锤击群桩挤土效应半模模型试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种锤击群桩挤土效应半模模型试验装置，属于岩土工程技术领域。

背景技术：

目前，预制混凝土桩因其具有承载力高、成桩质量可控性强、施工速度快、环境污染小、造价低廉等优点越来越多地被应用于诸如高速公路、高层建筑、港口、码头等工程的地基加固中。目前预制混凝土桩的沉桩方式主要有静压法及锤击法，而后者对各类预制混凝土桩的挤土效应则更为复杂和显著。挤土效应会引起桩周土体产生水平位移或竖直隆起,可能导致邻近构筑物(如原有桩基)的倾斜甚至结构破坏，最终使其上部结构倒塌或失去工作性能。

目前实际工程中多采用群桩进行地基加固，而以往对于沉桩挤土效应的研究主要集中于单桩，对群桩的挤土效应分析较少，而实际的群桩施工则会造成更为复杂和显著的挤土效应。另外，目前已知的影响群桩挤土效应的因素众多，如打桩顺序、打桩速度、桩位布置方式及锤击高度、锤重等，这些因素对邻近桩基受挤土效应的影响程度和规律如何，目前的研究还不全面和深入，更无法从挤土效应最为显著的桩的半圆切面来直观的观测打桩过程中土体的位移变化规律。

因此，亟需开发一种锤击群桩挤土效应半模模型试验装置来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述缺陷，本实用新型提供了一种便于对群桩的挤土效应进行分析的锤击群桩挤土效应半模模型试验装置。

本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种锤击群桩挤土效应半模模型试验装置，其特征是：包括模型箱、加载装置、群桩加载板、加载柱、加载固定板、加载桩、监测装置，所述模型箱为上部开口的长方形箱体，所述模型箱的前壁为透明钢化玻璃，所述模型箱内填装试验用土，所述模型箱内靠近其左侧壁或右侧壁中部位置设有竖向设置在试验用土内的原桩基，所述群桩加载板可拆卸地连接在所述模型箱的上口，所述群桩加载板上设置有多个贯穿其厚度的加载孔，在所述群桩加载板靠近所述模型箱前壁的一端边缘处有至少三个半圆形的开口朝外的加载孔，所述加载柱竖向设置，所述加载柱的下端与所述群桩加载板固定连接，所述加载柱的上端与所述加载固定板固定连接，所述加载固定板上对应于所述群桩加载板上的加载孔对应设有多个螺纹孔，在所述加载固定板的下部对应于每个螺纹孔设置有弹簧，所述加载装置包括可抽拉的加载导杆、钢锤、锤击垫板，所述加载导杆的上端与所述加载固定板上的螺纹孔螺纹连接，所述加载导杆的下端连接所述锤击垫板，所述钢锤滑动套装在加载导杆上，加载导杆上设置有刻度，所述加载桩可动地竖直放置于所述群桩加载板上的加载孔内，放置在所述群桩加载板上的半圆形的加载孔内的加载桩为半模桩，其余的加载桩为全模桩，所述监测装置包括千分表和多个土压力计，所述土压力计紧贴所述原桩基受土体挤压的侧面且沿原桩基高度方向均匀分布，所述千分表设置在所述原桩基的顶端侧面。

本实用新型工作时，加载导杆上端连接加载固定板上与预锤击位置对应的螺纹孔，通过将钢锤沿加载导杆提升到一定高度后落下，钢锤撞击锤击垫板并对位于其下部的加载桩进行锤击。加载导杆采用抽拉结构，其长度可随加载桩顶面由于锤击下移而不断变化，以实现锤击。通过加载导杆上设置的刻度，可测量落锤高度和弹簧压缩量。钢锤向上压缩弹簧后，可给予钢锤一定的势能，通过弹簧压缩程度可给予钢锤不同的势能，从而使得锤击重量不同。本实用新型可实现不同锤击高度、不同锤重、不同打桩次序、不同打桩速度及不同加载桩布置方式等试验条件，可以在不同试验条件下进行挤土效应试验。通过本实用新型中的模型箱前侧的透明钢化玻璃，可以方便地通过数码摄录设备摄录打桩过程中设置在模型箱前壁位置的半模桩周围土体位移变化情况，以直观分析该界面受挤土效应引起的周围土体位移及应力场的变化规律。千分表用于测量原桩基顶部所产生的水平位移，埋设的土压力计用于监测原桩基受挤土效应影响下，周围试验用土的受力情况，通过监测装置采集的不同试验条件下原桩基的受力及变形数据，可以分析锤击群桩挤土效应对邻近桩基受力及变形的影响规律，为消除或减弱群桩挤土效应对邻近桩基的影响提供理论依据。

