对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置及其制备方法

1.本发明涉及桩基承载力学模型试验领域，尤其是涉及一种对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置及该装置的制备方法。


背景技术：

2.为研究桩基的力学性能，技术人员常采用室内模拟的方式。用pvc管、等比例缩小的混凝土柱、铝合金管等作为模型桩以模拟pc/phc管桩、成孔灌注桩、钢管桩等多种桩体，模型桩桩体上不同深度设有应力片；用石英砂、滑石粉、膨润土等混合体构成土层相似材料来模拟土层，用石英砂、重晶石粉、石膏、水泥和水等以一定比例混合以构成岩层相似材料来模拟岩层；浇注岩层相似材料并将模型桩下段预埋在岩层相似材料内，以形成带模型桩的岩体模型，再用吊机将该岩体模型吊运至模型箱内，并向模型箱内的岩体模型上覆土层相似材料，从而建立桩体、土层和岩层的完整模型，并对模型桩桩体施加多种荷载，通过测量不同荷载模式下的模型桩桩体的竖向位移量、水平位移量、桩体不同深度测量点的应力应变值等参数，对桩基的工作机理和受力性能进行综合分析，为后续桩基的设计应用和实际施工提供依据。
3.而在岩溶强发育区进行桩基施工时，常会在岩层中遭遇到中空的溶洞，若溶洞顶板岩层承载力足够，则正常施工，但如果溶洞顶板不足承载桩基荷载时，桩基就必须向下穿越溶洞，并以溶洞下方的稳定岩层作为持力层。由于该桩基要穿越溶洞，其承载形式和破坏模式比桩体下部全部承载在普通岩层基础中更为复杂，因此，构建出穿越溶洞的桩基的模型，并对该模型进行室内加载模拟试验，对其施加各种荷载，采集各种荷载下不同高度的应力应变数据，从而建立数学模型并对其进行相应研究，明确穿越溶洞型桩基承载机理，可以更好的指导岩溶强发育区桩基的设计和施工，因此具有重大的工程意义和经济价值。
4.现有技术中，研发人员尝试了多种方式方法来模拟穿越溶洞的桩基以对其进行加载试验，但效果均不够理想。
5.其中一种室内模型的模拟溶洞采用隧道型，如公开号为cn214883927u的中国实用新型专利《模拟溶洞基桩受力变形的室内模型试验装置》中，先搭设四块侧板和底板，其中前后侧板间固定横向延伸的矩形模芯，再向四个侧板与底板之间的空间内浇筑混凝土（岩层相似材料），待其硬化拆除前后侧板后抽走横向的模芯，从而形成两头畅通的模拟溶洞。但该溶洞本质上是前后贯通的隧道，而非真正的溶洞，这种模型与真实工况的岩溶强发育区的四周完全封闭的溶洞力学性能、荷载分布、破坏模式均差别巨大，仿真度和还原度均低，获取的数据参考价值低，难以准确指导岩溶强发育区桩基的设计和施工。
6.另有一种室内模型的模拟溶洞采用盒体型，该室内模型包括中空木盒、贯穿木盒并与木盒固定的模型桩和包覆在木盒外围的由岩层相似材料浇筑而成的岩体模型，其思路为采用中空木盒构成空心的溶洞，将模型桩与木盒插接固定密封后外围浇筑岩层相似材料，但上述室内模型的木盒浇筑完成后不拿出来，滞留在岩体模型内部，所以，可以通俗的理解为，该室内模型的溶洞的分界面存在一层木板，与真实情况的完全中空的溶洞存在较
大的差异，从客观上来说，该桩基与木盒密封连接的结构本质上构建出的是带中空木模的异形桩，其力学性能、荷载分布、具体结构与岩层内完全中空的溶洞不一致，还原度低，获得数据参考性弱，与真实状况相去甚远，同样难以指导岩溶强发育区桩基设计和施工的实际应用。
