能量桩承载性能试验装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种能量桩承载性能试验装置。本发明还涉及一种上述能量桩承载性能试验装置的操作方法。

背景技术：

能量桩的研究目前较为广泛，研究方向主要有两种：其一，为主动的能量获取桩，即通过在桩中设置水管与陆地上方建立水循环，从而与地下进行热量互换，若处于地热发达地带则可获取地热水，若处于常规的地区，则由于地下温度较低，可以获取冷却水；其二，则是在寒冷地区尤其是冻土地区，由于桩基础可能处于循环受荷过程，这种反复的桩土摩擦，可能会造成桩土之间的热量增加，从而会影响桩周土冻土环境，导致桩周土冷冻状态破坏，改变桩周土的力学状态，降低桩的承载性能。上述两种情况，有必要开展能量桩相关研究，然而缺乏相关试验设备，尤其是室内试验装置。本发明公开了一种能量桩的室内试验装置及使用方法，可开展能量桩的受荷以及桩土相互作用的相关试验研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能量桩承载性能试验装置，其可开展能量桩受能量变化影响的承载性能以及桩土相互作用，亦可开展能量桩受荷情况下的桩土响应规律的包括土工离心机的室内试验的研究，并可直观的观察能量桩土相互作用过程。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上能量桩承载性能试验装置的操作方法。

为此，本发明提供的能量桩承载性能试验装置，包括反力系统、加载系统、能量控制系统和桩土系统及量测采集系统；

反力系统：包括反力支架和加载设备支架，通过螺纹刚性柱和刚性底板连接固定在一起，所述反力支架与螺纹刚性柱1连接，通过竖向升降电机控制反力支架，加载设备支架与反力支架锚固一体；

加载系统：包括竖向加载设备和水平加载设备，竖向加载设备和水平加载设备固定在加载设备支架上，竖向加载设备与桩帽连接从而进行竖向加载，竖向加载设备为伺服控制；水平加载设备通过水平加载刚性传力杆与桩帽连接进行水平加载，水平加载设备亦是伺服控制；

能量控制系统：包括桩能量控制系统和土体能量控制系统，桩能量控制系统包括模型桩内设置有的能量u型管，能量u型管具有处于上端部的u型管输出口和u型管输入口，u型管输出口和u型管输入口均带有温度控制和测量设备，u型管输出口和u型管输入口连接有外接循环水系统，外接循环水系统配置有温度控制机构；土体能量控制系统包括能量控制微型管，能量控制微型管埋设于模型桩周土体中，能量控制微型管连接温度控制机构以控制模型桩周土体温度；

桩土系统：包括模型箱和模型桩，其中模型箱内装填有土体、土体中埋设有土体参数监测元件和模型桩，模型箱由刚性钢板组成并半圆柱体形态，模型箱上部开口、下部密封，模型箱的侧壁和底壁上均带有排水孔，所述模型箱外侧布置有微型槽连接排水孔以确保排水过程中土体中的水顺利排出，所述土体参数监测元件与外界计算机采集仪器连接进行数据的采集工作，所述模型箱中采用高强度树脂透明板作为半圆主体直径边的透明挡板以直观观察试验过程中的桩土相互作用，所述模型箱固定在刚性底板上；所述模型桩具有完整桩体纵向剖切的部分桩体，模型桩的剖切面贴在透明挡板上，桩身张贴桩身参数监测元件，桩身参数监测元件布置的数量和位置根据试验的要求确定，所述桩身参数监测元件与外界计算机采集仪器连接进行数据的采集工作，所述模型桩与模型箱的透明挡板之间涂有固体润滑油，且模型桩与透明挡板接触的一面粘贴橡胶皮以降低摩擦，所述模型桩内布置有能量u型管实现对桩本身能量变化的控制；

量测采集系统：包括桩量测系统和土体量测系统、竖向加载设备和水平加载设备的伺服监控系统，所述桩量测系统包括桩身参数监测元件和所述能量u型管带有的温度监测和控制设备；所述模型桩顶部位置配置有百分表或者电子位移计记录桩的水平和竖向位移；所述土体量测系统包括土体参数监测元件和土能量控制微型管带有的温度监测和控制设备，加载设备的所述伺服监控系统通过计算机随时监控加载的量级变化。

