一种多功能模型试验桩

1.一种多功能模型试验桩，其特征在于：它包括桩顶、桩身、桩尖、微型土压力盒、竖向力传感器，所述微型土压力盒（6）内嵌在桩身（3）四周，所述竖向力传感器（7）置于桩尖内部，桩尖（10）位于模型试验桩端部；所述桩顶包括半球铰（1）、走线连接件（2）、受拉固定环（4）；半球铰（1）一端有半球体（101），另一端与走线连接件（2）螺纹连接，走线连接件（2）侧壁有用于测量导线（12）通过的圆孔，一端设有螺纹孔用以与半球铰（1）连接，另一端设有螺纹与桩身（3）连接；受拉固定环（4）套在桩身上，可经由螺栓固定在任一位置；所述桩身（3）四周设置有内嵌孔，内嵌孔深度比桩内径小1mm；所述微型土压力盒（6）置于桩身（3）内嵌孔中，测量导线（12）从内嵌孔内侧桩壁小孔内穿进桩身（3）内部；竖向力传感器（7）位于桩尖内部，力传递杆（8）穿过固定板（9）中心圆孔将桩尖与力传感器连接；桩尖（10）与桩身（3）之间留设大于2mm缝隙，并在缝隙中布设海绵环（11）；桩身（3）内嵌孔直径大于微型土压力盒（6）直径1mm，在缝隙内填充透明环氧基树脂；桩尖（10）可拆卸替换为不同角度的桩尖。

一种多功能模型试验桩\n技术领域\n[0001] 本发明专利涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种多功能模型试验桩。\n背景技术\n[0002] 随着桩基础在建筑结构物中的广泛应用，目前对桩基承载机理的研究越来越显得重要。缩尺模型试验与现场足尺试验对桩基的承载机理研究而言是必不可少的。现场足尺试验由于考虑了实际现场环境条件而具有一定的优势，但是其试验成本太高且试验条件不易控制；但模型试验研究具有诸多优点，如可提供受控的试验环境，另外可以较经济地开展不同试验参数的研究。所以对桩相关特性的室内缩尺模型试验研究成为研究桩基承载性状的重要方法之一，越来越受学者们的重视。\n[0003] 在桩基室内缩尺模型试验中，模型实验桩的制备和桩周土压力量测是极其重要的环节。桩基试验大体分为竖向荷载试验、水平荷载试验和抗拔试验，传统试验方法针对这三种试验分别制作模型实验桩，从而使工作量增大。另外模型实验桩传统应力测量方法通常是利用桩身贴设的应变片测量应变，然后由桩身应变推算出桩身侧向应力、弯矩和桩尖阻力等，存在模型实验桩制作复杂、推算方法匹配误差和数据处理误差的问题；也有的是在模型实验桩周围土体中布设应力测量装置，比如微型土压力盒，但此方法布置测量装置繁琐且会扰动桩周土体的应力场从而使测得结果与实际不符。通常使用的模型实验桩及其桩身应力测量装置制作与安装过程复杂，容易对原应力场产生扰动，从而降低获得数据的可靠性。另外在模拟桩受竖向荷载、水平荷载的试验时，需要与之相对应的模型实验桩，操作复杂且耗费较大。\n发明内容\n[0004] 本发明专利的目的是为了针对现有模型实验桩的应力量测方法复杂且与真实应力不符等问题，提供了一种可在多个加载类型模型试验中使用的多功能模型试验桩，这种模型实验桩不仅可测得桩尖阻力和桩身不同位置处的桩身侧向应力，相比传统测量方式而言对桩周应力场扰动很小，测得数据更为贴近实际，而且可进行竖向荷载试验、水平荷载试验及抗拔试验，减少了试验工作量并提高了试验便捷性。\n[0005] 本发明专利所采用的技术方案是：\n[0006] 一种多功能模型试验桩，该模型实验桩包括半球铰、走线连接件、桩身、受拉固定环、拉环、微型土压力盒、竖向力传感器，力传递杆、固定板、桩尖、测量导线、海绵环，半球铰与走线连接件连接，走线连接件的另一端与桩身连接，桩身上留设有凹槽，凹槽内安装微型土压力盒，受拉固定环套在桩身上部位置并可有螺栓固定，拉环安装在受拉固定环一侧，桩身另一端内部安装竖向力传感器，力传感器使用穿过固定板圆孔的力传递杆与桩尖相连，海绵环布置在桩尖与桩身的缝隙内，微型土压力盒和竖向力传感器的测量导线由桩身内部通过走线连接件的圆孔导出。\n[0007] 进一步地，一种多功能模型试验桩，包括桩顶、桩身、桩尖、微型土压力盒、竖向力传感器，所述微型土压力盒内嵌在桩身四周，所述竖向力传感器置于桩尖内部，桩尖位于模型试验桩端部；所述桩顶包括半球铰、走线连接件、受拉固定环；半球铰一端有半球体，另一端与走线连接件螺纹连接，走线连接件侧壁有用于测量导线通过的圆孔，一端设有螺纹孔用以与半球铰连接，另一端设有螺纹与桩身连接；受拉固定环套在桩身上，可经由螺栓固定在任一位置；所述桩身四周设置有内嵌孔，内嵌孔深度比桩内径小1mm；所述微型土压力盒置于桩身内嵌孔中，测量导线从内嵌孔内侧桩壁小孔内穿进桩身内部；竖向力传感器位于桩尖内部，力传递杆穿过固定板中心圆孔将桩尖与力传感器连接；桩尖与桩身之间留设大于2mm缝隙，并在缝隙中布设海绵环；桩身内嵌孔直径大于微型土压力盒直径1mm，在缝隙内填充透明环氧基树脂；桩尖可拆卸替换为不同角度的桩尖。