[发明专利]一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置及方法

权利要求书

1.一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，包括加载机构、矩形模型箱、支架机构、带侧翼桩基、桩端土模拟机构和量测机构，其特征在于：

所述加载机构包括桩顶荷载加压装置(12)、地面堆载加压装置(13)和砝码(14)；

所述的矩形模型箱包括左右侧壁和透明的前后侧壁；矩形模型箱内容纳桩基(1)、实验用土(3)；

所述支架机构包括支架上盘(8)、支架下盘(5)与支架柱(6)；支架上盘(8)与支架下盘(5)之前设有与支架柱(6)；支架上盘(8)支撑矩形模型箱，支架上盘(8)中心处设有桩基插口；

所述带侧翼的桩基包括桩基(1)与侧翼(2)两部分，侧翼(2)用半柔性材料制成，可随土体变形而变形；

所述桩端土模拟机构包括上承压板(4.2)、下承压板(4.5)、导向杆(4.1)、弹簧(4.3)，防偏板(4.4)；弹簧(4.3)套在导向杆(4.1)上，下承压板(4.5)的前后两个侧面连接设置有防偏板(4.4)，防偏板(4.4)竖向设置且底端与下承压板(4.5)固定连接，保证弹簧在竖向变形时不会发生歪斜；弹簧的两端分别抵接在上承压板(4.2)、下承压板(4.5)上，上承压板(4.2)受力时沿导向杆运动，桩端土模拟机构用以模拟桩端土的竖向变形；

桩基(1)竖向设置在矩形模型箱内，桩基(1)的顶端自矩形模型箱向外伸出，桩基(1)的底端穿过桩基插口后抵接在上承压板(4.2)上表面上，桩基(1)位于箱体内的部分左右两侧均设有间隔设置的侧翼(2)；侧翼(2)用半柔性材料制成，侧翼(2)随土体变形而变形；砝码(14)直接放置在桩顶荷载加压装置(12)或地面堆载加压装置(13)上面；采用桩基加压装置(13)时能够使桩基(1)产生正摩阻力；采用堆载加压装置(12)时能够使桩基(1)产生负摩阻力；

所述的量测机构包括直尺(16)及设置在前透明侧壁(11)上的刻度(15)。

2.根据权利要求1所述的一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述桩基加压装置(13)、堆载加压装置(12)均设有压块、压块支架，桩基加压装置(13)的压块支架卡套在桩基(1)的顶端使桩基加压装置(13)的重力作用于桩基(1)的顶端；堆载加压装置(12)的压块支架的底端设有压板，桩基(1)的顶端向上透过压板且与压板之间没有摩擦，堆载加压装置(12)的重力通过压板仅作用于矩形模型箱内填充的试验用土(3) 的上表面。

3.根据权利要求1所述的一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述桩基加压装置(13)、堆载加压装置(12)由轻质材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述左右侧壁为刚性侧壁(10)，前后侧壁为透明侧壁(11)，刚性侧壁(10)的前侧、后侧均设有竖向设置的嵌槽。

5.根据权利要求4所述的一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所的支架上盘(8)与刚性侧壁(10)的底端粘接在一起组成矩形模型箱。

6.根据权利要求1所述的一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述的支架柱(6)设有四根，四根支架柱(6)分别竖向设置在支架下盘的四个边角处，支架柱(6)的底端分别与支架下盘(5)连接固定；支架上盘(8)与支架柱对应处设有支架插孔，支架上盘(8)通过支架插孔套接在支架柱(6)上。

7.根据权利要求6所述的一种模拟桩端阻力大小及中性点变化的力学试验装置，其特征在于：所述的四根支架柱(6)的顶端均设有承托螺栓(7)，承托螺栓(7)设置在同一高度，承托螺栓(7)支撑支架上盘(8)。

8.一种模拟桩基端阻力大小及中性点变化的力学试验方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：将桩基(1)插入模型箱穿过支架上盘(8)，桩端土模拟机构(4)放置在下承压板(4.5)上，使桩基(1)下端与桩端土模拟机构(4)刚好接触，定位此时桩基(1)的位置；

第二步：根据试验用土(3)的密度称取填充模型箱所需的土量，在试验台边缘，将模型箱水平放置，支架上盘(8)粘接在模型箱底部并处于凌空状态，在模型箱里均匀地装入试验用土(3)；

第三步：将模型箱竖起，支架上盘(8)上插入四根支架柱(6)，稳定在承托螺栓(7)上，桩基(1)下端刚好与桩端土模拟机构(4)刚好接触；记录下侧翼(2)的初始位置，用直尺测量上承压板(4.2)和下承压板(4.5)之间的距离，即弹簧(4.3)的初始长度；

第四步：当进行桩基正摩阻力模拟时，将桩基加压装置(13)安装到桩基(1)的顶端，在加载装置(12)上加载砝码(14)；当进行桩基负摩阻力模拟时，将堆载加压装置(12)安装到试验用土(3)的顶端，在加载装置(13)上加载砝码(14)；

第五步：待变形稳定后，读出桩基(1)和侧翼(2)的位移变形量，测出弹簧(4.3)的最终长度，得到桩基(1)和侧翼(2)的变形和位移场，算出弹簧(4.3)的变形量，定义侧翼向下弯曲定为负值，向上弯曲为正值，取每个侧翼(2)的平均沉降值作为该层土的沉降值；

当进行桩基正摩阻力工况模拟时，已知桩顶荷载即砝码(14)与加压装置(13)的重力之和为Q，通过弹簧(4.3)的变形量，根据胡克定律可计算出桩基端阻力为N_l，则桩基摩阻力为Q_s＝Q-N_l；

当进行桩基负摩阻力工况模拟时，已知地面堆载即砝码(14)与加压装置(12)的重力之和为Q，设桩基负摩阻力为Q_n，通过弹簧(4.3)的变形量，根据胡克定律可计算出桩基端阻力为N_l，则桩基总摩阻力为Q_n-Q_s＝Q-N_l；

第六步：改变桩基(1)的刚度、试验用土(3)的压缩模量、砝码(14)的荷载大小或弹簧(4.3)的弹性模量，模拟不同工况的桩基正、负摩阻力受力特征。