一种用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验装置及方法

摘要

本发明公开了用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验装置，包括固定平台、管桩模型试验箱、加载机构和监测系统，所述固定平台包括底板、顶板以及若干连接螺杆；所述管桩模型试验箱包括底壁、两个侧壁、后壁和前壁，所述前壁活动设置在侧壁之间，所述前壁采用无色透明有机玻璃制成；所述监测系统包括位移传感器、压力传感器、设置在所述管桩外表面的应变花组；所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自动记录仪。本发明采用半圆管桩，便于观测管桩与注浆土体之间的剪切变形破坏特征，测试管桩与注浆土体之间的抗剪强度，采用摄像装置将试验过程录像，可视化的测试，分析更直观。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程试验装置技术领域，具体涉及一种用于观测管桩与注浆土体之间剪 切变形破坏特征的试验装置及方法。

背景技术

结构与注浆岩土土体之间力学特性研究是岩土工程领域的重要课题之一，是解决结构与 注浆土体之间相互作用的前提。传统试验装置：单剪仪、直剪仪、扭剪仪和循环加载剪切仪 等，均人为假定结构与土的接触界面为破坏面，而实际上结构与土界面剪切破坏时界面剪切 强度可能高于土体本身的剪切强度，使得剪切破坏面发生在土体内部。针对结构与周围包裹 的水泥注浆土体而言，通常水泥浆与结构的粘结强度要高于普通的注浆土体强度，剪切破坏 面将发生在注浆土体内部，形成一个具有一定厚度的剪切破坏带。因此，现有的剪切试验装 置难以真实、准确地测定和观测分析结构与注浆土体之间的剪切特性。

管桩是高层建筑物的常用基础形式，主要用作建筑物的抗压、抗拔和抗水平力等。采用 大直径随钻跟管钻机(专利号：ZL 200820158894.7)施工的管桩，管壁外侧灌注水泥浆(钻 孔直径较管桩直径大40～100mm)以提高管桩的侧摩阻力，然而，管桩与其桩周注浆土体的 剪切、错动、和脱开等非连续变形破坏问题，尚缺乏深入系统的研究。主要原因是目前的结 构与土的剪切试验设备大部分是平面上的，少有关于弧面的剪切试验研究，尺寸一般也较小， 无法模拟结构与注浆土体在单调加载或者循环加载条件下的实际力学行为。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有试验设备测试精度不高，测试直观性不强，取样不可靠， 试验结果离散性大的技术问题，提供一种操作简便、测试准确、样本接近工程实际、并且便 于观测管桩与注浆土体剪切变形破坏特征的剪切试验装置及成套测试方法。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验装置，包括固定平台、 设置在固定平台上的管桩模型试验箱、设置在固定平台上给管桩模型试验箱提供压力的加载 机构和监测系统，所述固定平台包括底板、顶板以及连接底板和顶板的若干连接螺杆；

所述管桩模型试验箱包括底壁、与底壁垂直设置的两个侧壁、连接两个侧壁的后壁和前 壁，所述前壁活动设置在两侧壁之间，所述前壁采用无色透明有机玻璃制成；

所述加载机构设置在所述顶板上，并位于所述管桩的上方；

所述监测系统包括设置在管桩上部的位移传感器、设置在加载机构上的压力传感器、以 及设置在所述管桩外表面的一排或一排以上的应变花组；所述应变花组沿所述管桩圆周方向 均匀分布；

所述应变花组包括沿所述管桩中心轴方向均匀分布的若干应变花，所述应变花连接有自 动记录仪。

进一步地，所述两侧壁相对于所述前壁的一侧设置有滑槽，所述前壁的两端设置在所述 滑槽内；所述底壁上与所述前壁对应的位置设置有与所述前壁配合的凹槽；所述前壁与所述 侧壁连接的两端设置有加强部。