\n[0008] 与现有技术相比，本发明专利的有益效果是：\n[0009] 1.在桩身不同位置处内嵌微型土压力盒量用以测量侧向土压力，在桩尖内部布设竖向力传感器以测得桩尖阻力，且测量导线经由桩身内部从桩顶位置走出，确保了在不扰动原桩土应力场的前提下测量桩身侧向土压力和桩尖阻力，该模型实验桩弥补传统方法的不足，可以较为直观地测得桩身侧向土压力分布情况，为分析桩基的承载机理和力学性能提供有力支持。\n[0010] 2.结构简单，便于安装和拆卸，可进行竖向荷载、水平荷载和抗拔试验。本发明专利由十一个部件组成，结构简单，易于加工安装。同时，半球铰、走线连接件、桩身、桩尖之间采用螺纹连接方式，便于拆卸和安装。当进行不同桩尖角度的试验时，可更换桩尖部件，而其他部件仍可继续使用。当开展桩尖抗拔试验时，可将半球铰拆除，替换为拉环，从而方便进行抗拔试验。受拉固定环套在桩身上下移动并可通过螺栓固定在任一位置，可进行在不同高度桩身位置处的模型实验桩水平受拉荷载试验。\n[0011] 3.测量精度高，试验数据可靠。模型实验桩最上部安装的球铰可减少压桩时荷载偏心对模型实验桩的影响。微型土压力盒嵌入在模型实验桩体四周留设的凹槽内，凹槽从模型实验桩自上而下分布，凹槽直径大于微型土压力盒直径，然后使用透明环氧基树脂将缝隙填充，可消除微型土压力盒侧向受力所受的影响，提高微型土压力盒测量数据的准确性。海绵环布设在桩尖和桩体留设的缝隙间，不仅可防止土体进入缝隙中，又不会限制与力传递杆相连的桩尖的竖向位移，从而可保证竖向力传感器测量的准确性。\n附图说明\n[0012] 图1为本发明专利的结构示意图；\n[0013] 图2为本发明专利的结构剖面图；\n[0014] 图3为本发明专利的桩身截面图；\n[0015] 图4为本发明专利的桩顶结构剖面图；\n[0016] 图5为本发明专利的桩尖结构剖面图之一；\n[0017] 图6为本发明专利的球铰结构示意图；\n[0018] 图7为本发明专利的走线连接件结构示意图；\n[0019] 图8为本发明专利的受拉固定环剖面图；\n[0020] 图9为本发明专利的桩尖结构剖面图之二。\n[0021] 图中：1为半球铰，2为走线连接件，3为桩身，4为受拉固定环，5为拉环，6为微型土压力盒，7为竖向力传感器，8为力传递杆，9为固定板，10为桩尖，11为海绵环，12为测量导线，101为半球体。\n具体实施方式\n[0022] 下面结合附图对本发明专利进一步说明。\n[0023] 如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明专利通过在桩身不同位置内嵌微型土压力盒6来测量桩侧土压力，并使用与桩尖10相连的桩身内部竖向力传感器7来测量桩尖阻力。选用的微型土压力盒6直径为10mm，厚度5mm，桩身预留内嵌孔为11mm，沿桩身竖向方向均匀分布，每一截面均匀分布四个微型土压力盒6，微型土压力盒6与内嵌孔之间的缝隙使用透明环氧基树脂填充。受拉固定环4可根据试验要求取下或安装，也可在桩身上调整位置并螺栓固定。\n[0024] 力传递杆8上有螺纹，桩尖10一端留设有匹配的螺纹口与力传递杆8相连，二者连接后留有3mm的缝隙，并在缝隙中布设有海绵环11以防止土颗粒进入桩身缝隙；模型实验桩可更换不同角度的桩尖10，例如30°、45°、60°的桩尖，从而可进行不同角度桩尖的模型实验桩试验。\n[0025] 走线连接件2上一端有螺纹口，另一端有螺纹，半球铰1一端带有螺纹并可与走线连接件2的螺纹口连接，走线连接件2与带内螺纹的桩身3连接。走线连接件2两侧对称留有直径10mm的圆孔，微型土压力盒6和竖向力传感器的测量导线12由桩身内部从圆孔中走出。\n[0026] 进行竖向荷载试验时，将模型实验桩置于土床之上，通过试验室竖向加载装置作用在桩顶半球铰1的半球体101上，将模型实验桩压入土床中，然后进行模型实验桩竖向静载试验。半球铰1可防止施加竖向荷载的偏心影响。\n[0027] 进行水平荷载试验时，将拉环5安装在受拉固定环4上，然后将受拉固定环套在桩体上并固定，通过水平加载装置的钢绞线与拉环5连接进行水平荷载试验。\n[0028] 进行抗拔试验时，将半球铰1取下替换为拉环，然后使用竖向加载装置与拉环连接进行抗拔试验。