1.管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述管桩中土塞承载特性研究试验装置包括模型管桩、固定装置、水头装置、加压装置和位移监测装置;
所述模型管桩用于模拟管桩的实际摩擦特性,其内部空间中装有土塞;所述模型管桩的内外壁皆标有刻度,用于确定所述土塞的底部高度及所述土塞内其他部件的位置;所述模型管桩的外部沿桩底向上设置有若干个应变片,所述应变片用于获取所述土塞加载过程中的所述模型管桩的轴力分布;
所述固定装置包括底座、底板、立柱和顶板,所述底座起支撑作用,所述立柱的上部、下部分别对应与所述顶板、底座连接;所述底板位于所述底座和顶板之间,并可固定在所述立柱的不同位置,所述模拟管桩置于所述底板上,在所述土塞加载过程中通过调整所述底板的位置来对所述模型管桩的位置进行固定或调节;
所述水头装置包括上水箱、下水箱、上活塞、下活塞、上防砂网、下防砂网及孔隙水压力计;所述上活塞、下活塞分别置于所述土塞的顶面、底面,用于控制排水边界;所述上水箱与上活塞通过导管连接从而将所述上水箱的水通过导管流入所述土塞中,所述下活塞与水龙头连接从而所述土塞中的水通过所述水龙头流出,所述下水箱置于水龙头的下方从而接住从所述水龙头流出的水,通过调节所述上水箱、下水箱水头的高差来控制所述土塞中的渗流力大小;所述上防砂网置于所述上活塞内、且与所述土塞的顶面接触而用于防止所述土塞堵塞所述导管,所述下防砂网置于所述下活塞内、且与所述土塞的底面接触用于防止所述土塞堵塞所述水龙头,所述孔隙水压力计置于所述土塞的内部,用于获取所述土塞内不同深度处的孔隙水压力值;
所述加压装置包括液压千斤顶、轴力计和钢套环;所述液压千斤顶置于所述模型管桩的中心下部,用于对所述土塞施加顶进力;所述轴力计置于所述液压千斤顶的上部,用于获取顶进力的大小;所述钢套环置于所述轴力计与所述下活塞之间,用于传递轴力;所述钢套环上设有供所述水龙头穿过的钢套环通孔;
所述位移监测装置包括上位移传感器、下位移传感器及钢块,所述上位移传感器通过刚绳与所述钢块连接,将所述钢块置于所述上活塞顶部,用于获取所述土塞的顶部位移,所述下位移传感器与所述下活塞连接,用于获取所述土塞的底部位移。
2.根据权利要求1所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述顶板的中心设有顶板圆柱槽,所述顶板圆柱槽包括顶板上圆柱槽和顶板下圆柱槽,所述顶板上圆柱槽的直径比所述模型管桩的外径小,所述顶板下圆柱槽的直径比所述模型管桩的内径大,以使得所述模型管桩顶住所述顶板圆柱槽。
3.根据权利要求1所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述底板的中心设有底板圆柱槽,所述底板圆柱槽包括底板上圆柱槽和底板下圆柱槽,所述底板上圆柱槽的直径比所述模型管桩的外径大,所述底板下圆柱槽的直径比所述模型管桩的内径小,以方便固定所述模型管桩。
4.根据权利要求3所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述轴力计的直径与所述钢套环的直径相等,所述钢套环的直径小于所述底板中下圆柱槽的直径。
5.根据权利要求1所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述立柱上开设有若干个立柱通孔,所述底板的两侧开设有底板通孔,钢轴可穿过所述立柱通孔与底板通孔将所述底板与立柱进行固定,且通过所述立柱通孔实现对所述模拟管桩高度的调整。
6.根据权利要求1所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述上活塞、下活塞均为弹性件,其直径均大于所述模型管桩的内径,所述上活塞、下活塞均与所述模型管桩的内壁紧密接触;且所述上活塞、下活塞的侧壁均对称设置有橡胶环。
7.根据权利要求1所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置,其特征在于:所述上活塞、下活塞上均设有开孔,以供所述导管、孔隙水压力计的导线、水龙头通过,所述上活塞与所述导管紧密接触、所述下活塞与所述水龙头紧密接触,使得间隙无水流通过。
8.一种通过权利要求1-7任一项所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置实现的管桩中土塞承载特性研究方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤101:试验装置参数的标定:试验前,对所述模型管桩内壁的摩擦系数、内径和外径进行标定,对所述上防砂网、下防砂网的水头损失量进行标定;
步骤102:土样参数标定:对拟取土样的基本力学参数进行标定,获取其内摩擦、最大及最小粒径;标定结束后取部分土样用有机染料进行染色;
步骤103:试验各部分安装:安装所述管桩中土塞承载特性研究试验装置;
步骤104:试验前准备:将所述钢块置于所述上活塞的顶部,将所述钢块与所述上位移传感器连接;将所述下位移传感器与所述下活塞连接;在所述模型管桩的外壁对称安装应变片;打开所述上水箱、下水箱,使所述土塞完全浸润;
步骤105:加载试验:调整所述上水箱中水位高度,保持加载过程中水头不变;用所述液压千斤顶匀速向上顶进所述土塞到所述模拟管桩一倍内径的顶进位移,分别记录顶进过程中所述轴力计、上位移传感器、下位移传感器、应变片、孔隙水压力计的读数和所述土塞的形态;改变初始土塞高度、初始土塞相对密实度、顶进位移和水头高度,并记录上述不同工况下的所述轴力计、上位移传感器、下位移传感器、应变片、孔隙水压力计的读数;
步骤106:细观试验:顶进试验结束后,取出所述土塞,取部分与所述模型管桩内壁接触的土样进行电镜扫描试验;根据步骤105中的所述土塞的形态,取“土拱区”土塞进行筛分试验;
步骤107:结果分析:针对步骤105和106中的试验结果进行分析,得到不同初始土塞高度、初始土塞相对密实度、顶进位移和水头高度的工况下,顶进力与土塞压缩量的关系、所述模型管桩的轴力沿桩身分布的关系、孔隙水随时间变化的关系以及加载完成后土样的细观试验结果。
9.根据权利要求8所述的通过权利要求1-7任一项所述的管桩中土塞承载特性研究试验装置实现的管桩中土塞承载特性研究方法,其特征在于:所述步骤103包括以下步骤:步骤201:将所述底板置于最低位置,将所述加压装置置于所述底板圆柱槽的正下方,所述水龙头通过所述钢套环与所述下活塞连接,将所述下水箱置于所述水龙头的下方;
步骤202:将所述下防砂网置于所述下活塞内,将所述下活塞置于所述模型管桩的底部,确保所述下活塞与所述模型管桩的内壁紧密接触;
步骤203:将所述模型管桩置于所述底板圆柱槽中,并用垫环对所述模型管桩与所述底板圆柱槽的环向间隙进行填充,确保所述模型管桩不发生移动;
步骤204:将所述孔隙水压力计置于所述模型管桩内;
步骤205:往所述模型管桩中分层填装土样,且使得未染色土样和染色土样依次交替,每填装完一层后进行压实处理,到预设密实度,重复装填直到达到所述土塞的预定高度;
步骤206:将所述上防砂网置于所述上活塞内,将所述上活塞置于所述土塞的顶部,确保所述上活塞与所述土塞的顶面接触,用所述导管将所述上活塞与所述上水箱连接;
步骤207:移动所述底板直到所述模型管桩顶到所述顶板圆柱槽中,用所述钢轴通过所述立柱通孔以将所述底板固定。