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一种大直径 钢管桩室内模型及试验系统

阅读：150发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种大直径钢管桩室内模型及试验系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种大直径钢管桩室内模型及试验系统，所述室内模型桩包括桩帽、内管、外管、桩顶端环、桩底端环、应变片和排式导线，其采用了双壁桩的形式，可以准确得到大直径钢管桩模型桩的内、外侧摩阻力沿桩身的分布，为研究大直径钢管桩竖向承载力的发挥机理和改进大直径钢管桩的设计方法提供了试验数据支持，从而使得大直径钢管桩竖向承载力的计算更加准确，减少了实际工程的用钢量，带来了很大的经济效益。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种大直径钢管桩室内模型及试验系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：包括桩帽、内管、外管、桩顶端环、桩底端环、应变片和排式导线；
所述内管、外管为长度相等同轴设置的空心管体，其两端分别设置桩顶端环和桩底端环，在所述桩顶端环一侧设置桩帽，所述桩帽一侧形成有桩顶端环插入的插槽；
所述外管、桩顶端环和桩帽上分别设置有位于对侧、相重合的切口结构，外管切口位于所述外管一侧端部、桩顶端环切口位于所述桩顶端环嵌入内管、外管之间的桩顶端环定位环上、桩帽切口位于所述桩帽插槽的两侧；
所述内管外壁沿轴向相对设置2列应变片，所述内管外壁设置2组分别与各应变片相连排式导线，所述排式导线的上端由所述切口结构穿出；所述外管外壁沿轴向相对设置2列应变片，所述外管外壁设置2组分别与各应变片相连的排式导线。
2.根据权利要求1所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述桩帽中部形成有透气孔。
3.根据权利要求1所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述桩帽外侧表面上形成有径向横槽。
4.根据权利要求1所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述桩顶端环由桩顶端环受力环和桩顶端环定位环两部分结构构成，所述桩顶端环定位环安装在内管和外管之间，两侧形成有桩顶端环切口。
5.根据权利要求1所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述桩底端环由桩底端环定位环和桩底端环受力环两部分结构构成，所述桩底端环受力环安装在内管和外管之间。
6.根据权利要求1所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述外管外侧面覆盖有环氧树脂，以确保应变片与导线在模型桩贯入土体的过程中不被破坏。
7.根据权利要求6所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述环氧树脂的厚度为1mm-2mm。
8.根据权利要求1所述的一种大直径钢管桩室内模型，其特征在于：所述排式导线呈阶梯状。
9.一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的试验系统，其特征在于：包括室内模型桩、以及试验土槽、液压加载装置、数据采集仪、拉压力传感器、拉线传感器和孔压计；
所述试验土槽盛有供室内模型桩贯入的土壤；
所述液压加载装置用于向室内模型桩施加贯入土壤的作用力；
所述数据采集仪分别通过排式导线与内管、外管外壁的应变片相连；
所述拉压力传感器、拉线传感器用于测量贯入压力；
所述孔压计设置于室内模型桩贯入位置旁，用于检测桩周土体孔隙水压力。
10.根据权利要求9所述的一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的试验系统，其特征在于：所述拉压力传感器和拉线传感器设置于桩帽上。

说明书全文

一种大直径钢管桩室内模型及试验系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及一种大直径钢管桩室内模型及试验系统，属于深水基础工程领域。

背景技术

[0002] 复钢管桩单桩基础是海上风电的一种重要基础形式。随着海上风电工程的建设区域水深逐渐增加以及风机尺寸的不断加大，单桩基础由原来的小直径钢管桩逐渐发展成为
大直径以及超大直径钢管桩，呈现出大型化的发展趋势，目前单桩基础直径已经达到了
8m。现行的规范(API)是在小直径钢管桩的基础之上提出的，由于小直径钢管桩的土塞闭塞
效应明显并且往往呈现出完全闭塞的情况，在计算钢管桩的竖向承载力时，API规范采用外
侧摩阻力加上端阻力的方法，即：

