被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置与方法

1.本发明属于岩土工程与地质工程技术领域，涉及一种被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置与方法。


背景技术：

2.被动桩阻挡桩周土体的水平运动而承受侧向土压力，是一种应用于深基坑、边坡、堤岸等工程的典型支护方式。被动桩与桩周土体之间存在复杂的作用机制。一方面，被动桩阻挡了桩后土体的运动轨迹，形成了遮蔽效应；另一方面，相邻桩间还会形成土拱效应，改变了桩后土体的荷载传递路径，增加了被动桩的荷载分担。依据桩土作用机制，被动桩的强度设计、桩间距的确定成为工程设计的两个关键问题。低强度桩会在水平推力下发生剪切破坏；高强度桩设计偏于保守，增加了工程成本。合理的桩间距有助于充分发挥土拱结构的承载与分荷能力，避免桩间土体发生绕流破坏。因此，研究被动桩的桩-土相互作用对于正确认识被动桩的加固机理、提高工程建筑的安全性、降低工程建设成本具有重要的理论和工程价值。
3.目前，国内外学者针对被动桩的桩-土相互作用而开展的模型试验研究，主要集中于均匀土体变形条件下桩体的响应规律和土体荷载分布特征。然而，实际工程中土体受到土体性质、坡体推力、层间滑裂带等因素的影响而沿深度呈现出多种位移分布模式。单一位移模式下桩体强度的设计值可能导致桩身强度偏低，容易在推力作用下发生剪切破坏，降低工程结构物的整体稳定性；不同土体位移模式下，被动桩的桩-土相互作用会呈现出不同的响应规律，这直接影响到桩体强度设计、桩间距的确定等一系列的工程问题。
4.综上所述，现有的被动桩中桩-土相互作用研究还存在诸多局限和不足。本发明也正是基于此而提出的。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了提供一种被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置与方法，可以简单、高效、直观地监测多种位移模式下桩周土体的变形特征以及桩体的响应规律。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置，包括：
8.承重底板；
9.设置在承重底板一侧的竖向滑轨；
10.安装在所述竖向滑轨上的水平顶升机构；
11.水平传力机构：包括与所述水平顶升机构相连接的l型承载板、以及设置在所述l型承载板上的活动板，所述活动板可绕l型承载板转动，且活动板的转动中心轴与水平顶升机构方向垂直，在l型承载板与水平顶升机构之间还设有压力传感器；
12.安装在承重底板另一侧的层状模型箱：其由若干个方形框架上下叠放而成，在层状模型箱内还铺设有填土，在填土内埋设有待测被动桩；
13.以及遮挡机构：其安装在层状模型箱远离竖向滑轨一侧，并用于约束试验过程中层状模型箱固定区域的位移。
14.进一步的，所述的水平顶升机构包括千斤顶，在竖向滑轨上还安装有一角钢件，并采用与所述角钢件固定连接的弧形盖板将所述千斤顶固定在所述竖向滑轨上。
15.更进一步的，所述的弧形盖板与角钢件之间通过第四螺杆与第二螺母固定连接。
16.进一步的，所述的活动板的底端与l型承载板之间转动连接，活动板的上部还铰接设置第二螺杆，所述第二螺杆还穿过所述l型承载板上部，并通过第三螺母与所述l型承载板连接。
17.更进一步的，所述的活动板的上部还设置有活动支座，所述第二螺杆的一端转动设置在所述活动支座上，另一端穿过所述l型承载板。
18.进一步的，所述的l型承载板与被动桩上还设有位移传感器。
19.进一步的，所述的l型承载板朝向所述水平顶升机构的侧壁上还设有一加载连接套筒，所述水平顶升机构的活动端还伸入所述加载连接套筒内，并抵住位于所述加载连接套筒底部的所述压力传感器。
20.进一步的，所述的被动桩在填土内埋设有若干根，所述被动桩还沿高度方向设有若干组电阻应变计，每组电阻应变计沿水平顶升机构加载方向在被动桩的前后两侧对称设置。
21.进一步的，所述的遮挡机构包括承力架、以及沿竖直方向平行间隔布置在所述承力架上的若干排水平承载板，且处于对应层状模型箱固定区域的位置的水平承载板之间还设有矩形横木，以约束固定层状模型箱固定区域的方形框架的位移。
