观测土体特性，同时可根据试验需要增设空心方钢，根据试验需要可在单面、双面、三面或四面布置空心方钢，空心方钢能承受较大的水平载荷，保证结构强度和稳定性，从而实现多向水平加载。

[0018] 2、本发明的试验方法设计合理，工艺简单，操作简便，可同时进行多根单桩加载试验或者单桩多向加载试验，试验过程中，可实现自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录和自动采集数据，可确保试验精度，可提高试验效率，且主机放置在实验室内，通过无线控制操作，作业环境好；多向加载系统为无线传输装置，能满足单桩多向加载或者多桩同时加载的要求，适用范围宽。

[0019] 3、在同侧两根槽立柱上部分别设有柱顶横梁，两柱顶横梁之间连接有反力架，柱顶横梁的作用为：固定4根H形钢柱，形成整体钢架结构，使装置结构稳定性强；可根据实际试验要求调整自身高度，使装置能够适应不同长度模型桩的多向载荷试验，试验范围宽；为反力架提供支撑，给槽底座内的单桩或群桩提供竖向反力；作为反力架的支撑，可根据需要任意调整反力架的位置，实现任意位置桩头均能位于反力梁的正下方，便于向其提供竖向荷载，可大大降低模型桩的埋桩难度。

[0020] 4、反力架包括反力梁和反力梁两端的固定机构，固定机构包括边缘设孔的固定板和穿设在孔内的螺栓，反力梁通过固定板和螺栓安装在柱顶横梁上，固定机构固定反力梁，以提供竖向荷载的施力基础，竖向荷载包括竖向抗压和抗拔荷载；便于调节反力梁的位置，实现任意位置模型桩桩头均能位于反力梁的正下方，可大大降低模型桩的埋桩难度。

[0021] 5、在H形钢柱的翼板边缘螺接有侧面反力架，侧面反力架为等边角钢，侧面反力架的两边均设有螺栓孔，侧面反力架另一边与边框螺纹连接，侧面反力架可承受来自装土后槽侧壁向外的水平方向压力，以防止槽侧壁受力向外倾斜。

[0022] 6、在槽侧壁的上方纵向叠加设置有空心方钢，且空心方钢最上方低于柱顶横梁；空心方钢两端与侧面反力架螺纹连接或者与H形钢柱的槽内壁相接，空心方钢相互叠加形成的钢条侧壁具有以下优点：1、空心方钢具有较大的抗弯刚度，能承受较大的水平方向荷载，在水平力作用下几乎无变形，可大大提高水平加载准确性；2、空心方钢能直接叠放在槽侧壁上，可为四个方向提供反力，使水平多向加载成为可能；3、可对多根单桩水平试验提供多个反力侧壁，使多根单桩在一次填土工况下即可完成单桩水平载荷试验，操作简便，试验效率高；4、在空心方钢外侧施加水平方向荷载，能实现土体侧向移动对单桩或群桩承载性能影响的试验目的。

[0023] 7、在柱基座的槽内壁与侧面反力架之间、基础螺栓与侧面反力架或者挡板之间均设有槽底垫块，槽底垫块为矩形长钢条，槽底垫块的作用是固定槽侧壁最下层的挡板，并承受来自填土的水平方向压力，使最下层挡板保持竖直。

[0024] 8、本发明中，H形钢柱上的螺栓孔的间距、边框上的螺栓孔的间距、H形箱体梁上的螺栓孔的间距和固定板上的孔间距均相等，便于装配和调整各部件的位置。

[0025] 9、本发明的H形钢柱可根据试验需要加长和调节位置，可以有空间在上部和水平向安设作动器，提供动荷载，实现对模型桩进行竖向和水平向的动载荷试验目的。

附图说明

[0026] 图1为本发明的结构示意图；

[0027] 图2为本发明另一角度的结构示意图；

[0028] 图3为图1的侧视图；

[0029] 图4为图3的侧视图；

[0030] 图5为图3的俯视图。

具体实施方式

[0031] 如图1、图2、图3、图4和图5所示的基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，其包括槽底座和槽底座上垂直设置的四根槽立柱，在相邻槽立柱之间设有槽侧壁3，槽立柱和槽侧壁3共同围成方形空腔。在同侧两根槽立柱的上部之间分别设有柱顶横梁4，两柱顶横梁4相互平行，在两柱顶横梁4之间还连接有反力架5。

[0032] 槽底座包括地下室顶层11和地下室顶层11上预设的锚固孔12，锚固孔12等间距分布，锚固孔12的直径不小于10cm。地下室顶层11由钢筋混凝土浇筑而成，其厚度不小于15cm，且混凝土强度等级不小于C40。

[0033] 槽立柱包括柱基座24和垂直设于柱基座24上的H形钢柱21，H形钢柱与柱基座24焊接形成槽立柱，柱基座24通过锚固孔12内的基础螺栓25固定于地下室顶层11上，使槽立柱与槽底座保持刚性连接。在H形钢柱21的翼板边缘处均布设有螺栓孔22，且H形钢柱21的翼板所在平面与柱顶横梁4的长度方向平行。

[0034] 柱顶横梁4由H形箱体梁41构成，在H形箱体梁41的边缘均布设有螺栓孔42，H形箱体梁41两端与对应的H形钢柱21卡装螺纹连接。柱顶横梁4的作用为：1、固定4根H形钢柱21，形成整体钢架结构，使装置结构稳定性强；2、柱顶横梁4可根据实际试验要求调整自身高度，使装置能够适应不同长度模型桩的多向载荷试验，试验范围宽；3、为反力架5提供支撑，给槽底座内的单桩或群桩提供竖向反力；4、作为反力架5的支撑，可根据需要任意调整反力架5的位置，实现任意位置桩头均能位于反力梁51的正下方，便于向其提供竖向荷载，可大大降低模型桩的埋桩难度。

