用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备及方法

摘要

本发明公开了一种用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备及方法，本设备中两根次梁中部设于主梁两端顶面，锚桩帽设于次梁两端顶面；两根次承压反力箱梁设于试验平台，反力锚桩帽设于次承压反力箱梁两端底面，四根主承压反力箱梁平排布置并且两端设于两根次承压反力箱梁中部顶面，四孔箱梁套设于四根主承压反力箱梁两端，上下部钢箱垫设于主梁中部底面和四根主承压反力箱梁中部顶面，六台套千斤顶设于上下部钢箱垫之间，锚桩帽与反力锚桩帽之间焊接若干第一螺纹钢筋，位移传感器和百分表设于主梁和两根次梁用于检测刚度和变形。本方法通过六台套千斤对主梁和四根主承压反力箱梁进行分级加载和卸载，判断主梁和次梁是否满足最大荷载时的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其一种用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备及方法。

背景技术

桩基静载试验是确定单桩承载力最原始、最基本的方法，也是最可靠的方法。单桩静载试验就是采用接近竖向抗压实际工作条件的试验方法,荷载作用于桩顶，使桩顶产生位移（沉降），可以得到单根试桩的荷载-沉降（P-S）曲线，还可以获得沉降-时间对数（S-lgt）曲线，以及其他分析所需曲线。

一般单桩静载试验设备由加载装置与荷载及变形观察装置等组成。加载装置由主梁、次梁、锚桩或压重等反力装置、千斤顶及油泵等组成。荷载及变形观测装置由压力表、压力传感器或荷重传感器等组成。反力装置可根据现有条件分为锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置、锚桩压重平台联合反力装置三种形式。反力装置提供的反力相对最大加载量应有一定的余量，一般为最大加载量的1.2～1.5倍。

锚桩横梁反力装置中常见的反力梁一般为钢梁，由一根主梁、两根次梁及其他辅件组成。钢梁分为型钢梁和组合梁等，当荷载和跨度较大时，采用型钢的截面不能满足强度、刚度或稳定性时，则采用组合梁。组合梁是由钢板或型钢焊接而成，常用的钢板焊接组合梁由上下翼板和腹板组成箱型截面，具有较大的抗弯刚度和抗扭刚度。锚桩横梁反力装置的主梁和次梁受集中荷载作用，主梁的最大受力区域在梁的中部，所以在实际加工制作中，一般在主梁的中部进行加强处理。

锚桩横梁反力装置中钢梁的刚度、强度及锚桩拉筋的断面在试验前要进行验算，满足强度、整体稳定性和刚度三方面要求。而对于整个试验装置而言，除了钢梁的截面满足以上三项要求外，还必须保证各个辅件（如锚桩帽、锚桩拉杆、拉杆螺栓、千斤顶上下钢垫箱等）满足试验的稳定性要求。

根据有关检测规范的要求，桩基检测单位应根据检测目的、检测方法的特点和适用范围，综合考虑地质条件及施工质量的可靠性等因素，结合检测单位自有检测能力及检测设备，制定实际可行的检测方案。实际检测作业中桩基检测单位在制定检测方案时，对反力梁荷载的验算是通过理论计算，估算出反力梁的最大荷载。但是对于超大荷载（特别是超千吨位），采用该理论计算值来预估最大荷载值存在一定的风险，且对于整个反力装置的稳定性、可靠性、实操性也没有可靠的实验数据资料。为此，对反力梁（刚度、强度、稳定性）、加载装置（稳定性、可靠性、实操性）、荷载及变形观测装置（可靠性、准确性）能否满足要求，需要采用试验数据予以验证。

单桩静载试验中，锚桩横梁反力装置的锚桩一般采用4根，如经计算4根锚桩提供的反力不能满足时（如入土较浅或土质松软时），可以增加至6根。但是在检验反力装置自身的稳定性、可靠性、实操性时，需考虑适当的提供反力的方法。第一种是检测单位加工制造试桩及锚桩，第二种由被检测单位提供施工现场的试桩及锚桩。但这两种方法都不具有实操性，同时也是不经济的。

