一种采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置技术领域
本实用新型属于建筑领域的试验方法，特别涉及一种采动区地表沉陷试验方法。
背景技术
由于建筑下采煤的迅速发展，导致采动区地表土体沉陷，地基承载力产生不同程
度的变化，对于采动影响范围内的建筑物造成了巨大的损害，如采动区铁路、桥梁等基础都
会受到不同程度的影响。地下煤层开采后，土体内部原有的力学平衡状态被改变，上覆岩层
将产生不同程度的变形和破坏；当地下煤层开采面积达到一定范围之后，岩层移动和变形
将扩展到地表，使得地表土体产生水平和竖向移动变形。地表土体沉陷对于开采影响范围
内的建筑物桩基产生附加内力和变形，建筑物桩基和桩周土产生向下的位移，可能会产生
桩侧负摩阻力，造成桩基承载性能降低，建筑物随桩基产生不均匀沉降，乃至开裂，危及人
身财产安全。
模型试验作为桩基承载特性分析的常用的研究手段，对于采动区桩基承载特性的
研究具有非常重要的工程意义。然而，在本实用新型之前，对采动区地表沉陷过程中桩基承
载特性的研究方法一般都是通过千斤顶升降的方式来模拟采动区地表沉陷规律，这种方法
无法精确地模拟采动区地表沉陷过程中桩基的沉降特性，不具有连续性，而且通过杠杆或
者液压千斤顶对桩顶的加载方式有着一定的局限性，不能一直保证桩基在移动过程中垂直
受荷。
申请人曾经申请了一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置及试验方法，申请
号2016100679543，该申请主要是通过漏砂法模拟因煤矿开采引起采动塌陷，从而模拟采动
区地表土体沉陷过程，但是它只能定性反映采动引起的地表土体移动对桩基的影响，无法
定量精确地模拟多种采动区地表土体移动变形规律；而且，该装置只能模拟地表负曲率沉
降，无法进行正曲率沉降规律的模拟；另外，由于透明土只能模拟砂土，该装置也无法进行
多种地质条件下的桩基沉降特性模型试验。
因此，在本实用新型以前并没有可以很精确地模拟采动区地表沉陷过程中桩基的
沉降特性的模型试验装置及其试验方法。
实用新型内容
为了克服现有地表沉陷模拟试验无法精确模拟采动区地表沉陷过程中桩基的沉
降特性，本实用新型提出一种采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置，该装置能实现不
同情况下的多种地表沉降规律的模拟，包括地表正负曲率沉陷规律模拟，正曲率到负曲率
过程中的模拟；而且可以随时停止沉陷，以便观察试验现象。
本实用新型采用以下技术方案实现：
一种采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置，该试验装置包括一个带支撑腿的
模型槽，模型槽的周面至少前面是透明的，模型槽的槽底作为承压板，在槽底上设有若干规
则排列的漏砂孔，槽底下面放置有挡孔板用于挡住漏砂孔，挡孔板用若干支撑柱进行支撑；
模型槽中从底向上依次铺有砂土层和黏土层，砂土层和黏土层之间用聚乙烯薄膜隔开；黏
土层中预埋有周面为粗糙面的模型桩，模型桩的底部和周围预埋有土压力盒，模型桩的桩
体上设有应变片，模型桩的顶部设有加载装置，土压力盒和应变片连接在模型槽以外的数
据采集仪上；在模型桩和黏土层的顶部分别设有百分表，用于分别测量模型桩和黏土层的
位移量；
为了方便操作，上述的挡孔板设置有多块，多块组合在一起放置在槽底，挡孔板的
布置量根据预试验的地表沉降曲线而定，保证漏砂时使砂土层和黏土层之间的聚乙烯薄膜
符合曲线的形状。挡孔板的材料应保证既有硬度又可以卷曲，比如家用的凉席材料。
为了便于拆卸，上述的模型槽是分体式，即在一个无底槽体底部设有承压板，承压
板上设有规则排列的漏砂孔。
上述模型槽的无底槽体优选由钢化玻璃材料制成。
上述的加载装置优选是在模型桩顶部设有横担，通过插梢把横担和模型桩连接在
一起，横担上设有托盘，砝码放置在托盘里。
上述的粗糙面模型桩可在PVC管周面粘结上砂粒制成。
上述的模型槽内壁面为滑动面，滑动面是在模型槽内壁面涂抹润滑油形成。
上述采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置的试验方法如下:
