一种桩体复合地基模型试验系统及方法与流程

本发明涉及室内土木模型试验领域，更具体的说，本发明涉及一种桩体复合地基模型试验系统及方法。

背景技术：

理论分析与试验验证是岩土工程领域的两种主要研究方法，其中试验方法包括现场试验、足尺寸模型试验、以及比例尺模型试验等手段。然而一次完整的现场试验或足尺寸模型试验需要耗费高昂的成本和冗长的试验周期，尤其当试验对象是尺寸较大的结构物时，成本和时间上的耗费更加明显，这就注定了无法高频次开展现场试验或足尺寸模型试验。因此有必要按照现场条件建立与其相似并且缩小的物理模型，进行室内模型试验。

现有桩体复合地基模型试验主要是在水平基岩面条件下进行，而现实工程环境下，基岩面一般都有一定程度的倾斜。与水平基岩面条件相比，桩土在倾斜基岩面条件下的工作特性有很大不同，基岩面的倾斜程度也是其影响因素之一。在现有模型试验系统的基础上无法观测桩体复合地基在倾斜基岩面条件下工作特性，尤其是桩体变位特性，限制了桩体复合地基领域的发展。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种桩体复合地基模型试验系统及方法，克服了现有技术中无法在倾斜基岩面条件下观测桩体复合地基的工作特性等缺陷，可以实现桩体复合地基受力变形特性，尤其是桩体变位特性的实时观测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种桩体复合地基模型试验系统，其改进之处在于：包括模型箱主体、第一箱体侧壁、第二箱体侧壁、水平底板、活动底板以及承压板；

所述的模型箱主体呈长方体形，由钢制横梁和钢制竖梁焊接而成；该模型箱主体沿长度方向相对的两个侧壁为第一箱体侧壁，沿宽度方向的相对的两个侧壁为第二箱体侧壁，所述第一箱体侧壁上设置有透明pc耐力板，该透明pc耐力板的外表面带有均匀布置的纵向刻度线，所述第二箱体侧壁上设置有带有测量孔的木板；

所述的水平底板固定于模型箱主体的底部，水平底板上沿长度方向设置有多个依次排列的限位齿或限位槽，所述活动底板的一端抵靠在限位齿或限位槽上，活动底板的另一端抵靠在第二箱体侧壁的内壁上，活动底板与水平所呈的夹角在10°-60°之间；

所述的承压板为带有开孔的钢板，其宽度与模型箱主体的宽度相同，所述模型箱主体内填充有模型土，所述的承压板置于模型箱主体的模型土上。

在上述的结构中，所述的模型箱主体包括第一箱体横梁、第二箱体横梁、第三箱体横梁、第四箱体横梁、第一箱体竖梁以及第二箱体竖梁；

两条平行的第一箱体横梁对应的设置在两条平行的第二箱体横梁的上方，在第一箱体横梁朝向第二箱体横梁的一面、第二箱体横梁朝向第一箱体横梁的一面均设置有第一导槽；两条平行的第三箱体横梁对应的设置在两条平行的第四箱体横梁的上方；所述第一箱体竖梁的顶端位于第一箱体横梁与第三箱体横梁的相交处，第一箱体竖梁的底端位于第二箱体横梁与第四箱体横梁的相交处，且第一箱体横梁、第二箱体横梁、第三箱体横梁以及第四箱体横梁均焊接在第一箱体竖梁上；

