一种孤石地层管桩沉降及应变测量的室内模拟试验装置

1.本发明涉及岩土工程技术领域，具体地，涉及一种孤石地层管桩沉降及应变测量的室内模拟试验装置。


背景技术：

2.在岩土工程领域中，地基土的种类繁多、地况复杂，在工程建设过程中常常遇到承载力不足的问题。因此桩基础技术广泛应用于处理地基土的问题上。然而，
3.种类的选择，数量的设置，不仅需要满足上覆建筑承载力的需求，还要考虑工程建设的经济效益。因此，现场可以通过沉桩预实验，测量相关参数，计算相应指标是否满足承载力要求，但此方法成本太高，可行性不足，尤其是在复杂地质条件下。当遇到孤石群等复杂地层时，分布特征探明困难，发育特征对沉桩施工影响巨大。而预应力管桩在这种地层不一定适用。在此背景下，室内模拟试验成为替代现场的最佳办法。根据标准管桩的尺寸和相关参数，通过制作一定相似比的桩基替代材料，在模型箱中完成替代材料的沉降及应力应变测量，以此估算现场的承载力。随着岩土工程的发展，应力应变的测量精度越来越高，对经济效益与安全性兼顾的需求越来越强烈。
4.例如中国专利文献cn202120305169公开了海上风力发电桩基沉降观测装置，包括风力发电桩基，所述风力发电桩基的一侧固定连接有连接板，所述连接板的表面固定连接螺纹杆，所述螺纹杆的表面螺纹连接有刻度杆，所述刻度杆的表面活动连接有漂浮杆，所述漂浮杆的表面活动连接有活动绳，所述活动绳的一侧活动连接有漂浮球，所述刻度杆的上表面螺纹连接有第一卡位板。该海上风力发电桩基沉降观测装置，通过螺纹杆、刻度杆、漂浮杆、活动绳和漂浮球的搭配工作，工作人员通过螺纹杆螺纹连接有刻度杆，刻度杆可进行多位连接，便于增加长度，且在刻度杆的表面活动连接有漂浮杆，漂浮杆的四周均设置有活动绳，活动绳的一侧活动连接有漂浮球，方便装置进行观察水位。
5.中国专利文献cn 202020080210公开了一种用于岩溶地区地下管桩沉降变形监测装置，包括检测装置本体，检测装置本体的上侧壁固定连接有显示屏，所述检测装置本体的外壁固定套设有密封筒，所述密封筒的上端通过合页铰接有盖板，所述密封筒的右侧壁固定连接有插筒，所述插筒内插接有插杆，所述插杆的上端通过转轴转动连接有转板，所述插筒的内壁开设有定位槽。该实用新型能够在不需要使用检测装置时，对检测装置上的显示屏进行防护，避免了显示屏受到外界的撞击而损坏，影响检测装置正常使用的问题。
6.但是，上述两种装置未能完成桩基的室内模拟试验，且沉降和应变的协同测量未能实现，由室内模拟估算现场承载力带来的经济效益不能利用现有装置实现。


