基于多功能加載系統(tǒng)的全機械式樁基模型試驗裝置研發(fā)

任連偉,楊權(quán)威,詹俊峰,顧紅偉,彭懷風(fēng),張敏霞

(1. 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000; 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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基于多功能加載系統(tǒng)的全機械式樁基模型試驗裝置研發(fā)

任連偉1,楊權(quán)威1,詹俊峰1,顧紅偉2,彭懷風(fēng)2,張敏霞1

(1. 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南 焦作 454000; 2. 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

在借鑒國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于樁基模型試驗裝置研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,自主研發(fā)了基于多功能加載系統(tǒng)的全機械式樁基模型試驗裝置,該裝置可實現(xiàn)抗壓、抗拔、水平樁基模型試驗的加載。其樁基模型試驗系統(tǒng)主要由模型槽、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成,模型槽全機械連接,可根據(jù)試驗需求設(shè)置不同的長、寬、高;全自動加載系統(tǒng)可實現(xiàn)每級荷載的穩(wěn)壓要求,并且電腦自動控制和采集,試驗的精確性和可靠性大幅度提高;全自動加載系統(tǒng)具有兩向或三向同時加載的功能,可模擬樁基在不同工況下的承載性能。采用該裝置進行了Y形樁抗壓、抗拔、水平單樁模型試驗,驗證了該試驗裝置和加載系統(tǒng)的可行性和可靠性。

樁基模型試驗裝置;全機械式連接;全自動加載;Y形樁

在樁基礎(chǔ)的研究中,現(xiàn)場試驗是最可靠的研究手段,但其存在造價高、重復(fù)性差、場地工期限制嚴(yán)格等缺點。為了系統(tǒng)研究樁基礎(chǔ)特別是新形樁的受力性能,國內(nèi)外學(xué)者自行研制模型槽,在其內(nèi)進行全面的試驗研究。

Pan等[1]為了分析被動樁變形以及確定作用在樁側(cè)的極限土壓力,設(shè)計了由鋼板制作的小型模型槽。Xing等[2]對樁支撐的平面上墊層有無土工格柵進行了大尺寸試驗研究。Goit等[3]為研究水平荷載作用下樁土相互作用的非線性,進行了相關(guān)的動態(tài)模型試驗。Cihan等[4]對鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土樁的非線性特性進行了對比模型試驗研究。Zhang等[5]為了研究打入樁的工作機理,自制一加壓模型箱,進行多組模型試驗。河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所自行開發(fā)了大型樁基模型試驗系統(tǒng)[6],可進行各類樁的足尺模型試驗研究。肖昭然等[7]研制了一套功能完備的自動壓樁儀,為研究靜力沉樁提供了較為穩(wěn)定的條件。樓曉明等[8]為模擬土體加卸荷對樁基摩阻力產(chǎn)生的影響,研制了土體加卸荷對樁基影響模擬試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)可通過氣壓加載法在大直徑土樣頂面以較高荷載進行加卸荷,模擬不同土性、不同樁端約束條件下土體沉降或回彈對模型樁產(chǎn)生的影響。李永波等[9]為研究凍土環(huán)境中樁基動力特性,設(shè)計一套凍土-樁動力相互作用模型試驗系統(tǒng),該試驗系統(tǒng)能較好地模擬分析凍土-樁動力性能。酈建俊等[10]采用室內(nèi)離心模型試驗來代替現(xiàn)場原位試驗,研究樁土相互作用,取得了較好的效果。

