模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及嵌岩桩技术领域，具体是模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置及方法。

背景技术

嵌岩桩是指部分桩身或全部桩身嵌入岩石的一种桩基形式。由于嵌岩桩的桩端嵌入基岩，使得嵌岩桩的桩身荷载传递规律具有区别于普通桩基的特征：在基岩面以上的覆盖土层中，荷载通过桩身侧面传递至桩周土体，这与普通灌注桩相似；而在嵌岩段中，荷载主要通过桩端的侧面和端面传入岩基。嵌岩桩的承载力由上部桩土间的摩阻力、嵌岩段的摩阻力和端阻力组成。根据桩侧、桩端分担外荷载的大小，嵌岩桩又可分为侧阻嵌岩桩、端承嵌岩桩和全阻嵌岩桩。

嵌岩桩可充分发挥基岩的承载性能，提高单桩承载力，嵌岩桩基础在桥梁、高层建筑和重型厂房等结构荷载大、沉降要求高的建筑物中得到广泛应用，嵌入不同特性岩体中的嵌岩桩，其特性的差异是由岩体特性的差异所引起的，为了模拟嵌岩桩的受力和破坏模式，国内外研究人员开展以一系列等尺寸嵌岩桩的载荷试验和等比例室内模型试验。

目前，嵌岩桩的模型试验装置比较简单且不够系统和规范，大多采用在取样的大块岩石上进行钻孔并修平孔底，然后在孔内浇筑钢筋混凝土的模型桩，凝结达到设计强度后在压力机上进行试验，这种方法得到的试验结果受到人为误差影响较大：试验所用的岩块大小不一，造成尺寸效应的影响，浇筑及养护混凝土的工艺差别较大也影响模型桩的强度；同时模型桩受到的围压仅仅为桩周岩体结构作用，围压作用小，不能反应嵌岩桩在一定深度的围压效应

因此，本发明提供模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置及方法来解决上述问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置及方法，有效的解决了试验所用的岩块大小不一，造成尺寸效应的影响，浇筑及养护混凝土的工艺差别较大也影响模型桩的强度；同时模型桩受到的围压仅仅为桩周岩体结构作用，围压作用小，不能反应嵌岩桩在一定深度的围压效应的问题。

模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置，包括底板和固定安装在底板后侧的竖板，其特征在于，所述底板顶面的四个边缘处分别固定安装有支撑板，所述底板的顶面开有四个位于每个支撑板的内侧且分别向支撑板的左侧倾斜45°的侧板调节斜滑槽，每个所述侧板调节斜滑槽内均滑动安装有侧板调节斜滑块，每个所述侧板调节斜滑块的顶部分别固定连接有位于底板顶部的调节侧板，每个所述调节侧板的其中一个侧面分别贴着相邻的调节侧板的内侧面滑动，四个所述调节侧板之间形成一个试验舱，每个所述支撑板与位于同侧的调节侧板之间均铰接有侧板调节伸缩杆，所述底板的顶部放置有位于试验舱内的岩块；

四个所述支撑板的顶部可拆卸安装有密封盖，所述密封盖的中部开有模型桩通孔，所述试验舱内放置有位于岩块上方的填充物，所述模型桩通孔内放置有贯穿填充物且嵌入岩块顶部的模型桩，所述竖板上竖向滑动安装有位于密封盖上方的升降板，所述升降板上固定安装有压力机，四个所述调节侧板的内侧面上均密封安装有岩块压力传感器和填充物压力传感器。

优选的，所述底板的顶部放置有位于试验舱内且位于岩块下方的承载底板，所述承载底板的顶面上密封安装有承载压力传感器。

优选的，所述密封盖的底面开有呈方形的压板槽，所述压板槽内上下滑动安装有多个呈方框型的且环环套设的方框压板，每个所述方框压板左右两侧的顶面分别固定连接有与试验舱连通且贯穿密封盖的填充管，每个所述填充管的顶部分别安装有填充盖。

优选的，每个所述方框压板的底部均分别连接有密封垫，多个所述方框压板前后两侧的顶部分别固定连接有贯穿密封盖的按压滑杆，每个所述方框压板上的两个所述填充管与两个所述按压滑杆之间均固定连接有位于密封盖上方的按压方框，每个所述按压滑杆上均套设安装有位于密封盖与按压方框之间的按压复位弹簧。

优选的，每个所述按压方框的顶部均固定安装有置于其内侧的按压方框顶部的按压联动块。

优选的，所述竖板的前后侧面之间贯穿有升降滑槽，所述升降板的后端滑动安装在升降滑槽内，所述竖板上转动安装有竖向的且与升降板螺纹连接的升降丝杆，所述升降丝杆连接有固定安装在竖板上的升降电机。