第一步，在模型槽正面上描绘预试验的地表沉降曲线；
第二步，制作模型桩，要求桩体直径为模型槽宽度的十分之一；桩顶高度超过模型
槽高度，模型桩周面为粗糙面；
第三步，在模型桩的桩体上粘贴应变片，对模型槽内壁面涂抹润滑油使之成为滑
动面；
第四步，根据地表沉降曲线确定挡孔板数量，将地表沉降曲线按照谷峰和谷底进
行划段，要求相邻的谷峰和谷底对应一块挡孔板，然后在装置底座上排列布置挡孔板，支撑
柱对挡孔板进行支撑，使之紧贴承压板，多块挡孔板组合在一起形成一个整体；当模型槽是
分体式时，首先将承压板放置支撑柱上，再将无底槽体放置在承压板上，使承压板成为模型
槽的槽底，随后放置挡孔板和支撑柱；
第五步，向模型槽依次铺设砂土层和黏土层，砂土层和黏土层之间用聚乙烯薄膜
隔开；要求砂土层铺设高度大于描绘预试验的地表沉降曲线高度；在铺设黏土层时预埋上
模型桩，模型桩的底部和周围预埋上土压力盒；
第六步，填埋土之后，静置3-5天使土体固结；
第七步，土层固结稳定之后，在模型桩的顶部安装加载装置；将土压力盒和应变片
连接在模型槽以外的数据采集仪上；在模型桩顶部和黏土层表面安装百分表，用于测量模
型桩和黏土层的位移量；
第八步，对模型桩进行分级加载，每级加载4-6kg，共分四次加载，中间间隔半个小
时；加载过程中数据采集仪记录桩身应变和桩周土压力，百分表显示模型桩及黏土表层的
位移量；
第九步，加载完成之后，待桩土相对稳定(即数据采集仪上桩身应变和桩周土压力
波动较小，百分表读数不变)后，进行地表采动模拟，按照沉降曲线图进行漏砂沉降：首先撤
离第一段沉降曲线对应的挡孔板下面的支撑柱，抽出挡孔板露出漏砂孔进行漏砂，在漏砂
过程中，注意不同点的漏砂速度，使砂土层和黏土层之间的聚乙烯薄膜达到描绘预试验的
地表沉降曲线位置；沉降过程中数据采集仪记录桩身应变和桩周土压力，百分表显示模型
桩及黏土层的位移量；
第十步，按照第九步进行步骤继续进行地表沉降模拟下一道沉降曲线图，直至所
有每曲线模拟完成；每次沉降间隔为一小时；
第十一步，使用origin软件对采集到的数据进行处理。
进一步，在第二步制作粗糙面的模型桩时，可在PVC管周面粘结上砂粒制成。
进一步，在第八步对模型桩进行分级加载中，使用砝码加载。
进一步，在第五步向模型槽内铺设砂土层时，采用常规的“砂雨法”进行平铺。
进一步，在第五步向模型槽内铺设黏土层时，采用干密度法控制土体均质性。
本实用新型的优点是：
本实用新型提出的采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置及试验方法可以比
较精确地模拟多种采动区地表土体移动变形规律，可以模拟多种地质条件下的采动区地表
变形过程，以及不同曲率变化过程，包括地表正、负曲率变化的模拟，正曲率到负曲率变化
的模拟；可以观测采动地表沉陷过程中土体的移动变形情况，可以监测模型桩和桩周土体
的位移变化情况；该模型装置的加载方式采用砝码加载，可以保证土体沉陷过程中对模型
桩的竖向恒压加载；装置尺寸小，试验准备时间短，提高了科研效率。而以上优点中，普通的
单桩静载荷模型试验难以进行采动地表移动变形规律的模拟，采动模拟试装置的土层中无
法埋设模型桩。
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。
附图说明
图1为本实用新型试验装置示意图；
图2为模型桩结构示意图；
图3为加载装置示意图；
图4为“砂雨法”填砂示意图。
图中，1-模型槽，2-支撑柱，3-承压板，4-砂土层，5-聚乙烯薄膜，6-加载装置，7-土
压力盒，8-应变片，9-百分表，10-模型桩，11-挡孔板，12-漏砂孔，13-漏斗，14-地表沉降曲
线，15-导线，16-砂粒，17-黏土层，18-无底槽体，19-砝码，20-PVC管，21-插梢，22-支撑腿。
具体实施方式
如图1所示，一种采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置，该试验装置包括一个
模型槽1，模型槽1的周面至少前面是透明的，模型槽1的槽底上设有若干规则排列的漏砂孔
12，漏砂孔12下面放置若干挡孔板11用于挡住漏砂孔12，每块挡孔板11用若干支撑柱2进行