22.进一步的，所述的填土采用0.5～1mm的标准砂。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.(1)本发明中的传力结构由螺杆连接带滑槽的活动钢板组成，通过改变活动挡板的倾角，传力结构可以呈现出上部变形大下部变形小、上下均匀变形、上部变形小下部变形大的三种位移加载模式，并可以调节活动钢板位置进而改变不同位移模式下的变形倾角，有效弥补了现有试验中上下均匀变形的单一加载模式的不足。
25.(2)本发明采用层状模型箱装填土体和桩体，保证了相同层间土体的均匀水平变形，更能真实反映桩-土相互作用规律，还避免了常规推桩模型试验中削坡的过程，操作简单、可靠性高。
26.(3)本发明中的遮挡结构通过调整承力架间的横木累积高度，可以灵活地改变箱体中被动桩滑动段和固定段的比例关系。
附图说明
27.图1为本发明的主视结构示意图；
28.图2为本发明的俯视结构示意图；
29.图3为本发明的侧视结构示意图；
30.图4为本发明的水平顶升机构部分的局部剖视示意图；
31.图5为被动桩电阻应变计布置示意图；
32.图6为层状模型箱试验过程示意图；
33.图7为水平传力机构呈钝角(》90
°
)时的位移模式示意图；
34.图8为水平传力机构呈直角(＝90
°
)时的位移模式示意图；
35.图9为水平传力机构呈锐角(《90
°
)时的位移模式示意图；
36.图10为层状模型箱的俯视结构示意图；
37.图中标记说明：
38.1为承重底板；2为竖向滑轨；3为水平顶升机构；4为水平传力机构；4-1为l型承载板；4-2为活动板；4-3为第一螺杆；4-4为第二螺杆；4-5为活动支座；5为层状模型箱；6为被动桩；7为填土；8为遮挡机构；8-1承力架；8-2为水平承载板；8-3为矩形横木；9为角钢件；10为弧形盖板；11为加载连接套筒；12为第三螺杆；13为第一螺母；14为第四螺杆；15为第二螺母；16为第三螺母；17为第五螺杆；18为第四螺母；19为压力传感器；20为位移传感器；21为电阻应变计；22为数码相机；23为滑轮。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能的常规部件或常规结构。
43.为可以简单、高效、直观地监测多种位移模式下桩周土体的变形特征以及桩体的响应规律，本发明提供了一种被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置，其结构参见图1至图3等所示，包括：
44.承重底板1；
45.设置在承重底板1一侧的竖向滑轨2；
46.安装在所述竖向滑轨2上的水平顶升机构3；
47.水平传力机构4：包括与所述水平顶升机构3相连接的l型承载板4-1、以及设置在所述l型承载板4-1上的活动板4-2，所述活动板4-2可绕l型承载板4-1转动，且活动板4-2的转动中心轴与水平顶升机构3方向垂直，在l型承载板4-1与水平顶升机构3之间还设有压力
传感器19；
48.安装在承重底板1另一侧的层状模型箱5：其由若干个方形框架上下叠放而成，在层状模型箱5内还铺设有填土7，在填土7内埋设有待测被动桩6；
49.以及遮挡机构8：其安装在层状模型箱5远离竖向滑轨2一侧，并用于约束试验过程中层状模型箱5固定区域的位移。
50.在一些具体的实施方式中，请再参见图1等所示，层状模型箱5的上方还设有数码相机22。数码相机22可以通过三脚架固定在层状模型箱5上部，并通过数据线与电脑连接，手动调焦。
51.在一些具体的实施方式中，请再参见图4所示，所述的水平顶升机构3包括千斤顶(可以采用电动千斤顶)，在竖向滑轨2上还安装有一角钢件9，并采用与所述角钢件9固定连接的弧形盖板10将所述千斤顶固定在所述竖向滑轨2上，并由弧形盖板10提供反力支撑。此外，l型承载板4-1通过加载连接套筒11与水平顶升机构3相连，实现上下位置的移动。具体的，角钢件9与竖向滑轨2是滑动设置，并可沿其上下移动，且在移动到设定位置上时，角钢件9可采用配套的锁定件锁止固定，当需要移动时，解锁锁定件即可。
52.更具体的实施方式中，所述的弧形盖板10与角钢件9之间通过第四螺杆14与第二螺母15固定连接。
53.在一些具体的实施方式中，所述的活动板4-2的底端与l型承载板4-1之间铰接，活动板4-2的上部还铰接设置第二螺杆4-4，所述第二螺杆4-4还穿过所述l型承载板4-1上部，并通过第三螺母16与所述l型承载板4-1连接。具体工作时，通过调节第二螺杆4-4穿过l型承载板4-1部分的长度再锚固，可以使得活动板4-2与l型承载板4-1的水平端依次出现钝角(》90
°
)、直角(＝90
°
)和锐角(《90
