先进制造技术

本发明公开了一种用于静载荷模型试验的装置和方法，属于岩土工程试验技术领域。设计一套可组装的静载荷模型试验装置，将模型桩垂直压入土层中，并进行静载荷模型试验。该装置由固定于模型箱上的可控转速的旋转加压单元、桩身侧向稳定单元、连接单元和扭矩消除单元构成。该方法不仅适用于长细模型桩的压入，同时适用于对模型桩及复合地基、天然地基进行静载荷试验检测。

静载荷试验是目前检验单桩或复合地基承载力的各种方法中应用最广的一种方法。该试验手段显著的优点是受力条件接近实际，试验结果直观，但是试验规模及费用相对较大，因此人们通常采用试验规模及费用相对较小的模型试验来研究桩基和复合地基的特征。在进行单桩或复合地基静载荷模型试验时，首先需要将模型桩身压入土层中，然后再进行加载试验，试验时必须要有提供压力的加压系统。目前常用的加压系统有堆载压重平台和特制的反力架。如申请号为CN 201710725284.4《一种螺旋桩施工和竖向承载力试验装置》，采用了堆载压重的方法，通过在主支架两端放置混凝土配重块提供支撑反力，为旋转压入。如刘干斌等.饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36(10):2535‑2543，采用了特制的活动反力装置，包括底盘、立柱和反力梁，采用工字钢构造，螺栓连接。上述文献所涉及的装置存在体积庞大、制作成本高、移动和拆装困难、试验操作复杂等缺点。此外上述文献所涉及的装置在压入模型桩身时均没有对桩身进行侧向约束，存在无法保证桩身垂直度，容易使桩身产生弯曲破坏和失稳破坏，并由此导致某些由PVC、木材、素混凝土、水泥砂浆材料制作的模型桩身无法被压入土层中，造成压桩失败的难题。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本发明装置中设置可控转速的旋转加压单元可由试验人员随时控制加压速度和旋转方向，为试验带来方便，同时设置桩身侧向稳定单元能保持压桩过程中模型桩的垂直度和稳定性，不仅适用于静载荷模型试验中桩身的压入，也适用于进行模型桩、复合地基、天然地基的静载荷试验检测。当桩身压入完成后，不需要拆除任何构件，仅需加入数据采集单元，就可以进行模型桩或复合地基的静载荷试验检测，试验效率高。

(2)本发明的加压单元采用螺旋丝杠旋转加压，螺旋丝杠由变速电机驱动，加压速度和旋转方向可由试验人员随时控制，为试验带来方便；螺旋丝杠可选规格型号多，对应的配套多种规格型号的上部桩身导管，长度和螺距组合可满足不同试验需求。

(3)本发明的桩身侧向稳定单元由上中下3种独立构件组成，中部构件的数量可以根据模型桩长度、试验类型进行加减，可以灵活组装，高度可调，适用于对不同桩长的模型桩进行试验。

(4)本发明的桩身侧向稳定单元中的内部带有螺纹的上部桩身导管具有一定长度，并与上下两片方形隔板垂直焊接，可以保障上部桩身导管的垂直度，从而保证螺旋丝杠垂直行进，对模型桩施加竖向压力，消除由于螺旋丝杠晃动引起的偏心荷载带来的影响；下部桩身导管具有一定长度，并与上下两片方形隔板垂直焊接，配置不同伸出长度规格，可以保障模型桩垂直进入土层中，解决了压桩过程中桩身容易出现倾斜的问题，保证了成桩质量。

(6)本发明的扭矩消除单元采用轴承工作原理，经特殊设计，通过弹性限位钢珠与加压的螺旋丝杠连接，解决了如何消除螺旋丝杠旋转加压时由于摩擦对模型桩产生扭矩时遇到的困难。

(7)本发明的装置全部采用钢材加工制作，可重复使用，强度高，能提供较大试验荷载；大部分组件采用螺栓连接，整体性好，变形小，试验稳定性高；加压单元和稳定单元尺寸可调，螺旋丝杠、桩身导管、隔板等组件制作方便且易于更换，适用范围广。