技术实现要素：

7.本发明在传统现场桩基测量的基础上，在室内完成模拟试验，同时得到沉降和应变的测量，其目的是降低现场预实验及测量的经济成本问题。
8.为了实现以上目的，本发明提供了一种孤石地层管桩沉降及应变测量的室内模拟
试验装置，包括一个模型箱、一块孤石、a个铁饼、一个空心圆管、一个沉降测量装置和一个应变测量装置；
9.所述模型箱分层装满填土，所述孤石埋于填土中，空心圆管自上而下垂直插入填土中，其下端面放置在孤石上，且与孤石保持同心；在空心圆管的非插入端面上焊接了一个圆板形的铁饼架，且铁饼架与空心圆管保持同轴；将孤石的埋深记为ym、空心圆管的长度记为lm，lm＞ym；
10.所述沉降测量装置包括支架和安装在支架上的伸缩测量杆，伸缩测量杆的位置在铁饼架的正上方，且与铁饼架保持同轴；
11.所述应变测量装置包括应变仪和应变片，应变片均匀分布于空心圆管的上、中、下三个位置，导线连接应变片和应变仪；
12.所述填土包括n种土，n种土分为n层填埋并压实，将n层中的任意一层记为填土层j
mn
，n为自下而上顺序排列的填土层的序号，n＝1，2...n，将填土层j
mn
的埋深记为模拟埋深k
mn
，k
m1
＝h1，h1为模型箱内腔的高度；
13.试验开始后，从1个铁饼开始，将a个铁饼逐个递加放置在铁饼架上，且伸缩测量杆的下端面与铁饼的上表面相接，记录伸缩测量杆的读数为沉降量，记录应变仪的读数为应变值，实现模拟测量的目的。
14.优选地，所述模拟埋深k
mn
满足k
mn
/k
xn
＝h1/h2，其中，k
xn
为与模拟埋深k
mn
对应的现场地基土中第n层土层的埋深，h2为现场地面至孤石群顶面的垂直高度。
15.优选地，所述空心玻璃管同时满足以下条件：
16.em/e
x
＝rm/r
x
17.lm/rm＝l
x
/r
x
18.其中，em为空心圆管的弹性模量，e
x
为标准管桩的弹性模量，rm为空心圆管的内直径，r
x
为现场标准管桩的内直径，l
x
为现场标准管桩的长度。
19.优选地，所述孤石(9)同时满足以下条件：
20.dm/d
x
＝rm/r
x
21.ym/y
x
＝h1/h222.其中，dm为孤石的直径，d
x
为现场孤石群的当量直径，rm为空心圆管的内直径，r
x
为现场标准管桩的内直径，y
x
为现场孤石群的当量埋深，h2为现场地面至孤石群顶面的垂直高度。
23.优选地，铁饼的重量为1kg，铁饼的数量a为10个。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
25.1)通过相似比缩小现场桩基的尺寸，用空心玻璃管和孤石替代现场的管桩和孤石群，达到模拟试验的目的。
26.2)通过伸缩测量杆测量沉降，利用应变仪测量应变，达到协同测量的目的。
27.3)本装置结构简单，功能齐全，操作便捷，集成化程度高。
附图说明
28.图1为本发明实验装置工作示意图。
29.其中：1、模型箱；2、支架；3、伸缩测量杆；4、铁饼；5、应变仪；6、应变片；7、空心玻璃
管；8、填土；9、孤石；10、导线；11、铁饼架。
具体实施方式
30.下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行进一步的说明。
31.图1为本发明实验装置工作示意图，由图1可见，本发明一种孤石地层管桩沉降及应变测量的室内模拟试验装置，包括一个模型箱1、一块孤石9、a个铁饼4、一个空心圆管7、一个沉降测量装置和一个应变测量装置。
32.在本实施例中，铁饼4的重量为1kg，铁饼4的数量a为10个。
33.所述模型箱1分层装满填土8，所述孤石9埋于填土8中，空心圆管7自上而下垂直插入填土8中，其下端面放置在孤石9上，且与孤石9保持同心；在空心圆管7的非插入端面上焊接了一个圆板形的铁饼架11，且铁饼架11与空心圆管7保持同轴；将孤石9的埋深记为ym、空心圆管7的长度记为lm，lm＞ym。
34.所述沉降测量装置包括支架2和安装在支架2上的伸缩测量杆3，伸缩测量杆3的位置在铁饼架11的正上方，且与铁饼架11保持同轴。
35.所述应变测量装置包括应变仪5和应变片6，应变片6均匀分布于空心圆管7的上、中、下三个位置，导线10连接应变片6和应变仪5。
36.所述填土8包括n种土，n种土分为n层填埋并压实，将n层中的任意一层记为填土层j
mn
，n为自下而上顺序排列的填土层的序号，n＝1，2...n，将填土层j
mn
的埋深记为模拟埋深k
mn
，k
m1
＝h1，h1为模型箱1内腔的高度。
37.试验开始后，从1个铁饼4开始，将a个铁饼4逐个递加放置在铁饼架11上，且伸缩测量杆3的下端面与铁饼4的上表面相接，记录伸缩测量杆3的读数为沉降量，记录应变仪5的读数为应变值，实现模拟测量的目的。
38.在本实施例中，所述模拟埋深k
mn
满足k
mn
/k
xn
＝h1/h2，其中，k
xn
为与模拟埋深k
mn
对应的现场地基土中第n层土层的埋深，h2为现场地面至孤石群顶面的垂直高度。
39.在本实施例中，所述空心玻璃管7同时满足以下条件：
40.em/e
x
＝rm/r
x
41.lm/rm＝l
x
/r
x
42.其中，em为空心圆管7的弹性模量，e
x
为标准管桩的弹性模量，rm为空心圆管7的内直径，r
x
为现场标准管桩的内直径，l
x
为现场标准管桩的长度。
43.在本实施例中，所述孤石9同时满足以下条件：
44.dm/d
x
＝rm/r
x
45.ym/y
x
＝h1/h246.其中，dm为孤石9的直径，d
x
为现场孤石群的当量直径，y
x
为现场孤石群的当量埋深。
47.在本实施例中，空心圆管7为空心玻璃管。
48.在本实施例中，具体实施的操作包括：
49.步骤1，填土层j
mn
的设计及填埋
50.实地检测现场孤石群、土质及分层情况，确定土的种数n、孤石群的现场数据及现场地基土中各层土层的埋深k
xn
。
51.计算模拟比δ，δ＝h1/h2，并按照公式k
mn
＝δk
xn
计算出每一层填土层j
mn
的埋深k
mn
。
52.取现场同种类土n种，在模型箱1内进行分层填埋并压实，形成填土8。然后将孤石9埋于填土8中，孤石9的埋深ym＝k
m3
，即孤石9的埋深与第三层填土层j
m3
的埋深相同。
53.步骤2，添加荷载
54.荷载分10级间隔2小时依次施加，第一级荷载为1个铁饼4，每级荷载增加一个铁饼4；
55.3、沉降及应变测量
56.每级荷载结束记录伸缩测量杆3的读数为沉降量，记录应变仪5的读数为应变值；
57.4、数据分析
58.根据测量得到的沉降量和应变值，以及空心玻璃管7的弹性模量em、直径rm、长度lm，标准管桩的弹性模量e
x
、直径r
x
、长度l
x
进行数据分析。