一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置及其试验方法技术领域
本发明涉及土木工程试验技术领域，尤其涉及一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒
破碎试验模型装置及其试验方法。
背景技术
我国正在大力开展南海建设，积极实现“建设海洋强国”的战略目标，而钙质砂是
一种广泛分布于我国南海区域的天然地基土，它是由一种海洋生物成因、内部多孔隙、形状
不规则的特殊岩土介质，因此，对钙质砂的研究有助于加快南海建设的进程，具有非常重大
的战略意义。桩基础是工程建设中常用的地基处理方法，其具有承载力高，施工便捷、造价
低等一系列优点。然而由于钙质砂本身具有易发生颗粒破碎的特性，在南海钙质砂地区进
行桩基工程建设，特别是在预制桩打桩过程中，由于冲击荷载作用或者挤土效应使得桩周
土体发生颗粒破碎，土体的颗粒破碎将改变土体的级配、土体的密实度，从而进一步影响桩
基的承载力，因此，测定钙质砂地基中预制桩在打桩过程中桩周土体的颗粒破碎情况对研
究钙质砂地基的桩基承载力具有非常重要的意义，而现有的研究中对桩土界面的受力试验
研究较少，更没有专门的试验装置来研究桩土作用引起的颗粒破碎。因此，为填补这一空
白，开发一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置及试验方法成为一个刻不容
缓的工作。
发明内容
本发明的目的是解决钙质砂地基的桩基建设过程中无法测定预制桩在打桩过程
桩周土体颗粒破碎情况的问题，提供一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置
及试验方法。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟钙质砂地基打桩过程颗
粒破碎试验模型装置，包括固定在实验台上的反力架和冻融模型箱。
所述反力架顶部横梁的下表面设置有沉桩加载装置。所述沉桩加载装置下端可与
模型桩相连，带动模型桩沿纵向运动。所述模型桩中设置有温度传感器。
所述冻融模型箱布置在反力架测试中心区。所述冻融模型箱包括冷冻室和土样
室。
所述土样室为上端敞口的矩形箱体。所述土样室由金属导热材料制成。所述土样
室底部和内壁上均设有温度传感器。所述冷冻室为带有顶盖的矩形箱体。所述冷冻室由隔
热材料制成。
所述土样室布置在冷冻室的内腔中。所述土样室底部与冷冻室底部固定连接。所
述冷冻室和土样室之间形成空间S。所述空间S中注有冷冻液。所述冷冻室通过金属冷却管
与制冷循环仪连通。试验时，冷冻液在空间S和制冷循环仪之间循环流动。
一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置，其特征在于，包括固定在
实验台上的反力架和冻融模型箱。
所述反力架顶部横梁的下表面设置有沉桩加载装置。所述沉桩加载装置下端可与
模型桩相连，带动模型桩沿纵向运动。所述模型桩中设置有温度传感器。
所述冻融模型箱布置在反力架测试中心区。所述冻融模型箱包括冷冻室和土样
室。
所述土样室为上端敞口且内中空的桶体。所述土样室由金属导热材料制成。所述
土样室底部和内壁上均设有温度传感器。所述冷冻室为带有顶盖的中空桶体。所述冷冻室
由隔热材料制成。
所述土样室布置在冷冻室的内腔中。所述土样室底部与冷冻室底部固定连接。所
述冷冻室和土样室之间形成空间S。所述空间S中注有冷冻液。所述冷冻室通过金属冷却管
与制冷循环仪连通。试验时，冷冻液在空间S和制冷循环仪之间循环流动。
进一步，所述沉桩加载装置包括电动加载装置、传动杆和模型桩安装台。其中，所
述传动杆设置在电动加载装置下方，模型桩安装台设置在传动杆下端。所述模型桩安装台
上具有水准泡。所述模型桩安装台下表面具有固定螺旋帽。试验时，模型桩插入固定螺旋帽