进一步的，为便于实现不同高度下的锤击要求，本实用新型中，所述加载柱包括套装在一起的上部加载柱和下部加载柱，上部加载柱的上端与加载固定板固定连接，下部加载柱的下端与群桩加载板固定连接，上部加载柱和下部加载柱上均设置有若干个螺栓孔，上部加载柱和下部加载柱通过螺栓固定连接。通过选用上部加载柱和下部加载柱上不同位置的螺栓孔，可以调整加载柱的高度，从而实现不同高度下的锤击要求。

进一步的，所述加载导杆包括套装在一起的上部导杆和下部导杆，所述上部导杆的上端与所述加载固定板连接，所述下部导杆的下端连接所述锤击垫板。

进一步的，为使试验装置与工程实际中的群桩设置相符，保证试验结果可靠，所述群桩加载板上的加载孔呈正方形或梅花形排列。

进一步的，为便于拆卸及方便试验，所述群桩加载板通过螺纹杆及螺母与所述模型箱的侧壁固定连接。

进一步的，为便于更换锤击垫板，所述加载导杆的下端与所述锤击垫板螺纹连接。

进一步的，所述锤击垫板为圆柱或所述锤击垫板的上半部分为圆柱，其下半部分为与上半部分同轴的半圆柱。圆柱形的锤击垫板可用于全模桩的锤击加载，上半部分为圆柱、下半部分为半圆柱的锤击垫板可用于半模桩的锤击加载。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在模型箱内前壁位置设置半模桩并将模型箱前壁设置为透明可视，可实现挤土效应的可视化试验，解决了以往沉桩试验中挤土效应的不可视化问题，并且由于锤击桩所产生的挤土效应在锤击桩半圆切面上最为显著，因此保证了挤土效应可视化试验的最佳效果，同时作为轴对称问题，也保证了模型箱内靠近前壁设置的半模桩所产生的挤土效应对邻近桩基的物理力学影响与全模桩等同；本实用新型可实现不同锤击高度、不同锤重、不同沉桩顺序、不同加载桩布置方式及不同打桩速度等因素影响下的群桩挤土效应试验，另外，由于各种加载装置的可拆卸性也保证了可进行多种土质及土性下的试验研究。

附图说明

图1是本实用新型中的锤击群桩挤土效应半模模型试验装置的剖面主视示意图；

图2是本实用新型中的锤击群桩挤土效应半模模型试验装置的俯视示意图；

图3是本实用新型中的加载柱的结构示意图；

图4是本实用新型中的加载装置的结构示意图；

图5是本实用新型中的加载固定板的结构示意图；

图6是本实用新型中的群桩加载板的结构示意图(加载孔呈正方形布置)；

图7是本实用新型中的群桩加载板的结构示意图(加载孔呈梅花形布置)；

图8是本实用新型中第二种锤击垫板的主视图；

图9是图8的俯视图；

图10是图8的左视图；

图中，1、模型箱，2、螺母，3、螺纹杆，4、群桩加载板，5、加载孔，6、弹簧，7、加载固定板，8、螺纹孔，9、加载导杆，9a、上部导杆，9b、下部导杆，10、钢锤，11、锤击垫板，12、加载柱，12a、上部加载柱，12b、下部加载柱，12c、调节螺栓，13、千分表，14、土压力计，15、原桩基，16、加载桩，17、试验用土。