在借鑒國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于樁基模型試驗裝置的先進經(jīng)驗基礎(chǔ)上,筆者自行研發(fā)了基于多功能加載系統(tǒng)的樁基模型試驗系統(tǒng),該試驗系統(tǒng)主要由試驗場所(模型槽)、加載系統(tǒng),測量系統(tǒng)等組成,能夠?qū)崿F(xiàn)樁基抗壓、抗拔、水平單樁和群樁一系列試驗研究以及變角度加載試驗。其主要特點是模型槽全機械式連接,可根據(jù)試驗需要改變長、寬、高。另外,配有國內(nèi)先進的全自動加載系統(tǒng),能通過1個控制平臺同時控制3個方向的加載,每級加載中可以實現(xiàn)穩(wěn)壓功能,解決模型試驗中穩(wěn)壓控制難的問題,提高了試驗的準(zhǔn)確性和可靠性。為實現(xiàn)加載的多功能性,還配有滑輪加配重塊加載、手動千斤頂加載等,可根據(jù)試驗需要選擇不同的加載方式或組合方式，并且通過對Y形樁進行抗壓、抗拔、水平單樁模型試驗,驗證了該系統(tǒng)的可行性和可靠性。

1 全機械式樁基模型試驗裝置研發(fā)

1.1 模型槽設(shè)計

全機械式樁基模型試驗系統(tǒng)主要由試驗場所(模型槽)、加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部分組成,模型槽全機械式連接,加載系統(tǒng)有自動加載、滑輪加載、手動加載等多功能加載裝置。圖1為模型槽的三維設(shè)計圖形及建好后的模型槽。

圖1 模型槽Fig. 1 Model tank

試驗所采用的模型槽位于河南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳,模型槽上面有廠房的鋼結(jié)構(gòu)雨篷,防止模型槽受天氣影響,可以有效地對設(shè)備進行保養(yǎng)和維護。

模型槽全部為鋼結(jié)構(gòu)機械連接而成,為了保證模型槽上部結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定,該模型槽的4根立柱由槽鋼組成,柱子下面用16個直徑大于10 cm的大螺栓固定于地下室鋼筋混凝土頂板上。模型槽的平面尺寸為2 m×2 m,高度為2.5 m。由于地下室頂板上每隔50 cm布置有螺栓孔,模型槽可根據(jù)試驗需要改變尺寸。在模型槽的上方安裝有行車軌道,便于吊裝和運輸相關(guān)設(shè)備和材料,車軌上有最大起重量為5 t和10 t的2個吊機,可以根據(jù)需要選擇,吊車可以覆蓋整個模型槽區(qū)域。模型槽的東、西兩側(cè)用活動鋼擋板圍成,每側(cè)由5塊擋板組成,總高度為2.5 m,擋板上面焊接有5#角鋼,并在角鋼上面進行鉆孔,用螺栓將5塊活動擋板進行連接,便于模型槽的安裝和拆卸,如圖1(a)所示?？紤]水平試驗時鋼板變形對試驗結(jié)果的影響,在模型槽的南側(cè)下部1.5 m范圍內(nèi)布置3塊活動擋板,上面1 m采用20個5 cm高度的空心方鋼(厚度3 mm),可減小鋼板變形對水平試驗的影響。為便于對試驗土料填筑情況以及后續(xù)試驗土體變形等情況進行直接觀察,在模型槽的北面設(shè)置了5塊有機玻璃板,每塊高度50 cm,經(jīng)角鋼螺栓連接，如圖1(b)所示。

圖2 反力架裝置Fig. 2 Reaction frame equipment

反力架主要是由傳力柱和反力梁構(gòu)成(圖2),反力梁分為主梁和次梁2部分。在模型槽的東、西兩排柱子上分別固定有一個改裝型H型主梁,主梁的中心是實心鋼結(jié)構(gòu),主梁高0.5 m,主梁與鋼柱之間用螺栓連接。鋼柱上布置有間距為10 cm的螺栓孔,主梁可以根據(jù)試驗要求在豎向調(diào)節(jié)高度,簡單方便。在主梁的上方固定有一個次梁,次梁為實心方鋼,其尺寸為2.4 m×0.08 m×0.075 m,次梁經(jīng)上下帶螺栓孔的鋼板用長螺栓與主梁連接,共同構(gòu)成反力構(gòu)件。由于主梁槽鋼上面設(shè)計有間距10 cm的螺孔,因此次梁可以根據(jù)樁的不同位置,在水平方向上前后移動,滿足加載需求。

1.2 加載系統(tǒng)

1.2.1 全自動加載系統(tǒng)