优选的，配置高速高清数码相机对准高强度树脂透明板记录试验中桩土接触摩擦过程，观察桩身物理响应以及土体的变形特征；配置温度摄像系统对准模型箱直观的采集模型桩和模型桩周围土体的能量变化过程。

优选的，所述竖向加载设备为竖向加载千斤顶，所述水平加载设备为水平加载千斤顶，竖向加载千斤顶水平加载千斤顶具备施加单一荷载、组合荷载、循环荷载或者循环组合荷载的功能。

优选的，所述模型箱采用高强度铆钉与刚性底板铆固固定。

优选的，所述反力支架和加载设备支架采用高强度工字钢通过铆钉铆固组合而成。

本发明提供的一种上述能量桩承载性能试验装置的操作方法，包括以下步骤：

一、根据试验要求制作模型桩和模型箱，在模型桩上安装桩身参数监测元件，将模型桩安装于模型箱中；

二、搭建反力支架和加载设备支架，并将反力支架和加载设备支架通过-竖向升降电机调至最高位置，放置模型箱并通过模型箱固定刚性块将模型箱固定在刚性底座上，将竖向加载设备和水平加载设备安装在加载设备支架上；

三、将土体填充到所述模型箱中，在土体中、模型桩的周围埋设土体参数监测元件，将桩能量控制系统连接到模型桩上，将土体能量控制系统安装在土体中；

四、将搭接完成的各个系统调整到合适位置，并开展实验，并记录试验数据。

优选的，所述土体能量控制系统包括能量控制微型管，能量控制微型管埋设于桩周土体中，能量控制微型管连接温度控制机构以控制桩周土体温度。

优选的，若试验目的为监测和分析能量桩受能量变化影响的承载性能以及桩土相互作用，则桩能量控制系统包括桩内设置有的能量u型管，能量u型管具有处于上端部的u型管输出口和u型管输入口，u型管输出口和u型管输入口均带有温度控制和测量设备，u型管输出口和u型管输入口连接有外接循环水系统，外接循环水系统配置有温度控制机构；若试验目的为监测和分析能量桩受能量变化影响的承载性能以及桩土相互作用，则所述模型桩采用不布设能量u型管的常规桩，将能量控制微型管埋设于模型桩周围土体中，能量控制微型管连接温度控制机构以控制桩周土体温度，进而分析常规桩在冻土或者地热土中的承载性能演化以及受组合荷载或者单一荷载作用下桩-能量土的相互作用。

优选的，若试验要求土体进行排水固结，则打设真空预压系统进行真空预压排水法加固土体，进行真空预压排水法时在土体中打设排水板、土体表面设置密封膜，排水板通过抽排管道与抽真空装置连接。

10.根据权利要求6或7所述的能量桩承载性能试验装置的操作方法，其特征是：若进行土工离心机试验，则刚性底板与离心机中的相应位置通过高强铆钉进行铆固；若为1g重力环境试验，竖向加载设备中增加竖向的千斤顶加载到土体表面从而控制土体的初始应力状态；若为土工离心机试验则不需要千斤顶，并且所述刚性薄板和可拆卸刚性环形板需要撤掉。

本发明的技术效果：

1）本发明中，模型箱由刚性钢板组成并半圆柱体形态，所述模型箱中采用高强度树脂透明板作为半圆主体直径边的透明挡板以直观观察试验过程中的桩土相互作用，模型桩具有完整桩体纵向剖切的部分桩体，模型桩的剖切面贴在透明挡板上，模型桩与模型箱的透明挡板之间涂有凡士林等固体润滑油，且模型桩与透明挡板接触的一面粘贴橡胶皮以降低摩擦，因此可直观的观察能量桩和桩周土的能量变化过程以及桩土的相互作用及变形特征；

2）可开展能量桩以及土体的能量变化过程中桩的承载性能以及变形特征实验，桩周土的物理力学状态改变以及变形特征等实验，有效模拟桩体的力学、温度等环境状态

3）因整体构造合理性，可针对不同土体，不同排水工况的室内试验，亦可开展土工离心机试验，可实施组合荷载，单一荷载，循环荷载和组合循环荷载作用下的能量桩/常规桩-能量土（冻土或地热土或者深基础中温度存在差异的土层）之间的桩土相互作用等常规室内试验和土工离心机试验，整体操作极为方便，精准度较高。

