一种稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法

摘要

一种稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，包括以下步骤：(1)确定模型桩的尺寸、箱内土体的厚度；(2)确定承压层水压压力；(3)分层铺设土层，埋设模型桩；(4)安放传力水袋；(5)安放反压板；(6)安放竖向加载系统和数据采集系统；(7)承压层水压加载；(8)确定加载级别，实行分级加载；(9)桩顶竖向加载；(10)确定模型桩的竖向抗压极限承载力；(11)拆卸测试装置；(12)确定单桩的竖向承载力特征值；(13)调整承压水层压力，增大承压层水压到下一级别，再次重复上述步骤(2)‑(12)，得出不同承压水压力条件下的桩基竖向承载力的特征值。本发明效果好、操作方便、费用低、时间短。

权利要求

1.一种稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，其特征在于：实现所述测试方法的装置包括模型箱、竖向加载系统、水压加载系统和数据采集系统，所述模型箱内铺设模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设模型桩，所述竖向加载系统包括反力架、杠杆、压桩器和砝码，所述压桩器与杠杆采用螺栓连接，所述压桩器位于所述模型桩的顶部，所述杠杆的一端铰接在所述反力架上，所述反力架安装在所述模型箱上，所述杠杆的另一端挂接砝码；所述水压加载系统包括水泵、进口反滤芯筒、出口反滤芯筒、传力水袋和反压板，所述水泵的出水口与进口反滤芯筒连接，所述进口反滤芯筒安装在模型箱的壁面的进水口上，所述出口反滤芯筒安装模型箱的壁面的出水口上，所述箱内土体的顶面铺设所述传力水袋，所述传力水袋上设置反压板，所述反压板分为左右两部分且均与转轴连接，左右两块反压板之间采用旋盖连接，所述旋盖穿过所述模型桩；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于压桩器顶部，所述位移计与数据采集仪连接；

所述测试方法包括以下步骤：

（1）确定模型桩的尺寸、箱内土体的厚度；

（2）确定承压层水压；

（3）分层铺设土层，埋设模型桩；

（4）安装传力水袋，传力水袋设置在土层上部，将传力水袋与水压力计连接；

（5）安装反压板；

（6）安装竖向加载系统和数据采集系统；

（7）承压层水压加载，通过水泵向模型箱中注水，当达到目标水压后，继续供压一段时间后关闭阀门保证恒压；

（8）确定桩顶竖向加载级别，实行分级加载；

（9）桩顶竖向加载；

（10）确定单桩竖向抗压极限承载力，根据加载力和位移计LVDT监测的实时位移，绘制出该次试验的荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求确定出单桩竖向抗压极限承载力；

（11）拆卸测试装置；

（12）确定单桩的竖向承载力特征值：重复上述步骤（3）-（11），获得一组三根桩的竖向抗压极限承载力，当三根桩级差不超过平均值的30%时，取其平均值作为单桩竖向抗压极限承载力，单桩的竖向承载力特征值取单桩竖向抗压极限承载力的50%；

（13）调整承压层水压，增大承压层水压到下一级别，再次重复上述步骤（2）-（12），得出不同承压层水压条件下的桩基竖向承载力的特征值。

2.如权利要求1所述的稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，其特征在于：所述步骤（11）中，打开出水口的阀门，进行承压水的回收，然后移开反力架，打开旋盖，收起反压板，依次收起传力水袋、试验用土体、模型桩、进口反滤芯筒、出口反滤芯筒，整理模型箱以便下次试验。

3.如权利要求1或2所述的稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，其特征在于：所述模型桩上安装环形止水条，所述环形止水条包括螺杆、滑槽和橡胶止水条，所述橡胶止水条可在所述滑槽内滑动，所述螺杆伸入所述滑槽内，所述橡胶止水条位于所述模型桩的外表面；

