模擬圍壓條件下靜壓鋼管樁沉樁過程的試驗裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及巖石力學(xué)粧基技術(shù)，尤其涉及一種模擬圍壓條件下靜壓鋼管粧沉粧過程的試驗裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼管粧由于鋼材抗壓、抗拉強度高、材質(zhì)均勻、延性好，加工成鋼管后剛性好、抗彎、抗剪能力強。鋼管粧可以大大地發(fā)揮其受力特性、提高單粧承載力、減少布粧數(shù)量、縮小基礎(chǔ)承臺尺寸。對抗震區(qū)及風(fēng)荷載較大的地區(qū)或較高的建筑物，選用該粧型也可大大發(fā)揮其抗水平荷載能力強的特點。開口鋼管粧在沉粧過程中形成土塞效應(yīng)，可以增加粧基的端承力，從而提高單粧的垂直承載力。
[0003]鋼管粧在軟巖基礎(chǔ)中有著同樣廣泛的應(yīng)用，采用靜壓粧法可以最大限度地保存巖石結(jié)構(gòu)，減少對結(jié)構(gòu)的擾動。特別適用于弱膠結(jié)海相沉積的海灘巖。在海相環(huán)境中，采用鉆孔灌注粧的方法時，在泥漿護壁成孔時產(chǎn)生的漿液容易外溢，污染周圍海洋環(huán)境。采用錘擊法貫入開口鋼管粧時，錘擊產(chǎn)生的震動會影響礁盤的穩(wěn)定，不利于生態(tài)保護。鑒于此，開展靜壓開口鋼管粧的室內(nèi)試驗研究，對該地區(qū)的粧基礎(chǔ)施工具有很好的指導(dǎo)意義。
[0004]在以往的粧基礎(chǔ)室內(nèi)模型試驗中，采用的是固定側(cè)限條件下的粧基試驗，不能真實反映不同地層下和不同圍壓對開口鋼管粧貫入的影響。同時，在試驗過程中未能考慮粧內(nèi)土塞形成封閉氣腔時對粧周孔隙水消散和粧端貫入的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就在于克服固定側(cè)限條件下的粧基模型試驗不能真實反映不同地層環(huán)境的缺點，考慮粧內(nèi)土塞形成封閉氣腔時對粧周孔隙水消散和粧端貫入的影響，提供一種模擬圍壓條件下靜壓鋼管粧沉粧過程的試驗裝置及其方法，可以真實模擬沉粧過程，反映沉粧規(guī)律。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一、模擬圍壓條件下靜壓鋼管粧沉粧過程的試驗裝置(簡稱裝置)
包括導(dǎo)向桿、導(dǎo)向管、上蓋板、排氣帽、螺帽、螺桿、下蓋板、排水閥，注水閥、壓力室、底座、巖樣、鋼管粧、橡膠塞、圓孔、乳膠膜和橡皮筋；
在上蓋板上設(shè)置有導(dǎo)向孔、導(dǎo)向孔密封圈、排氣孔、穿孔和上蓋板密封圈；
在下蓋板上設(shè)置有螺紋孔、排水孔、注水孔、下蓋板密封圈和底座密封圈(；
鋼管粧以粧肩為界，由上粗圓筒和下細(xì)圓筒組成，粧肩以上部分的粗圓筒內(nèi)放置有橡膠塞；
在巖樣的上部中心處設(shè)有圓孔，在圓孔內(nèi)嵌套有PVC套管；
其位置和連接關(guān)系是:
通過螺帽和螺桿，下蓋板、壓力室和上蓋板自下而上依次連接組成外部構(gòu)件；
底座、巖樣和導(dǎo)向管自下而上依次連接組成內(nèi)部構(gòu)件，用乳膠膜將內(nèi)部構(gòu)件嵌套為一整體；
在導(dǎo)向管和導(dǎo)向孔接觸處設(shè)置有導(dǎo)向孔密封圈，在壓力室與上蓋板接觸處設(shè)置有上蓋板密封圈，在壓力室與下蓋板接觸處設(shè)置有下蓋板密封圈，在底座和下蓋板接觸處設(shè)置有底座密封圈，實現(xiàn)密封處理；
鋼管粧的底端依次穿過導(dǎo)向管和PVC套管后，使鋼管粧豎直立于圓孔中，鋼管粧的底部和巖樣接觸；
導(dǎo)向桿穿入導(dǎo)向管和鋼管粧的頂端上下連接。
二、模擬圍壓條件下靜壓鋼管粧沉粧過程的試驗方法(簡稱方法)
本方法包括下列步驟:
①制樣
在巖樣的上部中心處鉆取圓孔，在圓孔內(nèi)壁嵌套PVC套管；
②放樣