支撑；模型槽1中从底向上依次铺有砂土层4和黏土层17，砂土层4和黏土层17之间用聚乙烯
薄膜5隔开；黏土层17中预埋有模型桩10，模型桩10的底部和周围预埋有土压力盒7，模型桩
10的桩体上设有应变片8，模型桩10的顶部设有加载装置6，土压力盒7和应变片8通过导线
15连接在模型槽1以外的数据采集仪上；在模型桩10和黏土层17的顶部分别设有百分表9，
用于分别测量模型桩10和黏土层17的位移量；
上述的模型槽1是分体式，即在一个无底槽体18底部设有承压板3，承压板3上设有
规则排列的漏砂孔12。
上述的模型槽的无底槽体18由钢化玻璃材料制成。
上述的加载装置6如图3所示，是在模型桩10顶部设有横担，横担上设有砝码19，加
载装置6和模型桩10通过插捎21连接在一起。
上述的模型桩10周面为粗糙面；模型桩10如图2所示，可在PVC管20表面粘贴应变
片8，然后在其周面粘结上砂粒16制成。
上述的模型槽1内壁面为滑动面，滑动面是在模型槽1内壁面涂有润滑油形成。
上述的挡孔板11为可卷曲材料，挡孔板11的布置量根据预试验的地表沉降曲线而
定，保证漏砂时使砂土层和黏土层之间的聚乙烯薄膜层符合曲线的形状。
上述采动区地表沉陷单桩静载荷模型试验装置的试验方法如下:
第一步，在模型槽1正面上描绘预试验的地表沉降曲线14；
第二步，制作模型桩10；要求桩体直径为模型槽1宽度的十分之一，桩顶高度应当
超过模型槽1高度，桩体表面为粗糙面；
第三步，在模型桩10的桩体上粘贴应变片8；对模型槽1内壁面涂抹润滑油使之为
滑动面；
第四步，根据地表沉降曲线14确定挡孔板11数量，将地表沉降曲线14按照谷峰和
谷底进行划段，要求相邻的谷峰和谷底对应一块挡孔板11，然后在模型槽1底座上排列挡孔
板11，通过支撑柱2对挡孔板11进行支撑，使之紧贴承压板3，多块挡孔板11组合在一起形成
一个整体；
要求模型槽1底部的每排漏砂孔12都要有挡孔板11挡住，每块挡孔板11都要有两
排支撑柱2支撑；
当模型槽1是分体式时，首先将承压板3放置在底座预先设置的支撑腿22上，再将
无底槽18体放置在承压板3上，使承压板3成为模型槽1的槽底，然后在承压板3下方放置挡
孔板11和支撑柱2；
第五步，向模型槽1中依次铺设砂土层4和黏土层17，砂土层4和黏土层17之间用聚
乙烯薄膜5隔开；要求砂土层4铺设高度大于描绘预试验的地表沉降曲线14高度；在铺设黏
土层17时预埋上模型桩10，模型桩10的底部和周围预埋上土压力盒7；
第六步，填埋土之后，静置3-5天使土体固结；
第七步，黏土层17固结稳定之后，在模型桩10的顶部安装加载装置6；将土压力盒7
和应变片8用导线15连接在模型槽1以外的数据采集仪上；在模型桩10顶部和黏土层17表面
安装百分表9，用于测量模型桩10和黏土层17的位移量；
第八步，对模型桩10进行分级加载，每级加载4-6kg，共分四次加载，中间间隔半个
小时；加载过程中数据采集仪记录加载数据和模型桩10及黏土层17的位移量：
第九步，加载完成之后，待桩土相对稳定后，进行地表采动模拟，按照地表沉降曲
线14进行漏砂沉降：首先撤离第一段地表沉降曲线对应的挡孔板下面的支撑柱2，抽出该段
曲线对应的挡孔板11，露出漏砂孔12进行漏砂，在漏砂过程中，注意不同点的漏砂速度，使
砂土层4和黏土层5之间用聚乙烯薄膜5达到描绘预试验的地表沉降曲线位置。在实际操作
过程中，曲线的谷峰漏沙时间短，谷底漏沙时间长，所以，为了便于操作，当漏到谷峰位置
时，将挡孔板3卷曲伸入挡在谷峰对应的漏沙孔上，然后从谷峰到谷底逐步展开阻隔砂土继
续漏出，第一段地表沉降曲线模拟完成；沉降过程中数据采集仪记录桩身应变和桩周土压
力，百分表9显示模型桩10和黏土层17的位移量；
第十步，按照第九步继续进行地表沉降模拟下一段沉降曲线图，直至所有地表沉
降曲线14模拟完成；每次沉降间隔为一小时；
第十一步，把采集的数据使用origin软件进行处理。
进一步，在第二步制作粗糙面的模型桩10时，可在PVC管20周面粘结上砂砾16制
成。
进一步，在第八步对模型桩10进行分级加载中，使用砝码19加载。
进一步，在第五步向模型槽1铺设砂土层4时，采用常规的“砂雨法”，如图4所示，用
漏斗13进行平铺。
进一步，在第五步向模型槽1铺设黏土层17时采用干密度法填埋黏土。