所述步骤（1）中，确定止水条的尺寸和数目并安装环形止水条。

4.如权利要求3所述的稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，其特征在于：所述步骤（1）中，安装环形止水条的过程如下：预估模型桩在淤泥质粘土的区域，在该区域沿高度均匀地布置3个环形止水条，将环形止水条穿过桩身放置到相应位置后，拧动螺栓，橡胶止水条便会在螺栓的推动下前进，直至与桩身接触。

5.如权利要求1或2所述的稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，其特征在于：所述步骤（6）中，在模型箱上移动反力架，使杠杆处于桩顶上方，继续调整杠杆上的压桩器的位置，使压桩器处于桩顶正上方；将位移计安放在支架上，并与数据采集仪相连接，用于测试桩顶的竖向位移。

说明书

一种稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，主要适用于室内竖向静载试验中承压水条件下的单桩竖向承载特性方面的研究，属于桩基测试技术领域。

背景技术

[0002] 随着全国城市的加速发展，建筑规模逐渐增大，高层建筑越来越多。高层建筑的屹立，桩基起着不可或缺的作用，它可以将上部荷载传递给地基。为了达到理想的持力层，桩基的长度不断增加，桩基础往往会深入到甚至穿过承压层。由于动水压力的存在，承压水条件下的桩基竖向承载力与潜水条件下的桩基竖向承载力特性有较大差异，工程问题也更加复杂。桩基竖向承载力通常由现场竖向静载试验来获得，但是现场试验存在操作复杂、成本高、时间长等不足，且难以获得大量静载测试数据，因此可采用室内竖向静载试验代替现场静载试验。目前，室内试验中很难实现稳定的高承压水环境，主要原因有：1)无法形成封闭的承压水层。承压层中水会在压力作用下沿着桩-土界面、土与模型箱的界面向上发生渗流，导致高承压水条件下的静载试验难以进行，尤其是当承压水的压力水头较大时，这一点尤为突出。2)土体隆起甚至破坏。根据压力平衡法，当承压水的渗透压力超过上部土体的自重，就会发生土体隆起甚至破坏，导致承压水条件下的单桩竖向静载试验失败。

发明内容

[0003] 为了克服已有单桩竖向静载试验方式的效果复杂、操作麻烦、费用较高、周期较长的不足，本发明提供一种效果好、操作方便、费用低、时间短的稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 一种稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，实现所述测试方法的装置包括模型箱、竖向加载系统、水压加载系统和数据采集系统，所述模型箱内铺设模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设模型桩，所述竖向加载系统包括反力架、杠杆、压桩器和砝码，所述压桩器与杠杆中部连接，所述压桩器位于所述模型桩的顶部，所述杠杆的一端铰接在所述反力架上，所述反力架安装在所述模型箱上，所述杠杆的另一端挂接砝码；所述水压加载系统包括水泵、进口反滤芯筒、出口反滤芯筒、传力水袋和反压板，所述水泵的出水口与反滤芯筒连接，所述进口反滤芯筒安装在模型箱的壁面的进水口上，所述出口反滤芯筒安装模型箱的壁面的出水口上，所述箱内土体的顶面铺设所述传力水袋，所述传力水袋上设置反压板，所述反压板分为左右两部分且均与转轴连接，左右两块反压板之间采用旋盖连接，所述旋盖穿过所述模型桩；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于压桩器的顶部，所述位移计与数据采集仪连接。

[0006] 所述测试方法包括以下步骤：

[0007] (1)确定模型桩的尺寸、箱内土体的厚度；

[0008] (2)确定承压层水压压力；

[0009] (3)分层铺设土层，埋设模型桩；

[0010] (4)安放传力水袋，传力水袋安放在土层上部，将传力水袋与水压力计连接；

[0011] (5)安放反压板；

[0012] (6)安放竖向加载系统和数据采集系统；

[0013] (7)承压层水压加载，通过水泵向模型箱中注水，当达到目标水压后，继续供压一段时间后关闭阀门保证恒压；

[0014] (8)确定加载级别，实行分级加载；

[0015] (9)桩顶竖向加载；

[0016] (10)确定模型桩的竖向抗压极限承载力，根据加载力和LVDT监测的实时位移，绘制出该次试验的荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求确定出单桩竖向承载力极限值；