基于以上等原因，需要开发能够模拟由试桩、锚桩等组成的试验环境和方法，用来检验超大荷载反力装置自身的稳定性、可靠性、实操性，且对钢梁、加载装置、荷载及变形观测装置能否满足试验要求做出评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备及方法，本设备及方法通过搭建试验设备平台，完全模拟锚桩及试桩的试验场景，且模拟的锚桩与试桩的距离符合桩基静载试验规范的规定，整个模拟试验过程在无锚桩提供反力的情景下，试桩反力施加在模拟锚桩的钢箱梁组合上,检验了整个试验设备系统的稳定性、可靠性和实操性。

为解决上述技术问题，本发明用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备包括主梁、两根次梁和锚桩帽，所述两根次梁中部设于所述主梁两端顶面并且与主梁垂直布置，所述锚桩帽分别设于所述两根次梁两端顶面；本设备还包括四根主承压反力箱梁、两根次承压反力箱梁、四孔箱梁套、上部钢箱垫、下部钢箱垫、六台套千斤顶、反力锚桩帽、位移传感器、百分表和若干第一螺纹钢筋，所述两根次承压反力箱梁间隔设于试验平台并与所述两根次梁上下平行间隔布置，所述反力锚桩帽分别设于所述两根次承压反力箱梁两端底面，所述四根主承压反力箱梁平排布置并且两端设于所述两根次承压反力箱梁中部顶面，所述四孔箱梁套分别设于所述四根主承压反力箱梁的两端，所述上部钢箱垫和下部钢箱垫分别设于所述主梁中部底面和四根主承压反力箱梁中部顶面，所述六台套千斤顶呈两排布置设于所述上部钢箱垫和下部钢箱垫之间，所述锚桩帽与反力锚桩帽之间间隔焊接若干第一螺纹钢筋，所述位移传感器和百分表分别设于所述主梁和两根次梁用于检测刚度和变形。

进一步，所述上部钢箱垫和下部钢箱垫的几何中心与所述四根主承压反力箱梁的几何中心以及六台套千斤顶合力中心位于同一垂直线。

进一步，所述试验平台为间隔铺设于平整试验场地的两根工字钢，所述两根工字钢承受不小于100吨的压力。

进一步，本设备还包括单孔箱梁套和若干第二螺纹钢筋，所述单孔箱梁套分别套入所述主梁两端，所述单孔箱梁套与四孔箱梁套之间间隔焊接若干第二螺纹钢筋。

进一步，本设备还包括超高压油泵站，所述超高压油泵站通过高压管路连接所述六台套千斤顶，所述六台套千斤顶并联设置并同步顶升或降落。

进一步，所述六台套千斤顶分别为320T千斤顶。

进一步，本设备还包括全站仪，所述全站仪架设于所述试验平台一侧，并监测所述主梁和四根主承压反力箱梁的倾斜度。

进一步，所述第一螺纹钢筋的直径为250mm。

一种基于上述用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备的模拟试验方法包括如下步骤：

步骤一、采用超高压油泵站提供六台套千斤顶的动力，启动六台套千斤顶产生合力，合力向上通过上部钢箱垫传递到其上部的主梁，主梁被顶起向上位移的同时两根次梁也被顶起，次梁向上位移使其两端的锚桩帽被向上拉起；

步骤二、次梁两端的锚桩帽被向上拉起后，锚桩帽通过若干第一螺纹钢筋拉起两根次承压反力箱梁两端的反力锚桩帽，反力锚桩帽拉起后托起次承压反力箱梁，使得次承压反力箱梁产生向上位移，此时，反力锚桩帽模拟了超大荷载锚桩的作用；

步骤三、次承压反力箱梁向上位移传递至四根主承压反力箱梁，使得四根主承压反力箱梁产生向上位移，四根主承压反力箱梁向上位移带动两端的四孔箱梁套向上位移；

步骤四、六台套千斤顶通过上部钢箱垫向上顶起主梁的同时，向下产生的压力通过下部钢箱垫传递到四根主承压反力箱梁的中部，此时，下部钢箱垫模拟了试桩；

步骤五、模拟实际试验工况，通过六台套千斤顶对主梁和四根主承压反力箱梁分别进行分级加载和卸载，每级加载和卸载过程中，通过位移传感器和百分表记录主梁和次梁的变形量，并观测设备的整体稳定性，判断主梁和次梁是否满足最大荷载时强度、整体稳定性和刚度的要求。