[0035] 反力架5包括反力梁51和反力梁51两端的固定机构52，固定机构52包括边缘设孔的固定板53和穿设在孔内的螺栓54，反力梁51通过固定板53和螺栓54安装在柱顶横梁4上。固定机构52的作用为：1、固定反力梁51，提供竖向荷载的施力基础，竖向荷载包括竖向抗压和抗拔荷载；2、便于调节反力梁51的位置，实现任意位置模型桩桩头均能位于反力梁51的正下方，可大大降低模型桩的埋桩难度。

[0036] 槽侧壁3包括多级挡板31，每级挡板31包括边框32和边框32内的面板，边框32上均布设有螺栓孔36，同一侧面内的相邻挡板31通过边框32螺纹连接。面板包括钢板33或者钢化玻璃板34。在H形钢柱21的翼板边缘螺接有侧面反力架23，侧面反力架23为等边角钢，侧面反力架23的两边均设有螺栓孔，侧面反力架23另一边与边框32螺纹连接。侧面反力架23可承受来自装土后槽侧壁3向外的水平方向压力，以防止槽侧壁3受力向外倾斜。

[0037] 在槽侧壁3的上方纵向叠加设置有空心方钢35，且空心方钢35最上方低于柱顶横梁4；空心方钢35两端与侧面反力架23螺纹连接或者与H形钢柱21的槽内壁相接。空心方钢35相互叠加形成的钢条侧壁具有以下优点：1、空心方钢35具有较大的抗弯刚度，能承受较大的水平方向荷载，在水平力作用下几乎无变形，可大大提高水平加载准确性；2、空心方钢
35能直接叠放在槽侧壁3上，可为四个方向提供反力，使水平多向加载成为可能；3、可对多根单桩水平试验提供多个反力侧壁，使多根单桩在一次填土工况下即可完成单桩水平载荷试验，操作简便，试验效率高；4、在空心方钢35外侧施加水平方向荷载，能实现土体侧向移动对单桩或群桩承载性能影响的试验目的。

[0038] 在本发明中，柱基座24为槽型，H形钢柱21位于柱基座24的槽内，柱基座24的槽内壁与侧面反力架23之间、基础螺栓25与侧面反力架23或者挡板31之间均设有槽底垫块13，槽底垫块13为矩形长钢条，槽底垫块13的作用是固定槽侧壁33最下层的挡板31，并承受来自填土的水平方向压力，使最下层挡板31保持竖直。反力梁51为方形空心带隔板的钢梁，其内的隔板可提高反力梁51的抗弯能力，可为提供较大的竖向反力提供保障。

[0039] 在本发明中，H形钢柱21上的螺栓孔22的间距、边框32上的螺栓孔36的间距、H形箱体梁41上的螺栓孔42的间距和固定板53上的孔间距均相等，便于装配和调整各部件的位置。

[0040] 在本实施方式中，H形钢柱21的高度为3～5m，相邻的H形钢柱21的水平间距均为2～3m，且高度与水平间距的比值为1.5～2；基础螺栓25的直径不小于10cm；每级挡板31的高度为50cm、长度为2～3m，槽侧壁3的高度为2～4m，即挡板31为4～8级；钢板33的厚度不小于3mm，钢化玻璃板34的厚度不小于1cm，空心方钢35的数量为20～30根，空心方钢35的截面边长为5cm；反力梁51的截面宽度不小于15cm、厚度不小于1cm。

[0041] 本发明试验方法包括如下步骤：

[0042] （1）、铺设槽底座、固定模型桩，在槽底座上围绕模型桩安装基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置，包括自下而上安装面板为钢板33的槽侧壁3与面板为钢化玻璃板34的槽侧壁3以及安装柱顶横梁4和反力架5，且在需要提供水平反力的槽侧壁3上方固定空心方钢35；

[0043] （2）、安装水平反力装置：在空心方钢35内侧固定液压千斤顶，液压千斤顶端部安装荷载传感器，使用球形支座连接荷载传感器与模型桩的桩头，以保证模型桩始终受到水平荷载的作用；

[0044] （3）、安装竖向反力装置：首先，根据模型桩所处位置调整反力架5在柱顶横梁4上的位置，使反力架5位于待测模型桩的正上方，以保证各个位置模型桩的竖向加载能够顺利进行；然后，在反力架5上固定荷载传感器，模型桩的桩头设置液压千斤顶，连接荷载传感器与液压千斤顶；

[0045] （4）、布置多向加载系统：以匹配基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置为原则，多向加载系统包括主机、端前测控器和无线通信器，主机放置在实验室内，主机可满足最多同时控制三个方向加载的要求，以实现控制单根模型桩三个方向同时加载或者三根模型桩同时单向加载的目的；

[0046] （5）、加载测试：通过无线通信器控制多向加载系统，试验中多向加载系统自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录，自动采集数据。

[0047] 在上述步骤中，模型桩可以为单桩或者群桩，即单根模型桩或者多根模型桩。

[0048] 在步骤（2）中，空心方钢35内侧设有位于液压千斤顶底部的垫板，使空心方钢35受力均匀，垫板的高度与空心方钢35的叠加高度相等、长度不小于1m。

[0049] 在步骤（3）中，模型桩的桩头上设有垫板，垫板与液压千斤顶相连，垫板与模型桩的桩头之间铺设5mm厚的砂土，以保证模型桩均匀受力。

[0050] 在本发明中，H形钢柱21的高度和水平间距可根据实际试验要求进行调节，且应满足相似比不小于1：8的群桩模型试验要求。