本發(fā)明涉及一種模擬樁周土徑向非均質(zhì)性的試驗(yàn)裝置及方法，屬于樁基工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

樁基礎(chǔ)作為一種深基礎(chǔ)形式，在基礎(chǔ)工程中有著廣泛的應(yīng)用。對于預(yù)制樁，在靜壓或振動沉樁施工過程中勢必對樁周土體產(chǎn)生擾動、重塑以及擠壓作用，而鉆孔灌注樁在施工過程中存在成孔卸荷效應(yīng)和動態(tài)荷載作用的影響，削弱了樁周土層的應(yīng)力，這些都將導(dǎo)致樁周附近土體的剪切模量和密度等參數(shù)發(fā)生變化，從而造成樁周土沿徑向呈現(xiàn)出非均質(zhì)特性。在松散或不太密實(shí)的砂土、粉土中打入擠土型樁（如預(yù)制樁），樁側(cè)附近將產(chǎn)生擠土效應(yīng)，土體密實(shí)度、剪切模量可能得到一定程度提高（硬化）。而在密實(shí)的砂土、粉土或高靈敏性軟黏土中進(jìn)行鉆孔灌注樁施工，樁側(cè)附近土體將受到鉆孔擾動和松弛效應(yīng)的影響，其密實(shí)度、剪切模量可能有所下降（軟化）。

目前，對于沉樁過程中樁周土體非均質(zhì)特性的研究，主要是通過理論分析來進(jìn)行的。利用復(fù)剛度傳遞平面應(yīng)變土體模型，對徑向非均質(zhì)土中樁基振動特性的研究發(fā)現(xiàn)，施工效應(yīng)導(dǎo)致的土體徑向非均質(zhì)性，不管是在擾動程度，還是擾動范圍上，均對樁基振動特性有著十分明顯的影響；擾動范圍、擾動土劃分圈數(shù)與土體硬(軟)化徑向分布模式均對樁基特性有著不可忽視的影響。然而，樁側(cè)土受施工效應(yīng)的影響十分復(fù)雜，單純的理論分析并不能真實(shí)的模擬土體實(shí)際狀態(tài)，有必要設(shè)計(jì)一種能夠模擬樁周擾動土體徑向非均質(zhì)特性的試驗(yàn)裝置，為從試驗(yàn)角度研究土體擾動狀態(tài)下的樁土體系提供可能，進(jìn)而驗(yàn)證理論計(jì)算模型的合理性和準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種模擬樁周土徑向非均質(zhì)性的試驗(yàn)裝置及方法，為模型樁提供任意圈層徑向非均質(zhì)的樁周土體，實(shí)現(xiàn)樁周擾動土體的徑向分圈，克服以往只能通過理論分析來研究樁周土徑向非均質(zhì)性的不足。

本發(fā)明提供了一種模擬樁周土徑向非均質(zhì)性的試驗(yàn)裝置，包括壓土裝置、加載裝置、套筒、反力橫梁、模型樁、反力架和模型箱，壓土裝置通過齒形壓桿與加載裝置的驅(qū)動齒輪連接，加載裝置置于反力架的橫梁上；反力橫梁通過螺栓與兩端帶孔的l型角鋼相連，l型角鋼固定于模型箱縱向的頂部；

壓土裝置由上下兩層承壓板、若干環(huán)形壓土板和齒形壓桿組成；齒形壓桿與上承壓板相連，上承壓板和下承壓板通過第一螺桿連接，下承壓板通過傳力桿與環(huán)形壓土板連接，環(huán)形壓土板位于土體上方；當(dāng)試驗(yàn)中上拔套筒時，下承壓板通過第二螺桿與反力橫梁連接；齒形壓桿向下運(yùn)動時推動承壓板，并帶動壓土板對各套筒內(nèi)土體實(shí)施同步等厚壓實(shí)，通過控制填土質(zhì)量繼而獲得沿徑向不同的土體密實(shí)度；待填土至一定深度后，松開上、下承壓板之間的螺栓，借助齒形壓桿向上運(yùn)動分離上承壓板，并帶動吊耳上移套筒，開始下一階段的壓實(shí)填土；

套筒由多層同心薄壁鋼圓筒組成，試驗(yàn)開始時，套筒置于模型箱底部，且圓心與上下承壓板的圓心對應(yīng)；

上承壓板為圓形板，中間設(shè)有孔，底部沿徑向均勻設(shè)有一排吊耳，套筒頂部的吊耳與其對應(yīng)設(shè)置，二者通過鋼絲繩連接；

加載裝置由置于反力架橫梁上的一對小型電動機(jī)和兩對驅(qū)動齒輪組成；試驗(yàn)時，利用電機(jī)驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳導(dǎo)帶動齒形壓桿作垂直運(yùn)動。