[0003] Qu＝Qf+Qp＝f×As+q×Ap

[0004] 钢管桩直径增大使得桩在贯入过程中土塞闭塞效应减弱，大直径钢管桩的桩管与桩内土的桩土协同作用远小于小直径钢管桩，此时桩内土不是完全闭塞的，因此竖向承载
力就不能简单地看做外侧摩阻力和端阻力两部分的叠加，而应为外侧摩阻力、环形部分端
阻力和内侧摩阻力的叠加。故现行的针对小直径钢管桩提出的设计方法不能很好地适用于
大直径钢管桩，常常导致竖向承载力计算结果偏小、实际用钢量增大，造成了很大的经济损
失和资源浪费。因此，迫切需要一种能够很好地计算大直径及超大直径钢管桩竖向承载力
的设计方法，这就需要通过室内模型试验手段来探究大直径钢管桩内、外侧摩阻力的分布
以及内、外侧摩阻力在总承载力中的占比。目前被普遍采用的测量钢管桩侧摩阻力的室内
模型试验方法是沿桩身轴向方向在桩的外侧面布置一定数量的应变片，通过应变片测得对
应截面的轴力，则相邻截面的轴力之差即为两截面之间这一段桩受到的侧摩阻力，但是这
种方法存在一个很大的问题，即对于土塞高度范围内的桩身部分而言，测得的侧摩阻力为
内、外侧摩阻力之和，无法确定二者各自沿桩身的分布和相对大小，并且由于试验方法的缺
陷，在连接应变片导线的走线方面也会耗费大量的时间和精力，故亟需一种新的可以便捷
测量大直径钢管桩内外侧摩阻力的室内模型桩试验系统和试验方法，其中的难点便在于内
侧摩阻力的测量，目前还没有一种有效的方法能够便捷并且准确地测量大直径钢管桩的内
侧摩阻力。
实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大直径钢管桩室内模型及试验系统，相较于目前被普遍采用的方法，其具有方便快捷的优点，能够节省大量的时间和
精力，并且可以分别得到内、外侧摩阻力沿桩身的分布和大小。

[0006] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一种大直径钢管桩室内模型，包括桩帽、内管、外管、桩顶端环、桩底端环、应变片和排式导线；

[0008] 所述内管、外管为长度相等同轴设置的空心管体，其两端分别设置桩顶端环和桩底端环，在所述桩顶端环一侧设置桩帽，所述桩帽(向内)一侧形成有桩顶端环插入的插槽；

[0009] 所述外管、桩顶端环和桩帽上分别设置有位于对侧、相重合的切口结构，外管切口位于所述外管一侧端部、桩顶端环切口位于所述桩顶端环嵌入内管、外管之间的桩顶端环
定位环上、桩帽切口位于所述桩帽插槽的两侧；

[0010] 所述内管外壁沿轴向相对设置2列应变片，所述内管外壁设置2组分别与各应变片相连排式导线，所述排式导线的上端由所述切口结构穿出；所述外管外壁沿轴向相对设置2
列应变片，所述外管外壁设置2组分别与各应变片相连的排式导线。

[0011] 在上述技术方案中，所述桩帽中部形成有透气孔。

[0012] 在上述技术方案中，所述桩帽外侧表面上形成有径向横槽。

[0013] 在上述技术方案中，所述桩顶端环由桩顶端环受力环和桩顶端环定位环两部分结构构成，所述桩顶端环定位环安装在内管和外管之间，两侧形成有桩顶端环切口。

[0014] 在上述技术方案中，所述桩底端环由桩底端环定位环和桩底端环受力环两部分结构构成，所述桩底端环受力环安装在内管和外管之间。

[0015] 在上述技术方案中，所述外管外侧面覆盖有环氧树脂，以确保应变片与导线在模型桩贯入土体的过程中不被破坏。

[0016] 在上述技术方案中，所述环氧树脂的厚度为1mm-2mm。

[0017] 在上述技术方案中，所述排式导线呈阶梯状。

[0018] 一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的试验系统，包括上述室内模型桩、以及试验土槽、液压加载装置、数据采集仪、拉压力传感器、拉线传感器和孔压计；

[0019] 所述试验土槽盛有供室内模型桩贯入的土壤；

[0020] 所述液压加载装置用于向室内模型桩施加贯入土壤的作用力；

[0021] 所述数据采集仪分别通过排式导线与内管、外管外壁的应变片相连；

[0022] 所述拉压力传感器、拉线传感器设置于桩帽上，用于测量贯入压力；

[0023] 所述孔压计设置于室内模型桩贯入位置旁，用于检测桩周土体孔隙水压力。

[0024] 一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的试验方法，按照下列步骤进行：

[0025] 步骤一、将制备地基土体至预定强度，将上述室内模型桩打入至预定深度；

[0026] 步骤二、安装拉压力传感器和拉线传感器，并将排式导线连接数据采集仪；

[0027] 步骤三、用孔压计检测桩周土体孔隙水压力，待孔隙水压力完全消散；

[0028] 步骤四、利用液压加载装置以0.01mm/s的速率推动模型桩，同时测记各传感器和应变片的数值，待桩顶位移达到桩外径10％时停止加载。重复上述步骤直至所有试验组次
完毕。