具体实施方式

下面通过非限定性的实施例并结合附图对本实用新型作进一步的说明：

如附图所示，一种锤击群桩挤土效应半模模型试验装置，其包括模型箱1、加载装置、群桩加载板4、加载柱12、加载固定板7、加载桩16、监测装置。所述模型箱1为上部开口的长方形箱体，模型箱1的前壁为透明钢化玻璃，便于数码摄录设备能够透过玻璃进行清晰的拍摄。本实施例中，模型箱1的前壁采用透明钢化玻璃制作，模型箱1的左右壁、后壁及底板均采用钢板加工制作，模型箱1的骨架采用角钢焊接而成，钢化玻璃与角钢之间采用粘结方式，模型箱1的钢板部分与角钢焊接连接。所述模型箱1内填装试验用土17。在所述模型箱1内靠近其左侧壁或右侧壁中部位置设有竖向设置在试验用土17内的原桩基15，原桩基15为圆柱体。群桩加载板4为长方形板结构，群桩加载板4的四边的侧面分别设置有螺纹孔，在模型箱1的上口位置的四周设置有与群桩加载板4上的螺纹孔相对应的圆孔，所述群桩加载板4通过螺纹杆3和螺母2可拆卸地连接在模型箱1的上口。所述群桩加载板4上设置有多个贯穿其厚度的加载孔5，在群桩加载板4靠近模型箱1前壁的一侧边缘处有至少三个半圆形的开口朝外的加载孔5。所述加载柱12竖向设置，本实施例中的加载柱12设置为两根，所述加载柱12的下端与所述群桩加载板4固定连接，所述加载柱12的上端与所述加载固定板7固定连接。所述加载固定板7为长方形板结构，所述加载固定板7上对应于所述群桩加载板4上的加载孔5对应设有多个螺纹孔8。在所述加载固定板7的下部对应于每个螺纹孔8设置有弹簧6。所述加载装置包括可抽拉的加载导杆9、钢锤10、锤击垫板11，加载导杆9可抽拉伸长，加载导杆9的上端与加载固定板7上的螺纹孔8螺纹连接，加载导杆9的下端连接所述锤击垫板11。所述钢锤10的中心带有圆孔，钢锤10套装在加载导杆9上并可在加载导杆9上滑动。加载导杆9上设置有刻度。加载桩16可动地竖直放置于群桩加载板4上的加载孔5内，其中，放置于群桩加载板4上的半圆形的加载孔5内的加载桩16为半模桩，其余的加载桩16为全模桩，本实施例中所述的全模桩是指截面为圆形的模型桩，半模桩是指截面为半圆形的模型桩。所述监测装置包括千分表13和多个土压力计14。所述土压力计14紧贴原桩基15受土体挤压的侧面且沿原桩基15高度方向均匀分布，土压力计14采用电阻式土压力计，其为现有技术，本实施例中沿原桩基15高度方向均匀设置了9个土压力计14。千分表13设置在原桩基15的顶端侧面，其通过磁力表座吸附在模型箱1侧面，表头紧压在原桩基15顶端侧面。千分表13用于测量原桩基15受挤土效应所产生的水平位移。

为便于实现不同高度下的锤击要求，本实施例中，加载柱12为高度可调节结构，加载柱12包括套装在一起的上部加载柱12a和下部加载柱12b，上部加载柱12a为部分中空结构，下部加载柱12b插入上部加载柱12a的中空结构中，上部加载柱12a和下部加载柱12b上均设置有若干个螺栓孔，上部加载柱12a和下部加载柱12b通过调节螺栓12c固定连接，其中上部加载柱12a的上端与加载固定板7固定连接，可采用焊接的方式固定连接，下部加载柱12b的下端与群桩加载板4固定连接，也采用焊接的方式固定连接。为保证试验装置加载时的稳定性，本实施例中采用两根加载柱12。拔出调节螺栓12c，调节上部加载柱12a和下部加载柱12b相对位置，可调节加载柱的高度。