在水平的桌面上，由下及上依次將下蓋板、底座、巖樣組裝固定:底座旋入下蓋板中，并放置底座密封圈，巖樣疊放在底座上；在巖樣的PVC套管內(nèi)豎直放置鋼管粧，鋼管粧的粧肩上部填充橡膠塞，導(dǎo)向管放置在巖樣上表面，并使鋼管粧的上部放置在導(dǎo)向管內(nèi)；利用乳膠膜將導(dǎo)向管巖樣和底座嵌套在一起，在下部用橡皮筋將乳膠膜與底座緊，上部用橡皮筋將乳膠膜與導(dǎo)向管底部圓環(huán)箍緊；
③組裝
放樣完成后，在下蓋板凹槽內(nèi)放置下蓋板密封圈，其上放置壓力室；導(dǎo)向管穿過導(dǎo)向孔，使上蓋板壓在壓力室上，并在壓力室與上蓋板接觸處放置上蓋板密封圈；調(diào)整上蓋板，使得上蓋板中的穿孔與下蓋板中的螺紋孔在豎直方向上對應(yīng)；螺桿穿過穿孔旋進下蓋板中的螺紋孔調(diào)整均勻分布的四根螺桿的旋入速率，使固定后的上蓋板保持水平；將導(dǎo)向桿插入導(dǎo)向管內(nèi)，下端部作用在鋼管粧上；
④試驗
將裝置放在土工三軸試驗加載系統(tǒng)內(nèi)，打開排氣帽、注水閥和排水閥，將注水孔與壓力體積傳感器連接，排水孔與回收桶連接；通過壓力體積傳感器設(shè)定目標(biāo)圍壓，水從注水孔進入壓力室內(nèi)，在水充滿壓力室后，在排氣孔中旋緊排氣帽，壓力體積傳感器自動調(diào)節(jié)注水量，使巖樣處于目標(biāo)圍壓中；
通過土工三軸試驗加載系統(tǒng)對裝置施加荷載，使軸力通過導(dǎo)向桿作用在鋼管粧上，利用加載系統(tǒng)的荷載位移傳感器采集數(shù)據(jù)；
⑤回收
試驗結(jié)束后，設(shè)置壓力體積傳感器目標(biāo)值為零，打開排氣帽，然后打開排水閥，關(guān)閉壓力體積傳感器和注水閥，使壓力室內(nèi)的水在自重作用下從排水孔(7-2)中流出；排完水后，反向旋螺桿，打開上蓋板，取出巖樣，擦干裝置零件并收集歸位。
[0007]本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果:
①利用水壓模擬巖樣在實際地層中受到的圍壓，圍壓均勻且容易調(diào)控；
②采用鋼管粧作為模型粧，粧身剛度大，等比例縮小可模擬實際情況；
③鋼管粧設(shè)置有粧肩，粧肩以上粧內(nèi)設(shè)置橡膠塞，在壓粧時，會在橡膠塞和土塞間形成封閉氣腔，可模擬在氣壓作用下孔隙水的消散； ④導(dǎo)向管與導(dǎo)向孔接觸處設(shè)置兩道導(dǎo)向孔密封圈，導(dǎo)向管底部圓環(huán)與乳膠膜貼合緊密，使得導(dǎo)向管內(nèi)部與水隔絕，置于其中的導(dǎo)向桿可避免與水接觸；
⑤可以得到軸力隨沉粧位移的變化規(guī)律；
⑥可拆卸，方便脫模后二次使用。
[0008]總之，本發(fā)明可以模擬靜壓鋼管粧的沉粧過程，運用壓力室中水壓作用模擬粧在實際巖層里的圍壓條件，得到軸力隨沉粧位移的變化規(guī)律，而且標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，可實現(xiàn)多次工業(yè)復(fù)制。
【附圖說明】
[0009]圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本裝置上蓋板俯視圖及剖切線示意圖；
圖3是本裝置的M-M縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本裝置在土工三軸加載系統(tǒng)內(nèi)進行試驗示意圖；
圖5是本裝置部分功能部件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中:
I一導(dǎo)向桿；
2—導(dǎo)向管；
3—上蓋板，
3~1 一導(dǎo)向孔，3_2—導(dǎo)向孔密封圈， 3_3—排氣孔，
3-4—穿孔，3-5—上蓋板密封圈；
4一排氣帽；
5—螺帽；
6—螺桿；
7—下蓋板，
7-1—螺紋孔，7-2—排水孔，7-3—注水孔，
7-4—下蓋板密封圈，7-5—底座密封圈；
8—排水閥；
9一注水閥；
10—壓力室；
II一底座；
12—巖樣；
13—鋼管粧；
14一橡膠塞；