[0017] (11)拆卸测试装置；

[0018] (12)确定单桩的竖向承载力特征值，重复上述步骤(3)-(11)，获得一组三根桩的竖向抗压极限承载力，当三根桩极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为单桩竖向抗压极限承载力，单桩的竖向承载力特征值取单桩竖向抗压极限承载力的50％；

[0019] (13)调整承压水层压力，增大承压层水压到下一级别，再次重复上述步骤(2)-(12)，得出不同承压水压力条件下的桩基竖向承载力的特征值。

[0020] 进一步，所述步骤(11)中，打开出水口的阀门，进行承压水的回收，然后移开反力架，打开旋盖，收起反压板，依次收起传力水袋，试验用土体、桩、反滤芯筒，整理模型箱以便下次试验。

[0021] 再进一步，所述模型桩上安装环形止水条，所述环形止水条包括螺杆、滑槽和橡胶止水条，所述橡胶止水条可在所述滑槽内滑动，所述螺杆伸入所述滑槽内，所述橡胶止水条位于所述模型桩的外表面；

[0022] 所述步骤(1)中，确定止水条的尺寸和数目并安装环形止水条。

[0023] 所述步骤(1)中，安装环形止水条的过程如下：预估模型桩在淤泥质粘土的区域，在该区域沿高度均匀地布置3个环形止水条。将环形止水条穿过桩身放置到相应位置后，拧动螺栓，橡胶止水条便会在螺栓的推动下前进，直至与桩身接触。

[0024] 所述步骤(6)中，将反力架在模型箱上移动，使杠杆处于桩顶上方，继续在杠杆调整压桩器位置，使压桩器处于桩顶正上方；将位移计安放在支架上，并与数据采集仪相连接，用于测试桩顶的竖向位移。

[0025] 本发明的有益效果主要表现在：(1)承压水稳定可控。承压层采用压力泵加载，保证试验的压力需求。压力大小通过水压力进行控制和调整。当达到目标压力后，关闭阀门，维持土体中水压力的稳定。(2)实现土与模型箱壁面和桩土界面的止水。在桩土界面的设置环形止水片，能够阻挡自下向上的渗流。模型箱四周采用凹凸相间的壁面，增加承压水的渗流路径，阻止渗流。(3)防止土体隆起破坏。传力水袋能够有效地在反压板和土体之间传递压力，同时反压板被挡板和旋盖固定。所以对于上部不透水层而言，由于土体上表面受反力板约束，避免了土体在承压水作用下的渗流隆起破坏。(4)操作简单，费用低。相对于现场的高昂花费而言，室内试验的装置可以根据需要进行组装，而且可以重复使用。(5)加载力稳定。根据杠杆原理采用砝码加载克服了液压加载的不稳定性，可同时对桩施加几十倍于砝码重量的荷载，增加加载装置的测试范围。

附图说明

[0026] 图1是稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试装置的结构示意图。

[0027] 图2传力水袋图。

[0028] 图3压水板俯视图。

[0029] 图4止水条样图。

[0030] 图5旋盖样图。

[0031] 图6反滤芯筒与模型箱连接图。

[0032] 图7反力架与模型箱连接图。

[0033] 图8杠杆与反力架连接图。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0035] 参照图1～图8，一种稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试方法，实现所述测试方法的装置包括模型箱、竖向加载系统、水压加载系统和数据采集系统，所述模型箱内放置模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设模型桩，所述竖向加载系统包括反力架、杠杆、压桩器和砝码，所述压桩器与杠杆中部采用螺栓连接，所述压桩器位于所述模型桩的顶部，所述杠杆的一端铰接在所述反力架上，所述反力架安装在所述模型箱上，所述杠杆的另一端挂接砝码；所述水压加载系统包括水泵、进口反滤芯筒、出口反滤芯筒、传力水袋和反压板，所述水泵的出水口与反滤芯筒连接，所述进口反滤芯筒安装在模型箱的壁面的进水口上，所述出口反滤芯筒安装模型箱的壁面的出水口上，所述箱内土体的顶面铺设所述传力水袋，所述传力水袋上设置反压板，所述反压板分为左右两部分且均与转轴连接，左右两块反压板之间采用旋盖连接，所述旋盖穿过所述模型桩；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于压桩器的顶部，所述位移计与数据采集仪连接。