本实施例中，加载导杆9采用如下结构：包括相套装在一起的上部导杆9a和下部导杆9b，上部导杆9a为部分中空结构，下部导杆9b插入上部导杆9a的中空结构中，锤击时下部导杆9b的外漏长度可随加载桩顶面由于锤击下移而加长。上部导杆9a的上端带有外螺纹，与加载固定板7上的螺纹孔8螺纹连接，下部导杆9b的下端也带有外螺纹，通过螺纹连接锤击垫板11。上部导杆9a和下部导杆9b上均设置有刻度。

本实用新型中，群桩加载板4上的加载孔5的排列方式可为正方形排列或梅花形排列，如附图6所示的是呈正方形排列方式，所对应的群桩加载板4上设有9个加载孔5，其中位于下边缘的3个加载孔5为半圆孔，是半模桩加载孔，其余的加载孔为全模桩加载孔；如附图7所示的是呈梅花形排列方式，所对应的群桩加载板4上设有8个加载孔5，其中位于下边缘的3个加载孔5为半圆孔，是半模桩加载孔，其余的加载孔为全模桩加载孔。

本实施例中，所述锤击垫板11包括两种结构，一种为圆柱结构，一种为上半部分为圆柱，其下半部分为与上半部分同轴的半圆柱结构，如图8-图10所示。其中，圆柱结构的锤击垫板11用于对全模桩的加载，锤击垫板的圆心与全模加载桩及加载导杆的圆心重合。带有半圆柱结构的锤击垫板11用于对半模桩加载，锤击垫板11的下半部分的半圆柱切面与半模桩的半圆柱切面重合，且半圆柱的厚度大于模型箱1内的试验用土表面到群桩加载板4顶面的距离。锤击垫板11的圆柱半径比加载孔5的半径小1cm。试验时锤击垫板置于加载桩上，以保护加载桩桩头。

本实用新型中，钢锤10中心的圆孔的直径略大于加载导杆的直径，保证钢锤10可稳定下落。钢锤10的直径应略小于锤击垫板11的直径。

本实施例中的弹簧6的上端与加载固定板7的下部连接，弹簧6的直径略小于钢锤10的直径。钢锤10向上压缩弹簧6后，可给予钢锤10一定的力，通过弹簧不同的压缩程度可给予钢锤不同的势能，从而可得到不同的锤击重量即锤重。

通过能量守恒公式及动量定理mv＝ft，可求出钢锤10锤击到加载桩上的冲击力f(即锤重)。能量守恒公式中k为弹簧劲度常数，可通过弹簧常数公式(k＝(g×d⁴)/(8×d³×nc)求出弹簧劲度常数，其中g为线材的钢性模数，如不锈钢丝g＝7300，磷青铜线g＝4500，黄铜线g＝3500；d为线径(钢丝直径)；d＝中径＝外径-线径；nc＝有效圈数；上述相关参数可在弹簧说明书中查询)算得，x为弹簧压缩位移，m为钢锤质量，g为当地重力加速度，h为高度，可求得钢锤瞬时速度v；动量定理中m为钢锤质量，v为根据能量守恒公式计算得到的钢锤瞬时速度，t为钢锤下落时间，可用秒表测得，故根据动量定理可求得锤击冲击力，即为锤重。

本实施例中，填装在模型箱1内的试验用土17采用福建平潭标准砂，该标准砂质量稳定且可用于可视化试验中土体的变形量测。试验用土17在填装时应分层填装，每层夯实后用染色标准砂铺筑1-1.5mm厚度染色砂标志层。

本实用新型中的加载桩16及原桩基15均是按照相似原理制成的铝质桩。相似原理指的是本试验装置中的加载桩16和原桩基15是依据实际工程中的桩，按照一定的几何相似比、应力相似比来设计的，在尺寸、材料上略有不同，但受力机理完全相同的加载桩和原桩基模型。

