本發(fā)明涉及復合荷載作用下單樁多向水平承載力的測試方法,主要適用于室內(nèi)試驗中在多向水平荷載與法向荷載共同作用下單樁水平承載力方面的研究，屬于樁基測試技術領域。

背景技術：

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，風力發(fā)電、海上平臺及高層建筑等陸續(xù)興建，這些建筑物不但受到自重等豎向荷載的影響，也會受到風荷載、地震和潮汐等水平荷載的影響，因此，豎向和水平荷載的共同作用模式(復合荷載)比豎向荷載或水平向荷載(單一荷載)的作用模式在受力性狀上也更加復雜，同時也更加符合工程實際。另外，由于建筑物或構筑物的水平荷載往往不只有一個方向，通常具有多方向性。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服已有技術無法有效測試復雜條件下單樁多向水平承載力的不足，本發(fā)明提供一種效果好、操作方便、費用低的復合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測試方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種復合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測試方法，實現(xiàn)所述測試方法的裝置包括模型箱、豎向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型箱內(nèi)鋪設模擬場地的箱內(nèi)土體，所述箱內(nèi)土體埋設試驗單樁，所述豎向加載系統(tǒng)包括立柱、橫梁、杠桿、豎向加載器和豎向加載砝碼，所述杠桿的一端鉸接在兩根立柱之間的轉軸上，所述杠桿的中部安裝豎向加載器，所述豎向加載器位于所述試驗單樁的頂部，所述杠桿的另一端連接豎向加載砝碼；所述水平加載系統(tǒng)包括水平加載樁帽、定滑輪、鋼絲索和砝碼，所述水平加載樁帽安裝在所述試驗單樁的頂面，所述水平加載樁帽與所述鋼絲索的一端連接，所述鋼絲索穿過所述定滑輪，所述鋼絲索的另一端與水平加載砝碼連接，所述定滑輪安裝在所述模型箱上；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移計，所述位移計位于水平加載樁帽上，所述位移計與數(shù)據(jù)采集儀連接；所述測試方法包括以下步驟：

(1)確定試驗樁尺寸、土層分布及厚度；

(2)確定豎向加載值和加載級別，以及水平加載值和加載級別；

(3)分層鋪設土層；

(4)確定水平荷載的加載方向和數(shù)量；

(5)安裝水平加載樁帽：選擇與試驗樁外徑一致的水平加載樁帽。將水平加載樁帽對準并旋入試驗樁中；

(6)安放水平加載系統(tǒng)；

(7)安放豎向加載系統(tǒng)；

(8)安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

(9)確定單次試驗樁的多向水平極限承載力：根據(jù)水平加載力和位移計監(jiān)測的實時位移，繪制出荷載—位移曲線，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的取值要求分別確定出該次試驗單樁在水平承載力極限值，取三個水平方向中最小水平承載力極限值作為復合荷載作用下單樁多向水平極限承載力；

(10)拆卸試驗裝置，回收試驗用土樣；

(11)確定不同豎向荷載下單樁的水平承載力特征值，重復所述步驟(3)～(10)，獲得一組共三根樁在不同豎向荷載下的單樁水平極限承載力，當在同一豎向荷載下三根樁水平承載力極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為該豎向荷載條件下的單樁多向水平極限承載力；

(12)不同豎向荷載下單樁水平極限承載力確定，增大豎向荷載到下一級別，重復所述步驟(2)～(11)，獲得不同豎向荷載下的單樁在多向水平加載條件的極限承載力。

進一步，所述步驟(10)中，先拆除數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)，再拆除豎向加載系統(tǒng)，再按上而下的順序回收試驗土體以便下次使用

再進一步，所述水平加載系統(tǒng)包括多向水平加載系統(tǒng)，所述定滑輪為可移動定滑輪，所述定滑輪下部安裝滾輪，所述模型箱的一圈設有滾輪軌道，所述滾輪可滑動地安裝在所述滾輪軌道上；所述鋼絲索的一端與卡套連接，所述水平加載樁帽一圈設有環(huán)形槽口，所述卡套可滑動地安裝在所述環(huán)形槽口內(nèi)；

所述步驟(5)中，確定卡套數(shù)目和方向；連接鋼絲索與卡套，連接卡套與水平加載樁帽。

更進一步，所述卡套包括球形夾具和上下夾片，所述球形夾具內(nèi)設有上下夾片，所述鋼絲索的一端位于上下夾片之間的夾持工位處；所述步驟(5)中，連接鋼絲索與卡套的過程如下：先將鋼絲索穿過球形卡具，再用兩塊對稱夾片按壓在鋼絲索的伸出端處，并與鋼絲索一起推入球形卡具之中，鋼絲索的紋路走向與夾片一致，楔形夾片能夠使鋼絲索在受外力作用可靠地固定在球形卡具中；