所述第二箱体竖梁的顶端和底端分别设置在第一箱体横梁的第一导槽和第二箱体横梁的第一导槽内，第二箱体竖梁在第一导槽内滑动。

在上述的结构中，所述水平底板焊接并密封在第二箱体横梁的底部和第四箱体横梁的底部。

在上述的结构中，所述的第一箱体横梁、第二箱体横梁、第三箱体横梁以及第四箱体横梁均为槽钢，且其横截面尺寸均相同；

所述的第二箱体竖梁为工字钢；

所述的第一箱体竖梁由方管和槽钢组成，所述方管相邻的两个外表面上焊接着槽钢，且槽钢的开口朝向于方管。

在上述的结构中，所述第一箱体侧壁上设置的透明pc耐力板通过固定夹固定于第一箱体横梁上，第二箱体侧壁上设置的木板通过固定夹固定在第三箱体横梁上。

在上述的结构中，所述的桩体复合地基模型试验系统还包括箱体限位框，该箱体限位框为四条工字钢焊接而成的矩形框，该矩形框焊接与模型箱主体的外侧壁上。

在上述的结构中，所述相邻的纵向刻度线之间的间距为20mm。

在上述的结构中，所述长方体形的模型箱主体的长、宽、高的比值为4：1：2。

在上述的结构中，所述的承压板的厚度为10mm。

进一步的，本发明还提供了一种桩体复合地基模型试验方法，其改进之处在于：该方法包括以下的步骤：

a、预制水泥砂浆模型方桩，并在水泥初凝时，在桩顶预埋与桩长方向平行的钢钉，且预埋钢钉的位置不能够影响桩顶土压力盒的安装；

b、在第二箱体侧壁的木板上沿竖向方向间隔的开设多个测量孔，在第一箱体侧壁上设置透明pc耐力板，并通过固定夹固定于第一箱体横梁上；

c、将活动底板与水平底板上的限位齿或限位槽相对接，并在活动底板下方防止水泥块，提供支撑；

d、将箱体限位框套入模型箱主体的中部，并通过固定夹固定在第一箱体竖梁上；

e、将模型方桩设置于活动底板上方并填筑模型土，可先对活动底板下方进行填土，再对活动底板上方进行填土；

f、在模型土上方防止带有开口的承压板和竖向加载装置，并保证模型方桩的钢钉沿承压板开孔处外露出其上表面；

g、在模型方桩的钢钉安装竖向位移及水平位移测量装置，沿第二箱体侧壁的木板的开孔处安装水平位移测量装置；

h、对竖向加载装置进行分级加载，并实施观测和记录桩土顶部位移以及紧贴第一箱体侧壁的模型桩的侧移，直至试验结束。

本发明的有益效果是：本发明桩体复合地基模型试验系统采用可调位置和角度的活动底板，有效解决了在现有模型试验系统的基础上只能在水平基岩面状态下进行模型试验的缺陷，可实现多种倾斜基岩面状态下桩体复合地基工作特性的模拟；透明pc耐力板在模型箱框架的支撑下既可满足模型桩变位观测的需要，又能保证试验者的安全；箱体侧壁与模型箱主体采用固定夹固定，结构简单且安全可靠，可避免因结构装置老化而导致安装困难。

附图说明

图1为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的结构示意图。

图2为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的模型箱主体的结构示意图。

图3为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的第一箱体横梁、第二箱体横梁、第三箱体横梁以及第四箱体横梁的结构示意图。

图4为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的第一箱体竖梁的结构示意图。

图5为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的第二箱体竖梁的结构示意图。

图6为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的水平底板的结构示意图。

图7为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的水平底板的侧面结构示意图。

图8为本发明的一种桩体复合地基模型试验系统的箱体限位框的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1、图2所示，本发明揭示了一种桩体复合地基模型试验系统，具体的，该系统包括模型箱主体、第一箱体侧壁9、第二箱体侧壁10、水平底板7、活动底板12以及承压板；所述的模型箱主体呈长方体形，由钢制横梁和钢制竖梁焊接而成，模型箱主体的长、宽、高的比值为4：1：2，本实施例中，该模型箱主体3200mm×800mm×1600mm(长×宽×高)；该模型箱主体沿长度方向相对的两个侧壁为第一箱体侧壁9，沿宽度方向的相对的两个侧壁为第二箱体侧壁10，所述第一箱体侧壁9上设置有透明pc耐力板，该透明pc耐力板的外表面带有均匀布置的纵向刻度线，透明pc耐力板用于所述第二箱体竖梁的定位以及模型桩垂直度的检验；本实施例中，所述相邻的纵向刻度线之间的间距为20mm。所述第二箱体侧壁10上设置有带有测量孔的木板，用于桩身位移测量仪器的安装。

进一步的，所述的水平底板7固定于模型箱主体的底部，水平底板7上沿长度方向设置有多个依次排列的限位齿8，所述活动底板12的一端抵靠在限位齿8上，活动底板12的另一端抵靠在第二箱体侧壁10的内壁上，活动底板12与水平所呈的夹角在10°-60°之间，对于此部分结构，将在下文中进一步的说明。所述的承压板为带有开孔的钢板，承压板的厚度为10mm，其宽度与模型箱主体的宽度相同，所述模型箱主体内填充有模型土，其长度和开孔位置根据试验需求而定，所述的承压板置于模型箱主体的模型土上。

继续参照图1、图2所示，在上述的实施例中，所述的模型箱主体包括第一箱体横梁1、第二箱体横梁2、第三箱体横梁3、第四箱体横梁4、第一箱体竖梁5以及第二箱体竖梁6；结合图2、图3所示，两条平行的第一箱体横梁1对应的设置在两条平行的第二箱体横梁2的上方，在第一箱体横梁1朝向第二箱体横梁2的一面、第二箱体横梁2朝向第一箱体横梁1的一面均设置有第一导槽14；两条平行的第三箱体横梁3对应的设置在两条平行的第四箱体横梁4的上方，第三箱体横梁3和第四箱体横梁4上对应的设置有第二导槽15；如图2所示，所述第一箱体竖梁5的顶端位于第一箱体横梁1与第三箱体横梁3的相交处，第一箱体竖梁5的底端位于第二箱体横梁2与第四箱体横梁4的相交处，且第一箱体横梁1、第二箱体横梁2、第三箱体横梁3以及第四箱体横梁4均焊接在第一箱体竖梁5上。进一步的，所述第二箱体竖梁6的顶端和底端分别设置在第一箱体横梁1的第一导槽14和第二箱体横梁2的第一导槽14内，第二箱体竖梁6在第一导槽14内滑动，从而适应试验观测的需要，另一方面，可以避免遮挡模型桩。另外，所述水平底板7焊接并密封在第二箱体横梁2的底部和第四箱体横梁4的底部，本实施例中，所述第一箱体侧壁9上设置的透明pc耐力板通过固定夹11固定于第一箱体横梁1上，第二箱体侧壁10上设置的木板通过固定夹11固定在第三箱体横梁3上。