反力橫梁為一帶有兩個螺孔的圓桿，與兩端帶孔l型角鋼連接，并設(shè)置在模型樁縱向樁頂以上20～40cm高度處；l型角鋼通過螺栓固定于模型箱頂部；

模型樁為預(yù)制實(shí)心樁或中空的管樁；模型樁位于模型箱中心距離底部10～20cm處；模型箱為鋼制長方體結(jié)構(gòu)。

上述裝置中，所述套筒為壁厚1～2mm的薄壁鋼筒，用于將樁周擾動土劃分為多個同心圓圈層；筒高為模型箱高度的1/3～1/4；套筒表面敷設(shè)聚酯薄膜并涂抹聚四氟乙烯涂料以減少套筒拔出時的摩阻力；距離套筒頂部處預(yù)留兩個直徑為4cm的圓孔，即為吊耳孔，用于上拔套筒時穿過鋼絲繩。

上述裝置中，上承壓板為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比最外圈套筒的直徑大10cm；上承壓板中央設(shè)置與模型樁直徑相同的圓孔；在上承壓板邊緣2cm處，沿圓周方向均勻布置四個螺孔，并與下承壓板的螺孔對應(yīng)，用于穿過第一螺桿與下承壓板固定；上承壓板底部徑向焊接若干吊耳，每個套筒對應(yīng)2個吊耳，用于懸掛鋼絲繩上拔套筒。

上述裝置中，下承壓板為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比上承壓板的直徑大10cm；下承壓板中心設(shè)有與模型樁直徑相同的圓孔；在距離邊緣2cm處縱向?qū)ΨQ布置兩個螺孔，用于穿過第二螺桿與反力橫梁連接；在與上承壓板連接處，沿圓周方向均勻布置四個螺孔，并與上承壓板的螺孔對應(yīng)，用于穿過第一螺桿與上承壓板固定；在與上承壓板吊耳對應(yīng)位置，徑向?qū)ΨQ設(shè)置若干直徑2cm的圓孔，用于穿過鋼絲繩。

上述裝置中，壓土板為厚度是1cm的鋼制環(huán)狀板，數(shù)量與套筒數(shù)相同，徑向?qū)挾扰c各圈土層寬度一致，各壓土板之間的間隙與套筒壁厚相同；中心壓土板中央留有穿過模型樁的圓孔，其直徑與樁徑一致；每塊壓土板與下承壓板通過4根沿圓周均勻分布的傳力桿連接；傳力桿上、下端分別通過螺栓與下承壓板和壓土板連接。

上述裝置中，所述齒形壓桿側(cè)面標(biāo)有刻度線，便于為壓桿垂直運(yùn)動時提供位移標(biāo)準(zhǔn)。

上述裝置中，所述第一螺桿和第二螺桿直徑均為30mm。

本發(fā)明的有益效果：

（1）通過對樁周土體劃分圈層并控制土體密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)了樁周土徑向非均質(zhì)特性的模擬，為分析施工效應(yīng)等因素下樁-擾動土相互作用機(jī)理提供了試驗(yàn)分析手段；

（2）通過控制各圈層土體寬度和密實(shí)度，可考慮擾動范圍、圈層數(shù)、擾動土硬(軟)化等不同情況，最大限度的反映土體真實(shí)擾動狀態(tài)對樁土體系力學(xué)行為的影響；

（3）借助電動機(jī)轉(zhuǎn)動帶動齒形壓桿以恒定速率對土體進(jìn)行等厚壓實(shí)，可實(shí)現(xiàn)對樁周土體密實(shí)度的精確控制，保證了填土壓實(shí)的均勻性和質(zhì)量，且填土方便快捷。

附圖說明

圖1是本發(fā)明試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是反力橫梁連接下承壓板時圖1的側(cè)視圖。

圖3是圖1中沿a-a線的剖視圖。

圖4是圖1中沿b-b線的剖視圖。

圖5是本裝置對套筒內(nèi)土體進(jìn)行壓實(shí)的狀態(tài)示意圖。

圖6是本裝置對套筒上拔的狀態(tài)示意圖。

圖7是圖6的左視圖。

圖中：1、齒形壓桿，2、模型樁，3、上承壓板，4、第一螺桿，5、吊耳，6、第二螺桿，7、下承壓板，8、鋼絲繩，9、傳力桿，10、壓土板，11、套筒，12、模型土，13、模型箱，14、l形角鋼，15、反力橫梁，16、反力架，17、齒輪，18、電動機(jī)，19、鏈條。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但不局限于以下實(shí)施例。