进一步，所述分级加载按10级加载，每级按最大荷载的1/10逐级等量加载，第一级取2倍荷载级差，最后一级取0.5倍荷载级差，每级荷载持荷1.5小时；所述分级卸载按5级卸载，每级卸载按2倍的加载量等级卸载，每级荷载持荷0.5小时。

由于本发明用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备及方法采用了上述技术方案，即本设备中两根次梁中部设于主梁两端顶面，锚桩帽设于两根次梁两端顶面；两根次承压反力箱梁设于试验平台，反力锚桩帽设于两根次承压反力箱梁两端底面，四根主承压反力箱梁平排布置并且两端设于两根次承压反力箱梁中部顶面，四孔箱梁套设于四根主承压反力箱梁的两端，上部钢箱垫和下部钢箱垫设于主梁中部底面和四根主承压反力箱梁中部顶面，六台套千斤顶设于上部钢箱垫和下部钢箱垫之间，锚桩帽与反力锚桩帽之间焊接若干第一螺纹钢筋，位移传感器和百分表设于主梁和两根次梁用于检测刚度和变形。本方法模拟实际试验工况，通过六台套千斤对主梁和四根主承压反力箱梁进行分级加载和卸载，判断主梁和次梁是否满足最大荷载时的要求。本设备及方法通过搭建试验设备平台，完全模拟锚桩及试桩的试验场景，且模拟的锚桩与试桩的距离符合桩基静载试验规范的规定，整个模拟试验过程在无锚桩提供反力的情景下，试桩反力施加在模拟锚桩的钢箱梁组合上,检验了整个试验设备系统的稳定性、可靠性和实操性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备示意图；

图2为图1的侧视图。

具体实施方式

实施例如图1和图2所示，本发明用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备包括主梁1、两根次梁2和锚桩帽3，所述两根次梁2中部设于所述主梁1两端顶面并且与主梁1垂直布置，所述锚桩帽3分别设于所述两根次梁2两端顶面；本设备还包括四根主承压反力箱梁4、两根次承压反力箱梁5、四孔箱梁套6、上部钢箱垫7、下部钢箱垫8、六台套千斤顶9、反力锚桩帽10、位移传感器11、百分表12和若干第一螺纹钢筋13，所述两根次承压反力箱梁5间隔设于试验平台14并与所述两根次梁2上下平行间隔布置，所述反力锚桩帽10分别设于所述两根次承压反力箱梁5两端底面，所述四根主承压反力箱梁4平排布置并且两端设于所述两根次承压反力箱梁5中部顶面，所述四孔箱梁套6分别设于所述四根主承压反力箱梁4的两端，所述上部钢箱垫7和下部钢箱垫8分别设于所述主梁1中部底面和四根主承压反力箱梁4中部顶面，所述六台套千斤顶9呈两排布置设于所述上部钢箱垫7和下部钢箱垫8之间，所述锚桩帽3与反力锚桩帽10之间间隔焊接若干第一螺纹钢筋13，所述位移传感器11和百分表12分别设于所述主梁1和两根次梁2用于检测刚度和变形。

优选的，所述上部钢箱垫7和下部钢箱垫8的几何中心与所述四根主承压反力箱梁4的几何中心以及六台套千斤顶9合力中心位于同一垂直线。

优选的，所述试验平台14为间隔铺设于平整试验场地的两根工字钢，所述两根工字钢承受不小于100吨的压力。

优选的，本设备还包括单孔箱梁套15和若干第二螺纹钢筋17，所述单孔箱梁套15分别套入所述主梁1两端，所述单孔箱梁套15与四孔箱梁套6之间间隔焊接若干第二螺纹钢筋17。

