一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置的制作方法

本发明涉及一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置，属于岩土工程室内试验领域。

背景技术：

土体是一种具有“记忆性”的智能材料，其力学特性受应力历史影响。桩-土相互作用亦是如此，低应力状态下桩周土产生剪胀，而高应力状态下桩周土却产生剪缩。

现场试验可以还原桩-土体系的实际应力状态，但现场土层复杂多变，不具备代表性，更重要的是现场试验十分昂贵，往往仅能作为其他研究的验证。因此，桩-土作用机理的试验研究主要依托于常应力状态下的缩尺模型试验。但现有常应力状态下的缩尺模型不能模拟桩周土体应力状态，不能得到定量的试验结果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服传统缩尺模型试验不能模拟桩周土体应力状态的缺陷，提供一种能够模拟原型桩基应力状态、可以重复利用的缩尺模型试验装置。

本发明通过以下技术方案实现：

一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置，该试验装置包括圆柱形的外箱和内箱，外箱为有底无盖的壳体结构，内箱设置在外箱内，内箱内放置土样，桩基埋设在土样中，土样中设置有多对土压力计，每对土压力计包括一个与试验桩基平行的土压力计和一个与试验桩基垂直的土压力计；内箱由至少四片相同的圆弧形磨具围合形成，外箱底部设置有四个径向的底座轨道，每片磨具的底部开设有卡槽，每片磨具的卡槽对应卡设在一个底座轨道上，每片磨具和相邻的两个磨具之间首尾搭接连接，外箱和内箱之间设置有向内箱侧壁施加压力的装置，使内箱的径向尺寸缩小；外箱的顶部设置有反力架，内箱顶部的土样上设置有刚性垫板，反力架和刚性垫板之间设置有向内箱顶部施加压力的装置。

作为压力的装置的一个实施例，向内箱侧壁施加压力的装置为若干个千斤顶，千斤顶的底座固连于外箱内壁上，千斤顶的伸缩杆与内箱接触连接，千斤顶的伸缩杆伸长时，内箱的磨具之间发生相对滑动，使内箱的径向尺寸缩小。

作为压力的装置的一个实施例，向内箱顶部施加压力的装置为若干个千斤顶，千斤顶的底座固连于反力架上，千斤顶的伸缩杆与刚性垫板接触连接。

根据模型高度，内箱侧壁的千斤顶可以以位于内箱中部位置的中间组千斤顶周向位置为基准，在模型箱顶部和底部深度处分别布置一组千斤顶，保证内箱均匀收缩，与内箱中心位置同轴线的外箱上布置一组四个千斤顶，以此组千斤顶周向位置为基准，在外箱的反力架上安装一组四个千斤顶；分别通过顶部和周向千斤顶伸缩对内箱中土样施加轴压和围压，轴压通过刚性垫板传至土样，围压通过刚性内箱传至土样，保证了压力均匀；在土样中垂直布置一对土压力计，实时校核轴压和围压变化。

作为优选，磨具具有两端，一端为切除外壁的a端，另一端为切除内壁的b端，切除的厚度均为磨具厚度的一半，a端和b端所在圆弧的弧长均为磨具弧长的三分之一。

进一步地，作为磨具的一个实施例，磨具的a端外壁上开设有半圆形的凹槽作为侧壁轨道，磨具的b端内壁上开设有半圆形的凹槽作为侧壁轨道，侧壁轨道均沿弧长方向开设，一个磨具a端的侧壁轨道与相邻另一个磨具b端的侧壁轨道相对设置，且在二者围合形成的轨道中设置有滚珠，滚珠的直径等于轨道的内径，侧壁轨道的自由端内均设置有用于防止滚珠滑脱的挡板。

作为优选，相邻两片磨具连接处内壁设置有弧形的柔性挡板，为了防止内箱内的土样进入磨具侧壁轨道中，影响滚珠滚动，甚至影响磨具之间的相对滑动。

作为磨具的另一个实施例，磨具的a端外壁上开设有榫头，磨具的b端内壁上开设有与榫头配合的榫槽，榫槽沿磨具b端弧长方向开设，榫槽的自由端内设置有用于防止榫头滑脱的挡板。

作为压力的装置的另一个实施例，向内箱侧壁施加压力的装置为桶状气囊，通过对桶状气囊充气实现对内箱侧壁施加压力；向内箱顶部施加压力的装置为环状气囊，通过对环状气囊充气实现对内箱顶部施加压力。

本发明的有益效果在于：

本发明通过设置外箱和可收缩的刚性内箱，分段模拟实际应力状态下桩-土体系工作性状，在桩周土内设置垂直的压力计或气囊标定和实时监测桩-土体系压力变化，从而得到一个可以重复利用的模拟原型桩-土体系应力状态的缩尺模型试验装置。

附图说明

图1是本发明实施例1装置的横截面示意图；

图2是本发明实施例1装置的竖剖视图结构；

图3是四开模的a端与b端的连接方式；

图4是图3中a-a向剖视图结构的实施例1；其中4a为滚珠的结构，4b为凹槽的结构；

图5是图3中a-a向剖视图结构的实施例2；其中5a为榫头的结构，5b为榫槽的结构；

图6显示了磨具底部的卡槽；

图7是本发明实施例2装置的横截面示意图；

图8是本发明实施例2装置的竖剖视图结构；

图中：1内箱，2侧壁轨道，3外箱，4底座轨道，5柔性挡板，6刚性垫板，7千斤顶，8土压力计，9反力架，10卡槽，11凹槽，12滚珠，13榫槽，14榫头，15环形气囊，16桶状气囊。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限。