全自動加載設(shè)備采用雙油路千斤頂,千斤頂最低高度為33.8 cm,油缸外徑為13.2 cm,活塞直徑為7 cm,活塞最大行程為20 cm,千斤頂所能提供的最大荷載為50 t。千斤頂既可以豎向放置也可以水平放置,能夠提供豎向、水平2個方向的荷載,千斤頂所施加的荷載由與其接觸的荷載傳感器連接到電腦上讀出。

為了滿足靜載荷試驗時每級荷載穩(wěn)定要求,采用具有穩(wěn)壓功能的靜力載荷測試儀,容差在±1 kN,有較高的穩(wěn)壓效果。本儀器具有1個荷載測試通道和4個位移測試通道,可直接顯示各測試通道的荷載值(單位kN)、沉降值(單位mm),而不需人工換算。本儀器有2路各自獨立的油泵控制輸出,可以對試樁的加載、補載自動控制。該控制器的機芯采用的是進口變頻器,可以自動調(diào)節(jié)高壓油泵流量,能同時滿足小噸位單樁或復(fù)合地基試驗及大噸位群樁試驗對流量精細(xì)調(diào)節(jié)的要求。儀器與傳感器、油泵間采用電纜連接,測試人員可遠(yuǎn)距離操作。既提高了工作效率,減輕了勞動強度,又大幅度提高了測試精度。

該試驗系統(tǒng)還配備有國內(nèi)先進的靜載測試儀,它將傳統(tǒng)的儀器系統(tǒng)各組件間的電纜連接改變?yōu)闊o線遙測遙控并具有開創(chuàng)性的一帶三功能。1臺主機最多可同時自動遙控3臺前端測控器,能同時進行3根樁試驗或者對1根樁同時進行3個方向的加載,并且主機在有效范圍內(nèi)可隨意放置,無須連接電纜線,可以進行無線控制,給試驗帶來了極大的方便。

1.2.2 水平加載系統(tǒng)

水平加載有2種方式,一種是通過模型槽南側(cè)設(shè)置的方鋼作為支撐擋墻用手動螺旋式千斤頂加載,配合荷載傳感器及顯示裝置使用,如圖3(a)所示；另外一種是通過滑輪加配重塊進行水平加載,如圖3(b)所示。2種方式都可以實現(xiàn)恒載循環(huán)加載。

1.2.3 抗拔加載系統(tǒng)

專門設(shè)計一抗拔試驗裝置,如圖4所示。2塊鋼板預(yù)先鉆有螺栓孔,鋼板厚度不小于1 cm,由4根高強螺栓經(jīng)螺帽固定到鋼板兩端。樁頭預(yù)先焊接不少于2根鋼筋,通過螺帽固定于下鋼板。反力梁置于4根螺栓中間,反力梁與上鋼板留有足夠空間用于放置千斤頂和荷載傳感器。至此形成抗拔加載系統(tǒng)。由于模型樁的抗拔力比較小,一般使用手動螺旋式千斤頂加載。

圖3 水平加載系統(tǒng)Fig. 3 Horizontal loading system

圖4 抗拔加載系統(tǒng)Fig. 4 Uplift loading system

1.3 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)主要用于對樁身沉降、樁端阻力、樁身軸力、樁側(cè)土壓力等進行測量,為了達(dá)到測量目的,所采用的測量設(shè)備主要包括以下幾種:鋼筋應(yīng)力計、微型土壓力盒、位移計等。由于試驗?zāi)康牟煌?所采用的測量設(shè)備有所不同。

為了準(zhǔn)確測量樁身的沉降,避免百分表讀數(shù)產(chǎn)生誤差,節(jié)約人力,方便數(shù)據(jù)的記錄,本次試驗采用與全自動靜力載荷測試儀配套使用的MFX-50數(shù)顯百分表,該位移傳感器的測量范圍為0～50 mm,能夠精確到0.01 mm。

