沉桩多点加载模型试验装置及用其进行透水性试验的方法与流程

本发明属于建筑桩基工程的，具体涉及一种沉桩多点加载模型试验装置及用其进行透水性试验的方法。

背景技术：

1、在建筑桩基工程领域，采用高效、经济、节能的施工新技术代替旧的高成本、高耗能技术是行业发展的必然要求。先将透水刚性桩做成预制桩，然后采用静压法沉桩将透水刚性桩压入地基中，形成一种新型复合地基，其兼具了刚性桩强度较大和散体桩透水性好的优点。

2、透水刚性桩的沉桩过程包含了模具的装料，振捣插捣成型脱模等步骤。在沉桩过程中，透水刚性桩将对周围的土体产生挤土效应，目前对于透水刚性桩在竖向荷载作用下受力变形的研究，主要建立在刚性桩复合地基研究的基础上，对透水刚性桩的受力变形，超孔压消散进行研究。对于桩土之间的相互作用机理和桩周土应力场和位移场的影响尚不明确。虽然通过现场试验，可以直接对于桩体及其周围土体的受力变形进行监测，但需要耗费大量的人力、物力和时间成本，且现场试验的可重复性较差，难以进行多参数敏感性分析。相较于现场试验，室内模型试验具有成本低、可重复性好等优点，因此提出一种可以模拟透水刚性桩沉桩和竖向加载的模型试验装置，将能够有效促进对于透水刚性桩的研究，推广其在工程实际中的应用。

3、试验刚性桩的透水系数，需要在土体上进行多点加载，而现在所用的沉桩加载模型试验装置，大多仅仅只是单点加载，多用于复合桩竖向承载机理的研究，却无法适用于透水系数的各项数据检测试验。因此为了实现透水系数的研究数据监测，有必要设计一种适用于刚性桩透水系数检测的多点加载模型试验装置。

技术实现思路

1、为了解决上述技术缺陷之一，本发明提供了一种沉桩多点加载模型试验装置及用其进行透水性试验的方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：沉桩多点加载模型试验装置，包括上部敞口的模型箱和反力架，模型箱的两个相对侧板外壁上均安装有高度调整机构，反力架包括反力梁和两个反力侧板，两个反力侧板对称设置并通过高度调整机构分别安装在模型箱的两相对侧板上，反力梁的两端分别与两个反力侧板相连接，所述反力梁下表面固定安装有千斤顶，模型箱的一侧放置有高速摄像机。

3、所述反力侧板的内侧面设有多个横向调整槽，所述反力梁的两端均安装有多个滑移滚轮，反力梁两端通过滑移滚轮活动安装在反力侧板的横向调整槽内，所述反力梁两端均安装有至少一个与调整槽适配的锁止机构。

4、所述锁止机构包括细轴、转管、连板、支撑柱和摩擦胶垫，细轴固定安装在反力梁的端部一侧，转管套装在细轴上，支撑柱通过连板与转管固定连接，支撑柱的上下端均固定连接摩擦胶垫，所述摩擦胶垫为外端小内端大的锥体结构，当支撑柱完全位于横向调整槽内部时，摩擦胶垫被挤压变形。

5、所述多个滑移滚轮通过盖板拆装机构安装在反力梁的端面上，所述盖板拆装机构包括截面为c型的盖板，反力梁的端面和盖板的端面上设有相对应的多组轴孔，滑移滚轮中心转动安装有一个轮轴，轮轴的两端插装在反力梁和盖板的端面轴孔内。

6、所述的模型箱的结构为多根钢板焊接形成箱体框架，所述箱体框架底面安装有金属板且其他四面内侧通过玻璃胶粘接钢化玻璃。

7、所述高度调整机构包括插槽和固定螺栓，两个开口相对设置的插槽固定在模型箱的侧板外壁，插槽上设置有多个安装孔，反力侧板底部设有两个插条，两个插条分别插装在插槽中并通过固定螺栓与安装孔配合固定连接。