連接卡套與水平加載樁帽的過程如下：將卡套沿著槽口依此放入水平加載樁帽中，根據(jù)水平加載樁帽的角度盤調整卡套之間的角度，達到所需要角度時向外張拉鋼絲索并保證鋼絲索的延伸線過樁帽圓心，在模型箱上移動定滑輪到鋼絲索處，使鋼絲索繞過定滑輪與砝碼盤連接。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：(1)可實現(xiàn)豎向和多個水平向復合加載，應用范圍廣。不但可以實現(xiàn)豎向和水平向的復合加載，而且可以考慮多個任意水平方向的水平向復合加載。能模擬豎向荷載作用下多個水平向荷載作用下樁基水平承載力的性能研究，工程應用范圍廣。(2)水平向加載方式合理。采用水平加載樁帽連接樁與鋼絲索，再由樁帽以均勻受力的形式傳遞給樁基，更符合工程實際情況。(3)操作簡單，費用低，周期短。由于現(xiàn)場試驗條件及樁基施工的復雜性，難以獲得復合荷載作用下單樁多向水平承載力的變化規(guī)律，且具有現(xiàn)場試驗費用高、周期長的不足，而本裝置能有效地解決現(xiàn)場試驗難題，具有操作簡單、費用低、周期短的特點。

附圖說明

圖1是復合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測試裝置的結構示意圖。

圖2是模型箱俯視圖。

圖3是可移動定滑輪與模型箱連接圖。

圖4是水平加載樁帽大樣圖，其中，(a)是正面，(b)是反面。

圖5是卡套與鋼絲索連接圖。

圖6是水平加載樁帽與卡套連接圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖6，一種復合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測試方法，實現(xiàn)所述測試方法的裝置包括模型箱、豎向加載系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述模型箱內(nèi)鋪設模擬場地的箱內(nèi)土體，所述箱內(nèi)土體埋設試驗單樁，所述豎向加載系統(tǒng)包括立柱、橫梁、杠桿、豎向加載器和豎向加載砝碼，所述杠桿的一端鉸接在兩根立柱之間的轉軸上，所述杠桿的中部安裝豎向加載器，所述豎向加載器位于所述試驗單樁的頂部，所述杠桿的另一端連接豎向加載砝碼；所述水平加載系統(tǒng)包括水平加載樁帽、定滑輪、鋼絲索和砝碼，所述水平加載樁帽安裝在所述試驗單樁的頂面，所述水平加載樁帽與所述鋼絲索的一端連接，所述鋼絲索穿過所述定滑輪，所述鋼絲索的另一端與水平加載砝碼連接，所述定滑輪安裝在所述模型箱上；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括位移計，所述位移計位于水平加載樁帽上，所述位移計與數(shù)據(jù)采集儀連接；所述測試方法包括以下步驟：

(1)確定試驗樁尺寸、土層分布及厚度

(2)確定豎向加載值和加載級別，以及水平加載值和加載級別；

(3)分層鋪設土層；

(4)確定水平荷載的加載方向和數(shù)量；

(5)安裝水平加載樁帽：選擇與試驗樁外徑一致的水平加載樁帽。將水平加載樁帽對準并旋入試驗樁中；

(6)安放水平加載系統(tǒng)；

(7)安放豎向加載系統(tǒng)；

(8)安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

(9)確定單次試驗樁的多向水平極限承載力：根據(jù)水平加載力和位移計監(jiān)測的實時位移，繪制出荷載—位移曲線，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的取值要求分別確定出該次試驗單樁在水平承載力極限值，取三個水平方向中最小水平承載力極限值作為復合荷載作用下單樁多向水平極限承載力；

(10)拆卸試驗裝置，回收試驗用土樣；

(11)確定不同豎向荷載下單樁的水平承載力特征值，重復所述步驟(3)～(10)，獲得一組共三根樁在不同豎向荷載下的單樁水平極限承載力，當在同一豎向荷載下三根樁水平承載力極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為該豎向荷載條件下的單樁多向水平極限承載力；

(12)不同豎向荷載下單樁水平極限承載力確定，增大豎向荷載到下一級別，重復所述步驟(2)～(11)，獲得不同豎向荷載下的單樁在多向水平加載條件的極限承載力。

進一步，所述水平加載系統(tǒng)為多向水平加載系統(tǒng)，所述定滑輪為可移動定滑輪，所述定滑輪下部安裝滾輪，所述模型箱的一圈設有滾輪軌道，所述滾輪可滑動地安裝在所述滾輪軌道上；所述鋼絲索的一端與卡套連接，所述水平加載樁帽一圈設有環(huán)形槽口，所述卡套可滑動地安裝在所述環(huán)形槽口內(nèi)；