圖5 Y形樁截面Fig. 5 Cross section of Y-shaped pile

樁編號橫截面面積/mm2截面周長/mmY4992.35391.10C14992.35250.50C212185.60391.10

1.4 試驗土體

試驗所采用的土體為砂土,在試驗時將砂曬干,模擬樁在干砂中的承載力,通過室內(nèi)試驗測得其基本物理性質(zhì)參數(shù)：密度ρ=1.65 g/cm3,內(nèi)摩擦角φ=42°,壓縮模量Es=15.31 MPa。該砂土的不均勻系數(shù)Cu=1.22,曲率系數(shù)為0.97。砂土的填筑采用砂雨法,控制高度為50 cm,均勻分層填筑。

1.5 模型樁制作

由對Y形樁已有研究成果可知[11-12],實際工程中常用的Y形樁外包圓半徑R=0.395 5 m,樁長12 m。本試驗所用的Y形樁為預(yù)制樁,按照1∶6的相似比得出試驗樁的外包圓半徑R=65.92 mm,開弧間距為20 mm，開弧角度為72°,如圖5所示。與Y形樁等面積的圓形樁C1的R=39.87 mm,與Y形樁等周長的圓形樁C2的R=62.28 mm,樁長都是2 m。各樁樁身混凝土強度等級均為C25,樁內(nèi)均勻布置3個φ6的冷拉筋,箍筋φ2@20,用細(xì)鐵絲進行綁扎,如圖5所示。Y形樁和圓形樁參數(shù)見表1。

2 實 例 應(yīng) 用

2.1 豎向抗壓試驗

圖6為單樁靜載試驗現(xiàn)場照片,根據(jù)規(guī)范[13-14]要求進行豎向載荷試驗。由于樁體配置有主筋露出樁頭,所以在進行抗壓試驗時在樁頭放置鉆孔鋼墊片,然后在墊片上面放置加載板便于千斤頂放置及位移計固定,在墊板上面對稱布置2個位移計以測定樁頂位移。在千斤頂上面放置方形鋼塊作為傳力柱,荷載傳感器放置在反力梁和墊塊之間,測定樁頂施加的豎向荷載。

加載采用全自動液壓千斤頂,油泵采用改裝的流量為0.2 L/min雙油路液壓油泵,與采集軟件連接,設(shè)置補載下限,可以將波動范圍控制在±1 kN范圍內(nèi),其荷載、位移大小可以直接在電腦上直接讀出,提高試驗的可靠性和準(zhǔn)確性。該自動加載設(shè)備具有記憶功能,即使測試過程中出現(xiàn)斷電的情況,在電腦重新打開時仍然可以繼續(xù)加載,不會影響試驗結(jié)果。圖7為3根試樁的荷載-沉降曲線,滿足豎向載荷試驗要求。

圖6 單樁豎向載荷試驗Fig. 6 Vertical loading test of single pile

圖7 荷載-沉降曲線Fig. 7 Loading-settlement curves

2.2 水平載荷試驗

圖8為水平試驗現(xiàn)場照片,通過滑輪使用標(biāo)準(zhǔn)配重塊對樁進行水平方向加載。水平加載裝置是先在主梁上固定2個外伸懸臂梁,并用螺栓在外伸懸臂梁的一端固定一個橫梁用以固定滑輪;然后將鋼絲繩穿過滑輪,一端連接樁頭,另一端連接放置配重塊的承載架,通過調(diào)整滑輪的高度,將鋼絲調(diào)整水平,使用配重塊進行加載。這種加載方式能夠使所施加的荷載保持穩(wěn)定,試驗結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。圖9為3根試樁的水平力-水平位移曲線,可滿足水平試驗要求。

圖8 水平載荷試驗Fig. 8 Horizontal loading test

圖9 水平力-水平位移曲線Fig. 9 Horizontal loading-displacement curves

2.3 豎向抗拔試驗

圖10為抗拔試驗時現(xiàn)場照片,在進行抗拔試驗時,將標(biāo)準(zhǔn)螺栓鋼筋與樁體主筋進行焊接,并將螺栓鋼筋與抗拔裝置通過螺帽連接到一起。試驗所用抗拔裝置主要由連接板、螺栓鋼筋和加載板3部分組成,在連接板上鉆孔,通過螺帽與樁頭螺栓鋼筋連接到一起,加載板與連接板通過大直徑螺栓鋼筋進行連接。裝置固定好之后,通過千斤頂進行加載。