实施例1

如图1-4、图6示，一种可模拟原型桩基应力状态的缩尺模型试验装置，该试验装置包括圆柱形的外箱3和内箱1，外箱为有底无盖的壳体结构，内箱设置在外箱内，内箱内放置土样，桩基埋设在土样中，土样中设置有多对土压力计8，每对土压力计包括一个与试验桩基平行的土压力计和一个与试验桩基垂直的土压力计；内箱由至少四片相同的圆弧形磨具围合形成，外箱底部设置有四个径向的底座轨道4，每片磨具的底部开设有卡槽10，每片磨具的卡槽对应卡设在一个底座轨道上，每片磨具和相邻的两个磨具之间首尾搭接连接，外箱和内箱之间设置有向内箱侧壁施加压力的装置，向内箱侧壁施加压力的装置为若干个千斤顶7，千斤顶的底座固连于外箱内壁上，千斤顶的伸缩杆与内箱接触连接，千斤顶的伸缩杆伸长时，内箱的磨具之间发生相对滑动，使内箱的径向尺寸缩小；外箱的顶部设置有反力架9，内箱顶部的土样上设置有刚性垫板6，反力架和刚性垫板之间设置有向内箱顶部施加压力的装置，向内箱顶部施加压力的装置为若干个千斤顶7，千斤顶的底座固连于反力架上，千斤顶的伸缩杆与刚性垫板接触连接。

磨具具有两端，一端为切除外壁的a端，另一端为切除内壁的b端，切除的厚度均为磨具厚度的一半，a端和b端所在圆弧的弧长均为磨具弧长的三分之一。

本实施例中，外箱3和内箱1由钢材碾压而成，厚度不小于10mm，外箱外可加纵横肋提高刚度。磨具a端和b端切除厚度为磨具壁厚的一半，精度为±1mm，长度不大于磨具的三分之一。

为了减小磨具之间相对滑动，即内箱收缩产生的阻力，磨具的a端外壁上开设有半圆形的凹槽作为侧壁轨道2，磨具的b端内壁上开设有半圆形的凹槽11作为侧壁轨道2，侧壁轨道均沿弧长方向开设，一个磨具的a端与相邻另一个磨具的b端的侧壁轨道相对设置，且在二者围合形成的轨道中设置有滚珠12，滚珠的直径等于轨道的内径，侧壁轨道的自由端内均设置有用于防止滚珠滑脱的挡板。

为了防止内箱内的土样进入侧壁轨道中，影响滚珠滚动，甚至影响磨具之间的相对滑动，所以在相邻两片磨具连接处的内壁设置弧形的柔性挡板5，柔性挡板的弧长稍小于或等于b端弧长，柔性挡板还能起到阻碍磨具a、b端重合。柔性挡板可以采用铁皮、pvc板壳等弯曲、裁剪而成。

根据模型高度，内箱侧壁的千斤顶可以以位于内箱中部位置的中间组千斤顶周向位置为基准，在模型箱顶部和底部深度处分别布置一组千斤顶，保证内箱均匀收缩，与内箱中心位置同轴线的外箱3上布置一组四个千斤顶7，以此组千斤顶周向位置为基准，在外箱的反力架上安装一组四个千斤顶；分别通过顶部和周向千斤顶伸缩对内箱中土样施加轴压和围压，轴压通过刚性垫板6传至土样，围压通过刚性内箱传至土样，保证了压力均匀；在土样中垂直布置一对土压力计8，实时校核轴压和围压变化。

实施例2

如图5，本实施例与实施例1的区别在于，磨具的a端外壁上开设有榫头14，磨具的b端内壁上开设有与榫头配合的榫槽13，榫槽沿磨具b端弧长方向开设，榫槽的自由端内设置有用于防止榫头滑脱的挡板。

实施例3

如图7、8所示，本实施例与实施例1的区别在于，向内箱侧壁施加压力的装置为桶状气囊16，通过对桶状气囊充气实现对内箱侧壁施加压力；向内箱顶部施加压力的装置为环状气囊15，通过对环状气囊充气实现对内箱顶部施加压力。

本实施例中侧壁轨道可以为实施例1或实施例2中的结构。

本实施例中土压力计8也可通过小型压力气囊代替，实时校核轴压和围压变化。

本发明的具体使用方法如下：

放置好外箱，将某一对磨具的底部卡槽卡设在位于外箱底部的底座轨道的最外端，将另一对磨具的底部卡槽卡设在相邻的底座轨道上，同时微调整磨具，使磨具侧壁轨道对齐，放入滚珠，或者使磨具的榫槽中嵌入榫头，此时内箱处于最大直径状态；

同时移动内箱沿底座轨道向圆心收缩，在外箱四周安装侧向千斤顶；

再将内箱打开到最大直径状态，固定模型桩，放入柔性挡板，在模型桩周围砂雨法撒砂，至砂样中间深度处布置一组土压力计或气囊，继续撒砂直至完成；

安装外箱上部反力架，在反力架上安装顶部千斤顶，在砂样顶部放置刚性垫板；

根据试验设置调节侧向和竖向千斤顶，读取土压力计读数，开始试验。