附图说明

图1为本发明提供的能量桩承载性能试验装置的结构示意图。

图2为图1的俯视示意图。

图3为图1中的模型箱和模型桩的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参照图1-3所示，本发明提供的能量桩承载性能试验装置，包括反力系统、加载系统、能量控制系统和桩土系统及量测采集系统；

反力系统：包括反力支架2和加载设备支架19，通过螺纹刚性柱1和刚性底板18连接固定在一起，所述反力支架2与螺纹刚性柱1连接，通过竖向升降电机4控制反力支架2，加载设备支架19与反力支架2铆固一体；所述反力支架2和加载设备支架19采用高强度工字钢通过铆钉铆固组合而成。其中升降电机4固定在反力支架2底部，升降电机4中带有套接在螺纹刚性柱1的螺母机构，升降电机4中设置有驱动电机，通过驱动电机驱动螺母机构转动，从而使升降电机4带动整个反力支架2上下移动，由此控制反力支架2的高度位置。上述模型箱1中的土体上表面设置有刚性环形板9，刚性环形板9中心设置刚性薄板20，刚性环形板中心有安装刚性薄板的环形台阶面，中心带有通孔，刚性薄板置于刚性环形板的环形台阶面上。

加载系统：包括竖向加载设备3和水平加载设备5，竖向加载设备3和水平加载设备5固定在加载设备支架19上，竖向加载设备3通过万向刚性垫7与桩帽6连接从而进行竖向加载，其中万向刚性垫7保证水平加载过程中竖向加载方向不变，竖向加载设备3为伺服控制，；水平加载设备5通过水平加载刚性传力杆8与桩帽6连接进行水平加载，水平加载设备5亦是伺服控制；

能量控制系统：包括桩能量控制系统和土体能量控制系统，桩能量控制系统包括模型桩内设置有的能量u型管，能量u型管具有处于上端部的u型管输出口和u型管输入口，u型管输出口和u型管输入口均带有温度控制和测量设备，u型管输出口和u型管输入口连接有外接循环水系统，外接循环水系统配置有温度控制机构；土体能量控制系统包括能量控制微型管17，能量控制微型管17能够为控制土体温度，用以研究冻土或者地热土中的能量变化与普通桩和能量桩的相互作用关系，能量控制微型管17采用两种甚至三种方式控制温度，例如：1.通水，通过控制水体的问题来控制；2.电力加热；3，充液氮进行降温，能量控制微型管17埋设于模型桩周土体中，能量控制微型管17连接温度控制机构以控制模型桩周土体温度；

上述能量控制系统方式包括，一、通过入口注入恒定温度的水，经过模型桩身后，水体从出口抽出，并通过出口的温度测量设备进行水温测量；二、通电控制能量u型管15的温度，从而研究能量桩的能量变化对于桩承载性能的影响。其中能量控制微型管17亦带有温度控制和监测设备，以使本发明的装置可以研究深基础不同土层的温度变化对于桩的承载性能的影响等。

桩土系统：包括模型箱11和模型桩14，其中模型箱11内装填有土体12、土体12中埋设有土体参数监测元件13和模型桩14，模型箱11由刚性钢板组成并半圆柱体形态，模型箱11上部开口、下部密封，模型箱11的侧壁和底壁上均带有排水孔10，排水孔10数量和布置根据试验要求的排水要求设置，若将排水孔密封则为不排水工况，所述模型箱11外侧布置有微型槽连接排水孔10以确保排水过程中土体12中的水顺利排出，所述土体参数监测元件13与外界计算机采集仪器连接进行数据的采集工作，所述模型箱11中采用高强度树脂透明板作为半圆主体直径边的透明挡板11a以直观观察试验过程中的桩土相互作用，所述模型箱11固定在刚性底板18上；所述模型桩14根据实际的桩尺寸和桩型制作，模型桩14具有完整桩体纵向剖切的部分桩体，模型桩14的剖切面贴在透明挡板11a上，桩身张贴桩身参数监测元件21，桩身参数监测元件21布置的数量和位置根据试验的要求确定，所述桩身参数监测元件21与外界计算机采集仪器连接进行数据的采集工作，所述模型桩14与模型箱11的透明挡板11a之间涂有凡士林等固体润滑油，且模型桩14与透明挡板11a接触的一面粘贴橡胶皮以降低摩擦，所述模型桩14内布置有能量u型管15实现对桩本身能量变化的控制；上述模型箱11采用高强度铆钉22与-刚性底板18铆固固定。