所述步驟(5)中，確定卡套數(shù)目和方向；連接鋼絲索與卡套，連接卡套與水平加載樁帽。

更進一步，所述卡套包括球形夾具和上下夾片，所述球形夾具內(nèi)設有上下夾片，所述鋼絲索的一端位于上下夾片之間的夾持工位處；所述步驟(5)中，連接鋼絲索與卡套的過程如下：先將鋼絲索穿過球形卡具，再用兩塊對稱夾片按壓在鋼絲索的伸出端處，并與鋼絲索一起推入球形卡具之中，鋼絲索的紋路走向與夾片一致，楔形的夾片能夠使鋼絲索在受外力作用可靠地固定在球形卡具中；

連接卡套與水平加載樁帽的過程如下：將卡套沿著槽口依此放入水平加載樁帽中，根據(jù)水平加載樁帽的角度盤調整卡套之間的角度，達到所需要角度時向外張拉鋼絲索并保證鋼絲索的延伸線過樁帽圓心，在模型箱上移動定滑輪到鋼絲索處，使鋼絲索繞過定滑輪與砝碼盤連接。

本實施例的復合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測試裝置，包括模型箱、豎向加載系統(tǒng)、多向水平加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及計算機控制系統(tǒng)，所述模型箱是無頂蓋內(nèi)空的圓柱形，箱身由環(huán)形不銹鋼板焊接而成。所述豎向加載系統(tǒng)由立柱、橫梁、杠桿、豎向加載器、砝碼等組成。橫梁位于立柱的上端，用于放置磁力表座和提高模型箱的穩(wěn)定性。杠桿與立柱之間采用轉軸連接，可以繞轉軸轉動。所述水平加載系統(tǒng)由水平加載樁帽、球形卡具、鋼絲索、可移動定滑輪、砝碼組成。水平加載樁帽上設有槽口與導槽，用于連接卡套，在其外側壁刻有角度盤，用于測量角度?？ㄌ子蓛蓧K錐形夾片和空心的球形卡具組成，用于固定鋼絲索。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由lvdt位移計和數(shù)據(jù)采集儀組成，所述計算機控制系統(tǒng)內(nèi)帶軟件，可以記錄和處理數(shù)據(jù)。

所述水平加載樁帽可以根據(jù)樁的形狀自行選擇。所述水平加載樁帽與試驗樁之間采用螺紋連接。所述可移動定滑輪可以通過底部滾輪在模型箱邊框上進行360度轉動。所述球形卡具可以在導槽內(nèi)進行360度轉動。所述角度盤最小刻度線為5度。

本實施例的復合荷載作用下的單樁多向水平承載力的測試裝置包括模型箱1；試驗樁2；箱內(nèi)土體3(雜填土31、粉質粘土32、粉砂33、中砂34、圓礫35)；水平加載樁帽4；卡套5(由夾片18和球形卡具19組成)；鋼絲索6；可移動定滑輪7；豎向加載器8；杠桿9；砝碼10；橫梁11；磁力表座12；lvdt位移計13；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)14；計算機控制系統(tǒng)15；槽口16；導槽17；夾片18；球形卡具19；立柱20，轉軸21；滾輪22；角度盤23。

其中，模型箱1外與4個立柱20焊接，杠桿9與采用轉軸與同一側的兩個立柱連接，杠桿9用螺栓固定豎向加載器8，橫梁11焊接在立柱20上，用于放置磁力表座12。水平加載樁帽4采用螺紋與試驗樁2連接，水平加載樁帽4設有槽口16與導槽17，卡套5的球形卡具19可以進入槽口16并在導槽17中移動。夾片18與鋼絲索6相接，并楔進球形卡具19中?？梢苿佣ɑ?下部設有滾輪22，使得可移動定滑輪7能夠在模型箱1的箱壁上移動。lvdt位移計13與數(shù)據(jù)采集儀14用數(shù)據(jù)線傳輸信號，再將數(shù)據(jù)轉換傳輸給計算機控制系統(tǒng)15。

某擬建住宅樓為26層建筑，剪力墻結構，樁—筏基礎，采用鉆孔灌注樁為樁基，長為18m，直徑為0.6m，單樁豎向承載力為1500kn。本試驗模型箱的箱體內(nèi)部尺寸為直徑1000mm，高1000mm。場地土層自上而下依次是雜填土、粉質粘土、粉砂、中砂、圓礫，厚度分別為2m、10m、15m、5m、15m，樁身進入圓礫層2m。

本發(fā)明的實施步驟是：

本發(fā)明的實施步驟是：

1)確定試驗樁尺寸。根據(jù)設計的工程樁尺寸按一定的比例縮小來制作模型樁。本次實例采用鋼管作為試驗樁，按50：1的比例進行放縮，試驗樁徑為30mm，高度為900mm。