优选的，所述升降板上贯穿有位于压力机前后两侧的按压调节槽，两个所述按压调节槽内分别前后滑动安装有按压伸缩杆。

优选的，所述升降板的顶部转动安装有按压调节盘，所述按压调节盘的底面上开有螺旋槽，两个所述按压伸缩杆的顶部分别固定连接有与螺旋槽螺旋配合的螺旋块，所述按压调节盘的外表面上同轴固定安在有按压调节齿圈，所述升降板上转动安装有与按压调节齿圈啮合的按压调节齿轮，所述按压调节齿轮连接有固定安装在升降板上的按压调节电机。

模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置，其具体的使用方法为：

a.将承载底板和岩块放置在底板的顶部，同时向内侧滑动四个调节侧板，直至将岩块紧紧密封固定在试验舱内；

b.在四个调节侧板的顶部盖上密封盖后，将模型桩从模型桩通孔内插入并使其嵌入岩块顶部的孔内；

c.通过多个填充管向试验舱内添加填充物，试验舱内的空气可从填充管内排出；

d.当试验舱内的填充物从填充管的顶部溢出时，可将两个按压伸缩杆调节至对应的按压方框上方向下进行按压，使得试验舱内的填充料得到压实；

e.当试验舱内被填充物完全填满后，可使用压力机对模型桩施力进行试验，四个调节侧板上的岩块压力传感器、填充物压力传感器以及承载压力传感器均可反映试验数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、可将不同大小的岩块密封放置在底板上，再向岩块的上方注入填充物，压力机向模型桩施加压力时，模型桩受到的围压不仅为桩周岩体结构，还有填充物对模型桩造成的围压，能够正常反应嵌岩桩在一定深度的围压效应；

2、向模型桩施压时，四个调节侧板上的岩块压力传感器和填充物压力传感器能够对岩块和填充物受到的力进行测量，可通过调节四个调节侧板可改变试验舱的大小，以适应不同大小的岩块；

3、通过填充管向试验舱内添加沙土、自然土等填充物时，可通过向下按压方框压板对填充物进行按压，使得填充物能够被压实并紧紧包围模型桩；

4、本发明通过四个调节侧板组成的固定侧限，解决了现有嵌岩桩模型试验在制样和制桩上的人为误差及无侧限问题，运用固定侧限的作用模拟嵌岩桩在实际岩层里的围压条件，得到承载力随桩端位移变化的规律，计算出桩端承载力，适用于各类嵌岩桩的试验。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的左视示意图。

图3为本发明试验舱内的岩块和填充物的剖面示意图。

图4为本发明填充管的立体示意图。

图5为本发明图1中A处的放大示意图。

图6为本发明方形压板向下按压的立体示意图。

图7为本发明两个按压伸缩杆的安装示意图。

图8为本发明图7中B处的放大示意图。

图9为本发明四个调节侧板组成的试验舱的立体示意图。

图10为本发明四个调节侧板与四个侧板调节斜滑槽的安装示意图。

图11为本发明密封盖的立体示意图。

图12为本发明按压调节盘与按压伸缩杆配合的平面示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图12对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

实施例一，本发明为模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置，包括底板1和固定安装在底板1后侧的竖板2，所述底板1的顶面靠近四个边缘处分别固定安装有竖向的支撑板3，所述底板1的顶面开有四个位于每个支撑板3的内侧且分别向每个支撑板3的左侧倾斜45°的侧板调节斜滑槽4，此处可参考附图10所示的侧板调节斜滑槽4的结构，每个所述侧板调节斜滑槽4内均滑动安装有侧板调节斜滑块5，每个侧板调节斜滑块5能够在侧板调节斜滑槽4内滑动，每个所述侧板调节斜滑块5的顶部分别固定连接有位于底板1顶部的调节侧板6，每个所述调节侧板6的其中一个侧面分别贴着相邻的调节侧板6的内侧面滑动，四个所述调节侧板6之间形成一个试验舱01；

如附图10所示，当四个调节侧板6分别沿着位于同侧的侧板调节斜滑槽4向底座1的中部滑动时，每个调节侧板6的右端均会贴着位于其右侧的调节侧板的内侧面滑动，使得四个调节侧板6组成的试验舱01的空间变小，反之，四个调节侧板6同时向底板1的外侧滑动时，试验舱01的空间变大，每个所述支撑板3与位于同侧的调节侧板6之间均铰接有侧板调节伸缩杆7，所述底板1的顶部放置有位于试验舱01内的岩块8，所述岩块8的顶部开有嵌入孔，岩块8的尺寸大小可根据实验需求而定，将岩块8放置在底板1上后，可同时向底板1的中部滑动调节侧板6，使得岩块8的四周能够被四个调节侧板6紧紧包围，且四个调节侧板6的侧面上均包覆有一层橡胶层，可对岩块8的四个侧面实现密封包裹，防止后续填充时有填充物顺着缝隙落入四个侧板调节斜滑槽4内，所述侧板调节伸缩杆7可采用液压伸缩杆或气压伸缩杆，且均连接有控制单元和供电装置，使用可同时对四个调节侧板6进行调节，以此来调节四个固定侧限的位置；