[0036] 所述测试方法包括以下步骤：

[0037] (1)确定模型桩的尺寸、箱内土体的厚度；

[0038] (2)确定承压层水压压力；

[0039] (3)分层铺设土层，埋设模型桩；

[0040] (4)安放传力水袋，传力水袋安放在土层上部，将传力水袋与水压力计连接；

[0041] (5)安放反压板；

[0042] (6)安放竖向加载系统和数据采集系统；

[0043] (7)承压层水压加载，通过水泵向模型箱中注水，当达到目标水压后，继续供压一段时间后关闭阀门保证恒压；

[0044] (8)确定加载级别，实行分级加载；

[0045] (9)桩顶竖向加载；

[0046] (10)确定模型桩的竖向抗压极限承载力，根据加载力和LVDT监测的实时位移，绘制出该次试验的荷载—位移曲线，依据现行规范的取值要求确定出单桩竖向承载力极限值；

[0047] (11)拆卸测试装置；

[0048] (12)确定单桩的竖向承载力特征值。重复上述步骤(3)-(11)，获得一组三根桩的竖向抗压极限承载力，当三根桩极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为单桩竖向抗压极限承载力，单桩的竖向承载力特征值取单桩竖向抗压极限承载力的50％；

[0049] (13)调整承压水层压力，增大承压层水压到下一级别，再次重复上述步骤(2)-(12)，得出不同承压水压力条件下的桩基竖向承载力的特征值。

[0050] 本实施例的稳定承压水条件下单桩竖向静载试验的测试装置，包括模型箱、竖向加载系统、水压加载系统和数据采集系统，所述模型箱内放置模拟场地的箱内土体，所述箱内土体埋设模型桩，所述竖向加载系统包括反力架、杠杆、压桩器和砝码，所述压桩器与杠杆中部连接，所述压桩器位于所述模型桩的顶部，所述杠杆的一端铰接在所述反力架上，所述反力架安装在所述模型箱上，所述杠杆的另一端挂接砝码；所述水压加载系统包括水泵、进口反滤芯筒、出口反滤芯筒、传力水袋、反压板和挡板，所述水泵的出水口与反滤芯筒连接，所述进口反滤芯筒安装在模型箱的壁面的进水口上，所述出口反滤芯筒安装模型箱的壁面的出水口上，所述箱内土体的顶面铺设所述传力水袋，所述传力水袋上设置反压板，所述反压板分为左右两部分且均与转轴连接，左右两块反压板之间采用旋盖连接，所述旋盖穿过所述试验桩；所述数据采集系统包括位移计，所述位移计位于压桩器的顶部，所述位移计与数据采集仪连接。

[0051] 进一步，所述模型箱的一圈设有滚轮轨道，所述反力架上安装滚轮，所述滚轮安装在所述滚轮轨道上。

[0052] 再进一步，所述模型桩上安装环形止水条，所述环形止水条包括螺杆、滑槽和橡胶止水条，所述橡胶止水条可在所述滑槽内滑动，所述螺杆伸入所述滑槽内，所述橡胶止水条位于所述模型桩的外表面。

[0053] 所述传力水袋有4个，所述传力水袋之间通过连通管连通，所述连通管与水压力计连接。

[0054] 所述水压加载系统还包括用于固定所述反压板的挡板，所述挡板可转动地安装在挡板转轴上，所述挡板转轴固定在所述模型箱内。

[0055] 所述杠杆的一端通过刀口铰与所述反力架连接。

[0056] 所述模型箱内开有供反滤芯筒放置的安装槽，反滤芯筒与模型箱的壁面之间通过橡胶垫圈密封连接，所述水泵与进水口处的所述反滤芯筒之间管路上安装阀门和水压力计。