优选的，本设备还包括超高压油泵站，所述超高压油泵站通过高压管路连接所述六台套千斤顶9，所述六台套千斤顶9并联设置并同步顶升或降落。

优选的，所述六台套千斤顶9分别为320T千斤顶。

优选的，本设备还包括全站仪16，所述全站仪16架设于所述试验平台14一侧，并监测所述主梁1和四根主承压反力箱梁4的倾斜度。

优选的，所述第一螺纹钢筋13的直径为250mm。

一种基于上述用于超大荷载锚桩横梁反力装置的模拟试验设备的模拟试验方法包括如下步骤：

步骤一、采用超高压油泵站提供六台套千斤顶的动力，启动六台套千斤顶产生合力，合力向上通过上部钢箱垫传递到其上部的主梁，主梁被顶起向上位移的同时两根次梁也被顶起，次梁向上位移使其两端的锚桩帽被向上拉起；

步骤二、次梁两端的锚桩帽被向上拉起后，锚桩帽通过若干第一螺纹钢筋拉起两根次承压反力箱梁两端的反力锚桩帽，反力锚桩帽拉起后托起次承压反力箱梁，使得次承压反力箱梁产生向上位移，此时，反力锚桩帽模拟了超大荷载锚桩的作用；

步骤三、次承压反力箱梁向上位移传递至四根主承压反力箱梁，使得四根主承压反力箱梁产生向上位移，四根主承压反力箱梁向上位移带动两端的四孔箱梁套向上位移；

步骤四、六台套千斤顶通过上部钢箱垫向上顶起主梁的同时，向下产生的压力通过下部钢箱垫传递到四根主承压反力箱梁的中部，此时，下部钢箱垫模拟了试桩；

步骤五、模拟实际试验工况，通过六台套千斤顶对主梁和四根主承压反力箱梁分别进行分级加载和卸载，每级加载和卸载过程中，通过位移传感器和百分表记录主梁和次梁的变形量，并观测设备的整体稳定性，判断主梁和次梁是否满足最大荷载时强度、整体稳定性和刚度的要求。

优选的，所述分级加载按10级加载，每级按最大荷载的1/10逐级等量加载，第一级取2倍荷载级差，最后一级取0.5倍荷载级差，每级荷载持荷1.5小时；所述分级卸载按5级卸载，每级卸载按2倍的加载量等级卸载，每级荷载持荷0.5小时。

本发明通过一组模拟锚桩的钢箱梁组合，搭建试验设备平台以及设备的合理组装，完全模拟六根锚桩一根试桩的试验场景，且模拟的锚桩与试桩的距离符合有关规范规定的要求。整个试验过程在无锚桩提供反力的情景下，试桩反力施加在模拟锚桩的钢箱梁组合上,检验了整个试验设备的稳定性、可靠性和实操性。

本设备采用并排的四根主承压反力箱梁用作主反力架，六台套千斤顶放置位置模拟了试桩的位置，安置在四根主承压反力箱梁两端的四孔箱梁套将其锁套住，用作模拟的锚桩桩头。安置在主梁两端单孔箱梁套起到提供锚桩反力的作用。同时，通过第一螺纹钢筋将放置在两根次承压反力箱梁两端底面的反力锚桩帽与两根次梁两端顶面的锚桩帽连接，起到了提供锚桩反力的作用，形成一根试桩和六根锚桩的试验模型。

本设备安装时对主梁与次梁的距离、模拟锚桩与模拟试桩距离、千斤顶的合力中心等都严格参照有关检测规范规定的距离及位置执行。试验所使用千斤顶、超高压油泵站的油压传感器、压力表及荷重传感器均按国家法定计量单位检定校准。在主梁、次梁的集中受力部位安装位移传感器和百分表，用来记录在每级荷载作用下主梁、次梁的变化量。同时，在距主梁20米远的位置安装全站仪，用来实时观测整体设备的稳定情况。

试验规程加载和卸载过程完全模拟有关检测规范规定的单桩静载试验的分级加卸载要求，且每个分级加卸载过程都对主梁、次梁的集中受力部位变化情况做详尽记录。

本发明在无需锚桩试桩的状态下，通过设备的组合完成超大荷载锚桩横梁反力装置试验设备的能力验证，整个试验设备安装时间短，经济可行，试验过程科学严谨，试验数据真实可靠。