[0029] 本实用新型的优点和有益效果为：

[0030] 1、采用了双壁桩的形式，可以准确得到大直径钢管桩模型桩的内、外侧摩阻力沿桩身的分布，为研究大直径钢管桩竖向承载力的发挥机理和改进大直径钢管桩的设计方法
提供了试验数据支持，从而使得大直径钢管桩竖向承载力的计算更加准确，减少了实际工
程的用钢量，带来了很大的经济效益。

[0031] 2、连接应变片引线的导线由常规的单根导线改为了排式导线，使铺设导线的走线时间缩短到常规方法的10％-20％，极大提高了试验效率，并且使铺设效果更加规整、美观。
并且由于两端阶梯式的形式，使得排式导线连接数据采集仪的一端不用贴标签来区分，最
长的两根导线对应的应变片即为第一个应变片，最短的两根导线对应的即为第N个应变片，
节省了资源。
附图说明

[0032] 图1为模型桩整体结构示意图。

[0033] 图2为模型桩分解结构视图。

[0034] 图3(a)为桩帽结构示意图一。

[0035] 图3(b)为桩帽结构示意图二。

[0036] 图4(a)为桩顶端环结构示意图一。

[0037] 图4(b)为桩顶端环结构示意图二。

[0038] 图5为外管结构示意图。

[0039] 图6为内管结构示意图。

[0040] 图7(a)为桩底端环结构示意图一。

[0041] 图7(b)为桩底端环结构示意图二。

[0042] 图8为外管应变片和排式导线布置图。

[0043] 图9为内管应变片和排式导线布置图。

[0044] 其中：1为桩帽；2为桩顶端环；3为外管；4为内管；5为桩底端环；6为切口；7 为插槽；8为透气孔；9为径向横槽；10为桩顶端环受力环；11为桩顶端环定位环；12 为桩顶端环
切口；13为外管切口；14为桩底端环定位环；15为桩底端环受力环；16为排式导线；17为应变
片；18应变片引线。

[0045] 对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

[0046] 为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

[0047] 实施例1

[0048] 一种大直径钢管桩室内模型的结构：

[0049] 一、桩帽

[0050] 桩帽中心开贯通的透气孔，桩帽上方开径向横槽并且与透气孔相连。桩帽的作用有四个：1、提供一个面积以便于沉桩时桩锤的施打或静压压入；2、增加外管上部切口附近
管壁的刚度，避免由于施加荷载较大导致外管壁上部压溃；3、中心开设的透气孔用以防止
沉桩时内管中产生气压；4、径向的横槽配合透气孔用于安装拉线位移传感器时走线。桩帽
由型号为5020(此种铝合金具有合适的弹性模量、中等的强度和良好的加工性能) 的铝合
金圆柱体切削而成，桩帽高度为30mm-50mm，直径根据内外管的直径以及壁厚变化而变化，
插槽深度为15mm-25mm，桩帽的切口深度等于插槽深度，桩帽中心贯通的透气孔直径为
10mm，桩帽上方的横槽宽度也为10mm。

[0051] 二、内管和外管

[0052] 内管、外管为长度相等同轴设置的空心管体，二者的材料为5020型铝合金，长度根据所研究的原型桩长度按照缩尺比确定，壁厚按照刚度等效原则确定，即内管拉压刚度与
外管拉压刚度相同，同时二者之和与原型桩的拉压刚度等效。

[0053] 三、桩顶端环

[0054] 桩顶端环包括定位环和受力环以及对称布置的切口，与桩帽和内外管之间都不闭死，组装后通过704 硅橡胶粘结。桩顶端环的作用有三个：1、受力环将施加在桩帽上的荷载
传递到内、外管上；2、定位环使内外管之间的间隙距离保持不变；3、切口与外管上部的切口
对齐，以便铺设在内管外侧表面的排式导线走线。内管和外管均为一体成型的无缝铝合金
管，分别作为双壁模型桩的内、外壁。内外管之间留有2mm-3mm的间隙。其中外管的上部开有
与桩顶环形部分切口尺寸一样的切口，以便排式导线走线。桩顶端环由型号为5020的铝合
金圆柱体一体切削而成，定位环高度为8mm，厚度与内外管之间间隙的距离相等，受力环厚
度为2mm，受力环外缘直径等于外管的外径，内缘直径等于内管的内径，切口宽度为20mm-
30mm，高度等于定位环的高度。