2)確定土層分布及厚度。根據(jù)現(xiàn)場地勘報告和和樁身的長度來確定試驗所需要的土層，各個土層的厚度按照50：1的比例縮放，場地土層自上而下依次是雜填土、粉質粘土、粉砂、中砂、圓礫，厚度分別為0.04m、0.2m、0.3m、0.1m、0.3m，樁身進入圓礫層0.04m。

3)確定豎向加載值和加載級別。根據(jù)設計的樁頂豎向承載力按比例縮放，采用5級加載。本實例將單樁豎向承載力按50：1的比例縮放，豎向加載值為30kn，每次按6kn遞增進行加載。

4)確定水平加載值和加載級別。本實施例中試驗采用10級加載，每次加載量為預估樁基水平承載力的1/10。本實例中根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范預估水平承載力為20kn，每次在三個方向均按2kn遞增進行加載。

5)分層鋪設土層。根據(jù)土層的分布及其厚度，將各土層按照自下而上的順序依次分層鋪設。首先鋪設圓礫層，當鋪設厚度達到樁端位置時，將樁身垂直地放置在圓礫土層上，且位于模型箱的中心位置，再繼續(xù)向上按順序鋪設相應土層。每層土體的頂部和底部均用水平尺進行量測，保證鋪設水平度，且要求鋪設土層盡可能達到現(xiàn)場的工程條件。

6)確定水平荷載的加載方向和數(shù)量。本試驗裝置可實現(xiàn)任意多個方向的加載，具體加載方向和數(shù)量可由工程樁所承受的水平荷載的方向和數(shù)量來確定。本實例根據(jù)工程樁實際所受的水平荷載情況采用三個方向進行水平加載，夾角分別為30度和60度。模擬不同方向的單樁水平力加載的情形。

7)安裝水平加載樁帽。選擇與試驗樁外徑一致的水平加載樁帽。將水平加載樁帽對準并旋入試驗樁中。

8)確定卡套數(shù)目和方向?？ㄌ椎臄?shù)量和方向應與所加載的水平向荷載的數(shù)量和方向一致。在本次實例中，采用3個水平力加載，水平力之間分別為30度和60度。

9)連接鋼絞線與卡套。先將鋼絞線穿過球形卡具，再用兩塊對稱夾片按壓在鋼絞線的伸出端處，并與鋼絞線一起推入球形卡具之中，在此過程中保證鋼絞線不超出球形卡具的范圍。按上述操作可完成其余2個卡套與鋼絞線的連接。鋼絞線的紋路走向與夾片一致，楔形的夾片能夠使鋼絞線在受外力作用可靠地固定在球形卡具中。

10)連接卡套與水平加載樁帽將3個卡套沿著槽口依此放入水平加載樁帽中，根據(jù)水平加載樁帽的角度盤調整卡套之間的角度，達到所需要的30度和60度時向外張拉鋼絞線并保證鋼絞線的延伸線過樁帽圓心。在模型箱上移動定滑輪到鋼絞線處，使鋼絞線繞過定滑輪與砝碼盤連接。

11)安放豎向加載系統(tǒng)。調整杠桿到樁中心位置，使豎向加載器放置于水平加載樁帽頂正上方。

12)安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。復合荷載由1個豎向荷載和3個水平向荷載組成，因此，共需要4個lvdt位移計。將磁力表座放置在橫梁上，調整支架使4個lvdt位移計和待測方向保持垂直。連接lvdt位移計與數(shù)據(jù)采集儀，用于測試樁頂?shù)呢Q向位移及三個水平方向位移。

13)確定單次試驗樁的多向水平極限承載力。根據(jù)水平加載力和lvdt監(jiān)測的實時位移，繪制出3個水平方向的荷載—位移曲線，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的取值要求分別確定出該次試驗樁在3個方向的水平承載力極限值，取三個水平方向中最小水平承載力極限值作為復合荷載作用下單樁多向水平極限承載力。

14)拆卸試驗裝置，回收試驗用土樣。關閉儀器，按順序拆除擦拭試驗器械，先拆除3個水平向的加載砝碼，再拆除豎向加載砝碼，然后拆除橫梁和杠桿，再按上而下的順序回收試驗土體以便下次使用。

15)確定豎向荷載下單樁的水平承載力特征值。重復上述步驟4)-14)，獲得一組共三根樁在不同豎向荷載下的單樁水平極限承載力。當在同一豎向荷載下三根樁水平承載力極差不超過平均值的30％時，取其平均值作為該豎向荷載條件下的單樁多向水平極限承載力。

16)不同豎向荷載下單樁水平極限承載力確定。增大豎向荷載到下一級別，重復上述步驟3)-15)，獲得不同豎向荷載下的單樁在多向水平加載條件的極限承載力。