°
)的三种形状分布，分别模拟上部变形大下部变形小、上下均匀变形、上部变形小下部变形大的三种位移加载模式，如图7至图9所示。
54.更具体的实施方式中，请再参见图1和图2所示，所述的活动板4-2的上部还设置有活动支座4-5，所述第二螺杆4-4的一端转动设置在所述活动支座4-5上，另一端穿过所述l型承载板4-1。具体的，第二螺杆4-4通过第五螺杆17、第四螺母18与活动支座4-5连接。
55.在一些具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的l型承载板4-1与被动桩6上还设有位移传感器20。
56.在一些具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的l型承载板4-1朝向所述水平顶升机构3的侧壁上还设有一加载连接套筒11，所述水平顶升机构3的活动端还伸入所述加载连接套筒11内，并抵住位于所述加载连接套筒11底部的所述压力传感器19。
57.在一些具体的实施方式中，请再参见图2、图5和图10等所示，所述的被动桩6在填土7内埋设有若干根，所述被动桩6还沿高度方向设有若干组电阻应变计21，每组电阻应变计21沿水平顶升机构3加载方向在被动桩6的前后两侧对称设置。电阻应变计21外还可以采用硅橡胶覆盖，免受砂粒棱角破坏。
58.在一些具体的实施方式中，请再参见图1等所示，所述的遮挡机构8包括承力架8-1、以及沿竖直方向平行间隔布置在所述承力架8-1上的若干排水平承载板8-2，且处于对应层状模型箱5固定区域的位置的水平承载板8-2之间还设有矩形横木8-3，以约束固定层状模型箱5固定区域的方形框架的位移。而未设置矩形横木的水平承载板之间间隔则可供层状模型箱5的方向框架穿过。
59.在一些具体的实施方式中，所述的填土7采用0.5～1mm的标准砂。
60.以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
61.下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
62.实施例1：
63.结合以上各实施方式，本实施例提供了一种被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置，主体结构如图1至3所示，主要包括加载装置、传力结构(即水平传力机构4)、层状模型箱5、遮挡机构8和监测装置部分。
64.整个试验装置固定在承重底板1上，在承重底板1下部连接滑轮23，保证了灵活移动。加载装置由竖向滑轨2，和固定在其上的电动千斤顶(即水平顶升机构3)组成；传力结构则通过加载连接套筒11与加载装置相连，具体由l型承载板4-1、活动板4-2、第一螺杆4-3、第二螺杆4-4组成，用于施加水平荷载；层状模型箱5固定在承重底板1上，与活动板4-2相接触，箱内逐层铺设填土7，并等间距布置被动桩6；遮挡机构8安装在层状模型箱55右侧，下部与承重底板11相连接，由承力架8-1、水平承载板8-2、矩形横木8-3组成，约束固定端模型箱位移；监测装置包括压力传感器19、位移传感器20和电阻应变计21，数码相机22固定在层状模型箱5上部，捕捉桩后土体的变形图像。
65.本实施例中的加载装置，如图4所示，弧形盖板10与角钢件9通过第四螺杆14和第二螺母15相连，用以固定电动千斤顶，并提供反力支撑。试验过程中电动千斤顶依据1mm/min的位移速率缓慢均匀地提供水平加载。l型承载板4-1通过连接套筒11与水平顶升机构3相连，并通过滑动设置在竖向滑轨2上的角钢件9等实现上下位置的移动。
66.本实施例中的水平传力机构4，如图1所示，其l型承载板4-1下端通过第一螺杆4-3和活动板4-2相连，上端通过第二螺杆4-4和活动支座4-5相连，活动支座4-5固定在活动板4-2上。通过调节第二螺杆4-4左侧的锚固长度，使活动板4-2与l型承载板4-1水平端依次出现钝角(》90
°
)、直角(＝90
°
)和锐角(《90
°
)的三种形状分布，分别模拟上部变形大下部变形小、上下均匀变形、上部变形小下部变形大的三种位移加载模式，如图7所示。
67.本实施例中的层状模型箱5安装在承重底板1上，由10个单层方形框架上下叠加而成。铝制的方形框架内径尺寸为1m
×
1m
×
0.1m(长
×
宽
×
高)，上下开口。在水平传力机构4的推动下，箱体变形如图6所示，上部箱体被推动产生倒三角形的变形，下部箱体被约束从而保持稳定不动。