采用上述的模型试验装置进行锤击群桩挤土效应试验的试验方法，包括如下步骤：

(一)、制作模型箱:按照模型箱设计要求制作好模型箱1。

(二)、分层填入试验用土，并埋置原桩基、土压力计：

向模型箱1内分层填入试验用土，并用轻型夯锤手动逐层夯实，以保证试验用土在模型箱1内的密实度，待填筑至原桩基15桩底设计高度时将原桩基15竖直放入，原桩基15底面与土层保持水平，继续填筑试验用土并在填筑过程中在设计位置埋设土压力计14，并将土压力计导线依次引出模型箱1，待试验用土填至设计高度后，整平试验用土表面。每层试验用土夯实后，在上部铺设1-1.5mm厚度的染色砂标志层。填土过程中始终保持原桩基15竖直放置，原桩基15顶面高于设计填土高度且低于群桩加载板4底面。

(三)、安装调试试验设备：

将群桩加载板4固定在模型箱1上口，并将预锤击的加载桩16穿过群桩加载板4上的加载孔5竖直放置于预锤击位置；将加载柱12与群桩加载板4和加载固定板7连接并调节加载柱12的高度至设计高度后用调节螺栓12c固定，将加载导杆9分别与锤击垫板11、钢锤10连接并将其上端与加载固定板7上与预锤击位置对应的螺纹孔8连接；在模型箱1的前侧面架设高精度数码相机，将千分表13的表头压在原桩基15的顶端侧面，将土压力计导线依次连接至静态应变仪，并将静态应变仪连接至电脑完成调试；

(四)开始试验：

将钢锤10沿加载导杆9提升至一定高度然后使其落下对加载桩16进行锤击试验。锤击紧贴模型箱1前壁的加载桩16时，采用带有半圆柱结构的锤击垫板11，并使其下半部分的半圆柱切面与半模桩的半圆柱切面重合；锤击其余的加载桩16时，采用圆柱结构的锤击垫板11。更换锤击位置时，将加载导杆9自加载固定板7拧出，连同钢锤10及锤击垫板11转移至预锤击位置，与加载固定板连接，即可进行下一次锤击试验。

通过改变钢锤10重心位置及其在加载导杆9上的刻度，可进行不同锤击高度下的群桩挤土效应试验；通过改变钢锤10压缩弹簧6的位移量，可进行不同锤重下的群桩挤土效应试验；通过改变对加载桩16的打桩次序可分析打桩工序对邻近原桩基15的挤土效应影响；通过调整单位时间内的锤击次数可分析打桩速度对邻近原桩基15的挤土效应影响；通过采用不同加载孔排列顺序的群桩加载板4可实现不同加载桩布置方式下的群桩挤土效应分析。试验过程中，在不同锤击阶段，通过静态应变仪记录土压力计的受力数据，通过高精度数码相机拍摄试验过程中不同打桩阶段靠近模型箱1前壁的半模桩周围试验用土及染色砂标志层的位移变形图像，通过千分表13记录原桩基15桩顶水平位移量。

本实用新型中，虽然靠近观测面的加载桩为半模桩，但作为轴对称问题，半模桩对位于其一侧的原桩基的挤土效应等同于全模桩对原桩基的影响，因此半模桩不会改变邻近的原桩基受挤土效应影响下的物理力学响应。但由于打桩过程中可直接观测到加载桩16的半圆切面上土颗粒的位移变化规律，这又为群桩挤土效应的可视化研究提供了便利条件。

(五)、试验结果分析：

试验加载结束后，通过分析土压力计14数值得到不同因素影响下的群桩挤土效应对原桩基15不同深度处的土压力影响规律；通过图像处理软件对试验过程中高精度数码相机拍摄的图像进行分析，可得到不同因素影响下的群桩挤土效应所产生的土体位移场及应力场变化规律；通过分析千分表13测得的原桩基15桩顶水平位移量，可揭示群桩挤土效应对邻近桩体变形的影响规律，并进而分析其承载力变化规律。

本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。