桩基静载实验反力装置研制

郑州大学水利与环境学院 文鹏宇 崔 璨 许 琨

桩基静载实验反力装置研制

郑州大学水利与环境学院 文鹏宇 崔 璨 许 琨

在静载实验中，荷载一般由反力装置提供，反力装置的易用程度直接影响着实验的过程和结果。因此，根据实际工程需要选用合适的反力装置显得尤为重要。对于小吨位（2000kN以内）实验的小桩或复合地基，现在常用锚杆反力梁装置，地锚根据螺旋钻受力方向的不同可分为斜拉式和竖直式，斜拉式中的螺旋钻受土的竖向阻力和水平阻力，竖直式中的螺旋钻只受土的竖向阻力。两种装置如图1所示。

图1 斜拉式和竖直式中的螺旋钻结构

在静载实验中，现有斜拉式反力梁装置自身有许多不足。本装置就是根据斜拉梁反力装置在工程实例中出现的问题，加以改进研制出来的。在原来的基础上增加了横杆和压梁，横杆用于支撑，提供水平支撑力，而压梁不仅能够作为传力装置，而且能作为堆重平台。由于增加了水平撑杆，各杆件的受力情况跟原来的不再相同，尺寸也肯定有所变化，根据理论力学和材料力学的相关知识以及实际工程中所要提供的相应载荷，现将各杆件的尺寸分析如下。

在工程中，我们需要检测的桩基的承载力一般小于2 000kN，因此我们取装置在竖直方向承受2 000kN的力，如图2所示，现根据用料最省的原则设计各杆件尺寸如下：

图2 桩基杆件设计

竖直杆件1为主要受力杆件，受到竖向2 000kN的压力作用。根据材料力学设：截面积为A ，长度为h，极限抗压强度为σs，安全系数为n（本设计中安全系数都取n = 2），体积为V 。根据材料力学可得计算式：

由（1），（2）得：

斜杆2因本装置是对称结构，共计水平杆4根，斜杆4根，成90°均布在竖直杆四周，因此，斜杆受到竖直方向500kN的力，受力分析如图3所示：

图3 桩基杆件受力分析

由理论力学受力平衡可得：

由以上各式得：F3=500kN/sina，F4=500kN/tana。

设斜杆2的截面面积为A2，体积为V2；水平杆3的面积为A3，体积为V3，长度l=3m，根据材料力学可得关于斜杆2的计算公式如下：

由以上各式可得：V2≥500n（h2+l2）/hσs。

根据材料力学可得关于水平杆3的计算公式如下：

可得：V3≥500nl2/hσs。

因为水平杆3，斜杆2分别有4根，根据用料最省、总体积V最小的要求可得：

式中，n=2，σs=235MPa，l =3m；代入数据可得：

对于该式，当且仅当h=3m时V最小，此时V的值约为0.205m3，于是可得V1=0.051m3，A1=0.017m2，V2=0.025 5 m3，A2=0.006 01m2，V3=0.013m3，A3=0.004 26m3。

根据材料力学，空心杆件比实心杆件能承受更大的拉压力作用，因此，装置中的各杆件均采用空心杆件，通过查阅《机械设计手册》内外径之比d/D=0.8。

由Ai=0.25π（Di2+di2），i＝1，2，3。

有以上数据及关系式可得：

d1=19.7cm，D1=26.4cm；d2=11.7cm，D2=14.6cm；d3=9.8cm，D3=12.3cm。

根据上述计算，画出装置立体效果图（图4）。

图4 桩基杆件立体效果

在该效果图中，除了增加了4个水平撑杆外，我们还增加了横梁，通过横梁把反力从地锚传给斜拉杆。在工程实际中，这个传力装置有很重要的作用。当地基土很硬，地锚不容易打进去，或地基土比较软，不足以提供反作用力时，就可以在横梁上堆重，比如堆预制混凝土，十分方便。