量测采集系统：包括桩量测系统和土体量测系统、竖向加载设备3和水平加载设备5的伺服监控系统，所述桩量测系统包括桩身参数监测元件21和所述能量u型管15带有的温度监测和控制设备；所述模型桩14顶部位置配置有百分表或者电子位移计记录桩的水平和竖向位移；所述土体量测系统包括土体参数监测元件13和土能量控制微型管17带有的温度监测和控制设备，上述桩身参数监测元件21主要为应变片或者光纤传感元件，土体参数监测元件13主要有土压力盒，渗压计等，加载设备的所述伺服监控系统通过计算机随时监控加载的量级变化。

参照图1、图2所示，为了能够实时采集直观的桩土接触特性，配置高速高清数码相机对准高强度树脂透明板记录试验中桩土接触摩擦过程，观察桩身物理响应以及土体的变形特征；配置温度摄像系统对准模型箱1直观的采集模型桩和模型桩周围土体的能量变化过程。

参照图1所示，所述竖向加载设备3为竖向加载千斤顶，所述水平加载设备5为水平加载千斤顶，竖向加载千斤顶水平加载千斤顶具备施加单一荷载、组合荷载、循环荷载或者循环组合荷载的功能。从而能够模拟各种自然状态下的荷载。

参照图1、图2、图3所示，上述能量桩承载性能试验装置的操作方法，包括以下步骤：

一、根据试验要求制作模型桩14和模型箱11，在模型桩14上安装桩身参数监测元件21，将模型桩14安装于模型箱11中；

二、搭建反力支架2和加载设备支架19，并将反力支架2和加载设备支架19通过-竖向升降电机4调至最高位置，放置模型箱11并通过模型箱固定刚性块16将模型箱固定在刚性底座18上，将竖向加载设备3和水平加载设备5安装在加载设备支架19上；

三、将土体12填充到所述模型箱11中，在土体12中、模型桩14的周围埋设土体参数监测元件13，将桩能量控制系统连接到模型桩14上，将土体能量控制系统安装在土体12中；

四、将搭接完成的各个系统调整到合适位置，并开展实验，并记录试验数据。

上述土体能量控制系统包括能量控制微型管17，能量控制微型管17埋设于桩周土体中，能量控制微型管17连接温度控制机构以控制桩周土体温度。

若试验目的为监测和分析能量桩受能量变化影响的承载性能以及桩土相互作用，则桩能量控制系统包括桩内设置有的能量u型管，能量u型管具有处于上端部的u型管输出口和u型管输入口，u型管输出口和u型管输入口均带有温度控制和测量设备，u型管输出口和u型管输入口连接有外接循环水系统，外接循环水系统配置有温度控制机构；若试验目的为监测和分析能量桩受能量变化影响的承载性能以及桩土相互作用，则所述模型桩14采用不布设能量u型管的常规桩，将能量控制微型管17埋设于模型桩周围土体中，能量控制微型管17连接温度控制机构以控制桩周土体温度，进而分析常规桩在冻土或者地热土中的承载性能演化以及受组合荷载或者单一荷载作用下桩-能量土的相互作用。

若试验要求12土体进行排水固结，则打设真空预压系统进行真空预压排水法加固土体，进行真空预压排水法时在土体中打设排水板、土体表面设置密封膜，排水板通过抽排管道与抽真空装置连接。

若进行土工离心机试验，则刚性底板18与离心机中的相应位置通过高强铆钉22进行铆固，土工离心机试验则不需要千斤顶，并且所述刚性薄板20和可拆卸刚性环形板9需要撤掉。

若为1g重力环境试验，竖向加载设备3中增加竖向的千斤顶加载到土体表面从而控制土体的初始应力状态，该1g重力试验需要配置刚性薄板20和刚性环形板9在土体上表面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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