进一步地，所述管桩的横截面为半圆环形，所述管桩的竖直截面与所述箱体的前壁接触。

进一步地，本发明还包括摄像装置，所述摄像装置通过连接支座设置在顶板上。

进一步地，所述加载机构为千斤顶或压力试验机。

进一步地，所述管桩顶部设置有承压钢板，所述加载机构作用在承压钢板上。

进一步地，所述管桩的横截面为半圆形，所述管桩的竖直截面与所述箱体透明玻璃壁直 接接触。以方便观测管桩与不同厚度注浆土体之间发生剪切破坏的变形情况，绘制剪切破坏 包络线。

进一步地，所述底板上设置有限制所述箱体位置的限位块。

一种用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验方法，其步骤包括：

(1)打开固定平台的顶板，将试验箱体固定到底板上；

(2)在箱体底部铺设硬土；

(3)将半圆形管桩的切面紧贴玻璃壁放置在硬土上，在管桩外套设与管桩对应的半圆环 形钢套筒，钢套筒内表面与管桩外表面之间预留用于灌注水泥浆的空隙；所述钢套筒的内径 比所述管桩的外径大20mm～100mm，可根据试验研究的需要制作不同厚度的水泥注浆体；

(4)所述管桩外表面贴有若干应变花；管桩顶部设置有位移传感器；

(5)用土体填充箱体，并且将土体夯实；

(6)在管桩与钢套筒之间灌注水泥浆，并且一边灌注水泥浆一边拔出钢套筒，或在水泥 浆初凝前拔出所述钢套筒；所述管桩与所述土体之间灌注特定水灰比的水泥浆，所述水泥浆 的水灰比为0.4～1.0，针对砂土优选0.7；

(7)将固定平台的顶板复位，并安装好加载机构；

(8)加载机构从上部通过承压板对管桩施加竖向压力，逐步增加压力，直到管桩与周围 水泥注浆体之间发生剪切破坏；所述加载机构上设置有压力传感器；

(9)记录所述应变花、位移传感器和压力传感器的数据。

进一步地，所述装有混凝土管桩的箱体在施加压力之前，需要多于28天的凝固时间。

进一步地，所述固定平台的顶板上设置有摄像设置，所述箱体为透明的有机玻璃材料制 成，所述摄像设置透过箱体摄录实验过程

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对混凝土管桩模型测试，与现实中的混凝土管桩的仿真性好，测试结果更加 准确、可靠、离散性小，采用摄像装置将试验过程录像，有利于进一步分析试验结果，更直 观地判断管桩与注浆土体的破坏点所在，为理论分析和工程实践提供可靠的基础数据。

采用上下连接的固定平台，通过连接螺杆传递加载机构的作用力和反作用力，使其形成 一体，使试验装置更稳定。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验装置的结构示 意图；

图2是半圆环形管桩的结构示意图；

图3是半圆环钢套筒的结构示意图；

图4是半圆环形管桩模型的结构示意图；

图5是图2中A的局部放大图。

图中：1-箱体，11-硬土，12-土体，13-前壁，131-加强部，14-滑槽，2-半圆环形管桩， 21-位移传感器，22-应变花，23-水泥浆，24-空隙，25-钢套筒，3-承压钢板，4-顶板，41- 加强筋，5-连接螺杆，6-加载机构，61-压力传感器，7-连接支座，8-摄像装置，9-底板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅 用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1～图3所示，本发明所述用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验 装置，包括固定平台、设置在固定平台上的管桩模型、设置在固定平台上给管桩模型提供压 力的加载机构6和监测系统。

所述固定平台包括顶板4、底板9和用于连接顶板4和底板9的四个连接螺杆5，所述连 接螺杆5通过螺母与顶板4或底板9连接固定，所述底板9上设置有用于固定管桩模型的限 位块；所述顶板4上设置有若干增加其强度的加强筋41。