7.还有一种室内模型的模拟溶洞采用流失型，该室内模型包括岩层相似材料浇筑而成的岩体模型及其内部设置的由相变材料流失后形成的溶洞，如申请号为cn202011358359.8的中国发明专利申请，就是以磁流变材料为相变材料，通电时施加磁场使其为固态，断电后变为液态流出，从而在岩体模型内形成中空的溶洞；当然，还有更通俗的方式，如浇注岩体模型时预埋冰块作为相变材料，待岩体模型硬化后，冰块融化成水流出，从而形成中空溶洞。上述方式均存在同一个极大的缺陷，即岩体模型硬化溶洞成型后液态的相变材料如何排出的问题，一般都是留孔排除水或磁流变液，但留孔孔径无论大小都有后患，若用于排放相变材料的孔过小的话，水或磁流变液很难排出，必然有相当一部分相变材料残留粘接在溶洞壁上难以清除，这样会破坏溶洞周边材料的单一性和整体性，导致溶洞周围一层材料与其它部位的岩层相似材料的密度、强度、粘度等力学性能不统一，与上述木盒滞留的情况相似，降低还原度；但若将排放相变材料的孔径做大，则又变成了前述隧道形溶洞的情况了，即便后期用一根圆柱体塞住排泄孔，但圆柱体和普通的岩体模型两者完全是相互独立毫不粘连的个体，根本就不是整体结构，其力学性能、荷载分布、破坏模式与真实状况相去甚远，还原度和参考价值低，亟待改进。
8.再者，制备好带穿越溶洞的桩基的岩体模型后，还需要将其吊运至一人高的模型箱内，并向箱体内的岩体模型上覆土层相似材料，从而建立桩体、土层和岩层的完整模型，以对其施加各种荷载，而试验完成后，则需要将模型箱土体刨出，再吊运出岩体模型，而岩体模型非常厚重，需要专业吊机才能吊运，故操作繁琐费力。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的一个技术问题是提供一种对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置，该装置的岩体模型内部模拟出的溶洞结构完全中空，更贴近真实状况，能更准确的模拟岩溶强发育区的岩体情况，以便于更好的开展穿越溶洞型桩基室内模型试验研究。
10.本发明的一种技术解决方案为：一种对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置，包括相互固定的模型桩与岩体模型，岩体模型的内部设有模拟溶洞，所述模型桩穿过模拟溶洞；岩体模型上覆土层相似材料；所述岩体模型包括由岩层相似材料制成的用于支承模型桩的承桩岩体和由岩层相似材料制成的洞顶岩体，以及由岩层相似材料浇筑而成的承台岩体；所述承桩岩体中部设有溶洞腔体，溶洞腔体的上部设有开口，溶洞腔体的底面设有嵌桩孔；所述洞顶岩体下凸的底部与溶洞腔体的开口相契合，所述洞顶岩体的中间设有穿桩孔，所述模型桩穿过穿桩孔，所述模型桩的下段插在嵌桩孔内，溶洞腔体的底面上浇注有一层由岩层相似材料构成的用于粘结模型桩下段与嵌桩孔孔壁的后浇固桩层，后浇固桩层、溶洞腔体侧壁和洞顶岩体底面共同构建出所述的模拟溶洞；承台岩体的横截面和高度大于承桩岩体的横截面和高度，承台岩体向下包裹住模型桩的中段、洞顶岩体和承桩岩体的顶面及四围。
11.本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种上述对穿越溶洞桩基进行加载试
验的装置的制备方法，施工简便，且制备出的岩体模型其内部溶洞结构完全中空，更贴近真实状况，能更准确的模拟岩溶强发育区的地质情况，以便于更好的开展穿越溶洞型桩基室内模型试验研究。