预留的模型桩孔中，并通过拧紧螺栓固定在模型桩安装台上。电动加载装置驱动传动杆沿
纵向运动，继而带动模型桩运动。
进一步，所述模型桩的桩径为10mm～30mm，长度为100～300mm；所述制冷循环仪的
温控范围为-20℃～80℃之间。
进一步，所述土样室的长度为a,宽度为b，高度为c，壁厚为d。其中，a＝400～
600mm，b＝400～600mm，c＝500～700mm，d＝5～10mm。所述冷冻室长度为900mm，宽度为
900mmmm，高度为800mm，壁厚为10mm。
进一步，所述土样室和冷冻室底部对应位置预留螺孔。所述土样室和冷冻室通过
螺栓固定连接。
本发明还公开一种关于上述模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置的
试验方法，包括以下步骤：
1)按照预定级配配制钙质砂并混合均匀。
2)采用砂雨法将钙质砂土样装入土样室内，并根据所需饱和度灌入适量的水形成
钙质砂土层。其中，钙质砂土样的填充高度为300～500mm。
3)调整模型桩垂直度，将模型桩固定在沉桩加载装置下端。
4)启动加载装置，按照要求将模型桩压入钙质砂土层设定深度。
5)盖上冷冻室的盖板，设定制冷循环仪温度为-10℃，启动制冷循环仪直至土样室
和模型桩内的温度传感器温度稳定到设定值。
6)关闭制冷循环仪，打开冷冻室的盖板，用取土器取出不同桩径和桩底范围的钙
质砂土样，测量土样的体积和质量，然后将土样放入烘箱在60℃下烘烤24小时。
7)土样烘干后，通过振动筛粉机进行颗分试验，可得到不同桩径处钙质砂的颗分
曲线。
进一步，所述取土器为方形取土器。所述方形取土器为上下端均敞口的中空长方
体。这个长方体长20～150mm，宽20～150mm，高100～600mm。所述中空长方体上下端敞口处
均具有锋利的金属切刀。
进一步，所述取土器为圆形取土器。所述圆形取土器为上下端均敞口的中空圆柱
体。这个中空圆柱体的内径为39.1～50.1mm，高度为80～100mm。所述中空圆柱体上下端敞
口处均具有锋利的金属切刀。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.本模型装置可以很好的模拟钙质砂地层桩基工程中预制桩的打桩过程，通过制
冷循环仪冻结土样从而获得完整钙质砂土样，以研究钙质砂地层经受桩基处理后的颗粒破
碎情况、级配演化以及密度变化，有效的解决了钙质砂地基打桩过程中桩周和桩地土体的
颗粒破碎试验研究问题；
B.本模型装置可以配合使用不同取土器，可以很好的获得不同桩径处的钙质砂
样，从而较好的研究钙质砂地层的颗粒破碎随桩径的变化情况；
C.本模型装置根据需要模拟不同密实度、不同饱和度钙质砂地基，不同直径、不同
桩型以及可以提供不同的沉桩加载速率，适用性广。
附图说明
图1为模型装置结构示意图；
图2为冻融模型箱工作示意图；
图3为冻融模型箱结构示意图；
图4为沉装加载装置结构示意图；
图5为方形取土器结构示意图；
图6为圆形取土器结构示意图。
图中：空间S、冷冻室1、顶盖101、土样室2、钙质砂土层3、取土器4、模型桩5、冷冻液
7、沉桩加载装置8、电动加载装置801、传动杆802、模型桩安装台803、水准泡8031、固定螺旋
帽8032、反力架9、制冷循环仪10、实验台11、金属冷却管12。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅
限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯
用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
本实施例提供一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置，包括固定在
实验台11上的反力架9和冻融模型箱。
参见图1，所述反力架9顶部横梁的下表面设置有沉桩加载装置8。所述沉桩加载装