四个所述支撑板3的顶部可拆卸安装有密封盖9，密封盖9可通过卡扣固定在四个支撑板3上，所述密封盖9盖在四个支撑板3的顶部时，密封盖9的底面与四个调节侧板6的顶部贴合，使得试验舱01的顶部得到密封，所述密封盖9的中部开有模型桩通孔10，所述试验舱01内放置有位于岩块8上方的填充物11，所述填充物11可为水泥浆、沙土、自然土等，所述模型桩通孔10内放置有贯穿填充物11且嵌入岩块8顶部的模型桩12，在添加填充物11之前，可将模型桩12从模型桩通孔10内插入并嵌入岩块8顶部的嵌入孔内，然后再向岩块8的顶部添加填充物11，如果填充物11选用水泥浆，可待水泥浆凝固后进行试验，如果填充物11选用沙土或自然土，需将沙土或自然土压实后进行试验，所述竖板2上竖向滑动安装有位于密封盖9上方的升降板13，所述升降板13上固定安装有位于模型桩12上方的压力机14，所述压力机14连接有控制单元和供电电源，可上下滑动升降板13调节压力机14距离模型桩12的高度，然后使用压力机14对模型桩12施压进行试验，四个所述调节侧板6的内侧面上均密封安装有岩块压力传感器15和填充物压力传感器16，压力机14对模型桩12施压时，模型桩12会对岩块8和填充物11之间形成围压，所述岩块压力传感器15和填充物压力传感器16可分别测量岩块8四周和填充物11四周的压力值。

实施例二，在实施例一的基础上，所述底板1的顶部放置有位于试验舱01内且位于岩块8下方的承载底板17，所述承载底板17的大小与岩块8的底面面积相等，选择不同尺寸的岩块8则需要选择不同尺寸的承载底板17，四个调节侧板6的侧面与承载底板17的侧面密封接触，使得四个侧板调节斜滑槽4与试验舱01隔绝，所述承载底板17的顶面上密封安装有承载压力传感器71，岩块8放置在承载底板17上后，试验时可测试岩块8的底部受到的压力。

实施例三，在实施例二的基础上，所述密封盖9的底面开有呈方形的压板槽18，所述压板槽18内上下滑动安装有多个呈方框型的且环环套设的方框压板19，如附图4所示，每个方框压板19均处于尺寸较大的方框压板19的内侧，且每个方框压板19可单独向下滑动，每个所述方框压板19左右两侧的顶面分别固定连接有与试验舱01连通且贯穿密封盖9的填充管20，每个所述填充管20的顶部分别安装有填充盖21，打开填充盖21即可从填充管20向试验舱01内添加填充物11，如附图6-8所示，此时四个调节侧板6均处于外侧第二个方框压板19的下方，此时可通过处于内侧的两个方框压板19上的填充管20进行添加填充物11，试验舱01内的空气可从填充管20内排出，当试验舱01内充满了填充物11后，可向下按动处于内侧的两个方框压板19，对填充物11进行压实，填充物11为水泥浆时不需要压实，当试验舱01内被填充物11充满后盖上填充盖21即可将进行后续的试验。

实施例四，在实施例三的基础上，每个所述方框压板19的底部均分别连接有密封垫，通过密封垫可使每个所述方框压板19与四个调节侧板6之间密封连接，多个所述方框压板19前后两侧的顶部分别固定连接有贯穿密封盖9的按压滑杆22，向下按动按压滑杆22即可带动方框压板19向下方移动，每个所述方框压板19上的两个所述填充管20与两个所述按压滑杆22之间均固定连接有位于密封盖9上方的按压方框23，每个所述按压滑杆22上均套设安装有位于密封盖9与按压方框23之间的按压复位弹簧24，向下按动按压方框23时即可带动方框压板19向下移动对填充物进行压实，此时按压复位弹簧24被压缩蓄力，按压方框23失去按压的力后，按压方框23可在按压复位弹簧24的作用下带动方框压板19向上复位。