12.本发明的另一个技术解决方案为：一种对穿越溶洞桩基进行加载试验的装置的制备方法，具体包括如下步骤：s1. 分别制备模型桩，以及由岩层相似材料模制而成的承桩岩体和洞顶岩体；s2. 将模型桩的底端插入承桩岩体的嵌桩孔内，在溶洞腔体的底面、模型桩的外围浇筑一层岩层相似材料，部分岩层相似材料流入模型桩与嵌桩孔孔壁之间的空隙中，待岩层相似材料凝结形成后浇固桩层时使模型桩下段通过后浇固桩层与嵌桩孔孔壁相固定；s3. 将洞顶岩体套设到模型桩上，并使洞顶岩体下凸的底部与溶洞腔体的开口相契合；s4. 将模型桩以及相互卡接的洞顶岩体和承桩岩体放入方形模具中，该方形模具的截面积大于承桩岩体的截面积，向方形模具中浇注岩层相似材料并使得浇注高度高于洞顶岩体，从而形成将模型桩中段、洞顶岩体和承桩岩体的顶面及四围包裹住的承台岩体，待承台岩体凝结固化后脱模。
13.与现有技术相比，本发明对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置及其制备方法的优点如下。
14.洞顶岩体和承桩岩体相互扣合且被承台岩体二次浇注完全包裹，故模拟出了完全封闭的溶洞结构；且构成岩体模型的承桩岩体、洞顶岩体和承台岩体、溶洞腔体底面上的后浇固桩层都由同样的岩层相似材料所制成，没有现有技术的木板也没有残留的相变材料腐蚀，故溶洞一圈轮廓的材料的密度、强度、粘度等力学性能一致，其连接效果和整体性更好；桩体下段经后浇固桩层浆液与嵌桩孔二次粘结，而中段由二次浇注的承台岩体紧密包裹，故桩体中段和下段与岩层相似材料的连接锚固牢固，更符合桩体穿越溶洞上下入岩负载的真实状况；后浇的承台岩体向下从四围完全包裹住承桩岩体的全部，使得两者界面也就是承桩岩体顶面的抗剪效能好，从而进一步提高岩体模型整体性，降低二次浇注的不利影响；综上，由于本技术更加真实的模拟了桩基在岩溶强发育区情况，真正做到溶洞内空无一物，没有现有技术的木板、相变材料等物质，溶洞周围均是相同且均匀的岩层相似材料，其力学性能、荷载分布、具体结构更为接近岩溶强发育区桩基施工完成后的实际情况，拟真度和还原度高，因而由本模型加载多种负荷后测得的参数更为准确，从而能够更严谨的开展穿越溶洞型桩基室内模型试验研究，更好的指导岩溶地区桩基的设计和施工。
15.作为优选，溶洞腔体的上开口设有渐收的下锥面，洞顶岩体下沿设有渐收的上锥面，上锥面搁置在下锥面上且两个锥面间隙形成锥形环缝，且上锥面下端设有一圈用于封闭锥形环缝下口的檐台；这样，在浇注承台岩体时，部分浆液会流入锥形环缝，由于上锥面下凸的檐台的遮挡，能避免这部分浆液流入模拟溶洞内，且洞顶岩体的上部负重会将洞顶岩体上锥面和溶洞腔体下锥面自动压紧，进而将流入两锥面间隙的浆液压实，从而使洞顶岩体和承桩岩体在浆液和上部负载压力作用下形成一个整体，或最大程度接近整体；从而弥补了短板，因为该锥形环缝处两个部件相互抵靠，不像其他与承台岩体接触的部位是二次浇注连接的，故强度连接性均相对薄弱，所以利用上部压力压紧流入的浆液，将溶洞的上口密封住，最大程度还原模拟真实桩体穿越溶洞的状况。
16.作为增益，该装置还包括模型箱，该模型箱包括由四个侧壁构成的、上下开口的矩形框，矩形框上设有加载设备；矩形框搁置在承台岩体的顶面；矩形框内填充有土层相似材料，伸出岩体模型顶面的模型桩的大部分桩段埋设在土层相似材料内而模型桩顶端伸出土层相似材料顶部。
17.作为匹配，制备方法还包括：s5.将模型箱的矩形框搁置在承台岩体的顶面，并向矩形框内填充土层相似材料，掩埋住模型桩上段，且使得模型桩顶端伸出，并在矩形框上安装加载设备。