置8下端可与模型桩5相连，带动模型桩5沿纵向运动。所述沉桩加载装置8可提供恒定的加
载速率和恒定压力，以模拟捶击沉桩和静压沉桩。所述模型桩5中设置有温度传感器。
所述冻融模型箱布置在反力架9测试中心区，即冻融模型箱放置在沉桩加载装置8
的下方，且冻融模型箱与沉桩加载装置8中心对准。所述冻融模型箱包括冷冻室1和土样室
2。
参见图2和图3，所述土样室2为上端敞口且内中空的矩形箱体。所述土样室2由金
属导热材料制成。所述土样室2底部和内壁上均设有温度传感器。所述冷冻室1为带有顶盖
101的中空矩形箱体。所述冷冻室1由隔热材料制成。
所述土样室2布置在冷冻室1的内腔中。所述土样室2和冷冻室1底部对应位置预留
螺孔。所述土样室2和冷冻室1通过螺栓固定连接。所述冷冻室1和土样室2之间形成空间S。
所述空间S中注有冷冻液7。所述冷冻室1通过金属冷却管12与制冷循环仪10连通。试验时，
冷冻液7在空间S和制冷循环仪10之间循环流动，以提供空间S内的冻结冷量。
实施例2：
本实施例提供一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置，包括固定在
实验台11上的反力架9和冻融模型箱。
所述反力架9顶部横梁的下表面设置有沉桩加载装置8。所述沉桩加载装置8下端
可与模型桩5相连，带动模型桩5沿纵向运动。所述沉桩加载装置8可提供恒定的加载速率和
恒定压力，以模拟捶击沉桩和静压沉桩。所述模型桩5中设置有温度传感器。
所述冻融模型箱布置在反力架9测试中心区，即冻融模型箱放置在沉桩加载装置8
的下方，且冻融模型箱与沉桩加载装置8中心对准。所述冻融模型箱包括冷冻室1和土样室
2。
所述土样室2为上端敞口且内中空的桶体。所述土样室2由金属导热材料制成。所
述土样室2底部和内壁上均设有温度传感器。所述冷冻室1为带有顶盖101的中空桶体。所述
冷冻室1由隔热材料制成。
所述土样室2布置在冷冻室1的内腔中。所述土样室2和冷冻室1底部对应位置预留
螺孔。所述土样室2和冷冻室1通过螺栓固定连接。所述冷冻室1和土样室2之间形成空间S。
所述空间S中注有冷冻液7。所述冷冻室1通过金属冷却管12与制冷循环仪10连通。试验时，
冷冻液7在空间S和制冷循环仪10之间循环流动，以提供空间S内的冻结冷量。
实施例3：
本实施例提供一种模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型装置，包括固定在
实验台11上的反力架9和冻融模型箱。
参见图1，所述反力架9顶部横梁的下表面设置有沉桩加载装置8。
参见图4，所述沉桩加载装置8包括电动加载装置801、传动杆802和模型桩安装台
803。其中，所述传动杆802设置在电动加载装置801下方，模型桩安装台803设置在传动杆
802下端。所述电动加载装置为应力—应变控制式，可提供恒定的加载速率和恒定压力，以
模拟捶击沉桩和静压沉桩。所述模型桩安装台803下表面具有固定螺旋帽8032。模型桩5插
入固定螺旋帽8032预留的模型桩孔中，并通过拧紧螺栓固定在模型桩安装台803上。所述模
型桩安装台803上还具有水准泡8031，以保证模型桩沉桩的垂直度。所述模型桩5的桩径为
10mm，长度为100mm。所述模型桩5中设置有温度传感器。试验时，电动加载装置801驱动传动
杆802沿纵向运动，继而带动模型桩5沿纵向运动。
所述冻融模型箱布置在反力架9测试中心区，即冻融模型箱放置在沉桩加载装置8
的下方，且冻融模型箱与沉桩加载装置8中心对准。所述冻融模型箱包括冷冻室1和土样室
2。
参见图2和图3，所述土样室2为上端敞口的矩形箱体。所述土样室2由金属导热材
料制成。所述土样室2底部和内壁上均设有温度传感器。所述冷冻室1为带有顶盖101的矩形
箱体。所述冷冻室1由隔热材料制成。
所述土样室2布置在冷冻室1的内腔中。所述土样室2底部与冷冻室1底部固定连
接。所述冷冻室1和土样室2之间形成空间S。所述空间S中注有冷冻液7。所述冷冻室1通过金
