下压静载作用下的桩基础承载特性模型试验装置技术领域
本发明涉及一种桩基础模型试验装置，特别涉及一种下压静载作用下的桩基础承
载特性模型试验装置。
背景技术
桩基础和常规钻孔灌注桩相比，具有承载力较高、施工场地小、施工速度快、对土
层适应性强、布置形式灵活等优点，在输电杆塔、基坑支护、旧房改造、防洪堤坝加固、建筑
物加固等工程领域中得到了广泛的应用。
对于桩基础抗压承载特性方面的研究，主要有现场试验和室内模型试验的方式。
虽然现场试验能够较好地反映工程实际情况，但由于受场地空间有限、工期紧张、仪器设备
埋设困难、费用较为昂贵等因素的限制而无法得到广泛的应用。而室内模型试验可以针对
工程主要问题的主要方面开展有针对性的、可重复性的研究来弥补现场试验的不足，从而
成为研究和指导设计、解决实际工程问题的有效方法之一。鉴于上述原因，进行室内模型试
验显得尤为重要。
桩抗压承载特性室内模型试验的关键技术在于如何对模型桩进行简单快捷且有
效的加载，而传统的桩基模型试验装置，竖向下压荷载通常通过堆载或千斤顶和反力梁配
合施加，千斤顶油压不稳定，无法长时间维持荷载，量程对于桩基础模型试验荷载来说太
大，无法准确进行加载，而且未设置桩顶竖向位移的测量装置，使得试验结果不能够准确地
反映实际情况。因此设计一种制作简单、加载简捷、模型桩受荷稳定、能够有效和精确地测
得桩顶竖向位移随竖向下压荷载的变化从而得到桩抗压承载特性的模型试验装置是一项
非常有意义的工作。
发明内容
为了解决目前桩基础模型试验装置存在的技术缺陷，本发明提供一种适用范围
广、加载方式简捷、准确度较高的下压静载作用下的桩基础承载特性模型试验装置。
本发明采用的技术方案是：下压静载作用下的桩基础承载特性模型试验装置，其
组成包括模型箱、桩基础模型、竖向下压加载系统和测量装置；
为了便于观察试验状态，确保模型箱的强度，模型箱是上方开口的加肋钢制箱体，其外
设有槽钢加强箍，内部安放有桩基础模型。所述模型箱由加肋钢板制成，模型箱外设置有上
下两层槽钢加强箍，模型箱内上部开口处横向设置有一条槽钢加强箍，纵向平行设置有两
条槽钢加强箍。
所述竖向下压加载系统的组成包括加载杠杆组件、竖向导轨和砝码；桩基础模型
与加载杠杆组件连接，并设置在模型箱内；所述加载杠杆组件包括加载杠杆、加载杆、固定
铰支座、钢丝线和砝码盘，为了维持竖向下压加载方向的稳定性，同时使整套下压加载系统
可拆卸，加载杆顶端与加载杠杆通过螺栓铰接的连接方式相连接，加载杠杆的支点一端通
过螺栓铰接的连接方式与固定铰支座相连接，固定铰支座固定焊接在模型箱外上层的槽钢
加强箍上，加载杠杆的另一端设置有预留孔，钢丝线一端穿过加载杠杆的预留孔与加载杠
杆相连接，钢丝线另一端与砝码盘连接，且钢丝线保持竖直方向；砝码施加于砝码盘上；所
述桩基础模型与加载杆底端相连接;
所述测量装置包括测量桩顶竖向沉降量的千分表和千分表支架。
所述模型箱内横向设置的槽钢加强箍中部竖直开设有竖向导轨，所述加载杆穿过
竖向导轨内部，且能够沿竖向导轨在竖直方向上下运动。
所述桩基础模型的顶部依次设置有桩头保护圈和垫板，桩头保护圈材质为橡胶，
垫板为方形木板；桩头保护圈用于保护桩基础模型的桩头，作为桩基础模型的下压荷载受
力点，垫板用于调整桩基础模型与加载杆之间的接触。
所述测量装置设置有四个千分表，且均沿桩基础模型的竖向受力方向对称固定于
方形垫板的四个角，表身保持竖直，测量头接触垫板，各千分表分别对应设置有千分表支
架，千分表支架分别位于模型箱内纵向平行设置有两条槽钢加强箍上。
所述垫板设置在加载杆的下面并通过螺栓将加载杆固定在垫板上。
所述加载杠杆为H型钢，刚度较大，不易变形，从而可以更有效地进行加载，提高试
验的准确度。
所述千分表选用数显电子式千分表，精确度高，读数直观，并具有记忆功能，从而
可以准确、有效地测得桩顶位移。
所述砝码可通过不同的组合形式，对模型桩施加不同的下压荷载，可控范围广，尤
其是在所需下压荷载较小时，能够较为精确和有效地进行加载，从而使得模型桩受荷稳定，
加载便捷。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的桩基础模型试验装置适用范围广、制作简单、加载简捷、准确度较高，模型
桩受荷稳定，突破了传统试验装置只能利用千斤顶和反力梁配合才能够实现竖向下压加载
的局限；
2.本发明利用杠杆原理，可以灵活调整动力点、主力点的位置，从而大大降低试验难
度；
3.本发明通过改变力臂可以起到节省加载力的作用；