实施例五，在实施例四的基础上，每个所述按压方框23的顶部均固定安装有置于其内侧的按压方框23顶部的按压联动块25，每个所述按压联动块25的一端分别固定在按压方框23的顶部，另一端则处于位于其内侧的按压方框23的顶面上，当试验舱01的空间大小需要最内侧的方框压板19进行按压时，只需对最内侧的按压方框23实力按压即可，如附图6-8所示，试验舱01的空间大小需要处于内侧的两个方框压板19进行按压时，只需对第二个按压方框23上的按压联动块25进行按压，按压联动块25可带动最内侧的按压方框23同步移动，节省了需对每个按压方框23进行按压的步骤。

实施例六，在实施例一的基础上，所述竖板2的前后侧面之间贯穿有升降滑槽26，所述升降板13的后端滑动安装在升降滑槽26内，所述竖板26上转动安装有竖向的且与升降板13螺纹连接的升降丝杆27，所述升降丝杆27连接有固定安装在竖板2上的升降电机28，升降电机28为正反转电机且连接有供电电源，声响电机28能够带动升降丝杆27转动，升降丝杆27转动时能够带动升降板13在竖板2上竖向滑动调节压力机14距离模型桩12的高度。

实施例七，在实施例六的基础上，所述升降板13上贯穿有位于压力机14前后两侧的按压调节槽29，两个所述按压调节槽29内分别前后滑动安装有按压伸缩杆30，按压伸缩杆30可采用液压伸缩杆或电动伸缩杆，且两个按压伸缩杆30均连接有控制单元和供电电源，两个按压伸缩杆30可在两个按压调节槽29内调节其位置，两个按压伸缩杆30可对按压方框23进行按压，调节二者的位置即可对不同的按压方框23进行按压。

实施例八，在实施例七的基础上，所述升降板13的顶部转动安装有按压调节盘31，所述按压调节盘31的底面上开有螺旋槽32，两个所述按压伸缩杆30的顶部分别固定连接有与螺旋槽32螺旋配合的螺旋块33，按压调节盘31转动时可通过螺旋槽32与螺旋块33的配合带动两个按压伸缩杆30在两个按压调节槽29内相向或相背运动，从而调节两个按压伸缩杆30的位置，所述按压调节盘31的外表面上同轴固定安在有按压调节齿圈34，所述升降板13上转动安装有与按压调节齿圈34啮合的按压调节齿轮35，所述按压调节齿轮35连接有固定安装在升降板13上的按压调节电机36，所述按压调节电机36为正反转电机且连接有供电电源，按压调节电机36通过按压调节齿轮35可带动按压调节齿圈34转动，从而带动按压调节盘31转动对两个按压伸缩杆30进行调节。

模拟岩层中嵌岩桩承载能力的试验装置，其具体的使用方法为：

a.将承载底板17和岩块8放置在底板1的顶部，同时启动四个侧板调节伸缩杆7向内侧推动四个调节侧板6，直至将岩块8紧紧密封固定在试验舱01内；

b.在四个调节侧板6的顶部盖上密封盖9后，将模型桩12从模型桩通孔10内插入并使其嵌入岩块8顶部的嵌入孔内；

c.通过多个填充管20向试验舱01内添加填充物11，试验舱01内的空气可从填充管20内排出；

d.当试验舱01内的填充物11到达填充管20的顶部且溢出时（此处使用的填充物11为沙土或自然土等可被压实的物体），可将两个按压伸缩杆30调节至对应的按压方框23上方向下进行按压，对应的方框压板19即可向下方对填充物11进行压实，然后再向试验舱01内添加填充物11再次压实，使得试验舱01内被压实的填充料11填满即可；

e.当试验舱01内被填充物11完全填满后，可使用压力机14对模型桩12施力进行试验，四个调节侧板6上的岩块压力传感器15、填充物压力传感器16以及承载压力传感器71均可反映试验数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、可将不同大小的岩块密封放置在底板上，再向岩块的上方注入填充物，压力机向模型桩施加压力时，模型桩受到的围压不仅为桩周岩体结构，还有填充物对模型桩造成的围压，能够正常反应嵌岩桩在一定深度的围压效应；

2、向模型桩施压时，四个调节侧板上的岩块压力传感器和填充物压力传感器能够对岩块和填充物受到的力进行测量，可通过调节四个调节侧板可改变试验舱的大小，以适应不同大小的岩块；

3、通过填充管向试验舱内添加沙土、自然土等填充物时，可通过向下按压方框压板对填充物进行按压，使得填充物能够被压实并紧紧包围模型桩；

4、本发明通过四个调节侧板组成的固定侧限，解决了现有嵌岩桩模型试验在制样和制桩上的人为误差及无侧限问题，运用固定侧限的作用模拟嵌岩桩在实际岩层里的围压条件，得到承载力随桩端位移变化的规律，计算出桩端承载力，适用于各类嵌岩桩的试验。