[0057] 所述模型箱的出水口安装阀门，所述阀门的下方设有集水池。

[0058] 本实施例的测试装置包括模型箱1；模型桩2；箱内土体3(包括素填土31；粉土32；淤泥质粘土33；砂土34；致密粘土35)；水压力泵4；反滤芯筒5；环形止水条6；传力水袋7；反压板8；旋盖9；挡板10；反力架11；杠杆12；压桩器13；砝码14；集水池15；水压力计16；阀门
17；LVDT位移计18；数据采集仪19；计算机控制系统20；挡板转轴21；反压板转轴22；凹凸面
23；刀口铰24；滚轮25；连通管26；橡胶垫圈27；螺杆28；滑槽29；橡胶止水条30。

[0059] 模型箱1与反滤芯筒5之间采用螺栓连接。传力水袋7内部采用连通管26连通，在反压板8与箱内土体3传递压力。反压板8与模型箱1通过反压板转轴22连接，反压板8与旋盖9采用螺栓连接。挡板10与模型箱1通过挡板转轴21连接，挡板10位于反压板8上。反力架11的滚轮25可以在模型箱1中滚动。杠杆12通过刀口铰24与反力架11相接，压桩器13通过螺栓固定在杠杆12上，用于将荷载传递给模型桩2。环形止水条6包括螺杆28、滑槽29和橡胶止水条30，转动螺杆28可以将橡胶止水条30在滑槽29中移动，使橡胶止水条30紧贴在模型桩2外表面。LVDT位移计18与数据采集仪19用数据线传输信号，再将数据转换传输给计算机控制系统20。

[0060] 所述模型箱是由有机玻璃、型钢拼装而成，型钢用以加固模型箱。所述竖向加载系统由反力架、杠杆、压桩器、砝码组成。压桩器通过螺栓与杠杆连接，可以将荷载传递给桩体。所述水压加载系统由水泵、不锈钢接口、反滤芯筒、阀门、传力水袋和反压板、挡板组成。反压板分为由左右两部分组成，均与模型箱的反压板转轴相连，反压板可以绕转轴旋转收起。2块反压板采用旋盖连接，同时由6块挡板固定。挡板位于模型箱侧壁，可以绕挡板在水平面内的转轴旋转。传力水袋分为4个，能够覆盖整个土体表面。每个传力水袋之间采用连通管连接，并与水压力计相连。所述数据采集系统由LVDT位移计和数据采集仪组成，所述计算机控制系统内带软件，可以收集和处理测试数据。

[0061] 所述反滤芯筒可以将透水层的砂层与水隔离。所述环形止水条可以根据桩尺寸自行选择。所述反滤芯筒使用螺纹与模型箱相接。所述旋盖的内径应稍大于桩径，可以根据桩径选择。所述环形止水条为防锈蚀的材料制作，避免锈蚀。所述橡胶垫圈为环形，位于模型箱和反滤芯筒之间。

[0062] 本试验模型箱的箱体内部尺寸为1000mm×1000mm×1000m。箱壁由有机玻璃制作，型钢焊接组成框架。工程中的现场模型桩尺寸为直径0.8m，长度为30m的钻孔灌注桩。场地土层自上而下依次是素填土、粉土、淤泥质粘土、砂土、致密粘土，厚度分别为2m、2m、16m、4m、6m。砂土层为透水土层，不透水土层为淤泥质粘土和致密粘土。

[0063] 本发明的测试方法的步骤如下：

[0064] 1)确定模型桩的尺寸、材质。根据设计的工程桩尺寸确定模型桩的形状，模型桩尺寸按工程桩尺寸进行等比例缩小。本次试验采用40:1比例，因此，可确定桩长为750mm，桩径20mm。