15—圓孔，15-1—PVC 套管；
16—乳膠膜；
17一橡皮筋；
A—壓力體積傳感器， B—荷載位移傳感器。
【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明:
一、裝置
1、總體
如圖1、2、3，本裝置包括導(dǎo)向桿1、導(dǎo)向管2、上蓋板3、排氣帽4、螺帽5、螺桿6、下蓋板
7、排水閥8，注水閥9、壓力室10、底座11、巖樣12、鋼管粧13、橡膠塞14、圓孔15、乳膠膜16和橡皮筋17 ;
在上蓋板3上設(shè)置有導(dǎo)向孔3-1、導(dǎo)向孔密封圈3-2、排氣孔3-3、穿孔3-4和上蓋板密封圈3-5 ;
在下蓋板7上設(shè)置有螺紋孔7-1、排水孔7-2、注水孔7-3、下蓋板密封圈7-4和底座密封圈7-5 ;
鋼管粧13以粧肩13-1為界，由上粗圓筒和下細(xì)圓筒組成，粧肩13-1以上部分的粗圓筒內(nèi)放置有橡膠塞14 ；
在巖樣12的上部中心處設(shè)有圓孔15，在圓孔15內(nèi)嵌套有PVC套管15-1 ;
其位置和連接關(guān)系是:
通過螺帽5和螺桿6，下蓋板7、壓力室10和上蓋板3自下而上依次連接組成外部構(gòu)件；
底座11、巖樣12和導(dǎo)向管2)自下而上依次連接組成內(nèi)部構(gòu)件，用乳膠膜16將內(nèi)部構(gòu)件嵌套為一整體；
在導(dǎo)向管2和導(dǎo)向孔3-1接觸處設(shè)置有導(dǎo)向孔密封圈3-2，在壓力室10與上蓋板3接觸處設(shè)置有上蓋板密封圈3-5，在壓力室10與下蓋板7接觸處設(shè)置有下蓋板密封圈7-4，在底座11和下蓋板7接觸處設(shè)置有底座密封圈7-5，實現(xiàn)密封處理；
鋼管粧13的底端依次穿過導(dǎo)向管2和PVC套管15-1后，使鋼管粧13豎直立于圓孔15中，鋼管粧13的底部和巖樣12接觸；
導(dǎo)向桿1穿入導(dǎo)向管2和鋼管粧13的頂端上下連接。
[0012]2、功能部件 01)導(dǎo)向桿1
導(dǎo)向桿1是一種不銹鋼制圓桿；
其功能是:向鋼管粧13傳遞軸向荷載，自身剛度大，應(yīng)變小。
[0013]02)導(dǎo)向管 2
導(dǎo)向管2為不銹鋼制，由上下兩個內(nèi)徑相同而外徑不同的圓筒組成；
內(nèi)徑適合導(dǎo)向桿1和鋼管粧13通過；
上圓筒外徑較小，適合導(dǎo)向孔3-1的內(nèi)徑尺寸；
下圓筒外徑較大，適合巖樣13的直徑；下圓筒的高度適合橡皮筋17綁扎乳膠膜16。
[0014]03)上蓋板 3
上蓋板3為鋁制圓板，表面做電鍍處理，耐磨、質(zhì)輕和防銹蝕；
在上蓋板3的中心設(shè)置有凸圓座及其導(dǎo)向孔3-1，在導(dǎo)向孔3-1內(nèi)設(shè)置有導(dǎo)向孔密封圈3-2 ;在上蓋板3上設(shè)置有排氣孔3-3 ;在上蓋板3外環(huán)均勻設(shè)置有4個穿孔3_4 ;在上蓋板3的下底面設(shè)置有凹槽，在凹槽內(nèi)置有上蓋板密封圈3-5。
[0015]* 導(dǎo)向孔 3-1 導(dǎo)向孔3-1位于上蓋板3的中心，保證導(dǎo)向管2豎直穿過上蓋板3。
[0016]*導(dǎo)向孔密封圈3-2
導(dǎo)向孔密封圈3-2位于導(dǎo)向孔3-1內(nèi)，密封壓力室內(nèi)的水，防止外溢。
[0017]* 排氣孔 3-3
排氣孔3-3位于上蓋板3中，當(dāng)壓力室內(nèi)注水時，打開排氣孔3-3，使水流入壓力室內(nèi)；壓力室內(nèi)注滿水后，將排氣帽4旋入排氣孔3-3，使之處于關(guān)閉狀態(tài)；試驗后，打開排氣孔
3-3方便排水。
[0018]* 穿孔 3-4
穿孔3-4位于上蓋板3中，一共四個，螺桿6穿過穿孔3-4可旋入下蓋板螺紋孔7-1內(nèi)，使裝置固定。
[0019]*上蓋板密封圈3-5
上蓋板密封圈3-5位于上蓋板3與壓力室10接觸的凹槽內(nèi)，橡膠質(zhì)地，用于密封壓力室內(nèi)的水，防止外溢。
[0020]04)排氣帽 4
排氣帽4