属冷却管12与制冷循环仪10连通。试验时，冷冻液7在空间S和制冷循环仪10之间循环流动，
以提供空间S内的冻结冷量。
值得说明的是，本实施例中，土样室2的长度为500mm,宽度为400mm，高度为600mm，
壁厚为10mm。冷冻室1长度为900mm，宽度为900mmmm，高度为800mm，壁厚为10mm。制冷循环仪
10的温控范围为-20℃～80℃之间。
实施例4：
本实施例公开一种关于实施例1或2所述模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验
模型装置的试验方法，包括以下步骤：
1)按照预定级配配制钙质砂并混合均匀。
2)采用砂雨法将钙质砂土样装入土样室2内，并根据所需饱和度灌入适量的水形
成钙质砂土层3。其中，钙质砂土样3的填充高度为300～500mm。
3)调整模型桩5的垂直度，将模型桩5固定在沉桩加载装置8的下端。
4)启动加载装置，按照要求将模型桩5压入钙质砂土层3设定深度。
5)盖上冷冻室1的盖板101，设定制冷循环仪温度为-10℃，启动制冷循环仪直至土
样室2和模型桩5内的温度传感器温度稳定到设定值。
6)关闭制冷循环仪，打开冷冻室1的盖板，用取土器4取出不同桩径和桩底范围的
钙质砂土样，测量土样的体积和质量，然后将土样放入烘箱在60℃下烘烤24小时。其中，所
述取土器4为方形取土器。参见图6，所述方形取土器为上下端均敞口的中空长方体。这个长
方体长100mm，宽70mm，高200mm。所述中空长方体上下端敞口处均具有锋利的金属切刀。
7)土样烘干后，通过振动筛粉机进行颗分试验，可得到不同桩径处钙质砂的颗分
曲线。
实施例5：
本实施例公开一种关于实施例1或2所述模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验
模型装置的试验方法，包括以下步骤：
1)按照预定级配配制钙质砂并混合均匀。
2)采用砂雨法将钙质砂土样装入土样室2内，并根据所需饱和度灌入适量的水形
成钙质砂土层3。其中，钙质砂土样3的填充高度为300～500mm。
3)调整模型桩5的垂直度，将模型桩5固定在沉桩加载装置8的下端。
4)启动加载装置，按照要求将模型桩5压入钙质砂土层3设定深度。
5)盖上冷冻室1的盖板101，设定制冷循环仪温度为-10℃，启动制冷循环仪直至土
样室2和模型桩5内的温度传感器温度稳定到设定值。
6)关闭制冷循环仪，打开冷冻室1的盖板，用取土器4取出不同桩径和桩底范围的
钙质砂土样，测量土样的体积和质量，然后将土样放入烘箱在60℃下烘烤24小时。其中，所
述取土器为圆形取土器。参见图5，所述圆形取土器为上下端均敞口的中空圆柱体。这个中
空圆柱体的内径为39.1mm，高度为80mm。所述中空圆柱体上下端敞口处均具有锋利的金属
切刀。
7)土样烘干后，通过振动筛粉机进行颗分试验，可得到不同桩径处钙质砂的颗分
曲线。
实施例6：
本实施例公开一种关于实施例3所述模拟钙质砂地基打桩过程颗粒破碎试验模型
装置的试验方法，包括以下步骤：
1)按照预定级配配制钙质砂并混合均匀。
2)采用砂雨法将钙质砂土样装入土样室2内，并根据所需饱和度灌入适量的水形
成钙质砂土层3。其中，钙质砂土样3的填充高度为300～500mm。
3)将模型桩5插入沉桩加载装置8下端螺旋帽6的预留孔中，调整模型桩5垂直度后
通过螺栓将模型桩5固定。
4)启动加载装置，按照要求将模型桩5压入钙质砂土层3设定深度。
5)盖上冷冻室1的盖板101，设定制冷循环仪温度为-10℃，启动制冷循环仪直至土
样室2和模型桩5内的温度传感器温度稳定到设定值。
6)关闭制冷循环仪，打开冷冻室1的盖板，用取土器4取出不同桩径和桩底范围的
钙质砂土样，测量土样的体积和质量，然后将土样放入烘箱在60℃下烘烤24小时。
7)土样烘干后，通过振动筛粉机进行颗分试验，可得到不同桩径处钙质砂的颗分
曲线。