[0065] 2)确定室内试验的土层厚度。根据地质勘察报告中的土层分布及其厚度进行按比例缩小。本次试验采用40:1比例缩小。素填土、粉土、淤泥质粉质粘土、砂土、致密粘土厚度分别为0.05m、0.05m、0.4m、0.1m、0.15m。

[0066] 3)确定止水条的尺寸和数目。根据试验桩的外径尺寸，选择与之匹配的环形止水条，即内部直径为20mm。根据试验中承压水确定环形止水条的数目。在本次实例中采用3个环形止水条。

[0067] 4)安装环形止水条。预估模型桩在淤泥质粘土的区域，在该区域沿高度均匀地布置3个环形止水条。将环形止水条穿过桩身放置到相应位置后，拧动螺栓，橡胶止水条便会在螺栓的推动下前进，直至与桩身接触。桩土界面发生的渗流就会被环形止水条阻挡。

[0068] 5)确定承压层水压压力。本次试验根据现场的承压水压0.6MPa，按照40:1，试验压力为15kPa，分3级加载，首次加载5kPa，之后每次加载梯度为5kPa。

[0069] 6)分层铺设土层，埋设试验桩。然后在模型箱内铺设桩端的致密粘土层，当铺设到桩底的位置时，将桩身垂直放置模型箱的中心位置，并继续自下而上按照土层的顺序和厚度依次铺设相应土层，直至到顶部素填土层。在各层铺设过程中要保证相应的土层特性和平整度。

[0070] 7)安放传力水袋。传力水袋按照序号安放在土层上部的相应位置处，将传力水袋的水管与水压力计连接。通过水压力计可以实时观测传力水袋中的压力。

[0071] 8)安放反压板。将反压板绕转轴旋转并盖在传力水袋上，再用旋盖将左右两侧的反压板连接成整体，从模型箱外侧旋出挡板，使挡板能够有效地压住反压板，防止反压板和传力水袋的隆起，保证土体受到承压水作用不会发生隆起破坏。

[0072] 9)安放竖向加载系统和数据采集系统。将反力架在模型箱上移动，使杠杆处于桩顶上方，继续在杠杆调整压桩器位置，使压桩器处于桩顶正上方。将2个LVDT位移计安放在支架上，并与数据采集仪相连接，用于测试桩顶的竖向位移。

[0073] 10)承压层水压加载。通过水泵向模型箱中注水，当达到目标水压后，继续稳供压一段时间后关闭阀门保证恒压。

[0074] 11)确定加载级别，实行分级加载。根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)及模型桩、土层参数初估最大单桩静载值，采用10级加载且每次加载为预估值的1/10。本实施例中，由现行桩基规范初估桩基承载力为10kN，按每级1kN进行，共分10级施加砝码。

[0075] 12)桩顶竖向加载。加载采用现行规范中的慢速维持荷载法进行加载，具体的加卸载分级、试验方法、稳定标准及结束标准按现行规范进行，数据采集系统能自动记录荷载及加卸载过程中的位移和残余位移。

[0076] 13)确定试验桩的竖向抗压极限承载力。根据加载力和LVDT监测的实时位移，可以绘制出该次试验的荷载—位移(Q—S)曲线，依据现行规范的取值要求确定出单桩竖向承载力极限值。

[0077] 14)回收试验用水和土体，拆卸试验装置，清理模型箱。关闭仪器，打开阀门，进行承压水的回收，然后移开反力架，打开旋盖，收起反压板，依次收起传力水袋，试验用土体、桩、环形止水条，反滤芯筒，清理模型箱以便下次试验。

[0078] 15)确定单桩的竖向承载力特征值。重复上述步骤6)-14)，获得一组三根桩的竖向抗压极限承载力。当三根桩极差不超过平均值的30％时，取其平均值作为单桩竖向抗压极限承载力。单桩的竖向承载力特征值取单桩竖向抗压极限承载力的50％。

[0079] 16)调整承压水层压力。调整承压层水压的压力值，再次重复上述步骤5)-15)，得出不同承压水压力条件下的桩基竖向承载力的极限值和特征值。