[0055] 四、桩底端环

[0056] 桩底端环同样包括定位环和受力环但不设切口，与内外管之间均不闭死，组装后通过704硅橡胶粘结，由于硅橡胶的弹性模量很小，因此可将内外管的应变区分开，内管的
轴力变化仅由桩内土体产生的内侧摩阻力提供，而外管的轴力变化仅由桩外侧土体产生的
外侧摩阻力提供，从而可以分别得到桩内、外侧摩阻力沿桩身的分布。桩底端环与桩顶端环
一样，材料为5020型铝合金，定位环高为8mm，厚度等于内外管之间间隙的距离，受力环厚度
为2mm，内外缘的直径与桩顶环形部分相同。

[0057] 五、应变片

[0058] 应变片采用BX120-3AA或BX120-4AA免焊式应变片，引线长度以50mm-100mm为宜。应变片与桩壁之间用502或495胶水粘结。排式导线可以采用较细的灰排线或排式彩色杜邦
线，单根导线外皮直径的二倍应小于内、外管之间的间隙。每排排式导线的导线根数由每侧
应变片的数量决定，若一侧的应变片数量为N，则排式导线的根数即为2N，排式导线的一端
以每两根为一组，根据应变片之间的间距按照阶梯式截取，每组导线都与应变片的两根引
线相连，最长的一组连接最下方的应变片，即每侧的第N个应变片，最短的一组连接每侧的
第一个应变片。排式导线另一端的阶梯方向与此同向，目的是确保每一根导线的长度相同，
进而每根导线的电阻也相同，每组导线与数据采集仪的桥盒相连接。排式导线与内、外管之
间通过502或495胶水粘结，使导线紧密贴合在管壁上。每根模型桩有内、外两根管，排式导
线按照每根管两排导线对侧布置，故一根模型桩需要4排排式导线。排式导线的长度应大于
桩长和沉桩位置与数据采集仪之间的距离之和，并留有1m-2m的余量。

[0059] 注：模型桩各部分准备完毕后进行组装，内管外侧面上的应变片与焊点上都要覆盖厚度为1mm的704硅橡胶以达到防水目的，桩顶端环与内外管之间的间隙、桩底端环与内
外管之间的间隙均用704硅橡胶填充。外管外侧面要覆盖厚度为1mm-2mm的环氧树脂以确保
应变片与导线在模型桩贯入土体的过程中不被破坏。

[0060] 实施例2

[0061] 一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的试验系统，包括上述实施例1中室内模型桩、以及试验土槽、液压加载装置、数据采集仪、拉压力传感器、拉线传感器和孔压计；

[0062] 所述试验土槽盛有供室内模型桩贯入的土壤；

[0063] 所述液压加载装置用于向室内模型桩施加贯入土壤的作用力；

[0064] 所述数据采集仪分别通过排式导线与内管、外管外壁的应变片相连；

[0065] 所述拉压力传感器、拉线传感器设置于桩帽上，用于测量贯入压力；

[0066] 所述孔压计设置于室内模型桩贯入位置旁，用于检测桩周土体孔隙水压力。

[0067] 实施例3

[0068] 一种测量大直径钢管桩内外侧摩阻力分布的试验方法：

[0069] 模型桩组装完毕后制备地基土体至预定强度，将带有桩帽的模型桩打入至预定深度，安装拉压力传感器和拉线传感器，连接数据采集仪，并同时用孔压计检测桩周土体孔隙
水压力消散的情况。待孔隙水压力完全消散后进行承载力实验。利用液压加载装置以
0.01mm/s的速率推动模型桩，同时测记各传感器和应变片的数值，待桩顶位移达到桩外径
10％时停止加载。重复上述步骤直至所有试验组次完毕。

[0070] 本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本实用新型的限制。

[0071] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特
征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0072] 以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等
同替换均落入本实用新型的保护范围。

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一种大直径钢管桩室内模型及试验系统

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