18.上述增益的结构和方法的优点在于：创造性的提出以加宽的岩体模型作为搁置模型箱矩形框的基座，并将模型箱去掉底板且高度减半后，搁置在岩体模型顶面并覆土；这样，无需像现有技术一样将岩体模型运送至一人高的模型箱内，便捷了操作，省略了配备专用吊机吊运岩体模型的工序，且拆卸时，也只需将模型箱内土体挖走，同样无需吊运岩体模型，故拆装方便，省时省力；而且，上述特征是与前述特征相互结合、共同促进的，正是由于承台岩体加宽了岩体模型的顶面积，从而具备了充分的空间搁置模型箱矩形框，进而确保矩形框面积也就是土层相似材料的横截面足够大，以确保模型桩不受矩形框的边界效应影响，提升后期各项加载试验的数据的精准度。
附图说明
19.图1为本发明模型桩与承桩岩体及洞顶岩体的俯视状态的爆炸图。
20.图2为本发明模型桩与承桩岩体及洞顶岩体的仰视状态的爆炸图。
21.图3为本发明模型桩与承桩岩体及洞顶岩体装配后的剖视图。
22.图4为本发明模型桩与岩体模型的仰视立体图。
23.图5为本发明模型桩与岩体模型的剖视图。
24.图6为图5的a区域的放大示意图。
25.图7为本发明装置的立体图。
26.图8为本发明装置的剖视图。
27.图中所示：1、模型桩，2、岩体模型，21、承桩岩体，22、溶洞腔体，22-1、下锥面，23、后浇固桩层，24、嵌桩孔，25、洞顶岩体，25-1、穿桩孔，25-2、上锥面，25-3、檐台，26、承台岩体；3、矩形框；41、水平拉力加载机构，42、竖向压力加载机构；5、土层相似材料。
具体实施方式
28.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
29.本实施例如图1至8所示为一种对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置，包括相互固定的模型桩1与岩体模型2，岩体模型2的内部设有模拟溶洞，模型桩1穿过模拟溶洞，岩体模型2上覆盖土层相似材料5；岩体模型2包括由岩层相似材料制成的用于支承模型桩1的承桩岩体21和由岩层相似材料制成的洞顶岩体25，以及由岩层相似材料浇筑而成的承台岩体26；承桩岩体21中部设有溶洞腔体22，溶洞腔体22的上部设有开口，溶洞腔体22的底面设有
嵌桩孔24；洞顶岩体25下凸的底部与溶洞腔体22的开口相契合，洞顶岩体25的中间设有穿桩孔25-1，模型桩1穿过穿桩孔25-1，模型桩1外壁与穿桩孔25-1孔壁相贴合，模型桩1的下段插在嵌桩孔24内，模型桩1的底面与嵌桩孔24的底面相贴合，溶洞腔体22的底面、模型桩1外围浇注有一层由岩层相似材料构成的用于粘结模型桩1下段与嵌桩孔24孔壁的后浇固桩层23，模型桩1外壁、后浇固桩层23、溶洞腔体22侧壁和洞顶岩体25底面共同构建出密封的中空的模拟溶洞；承台岩体26的横截面和高度大于承桩岩体21的横截面和高度，承台岩体26向下包裹住洞顶岩体25的顶部和承桩岩体21的顶面及四围，承台岩体26包裹住模型桩1的中段。
30.作为优选，溶洞腔体22的上开口设有渐收的下锥面22-1，洞顶岩体25下沿设有渐收的上锥面25-2，上锥面25-2搁置在下锥面22-1上且两个锥面间隙形成锥形环缝，且上锥面25-2的下端设有一圈封闭锥形环缝下口的檐台25-3，檐台25-3外圈与溶洞腔体22侧壁相贴合。另外，洞顶岩体25的上端面为锥面。锥面的坡度为15
°
~35
°
，也即锥面的锥线与穿桩孔25-1轴线的夹角为55
°
~75
°
。
31.在本实施例中，本装置还包括模型箱，该模型箱包括由四个侧壁构成的的矩形框3，矩形框3上下开口，矩形框3还包括设在四个侧壁之间四个外角的四根竖向角钢、连接在两根竖向角钢之间且上下设置的横档和设在左右两侧的两根横梁角钢，横梁角钢的两端分别与同侧的两根竖向角钢固定，竖向角钢与对应侧壁通过螺栓（图中未示出）等方式可拆式固定。矩形框3上设有加载设备如水平拉力加载机构41和竖向压力加载机构42，水平拉力加载机构41安装在左侧的两根横档上，竖向压力加载机构42安装在两根横梁角钢上；其中，水平拉力加载机构41和竖向压力加载机构42为成熟的现有技术，并非本技术的发明点，这里不再详述，另外，矩形框3上可安装试验需要的其他载荷的加载机构。