8、所述模型箱的底部设置有多个万向滚轮，且万向滚轮上设置有锁紧机构。

9、所述模型箱的侧壁上安装有蓄水导管，刚性桩桩顶透水孔通过橡胶导管与蓄水导管内部连通，蓄水导管外壁上设有容量刻度表。

10、所述刚性桩桩顶安装有橡胶垫块，橡胶导管自橡胶垫块下方穿入并从侧边穿出。

11、使用沉桩多点加载模型试验装置进行刚性桩透水试验的方法，包括以下步骤：

12、s1、在模型箱的底面及侧壁铺覆防水塑料布，将试验所需的饱和土体分层缓慢倒入模型箱中，以20-30cm为一层土体，每铺设一层后，均要静置一段时间，让饱和土体充分固结，同时当填土高度达到埋置传感器位置时，按照试验需要进行传感器的布置，当填土完成后，再静置至饱和土体完成自重固结，当孔压计测得的孔压等于静水压力时，认为土体已经完成固结；

13、s2、用尺子在饱和土体表面标记出透水桩的位置，利用高度调整机构上下调节反力梁的高度，将其安装在反力侧板上对应高度的横向调节槽内，之后调节反力梁上千斤顶的位置，使其对准标记点；

14、s3、沉桩前，将透水桩桩顶的小孔与橡胶导管连接，橡胶导管的另一端与模型箱侧壁的蓄水导管相连接，其中橡胶导管起引流作用，将孔隙水从刚性桩沿橡胶导管流入蓄水导管；

15、s4、沉桩过程中全程通过高速摄像机实时采集相关传感器的数据，静压法沉桩过程中必然会因挤土而产生超静孔隙水压力，假定某一点位处的静水压力为p，在沉桩过程中，因挤土而导致这一点位处的水压升高至p1，其中δp＝p-p1，为因沉桩过程中挤土效应而产生的超静孔隙水压力，通过比较不同透水系数的透水桩在沉桩过程中，这一点位处δp值的大小进而初步评价透水桩的透水性能；

16、s5、沉桩完成后，在透水桩和饱和土体形成的复合地基上铺设一层砂垫层，其中砂垫层与饱和土体间铺设一层防水土工布，确保水只能从透水桩中溢出，在砂垫层上放置一块圆形荷载板，荷载板的圆心位置对应透水桩圆心位置；

17、s6、待透水桩桩侧的超孔隙水压力消散后，调整千斤顶的位置，使其底部对准荷载板中心的位置，并检查桩身的垂直度，然后通过千斤顶对于透水桩复合地基进行逐级施加竖向荷载，在试验中需要多点加载测试时，根据实验需求随时进行高度与横向位置的调整；

18、s7、在加载过程中实时观测蓄水管中的水位变化，通过对比不同透水系数的透水桩在同一时刻下，蓄水导管中水位的高度，初步判断透水桩的透水性能，结合达西定律，则整体渗透性能指标k可表示为：

19、

20、式中：k为整体渗透性能指标，单位cm/s；h0、ht分别为蓄水导管中水位的初始高度和t时刻的高度，单位：mm；

21、s8、加载完成后，将千斤顶和反力梁拆下，查看桩土的变形破坏情况。

22、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

23、1、本发明使用千斤顶对于透水刚性桩复合地基施加压力将透水刚性桩压入饱和土体中，从而来模拟静压法沉桩的施工过程，在沉桩过程中同时利用高速摄像机透过钢化玻璃记录土体的受力变形情况，从而研究沉桩过程中的挤土效应，适用性更强更广，功能多样化，省时省力。

24、2、本发明在使用中可根据反力侧板与模型箱侧板上不同高度安装孔的连接、反力梁在不同高度的横向调整槽内的安装实现反力梁及千斤顶的高度调整，通过反力梁在横向调整槽内的位移实现千斤顶的横向位置调整，从而达到对模型箱中不同点位加载的功能，使用方便快捷；

25、3、本发明在使用过程中可以通过观测蓄水导管中水位的变化进而初步判断透水桩的渗透性能。