如圖1~4所示，一種模擬樁周土徑向非均質(zhì)性的試驗(yàn)裝置，包括壓土裝置、加載裝置、套筒、反力橫梁、模型樁、反力架和模型箱，壓土裝置通過齒形壓桿1與加載裝置的驅(qū)動齒輪17連接，加載裝置置于反力架16的橫梁上，試驗(yàn)時，利用電機(jī)驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳導(dǎo)帶動齒形壓桿作垂直運(yùn)動；反力橫梁15通過螺栓與兩端帶孔的l型角鋼14相連，l型角鋼14固定于模型箱13縱向的頂部，若模型箱13的尺寸較小，可解除l型角鋼14，將第二螺桿6用螺栓直接連接于反力架16的橫梁上；試驗(yàn)開始時，套筒11置于模型箱13底部，且圓心與上下承壓板的圓心對應(yīng)。

如圖5，壓土裝置由上下兩層承壓板、若干環(huán)形壓土板10和齒形壓桿1組成；齒形壓桿1與上承壓板3相連，上承壓板3和下承壓板7通過第一螺桿4連接，下承壓板7通過傳力桿9與環(huán)形壓土板10連接，環(huán)形壓土板10位于土體上方；當(dāng)試驗(yàn)中上拔套筒時，下承壓板7通過第二螺桿6與反力橫梁15連接；齒形壓桿1向下運(yùn)動時推動承壓板，并帶動壓土板10對各套筒11內(nèi)土體實(shí)施同步等厚壓實(shí)，通過控制填土質(zhì)量繼而獲得沿徑向不同的土體密實(shí)度；

如圖6、7，待填土至一定深度后，松開上、下承壓板之間的螺栓，下承壓板7利用第二螺桿6連接于反力橫梁15，壓土板10固定于套筒內(nèi)土體表面，借助齒形壓桿1向上運(yùn)動分離上承壓板3，并帶動吊耳5上移套筒11，開始下一階段的壓實(shí)填土；

套筒11由多層同心薄壁鋼圓筒組成，試驗(yàn)開始時，套筒11置于模型箱13底部，且圓心與上下承壓板的圓心對應(yīng)；

上承壓板3為圓形板，中間設(shè)有孔，底部沿徑向均勻設(shè)有一排吊耳5，套筒11頂部的吊耳5與其對應(yīng)設(shè)置，二者通過鋼絲繩8連接；

加載裝置由置于反力架橫梁15上的一對小型電動機(jī)18和兩對驅(qū)動齒輪組成；試驗(yàn)時，利用電機(jī)驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，通過機(jī)械傳導(dǎo)帶動齒形壓桿作垂直運(yùn)動。

反力橫梁15為一帶有兩個螺孔的圓桿，與兩端帶孔l型角鋼連接，并設(shè)置在模型樁2縱向樁頂以上20～40cm高度處；l型角鋼通過螺栓固定于模型箱頂部；

模型樁2為預(yù)制實(shí)心樁或中空的管樁；模型樁2位于模型箱13中心距離底部10～20cm處；模型箱13為鋼制長方體結(jié)構(gòu)。

上述裝置中，所述套筒11為壁厚1～2mm的薄壁鋼筒，用于將樁周擾動土劃分為多個同心圓圈層；筒高為模型箱高度的1/3～1/4；套筒表面敷設(shè)聚酯薄膜并涂抹聚四氟乙烯涂料以減少套筒拔出時的摩阻力；距離套筒頂部處預(yù)留兩個直徑為4cm的圓孔，即為吊耳孔，用于上拔套筒時穿過鋼絲繩。

上述裝置中，上承壓板3為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比最外圈套筒的直徑大10cm；上承壓板中央設(shè)置與模型樁直徑相同的圓孔；在上承壓板邊緣2cm處，沿圓周方向均勻分布有四個螺孔，并與下承壓板的螺孔對應(yīng)，用于穿過第一螺桿與下承壓板固定；上承壓板底部徑向焊接若干吊耳，每個套筒對應(yīng)2個吊耳，用于懸掛鋼絲繩上拔套筒。