本次試驗由于樁的抗拔承載力較小，故采用手動機械式千斤頂,荷載傳感器量程是0～5 t,并采用馬歇爾數(shù)據(jù)采集儀,該采集儀可以精確到0.01 kN。如果試驗需要，同樣可以采用全自動液壓加載系統(tǒng)進行加載。圖11為3根試樁的上拔荷載-樁頂上拔量曲線,可以滿足抗拔試驗要求。

圖10 豎向抗拔試驗Fig. 10 Vertical uplift test

圖11 上拔荷載-樁頂上拔量曲線Fig. 11 Uplift loading-displacement curves

3 結(jié) 論

a. 完整樁基模型試驗系統(tǒng)主要由機械式模型槽、全自動加載系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等組成,模型槽的尺寸可根據(jù)試驗需要設(shè)置不同的長、寬、高,具有擋板塊狀拼接、拆裝組合便捷等優(yōu)點。擋板一側(cè)設(shè)置為有機玻璃板,便于觀察土體的基本物理性質(zhì)。

b. 反力梁與橫梁螺栓連接,可根據(jù)樁的位置調(diào)整反力梁的位置,使其位于樁頂正上部。水平試驗時,為提供水平反力,在擋板上部設(shè)置方鋼擋墻,可根據(jù)試驗要求對稱布置方鋼擋墻,實現(xiàn)多向加載。同時也設(shè)置了滑輪加標(biāo)準(zhǔn)配重塊的水平加載系統(tǒng),使試驗結(jié)果更穩(wěn)定可靠。另外,還專門研制了抗拔加載裝置,與反力梁配合實現(xiàn)單樁和群樁的抗拔試驗。

c. 加載系統(tǒng)有全自動加載系統(tǒng)、手動加載、配重塊加載等,全自動加載系統(tǒng)可實現(xiàn)每級荷載的穩(wěn)壓要求,并且電腦自動控制和采集,試驗的精確性和可靠性大幅度提高。另外,全自動加載系統(tǒng)具有2向或3向同時加載的功能,可模擬不同的樁基受力特性。

d. 通過對Y形樁抗壓、抗拔、水平單樁模型試驗,驗證了該試驗裝置和加載系統(tǒng)的可行性和可靠性。

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Development of fully mechanical model test equipment for pile foundation based on multifunctional loading system

REN Lianwei1, YANG Quanwei1, ZHAN Junfeng1, GU Hongwei2, PENG Huaifeng2, ZHANG Minxia1

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China;2.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Based on research achievements of scholars from China and abroad, fully mechanical model test equipment was independently developed for pile foundations. The equipment is based on a multifunctional loading system and can be used for model tests of compression, uplift, and horizontal loadings on pile foundations. The pile foundation model test system consists of a model tank, a loading system, a measurement system, and other components. The model tank is connected mechanically and can be set to different lengths, widths, and heights according to model test requirements. The fully automatic loading system can meet the requirements of pressure stability for each level of loading. The system is controlled and collected automatically by computer, leading to the high accuracy and reliability of the model test. In addition, the system has the function of loading simultaneously in two or three directions and can simulate the bearing performance of different piles under different conditions. Finally, model tests of compression, uplift, and horizontal loadings on Y-shaped piles were carried out, and the feasibility and reliability of the test equipment and loading system are verified.

pile foundation model test equipment; fully mechanical connection; fully automatic loading; Y-shaped pile

10.3876/j.issn.1000-1980.2016.06.008

2015-11-10

國家自然科學(xué)基金(51508166);河南省高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(NSFRF140143)

任連偉(1980—),男,河南周口人,副教授,博士,主要從事巖土工程研究。E-mail:renhpu@163.com

TU473

A

1000-1980(2016)06-0519-06