4.本发明加载方式大为简化，只需在模型箱外部的砝码盘上放置不同的砝码就可以达
到施加不同荷载的目的，并且可控范围广，尤其是在所需下压荷载较小时，能够较为精确和
有效地进行加载，从而使得模型桩受荷稳定，加载便捷;
5.本发明能够有效地测得桩顶竖向位移随竖向下压荷载的变化，读数准确直观，从而
得到桩抗压承载特性。
附图说明
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的竖向导轨局部侧视图；
图中：1、模型箱；2、模型土；3、槽钢加强箍；4、加载杠杆；5、螺栓；6、桩基础模型；7、千分
表；8、加载杆；9、竖向导轨；10、预留孔；11、钢丝线；12、砝码盘；13、固定铰支座；14、桩头保
护圈；15、垫板；16、千分表支架。
具体实施方式
如图1~图3所示，一种下压静载作用下的桩基础承载特性模型试验装置，包括模型
箱1、桩基础模型6、竖向下压加载系统和测量装置；
为了便于观察试验状态，确保模型箱1的强度，模型箱1是上方开口的加肋钢制箱体，其
外设有槽钢加强箍3，内部安放有桩基础模型6。
所述模型箱1由加肋钢板制成，模型箱1外设置有上下两层槽钢加强箍3，模型箱1
内上部开口处横向设置有一条槽钢加强箍3，纵向平行设置有两条槽钢加强箍3。
所述竖向下压加载系统的组成包括加载杠杆组件、竖向导轨9和砝码；桩基础模型
6与加载杠杆组件连接，并设置在模型箱1内。所述加载杠杆组件包括加载杠杆4、加载杆8、
固定铰支座13、钢丝线11和砝码盘12，为了维持竖向下压加载方向的稳定性，同时使整套下
压加载系统可拆卸，加载杆8顶端与加载杠杆4通过螺栓5铰接的连接方式相连接，加载杠杆
4的支点一端通过螺栓5铰接的连接方式与固定铰支座13相连接，固定铰支座13固定焊接在
模型箱1外上层的槽钢加强箍3上，加载杠杆4的另一端设置有预留孔10，钢丝线11一端穿过
加载杠杆4的预留孔10与加载杠杆4相连接，钢丝线11另一端与砝码盘12连接，且钢丝线11
保持竖直方向；砝码施加于砝码盘12上；所述桩基础模型6与加载杆8底端相连接;
所述测量装置包括测量桩顶竖向沉降量的千分表7和千分表支架16。
所述模型箱1内开口处横向设置的槽钢加强箍3中部竖直开设有竖向导轨9，所述
加载杆8穿过竖向导轨9内部，加载杆8被竖向导轨9在水平方向约束，且能够沿竖向导轨9在
竖直方向上下运动。
所述桩基础模型6的顶部依次设置有桩头保护圈14和垫板15，桩头保护圈14材质
为橡胶，垫板15为方形木板；桩头保护圈14用于保护桩基础模型6的桩头，作为桩基础模型6
的下压荷载受力点，垫板15用于调整桩基础模型6与加载杆8之间的接触。
所述测量装置设置有四个千分表7，且千分表7均沿桩基础模型6的竖向受力方向
对称固定于方形垫板15的四个角，千分表7表身保持竖直，测量头接触垫板15，各千分表7分
别对应设置有千分表支架16，千分表支架16分别位于模型箱1内开口处纵向平行设置有两
条槽钢加强箍3上。
所述垫板15设置在加载杆8的下面并通过螺栓将加载杆8固定在垫板15上。
所述加载杠杆4为H型钢，刚度较大，不易变形，从而可以更有效地进行加载，提高
试验的准确度。
所述千分表7选用数显电子式千分表，精确度高，读数直观，并具有记忆功能，从而
可以准确、有效地测得桩顶位移。
所述砝码可通过不同的组合形式，对模型桩施加不同的下压荷载，可控范围广，尤
其是在所需下压荷载较小时，能够较为精确和有效地进行加载，从而使得模型桩受荷稳定，
加载便捷。
本装置的工作过程：在模型箱1中装填试验所用模型土2，模型土2中埋置桩基础模
型6，可以进行单桩、群桩基础下压承载特性的半模或全模试验，调整加载杠杆4的位置，使
加载杆8与桩基础模型6处于同一平面；调整加载杆8在加载杠杆4上的位置，使加载杆8的底
部对准桩基础模型6的上部中心，并固定；在桩基础模型6的桩顶依次安置桩头保护圈14和
垫板15；将四个千分表支架16固定于模型箱1内开口处纵向平行设置有两条槽钢加强箍3
上，千分表7共有四个，安装于千分表支架16上，千分表7均沿桩基础模型6竖向受力方向对
称固定于方形垫板15的四个角，千分表7的表身保持竖直，测量头接触垫板；根据《建筑桩基
检测技术规范》（JGJ 106-2014）选择加载方案和终止加载标准，并预估桩基础模型6的抗压
极限承载力，通过在砝码盘12上面添加砝码控制，即可对桩基础模型6实现施加竖向下压荷
载，并可及时记录加载情况（荷载大小）；通过测量装置可收集数据，记录桩基础模型6的桩
顶竖向位移大小并取4个数据的平均值，分析桩基础模型6的抗压承载特性。