如图3所示，所述的第一箱体横梁1、第二箱体横梁2、第三箱体横梁3以及第四箱体横梁4均为10号槽钢，其尺寸为100mm×48mm×5.3mm，槽钢的强轴方向垂直于模型箱主体的侧壁；如图5所示，所述的第二箱体竖梁6为工字钢，本实施例中，该工字钢为8号工字钢，尺寸为80mm×50mm×4.5mm。如图4所示，所述的第一箱体竖梁5由方管16和槽钢17组成，所述方管16相邻的两个外表面上焊接着槽钢17，且槽钢17的开口朝向于方管16，在本实施例中，方管16的尺寸为100mm×100mm×5mm，第一箱体竖梁5的槽钢为10号槽钢，其尺寸为100mm×48mm×5.3mm，该槽钢用于给第一箱体侧壁和第二箱体侧壁提供水平方向的支撑。

在本实施例中，如图6、图7所示，所述的水平底板7为5mm厚的钢板，其上面设置有依次排列的限位齿18-28，限位齿对活动底板的限位角度以5°为单位，当活动底板的一端抵靠在限位齿上时，活动底板与水平面的夹角依次为60°、55°、50°、45°、40°、35°、30°、25°、20°、15°、10°。

如图1、图8所示，所述的桩体复合地基模型试验系统还包括箱体限位框13，该箱体限位框13为四条工字钢焊接而成的矩形框，该矩形框焊接与模型箱主体的外侧壁上，本实施例中，包括两条纵向工字钢20和两条横向工字钢29，纵向工字钢20与横向工字钢29的首尾端依次焊接，使其尺寸稍大于模型箱主体，从而套在模型箱主体的外部。所述模型箱主体、箱体侧壁以及箱体限位器相互接触部位均设有密封胶条，用于接触部位的密封以及使接触部位均匀受力，防止接触部位局部破坏。

另外，本发明还揭示了一种桩体复合地基模型试验方法，在本实施例中，以模拟20°的倾斜基岩面为例进行说明，其具体的试验步骤为：

a、预制水泥砂浆模型方桩，并在水泥初凝时，在桩顶预埋与桩长方向平行的钢钉，且预埋钢钉的位置不能够影响桩顶土压力盒的安装；

b、在第二箱体侧壁的木板上沿竖向方向间隔的开设多个测量孔，在第一箱体侧壁上设置透明pc耐力板，并通过固定夹固定于第一箱体横梁上；本实施例中，在第二箱体侧壁中部沿竖向每隔20cm开设一个直径10mm的测量孔；

c、将活动底板与水平底板7上的限位齿或限位槽相对接，并在活动底板下方防止水泥块，提供支撑；

d、将箱体限位框套入模型箱主体的中部，并通过固定夹固定在第一箱体竖梁5上；

e、将模型方桩设置于活动底板上方并填筑模型土，可先对活动底板下方进行填土，再对活动底板上方进行填土；

f、在模型土上方防止带有开口的承压板和竖向加载装置，并保证模型方桩的钢钉沿承压板开孔处外露出其上表面；

g、在模型方桩的钢钉安装竖向位移及水平位移测量装置，沿第二箱体侧壁的木板的开孔处安装水平位移测量装置；

h、对竖向加载装置进行分级加载，并实施观测和记录桩土顶部位移以及紧贴第一箱体侧壁的模型桩的侧移，直至试验结束。

本发明克服了现有技术中无法在倾斜基岩面条件下观测桩体复合地基的工作特性等缺陷，可以实现桩体复合地基受力变形特性，尤其是桩体变位特性的实时观测。采用可调位置和角度的活动底板，有效解决了在现有模型试验系统的基础上只能在水平基岩面状态下进行模型试验的缺陷，可实现多种倾斜基岩面状态下桩体复合地基工作特性的模拟；透明pc耐力板在模型箱框架的支撑下既可满足模型桩变位观测的需要，又能保证试验者的安全；箱体侧壁与模型箱主体采用固定夹固定，结构简单且安全可靠，可避免因结构装置老化而导致安装困难。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。