所述管桩模型试验箱包括设置在底板9上的箱体1、设置在箱体1内部的半圆环形管桩2 以及填充箱体1的土体12，所述箱体的底部铺设有一层硬土11；所述半圆环形管桩2与所述 土体12之间填充水泥浆23，所述水泥浆的水灰比为0.6～0.8，针对砂土优选0.7。

所述箱体1包括底壁、与底壁垂直设置的两个侧壁、连接两个侧壁的后壁和前壁13，所 述前壁13活动设置在两侧壁之间，所述侧壁相对于所述前壁13的一侧设置有滑槽14，所述 前壁13与所述侧壁14连接的两端设置有加强部131，所述前壁13的加强部131设置在所述 滑槽14内；所述底壁上与所述前壁13相对应的位置设置有与所述前壁配合的凹槽；所述前 壁13采用无色透明有机玻璃制成。

所述半圆环形管桩2的横截面为半圆环形，其竖直平面与所述箱体1的壁体直接接触。 所述箱体1由无色透明有机玻璃制作而成，方便观察管桩与水泥浆之间发生剪切破坏的变形 情况，绘制剪切破坏包络线。

所述半圆环形管桩2的外表面设置有一排应变花组，所述应变花组设置在半圆环形管桩 2外壁的中间位置，每组应变花组包括五个间隔设置的应变花22，所述应变花22沿所述半圆 环形管桩2的中心轴方向均匀分布设置。所述应变花为三轴应变花，所述应变花22连接有自 动记录仪，所述自动记录仪用于接收和记录所述应变花22监测到的数据。所述半圆环形管桩 2的顶部设置有承压钢板3。

所述加载机构6为设置在顶板4上的千斤顶，所述千斤顶的底端正对所述承压钢板3的 中心位置，所述千斤顶的底端上设置有压力传感器61。

所述承压钢板3上设置有位移传感器21，用于监测承压钢板3在千斤顶的压力下的垂直 位移情况。

本发明还包括摄像装置8，所述摄像装置8通过连接支座7固定设置在顶板4上，所述 摄像装置8透过无色透明的箱体1正对着半圆环形管桩2的竖直平面位置，摄录试验过程。

本发明所述用于观测管桩与注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验方法，其步骤包括：

(1)打开固定平台的顶板4，将试验箱体固定到底板4上；

(2)在箱体1底部铺设硬土11；

(3)将半圆环形状的管桩2放置在硬土11上，半圆环形管桩2的竖直平面与箱体1的 壁接触，在半圆环形管桩2外套设与管桩对应的钢套筒25，钢套筒25内表面与管桩外表面 之间预留用于填充混凝土的空隙24；所述管桩外表面贴有若干应变花22；

(3)管桩顶部设置承压钢板3，并在承压钢板3上设置位移传感器21；

(4)用土体12填充箱体，并且将土体12夯实；

(5)在半圆环形管桩2与钢套筒25之间灌注水泥浆23，将混凝土23振动压实，并且 一边灌注混凝土一边拔出钢套筒25或在水泥浆23初凝前拔出所述钢套筒25；所述钢套筒25 的内径比所述管桩的外径大20mm～100mm，根据试验研究的需要制作不同厚度的水泥注浆体 23。

(6)将灌注了混凝土23的箱体1放置28天以上，待其凝固。

(7)将固定平台的顶板复位，并安装好加载机构，并开启摄像装置8。

(8)千斤顶对半圆环形管桩2上部施加压力，增加千斤顶的压力，直到半圆环形管桩2 丧失承载能力，即管桩与水泥注浆、土体之间发生剪切破坏；所述千斤顶上设置有压力传感 器61。

(9)记录、分析所述应变花22、位移传感器21、压力传感器61的数据和摄像装置8所 摄录的试验过程，作为试验分析的基础资料。

本实施例所述观测管桩与不同厚度注浆土体之间剪切变形破坏特征的试验装置的其它结 构参见现有技术。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是 未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变 化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。