超长大直径桩基水平荷载测试装置及方法

本发明属于桩基水平承载力测量领域，尤其涉及一种超长大直径桩基水平荷载测试装置及方法。

背景技术：

1、我国的土木行业在不断发展的过程中，灌注桩作为超高层建筑、大跨径桥梁等建筑结构最常见的基础型式，桩基的直径、长度和承载力也越来越大。桩的水平承载力是桩在水平荷载作用下所反映的抗水平荷载的能力及特性。桩承受的水平荷载有多种形式：风荷载、地震荷载、波浪荷载、吊车制动力和浮冰、船舶的撞击力等。水平荷载作用下桩基础的受力过程本质为复杂的桩土相互作用过程，桩基础的水平极限荷载与桩的种类、桩的几何尺寸、桩顶约束条件、桩身材料强度、土体种类等密切相关。在港口、桥梁、海洋等工程领域，桩基础承受到土体侧向压力、海浪、地震等因素产生的水平荷载，此时桩体水平受力性状是影响基础稳定的重要因素，因此基础水平承受荷载已经成为桩基设计时要考虑的主要因素。

2、然而，现有的桩基水平承载力测量方法中，经常采用的是单个反力桩的测量方法，即在待测桩基一侧设置反力桩并施加单一方向的水平荷载，这样测量高强度的超长大直径桩基时所需求的反力桩要求强度和成本都很高，同时对于桩基本身的损害也很大，所以急需一种针对超长大直径桩基的水平荷载测试装置及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种超长大直径桩基水平荷载测试装置及方法。

2、这种超长大直径桩基水平荷载测试装置，包括钢制轴承、滑轮、固定柱、钢制固定口、钢制保护外壳、球铰、待测超长大直径桩体、反力桩保护壳、倾斜扩底反力桩、拉力传感器、卷扬机、千斤顶基础和位移传感器；

3、所述钢制轴承锚固在固定柱顶部，滑轮套箍在钢制轴承外部；所述钢制保护外壳设置在待测超长大直径桩体顶部，钢制固定口和球铰分别焊接在钢制保护外壳的两侧；所述倾斜扩底反力桩顶部浇筑有混凝土反力桩桩帽，反力桩保护壳覆盖在反力桩桩帽上，反力桩保护壳上端采用固定螺栓固定卷扬机，卷扬机与钢制固定口之间采用钢缆经过滑轮连接，拉力传感器设置于靠近钢制固定口的钢缆一端，反力桩保护壳与球铰之间依次设置有压力传感器、垫块和油压千斤顶；所述位移传感器通过支撑板连接千斤顶基础。

4、作为优选，所述固定柱底部设有固定柱扩底基础，固定柱位于待测超长大直径桩体带有钢制固定口一侧；所述倾斜扩底反力桩位于待测超长大直径桩体带有球铰一侧，倾斜扩底反力桩沿垂直方向的倾角在30°～45°之间；所述固定柱、待测超长大直径桩体和倾斜扩底反力桩位于同一水平中轴线上。

5、作为优选，所述拉力传感器、钢制固定口、球铰、油压千斤顶、垫块和压力传感器位于同一轴线上，且该轴线穿过待测超长大直径桩体圆心，油压千斤顶连接有油压表。

6、作为优选，所述钢制保护外壳由对称两个半圆形钢制保护外壳构成，两个半圆形钢制保护外壳通过高强螺栓和螺帽固定连接为整体；钢制保护外壳上端设有钢制顶部保护板。

7、这种超长大直径桩基水平荷载测试装置的测试方法，包括以下步骤：

8、步骤一：分别将固定柱和倾斜扩底反力桩打设在待测超长大直径桩体的相对两侧；在固定柱顶部安装钢制轴承和滑轮；

9、步骤二：在倾斜扩底反力桩顶部浇筑反力桩桩帽并安装卷扬机；在待测超长大直径桩体顶部安装钢制保护外壳；

10、步骤三：安装千斤顶基础、油压千斤顶、垫块和压力传感器；在千斤顶基础和待测超长大直径桩体之间安装位移传感器；在卷扬机的钢缆端部附近安装拉力传感器，将钢缆绕过滑轮与钢制固定口固定连接；

11、步骤四：同步启动油压千斤顶和卷扬机，分级施加水平荷载作用在待测超长大直径桩体的桩头，每级加荷恒载稳定后记录压力传感器、拉力传感器和位移传感器的读数；

12、步骤五：根据水平力和桩顶位移数据绘制单桩水平静载荷试验曲线，确定超长大直径桩基的单桩水平临界荷载和极限荷载。

13、作为优选，在步骤二中，在反力桩桩帽顶部覆盖安装反力桩保护壳，随后通过固定螺栓将卷扬机锚固在反力桩保护壳上；在待测超长大直径桩体顶部安装钢制保护外壳，钢制保护外壳采用高强螺栓和螺帽进行连接固定，随后在钢制保护外壳顶部焊接钢制顶部保护板。

14、作为优选，在步骤三中，在待测超长大直径桩体与倾斜扩底反力桩之间依次安装千斤顶基础、油压千斤顶、垫块和压力传感器；在千斤顶基础上锚固两块支撑板，所述位移传感器沿待测超长大直径桩体的桩头上下平行布置两处；油压千斤顶活塞顶头与球铰吻合接触。