68.本实施例中被动桩6，如图5所示，为空心薄壁铝合金矩形管，截面尺寸为60mm
×
90mm(长
×
宽)，壁厚5mm，桩间距为250mm，有利于形成桩后土拱效应。
69.本实施例中填土7采用0.5～1mm的标准砂，其中，砂子比重为2.60，不均匀系数cu为1.45，曲率系数cc为0.96，最小干密度为1.429g/cm3，最大干密度为1.718g/cm3，通过三轴试验测定相对密度60％，对应压实度为0.90时，内摩擦角为30.5
°
。
70.本实施例中遮挡机构8左右对称分布，如图3所示，其承力架8-1下部通过第三螺杆12和第一螺母13锚固在承重底板1上，自下而上依次焊接若干平行的水平承载板8-2，截面尺寸为90mm
×
80mm
×
10mm(长
×
宽
×
高)，上下相邻两水平承载板8-2和承力架8-1之间形成高度为90mm的矩形孔洞，选择截面尺寸略小于该矩形孔洞的矩形横木8-3穿插其中，连接左右两个承力架8-1，遮挡层状模型箱5的下部固定端。
71.本实施例中监测装置包括压力传感器19，位移传感器20，电阻应变计21，数码相机
22。压力传感器19，量程500n，安装在加载连接套筒11内部，记录电动千斤顶提供的水平推力；差动式的位移传感器20，量程
±
50mm，精度0.15μm，分别布置在水平传力机构4的左侧和中间被动桩6的右侧，记录加载位移量和桩体变形量的实时变化；采用型号为bsf120-6aa-t的箔式应变片作为电阻应变计21，对称布置在被动桩6的前后面，如图5所示，获取桩体挠曲变形时应变沿深度的分布，进而计算得到桩体的弯矩、剪力分布特征。
72.本实施例中数码相机22为高分辨率数码单反相机，图片分辨率为2592
×
1728像素，用三脚架固定在模型箱上部拍摄桩后土体的位移轨迹，通过数据线将图像数据传输到电脑。
73.实施例2：
74.本实施例提供了基于实施例1的一种被动桩多种位移模式下桩-土相互作用的模型试验装置的试验方法，它包括以下步骤：
75.(1)准备试验材料和器材
76.按照试验要求的尺寸和材质分别准备和制作竖向滑轨2、l型承载板4-1、活动板4-2、层状模型箱5、被动桩6、填土7、承力架8-1、水平承载板8-2、矩形横木8-3、角钢件9、弧形盖板10、压力传感器19、位移传感器20、电阻应变计21、数码相机22。
77.(2)建造被动桩6加固土体模型
78.采用分层填筑法填充层状模型箱5，夯实填土7至控制相对密实度60％。安装遮挡机构8，下部用第三螺杆12和第一螺母13与承重钢底板锚固，先将10根矩形横木8-3全部插入矩形孔洞中，约束层状模型箱5在打桩时的横向扰动变形。将电阻应变计21粘贴在被动桩6前后表面，并用硅橡胶覆盖应变片，免受砂粒棱角破坏，然后将被动桩6按照指定位置依次打入填土7中，撤掉多余的矩形横木8-3，整平土体表面。
79.(3)安装并调试设备
80.将电动千斤顶和弧形盖板10通过第四螺杆14、第二螺母15锚固在角钢件9上，将角钢件9左右两端固定在电控竖向滑轨2上；千斤顶顶头伸入加载连接套筒11，需要注意的是在放入千斤顶顶头前，先在加载连接套筒11中放置压力传感器19，在加载连接套筒11一侧的圆孔出线；套筒焊接在水平传力机构4上。
81.第一螺杆4-3穿过活动板4-2连接l型承载板4-1；第二螺杆4-4右端与活动支座4-5通过第五螺杆17和第四螺母18连接，左端通过第三螺母16与l型承载板4-1上部连接；调节第三螺母16来改变加载倾角。
82.数码相机22通过三脚架固定在层状模型箱5上部，通过数据线与电脑连接，手动调焦。
83.(4)开始试验
84.首先用数码相机22拍摄表面土体图像作为基准数据，然后启动电动千斤顶，调整至指定加载速率，数码相机22记录加载过程中土体变形的实时数据，并传递到电脑上，持续加载直至水平位移量为40mm位置。
85.(5)试验结果分析
86.试验结束后，采用piv图像处理软件对不同位移量下的散斑图像进行分析，获取桩后土体的变形场，进而分析桩后土拱效应演化过程；通过水平传力机构4位置的压力传感器19和位移传感器20得到加载荷载和位移的关系；通过被动桩6的位移传感器20和电阻应变
计21获取静力荷载下桩体的应变、弯矩的响应特征。
87.上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
88.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。