32.矩形框3的横截面小于承台岩体26的横截面，矩形框3搁置在承台岩体26的顶面的中部，模型桩1轴线与矩形框3的内壁之间的距离都相同；土层相似材料5填充在矩形框3内，伸出岩体模型2顶面的模型桩1的大部分桩段埋设在土层相似材料5内而模型桩1顶端伸出土层相似材料5顶部。这里，承台岩体26外围与承桩岩体21外围之间的距离大于模型桩1直径的五倍，矩形框3边框与承台岩体26边界的距离优选为模型桩1直径的两倍，也即矩形框3与模型桩1之间有足够的距离，使得矩形框3的设置不影响模型桩1在土层相似材料5中的受力情况。
33.上述对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置的制备方法，具体包括如下步骤：s1.分别制备模型桩1，以及由岩层相似材料模制而成的承桩岩体21和洞顶岩体25；s2.将模型桩1的下段插入承桩岩体21的嵌桩孔24内，在溶洞腔体22的底端、模型桩1的外围浇筑一层岩层相似材料，部分岩层相似材料流入模型桩1与嵌桩孔24孔壁之间的空隙中，待岩层相似材料凝结形成后浇固桩层23时使模型桩1下段通过后浇固桩层23与嵌桩孔24孔壁相固定；s3.将洞顶岩体25套设到模型桩1上，并使洞顶岩体25下凸的底部与溶洞腔体22的开口相契合，洞顶岩体25边沿的底面与承桩岩体21的上表面相贴合；也即洞顶岩体25底部的上锥面25-2搁置在溶洞腔体22上开口的下锥面22-1上，上锥面25-2下端的檐台25-3外圈与溶洞腔体22侧壁相贴合；
s4. 将模型桩1以及相互卡接的洞顶岩体25和承桩岩体21放入方形模具中，该方形模具的截面积大于承桩岩体21的截面积，向方形模具中浇注岩层相似材料并使得浇注高度高于洞顶岩体25，从而形成将模型桩1中段、洞顶岩体25和承桩岩体21的顶面及四围包裹住的承台岩体26，待承台岩体26凝结固化后脱模；s5.将模型箱的矩形框3搁置在承台岩体26的顶面，向矩形框3内填充土层相似材料5，掩埋住模型桩1上段，且使得模型桩1顶端伸出，并在矩形框3上安装加载设备。

技术特征：
1.一种对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置，包括相互固定的模型桩（1）与岩体模型（2），岩体模型（2）的内部设有模拟溶洞，所述模型桩（1）穿过模拟溶洞；岩体模型（2）上覆土层相似材料（5）；其特征在于，所述岩体模型（2）包括由岩层相似材料制成的用于支承模型桩（1）的承桩岩体（21）和由岩层相似材料制成的洞顶岩体（25），以及由岩层相似材料浇筑而成的承台岩体（26）；所述承桩岩体（21）中部设有溶洞腔体（22），溶洞腔体（22）的上部设有开口，溶洞腔体（22）的底面设有嵌桩孔（24）；所述洞顶岩体（25）下凸的底部与溶洞腔体（22）的开口相契合，所述洞顶岩体（25）的中间设有穿桩孔（25-1），所述模型桩（1）穿过穿桩孔（25-1），所述模型桩（1）的下段插在嵌桩孔（24）内，溶洞腔体（22）的底面上浇注有一层由岩层相似材料构成的用于粘结模型桩（1）下段与嵌桩孔（24）孔壁的后浇固桩层（23），后浇固桩层（23）、溶洞腔体（22）侧壁和洞顶岩体（25）底面共同构建出所述的模拟溶洞；承台岩体（26）的横截面和高度大于承桩岩体（21）的横截面和高度，承台岩体（26）向下包裹住模型桩（1）的中段、洞顶岩体（25）和承桩岩体（21）的顶面及四围。