15、作为优选，在步骤四中，启动油压千斤顶和卷扬机前，分别记录压力传感器、拉力传感器、位移传感器的初始读数；采用多循环加卸载方法分级施加水平荷载，所述分级施加水平荷载包括油压千斤顶产生的推力和卷扬机牵引收紧钢缆产生的拉力。

16、本发明的有益效果是：

17、1)本发明采用倾斜扩底反力桩支撑技术，通过桩体扩底和倾斜的双重作用提高了倾斜扩底反力桩的水平荷载承载极限，有助于倾斜扩底反力桩提供更高的水平反力用于支撑油压千斤顶，同时降低了倾斜扩底反力桩的强度要求。

18、2)本发明采用卷扬机滑轮同向牵拉技术，通过巧妙地在倾斜扩底反力桩顶部上方设置卷扬机，利用滑轮转换受力方向的原理，在待测超长大直径桩体的另一侧施加水平拉力，与油压千斤顶产生的推力同向叠加，进一步提高了水平荷载的施加强度极限和测试精度。

19、3)本发明采用了钢制保护外壳和钢制顶部保护板，可在桩基承载力测试时对待测桩体产生有效保护，防止施加荷载直接接触作用在桩体混凝土表面造成结构损伤；在倾斜扩底反力桩顶部设置反力桩桩帽和反力桩保护壳，也对倾斜扩底反力桩结构具有一定的保护作用。

技术特征：

1.一种超长大直径桩基水平荷载测试装置，其特征在于：包括钢制轴承(1)、滑轮(2)、固定柱(3)、钢制固定口(5)、钢制保护外壳(6)、球铰(10)、待测超长大直径桩体(11)、反力桩保护壳(15)、倾斜扩底反力桩(16)、拉力传感器(20)、卷扬机(22)、千斤顶基础(23)和位移传感器(24)；

2.根据权利要求1所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置，其特征在于：所述固定柱(3)底部设有固定柱扩底基础(4)，固定柱(3)位于待测超长大直径桩体(11)带有钢制固定口(5)一侧；所述倾斜扩底反力桩(16)位于待测超长大直径桩体(11)带有球铰(10)一侧，倾斜扩底反力桩(16)沿垂直方向的倾角在30°～45°之间；所述固定柱(3)、待测超长大直径桩体(11)和倾斜扩底反力桩(16)位于同一水平中轴线上。

3.根据权利要求1所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置，其特征在于：所述拉力传感器(20)、钢制固定口(5)、球铰(10)、油压千斤顶(14)、垫块(13)和压力传感器(18)位于同一轴线上，且该轴线穿过待测超长大直径桩体(11)圆心，油压千斤顶(14)连接有油压表(12)。

4.根据权利要求1所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置，其特征在于：所述钢制保护外壳(6)由对称两个半圆形钢制保护外壳构成，两个半圆形钢制保护外壳通过高强螺栓(8)和螺帽(9)固定连接为整体；钢制保护外壳(6)上端设有钢制顶部保护板(7)。

5.如权利要求1～4中任一项所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置的测试方法，其特征在于：在步骤二中，在反力桩桩帽(17)顶部覆盖安装反力桩保护壳(15)，随后通过固定螺栓(19)将卷扬机(22)锚固在反力桩保护壳(15)上；在待测超长大直径桩体(11)顶部安装钢制保护外壳(6)，钢制保护外壳(6)采用高强螺栓(8)和螺帽(9)进行连接固定，随后在钢制保护外壳(6)顶部焊接钢制顶部保护板(7)。

7.根据权利要求5所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置的测试方法，其特征在于：在步骤三中，在待测超长大直径桩体(11)与倾斜扩底反力桩(16)之间依次安装千斤顶基础(23)、油压千斤顶(14)、垫块(13)和压力传感器(18)；在千斤顶基础(23)上锚固两块支撑板(25)，所述位移传感器(24)沿待测超长大直径桩体(11)的桩头上下平行布置两处；油压千斤顶(14)活塞顶头与球铰(10)吻合接触。

8.根据权利要求5所述的超长大直径桩基水平荷载测试装置的测试方法，其特征在于：在步骤四中，启动油压千斤顶(14)和卷扬机(22)前，分别记录压力传感器(18)、拉力传感器(20)、位移传感器(24)的初始读数；采用多循环加卸载方法分级施加水平荷载，所述分级施加水平荷载包括油压千斤顶(14)产生的推力和卷扬机(22)牵引收紧钢缆(21)产生的拉力。

技术总结
本发明涉及一种超长大直径桩基水平荷载测试装置及方法，包括步骤：将固定柱和倾斜扩底反力桩打设在待测超长大直径桩体的相对两侧；在固定柱顶部安装钢制轴承和滑轮；在倾斜扩底反力桩顶部安装卷扬机；安装千斤顶基础、油压千斤顶、垫块和压力传感器；钢缆绕过滑轮与钢制固定口固定连接；启动油压千斤顶和卷扬机，根据水平力和桩顶位移数据绘制单桩水平静载荷试验曲线。本发明的有益效果是：通过桩体扩底和倾斜的双重作用提高了倾斜扩底反力桩的水平荷载承载极限，有助于提供更高的水平反力用于支撑油压千斤顶，在倾斜扩底反力桩顶部上方设置卷扬机，与油压千斤顶产生的推力同向叠加，提高了水平荷载的施加强度极限和测试精度。

技术研发人员：刁红国,徐绍涵,王新泉,崔允亮,李枭
受保护的技术使用者：浙大城市学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13