上述裝置中，下承壓板7為厚度1cm的帶孔圓形鋼板，直徑比上承壓板的直徑大10cm；下承壓板中心設(shè)有與模型樁直徑相同的圓孔；在距離邊緣2cm處縱向?qū)ΨQ布置兩個螺孔，用于穿過第二螺桿與反力橫梁連接；在與上承壓板連接處，沿圓周方向均勻分布有四個螺孔，并與上承壓板的螺孔對應(yīng)，用于穿過第一螺桿與上承壓板固定；在與上承壓板吊耳對應(yīng)位置，徑向?qū)ΨQ設(shè)置若干直徑2cm的圓孔，用于穿過鋼絲繩。

上述裝置中，壓土板10為厚度是1cm的鋼制環(huán)狀板，數(shù)量與套筒數(shù)相同，徑向?qū)挾扰c各圈土層寬度一致，各壓土板之間的間隙與套筒壁厚相同；中心壓土板中央留有穿過模型樁的圓孔，其直徑與樁徑一致；每塊壓土板與下承壓板通過4根沿圓周均勻分布的傳力桿連接；傳力桿上、下端分別通過螺栓與下承壓板和壓土板連接。

上述裝置中，所述齒形壓桿1側(cè)面標(biāo)有刻度線，便于為壓桿垂直運(yùn)動時提供位移標(biāo)準(zhǔn)。

上述裝置中，所述第一螺桿4和第二螺桿6的直徑均為30mm。

本發(fā)明提供了一種模擬樁周土徑向非均質(zhì)性的試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

①確定擾動土參數(shù)：首先通過土工試驗(yàn)確定土體性質(zhì)與密實(shí)度、密度之間的關(guān)系，然后根據(jù)樁周土性質(zhì)沿徑向的變化模式，確定擾動區(qū)范圍、圈層數(shù)、圈層體積和密實(shí)度，并計(jì)算各圈層土體及非擾動區(qū)域填筑相同高度所需的土體質(zhì)量；

②實(shí)驗(yàn)裝置組裝：將加載裝置置于反力架橫梁上，通過齒形壓桿將加載裝置與壓土裝置連接；其中，上下承壓板通過第一螺桿連接，上下承壓板的圓心對應(yīng)模型箱的中心；反力橫梁通過l型角鋼與模型箱連接；在模型箱內(nèi)依次放置鋼套筒，套筒圓心對應(yīng)上下承壓板的圓心；

③填筑樁端土：根據(jù)步驟①計(jì)算得到的密實(shí)度，在保證樁端土密度一致的前提下，將配制好的不同質(zhì)量土體均勻鋪置在各套筒內(nèi)，啟動電機(jī)驅(qū)動齒輪，齒形壓桿向下運(yùn)動推動承壓板，并帶動壓土板對各套筒內(nèi)土體實(shí)施同步等厚壓實(shí)，直至達(dá)到預(yù)定厚度，其中中心壓土板使用實(shí)心板；外圈套筒與模型箱側(cè)壁之間的土體采用人工壓實(shí)；

④填筑樁周土：放置模型樁，根據(jù)步驟①計(jì)算得到的各圈層密實(shí)度，將配制好的不同質(zhì)量土體均勻鋪置在各套筒內(nèi)，啟動電動機(jī)驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，齒形壓桿向下運(yùn)動推動承壓板，并帶動壓土板對各套筒內(nèi)土體實(shí)施同步等厚壓實(shí)，直至達(dá)到預(yù)定厚度，最內(nèi)側(cè)壓土板使用中心帶圓孔的環(huán)形板；外圈套筒與模型箱側(cè)壁之間的非擾動區(qū)域采用人工壓實(shí)填土；

⑤上拔套筒：當(dāng)土體填筑高度距離套筒頂部5～10cm時，松開上、下承壓板之間的第一螺桿，通過鋼絲繩將套筒與上承壓板底部的吊耳相連，借助齒形壓桿向上運(yùn)動分離上承壓板，并帶動套筒上移，上拔高度為套筒高度的1/2～1/3；期間，下承壓板利用第二螺桿連接于反力橫梁；壓土板固定于套筒內(nèi)土體表面，防止上拔套筒時土體隆起和套筒發(fā)生側(cè)移；

⑥后續(xù)填土：解除鋼絲繩以及下承壓板與反力橫梁之間的第二螺桿，采用第一螺桿將上、下承壓板重新連接，重復(fù)步驟④～⑤，完成后續(xù)填土；最后，將套筒全部拔出，對非擾動區(qū)域土體進(jìn)行人工壓實(shí)，平整土體表面。