2.根据权利要求1所述的对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置，其特征在于：溶洞腔体（22）的开口设有渐收的下锥面（22-1），洞顶岩体（25）下沿设有渐收的上锥面（25-2），上锥面（25-2）搁置在下锥面（22-1）上且两个锥面间隙形成锥形环缝，且上锥面（25-2）下端设有一圈封闭锥形环缝下口的檐台（25-3）。3.根据权利要求1或2所述的对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置，其特征在于： 它还包括模型箱，该模型箱包括由四个侧壁构成的、上下开口的矩形框（3），矩形框（3）上设有加载设备；矩形框（3）搁置在承台岩体（26）的顶面；矩形框（3）内填充有土层相似材料（5），伸出岩体模型（2）顶面的模型桩（1）的大部分桩段埋设在土层相似材料（5）内而模型桩（1）顶端伸出土层相似材料（5）顶部。4.如权利要求3所述的对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：s1.分别制备模型桩（1），以及由岩层相似材料模制而成的承桩岩体（21）和洞顶岩体（25）；s2.将模型桩（1）的下段插入承桩岩体（21）的嵌桩孔（24）内，在溶洞腔体（22）的底面、模型桩（1）的外围浇筑一层岩层相似材料，部分岩层相似材料流入模型桩（1）与嵌桩孔（24）孔壁之间的空隙中，待岩层相似材料凝结形成后浇固桩层（23）时使模型桩（1）下段通过后浇固桩层（23）与嵌桩孔（24）孔壁相固定；s3.将洞顶岩体（25）套设到模型桩（1）上，并使洞顶岩体（25）下凸的底部与溶洞腔体（22）的开口相契合；s4.将模型桩（1）以及相互卡接的洞顶岩体（25）和承桩岩体（21）放入方形模具中，该方形模具的截面积大于承桩岩体（21）的截面积，向方形模具中浇注岩层相似材料并使得浇注高度高于洞顶岩体（25），从而形成将模型桩（1）中段、洞顶岩体（25）和承桩岩体（21）的顶面及四围包裹住的承台岩体（26），待承台岩体（26）凝结固化后脱模。5.根据权利要求4所述的对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置的制备方法，其特征在于：s5.将模型箱的矩形框（3）搁置在承台岩体（26）的顶面，向矩形框（3）内填充土层相似材料（5），掩埋住模型桩（1）上段，且使得模型桩（1）顶端伸出，并在矩形框（3）上安装加载设备。

技术总结
本发明公开了一种对穿越溶洞的桩基进行加载试验的装置及其制备方法，其优点在于洞顶岩体和承桩岩体相互扣合且被承台岩体二次浇注完全包裹，模拟出了完全封闭的溶洞结构；构成岩体模型的承桩岩体、洞顶岩体、后浇固桩层和承台岩体都由同样的岩层相似材料所制成，整体性更好，溶洞一圈轮廓的材料的力学性能一致；承台岩体向下从四围完全包裹住承桩岩体的全部，使得承桩岩体顶面的抗剪效能好，进一步提高岩体模型整体性，降低二次浇注的不利影响；综上，本申请更加真实的模拟了桩基在岩溶强发育区情况，还原度高，因而加载多种负荷后测得的参数更为准确，更严谨的开展穿越溶洞型桩基室内模型试验研究，能够更好的指导岩溶地区桩基的设计和施工。区桩基的设计和施工。区桩基的设计和施工。


技术研发人员：杜鹏 周德泉 刘晓玲 王创业 海军
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/28