技术领域：
本发明属于冻土力学的室内模型测试领域，具体涉及一种桩体冻拔力测试装置。
背景技术：
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冻拔主要发生在寒区的埋深浅、质量轻的柱状基础或结构中，如电线杆、光伏发电中太阳能板的浅细桩基础等，但是对于埋深大、质量重的桩基中，也会有冻拔力作为附加力破坏桩基的整体结构性，给工程带来潜在的风险。
在寒区构造物中，桩基础与土体直接接触，当气温达到负温时，桩周上部土体先达到冻结温度，开始冻结，体积膨胀，在负温梯度作用下，下部土体未冻水分会通过土体内孔隙向冻结锋面迁移积聚，在未冻水不断的迁移过程中，桩所受冻拔力持续增大，桩身出现上拔、倾斜甚至拔断等现象，导致桩基础失去稳定性，如青藏地区以及东北多年冻土区的线杆被拔起、高纬度高海拔地区的光伏发电的太阳能板的支架拔起，小型桥梁的桩基础及湖岸构造的承台基础上拔等现象都是由冻拔作用引起的。桩体或杆体冻拔是寒区电力、寒区道路和寒区能源等工程面临的主要冻害问题，在进行寒区桩基础设计中应充分了解冻拔力作用的机理及冻拔力的大小，而这些工作的前提是实现对工程及试验的桩体冻拔力的准确测定，因此在工程中及试验中准确测定冻拔力是实现冻拔防治的重要指标，是指导冻拔措施设计和计算的重要依据。
对桩体的冻拔力室内模型试验中，常用的方法有应变片法、反力梁法、拉拔法。
应变片法是在桩身粘贴应变片，通过桩体相邻的两个应变片对应的应力值得到桩身所受切向冻胀力，但该测试方法存在以下缺点：应变片受温度影响大，需考虑温度补偿作用；应变片只能测单点的应变，而不能进行全域性测量，导致转化为桩体整体所受的冻拔力时存在较大误差；此外，桩身粘贴应变片的测试方法受桩身形状限制，如螺旋桩与竹节桩等异形桩无法粘贴应变片。
反力梁法是在测试桩体顶部安置测力计，并在顶部放置横梁作为反力架，通过反力架上的测力计测试冻胀过程中桩体顶部的冻拔力。该测试方法存在以下缺点：若反力梁支架安装在模型箱内，试验中与土体接触也会产生冻拔作用，无法准确说明所测冻拔力即为桩体的冻拔力；若反力梁安装在模型箱外侧，会增加测试模型的竖向高度，占用较多空间；此外，如果桩体在冻拔力作用下产生倾斜，此时桩体顶部测试的冻拔力并不是实际中桩体所受的竖向冻拔力。
拉拔法是在负温度下，对冻土中的桩体采取拔出或压入的方法，测试桩体与冻土分离时所需要的力，该方法存在以下缺点：对冻土中的桩体进行拔出或压入，破坏的为冰土界面的胶结力，并不是严格意义上的冻拔力；冻拔力是随时间不断变化的量，还受到含水量、温度等因素的影响，采用拉拔法破坏了桩土的整体性，也无法测试在补水及变温过程中冻拔力的变化情况，且一次试验只能得到桩土接触面的单个剪切力极限值。
因此，开发出一种测试原理可靠、能够适应多种桩型、试验过程中满足补水控温条件、能够模拟实际工况、并可实时检测冻拔力变化规律的冻拔力测试装置及测试方法尤为必要。
技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：针对上述原有技术测试原理不可靠以及现有技术测试冻拔力不准确等的缺点，提出一种桩冻拔力测试装置及测试方法，要实现测试原理可靠，能够适应多种桩型，试验过程中满足补水控温条件，能够模拟实际工况，并可实时监测冻拔力变化规律。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种桩体冻拔力测试装置，包括模型箱、水槽、冷浴箱、绝热箱、传感器预留孔、透水隔板、补水瓶、测力计、试验桩和数据采集器，所述模型箱内侧标有刻度并且侧面预留传感器孔，所述透水隔板固定安装在模型箱内部，所述水槽设置在模型箱内底部，并且所述透水隔板位于水槽上部，所述绝热箱包覆设置在模型箱外部，所述透水隔板上开设有网孔，所述透水隔板上焊接设置有测力计连接底座，所述测力计安装在测力计连接底座上，所述试验桩固定安装在测力计上，所述传感器预留孔内安装有水热传感器，所述冷浴箱固定安装在模型箱的底部，所述补水瓶通过管路连通至水槽，所述测力计和水热传感器分别通过导线外接至数据采集器。
作为优选，所述补水瓶为马利奥特瓶，所述补水瓶上标有刻度。
作为优选，所述测力计与测力计连接底座通过螺纹连接的方式安装固定。
作为优选，所述测力计上套接安装有护筒，所述护筒下部焊接固定安装在透水隔板上。
作为优选，所述透水隔板上部铺设滤纸。
所述透水隔板包括上层隔板、下层隔板和螺栓，所述上层隔板、下层隔板上对应开设在有透水孔，所述上层隔板上开设有腰型孔，所述下层隔板上开设螺纹孔，所述螺栓安装在腰型孔和螺纹孔内，并且螺栓将上层隔板、下层隔板连接固定。
作为优选，所述模型箱1内侧壁上设置有刻度。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
1、测试装置制作简单，原理清晰，与传统应变片发相比，使用测力计测桩体的冻拔力原理更可靠、结果更准确。与反力架测试冻拔力方法相比，由于测力计安装在模型箱内部，在桩体底部，减小了模型箱占用的横向及竖向空间体积；
2、测力计一端固定在隔水底板上的测力计连接座处，另一端与桩底直接相连，桩体的冻拔力即为测力计所受的拉力，且测力计外接数据采集器，能够测试在各种条件下冻结过程中的桩体冻拔力变化规律和最大总冻拔力，也能测试在任意融化过程中冻拔力的消散规律；
3、模型箱外侧被绝热箱包裹，外侧绝热箱防止热量传递，且底部冷浴箱可拆卸，安装冷浴箱后能够对模型箱底的水槽内水分进行控温，卸下时，五面绝热作用使水槽内水分能够维持恒温；
4、模型箱底部水槽与土体之间使用透水隔板分开，透水隔板上铺设滤纸，防止土体下落，透水隔板的网孔大小可以调控，改变网孔的大小能够调控补水速率，在试验时，可对土体整个底面积实现任意的补水条件，能够广泛的模拟不同工程中地下某一平面处地下水分迁移的过程，与单点补水试验条件相比，更满足实际补水工况，得到的水分分布规律对实体工程更有指导价值；
5、被绝热箱包裹后，整个装置底面及四周五个面绝热，将装置直接放入简易冰箱内即可满足单向冻结或融化条件，无需其他控温装置或者冷浴，试验时预先调节好冰箱内环境温度，然后对冰箱进行降温来冷却模型箱表面的土体，能够模拟地表降温过程，试验中温度变化过程贴近实际中温度变化工况，得到的温度变化规律对工程实践具有指导意义；
6、水槽侧面连接补水瓶，补水瓶为马利奥特瓶，标有刻度，冻结过程中能够通过补水瓶液面的刻度变化实时监测补水量；
7、模型箱侧面预留传感器孔，在桩体冻拔力试验过程中，通过传感器孔埋设水分、温度等其他传感器，可同时监测土体的其他参数变化过程；
8、本装置由于桩体与测力计固连在透水隔板处的测力计连接座上，桩体没有位移，而桩周土体可以自由冻胀，从而能够通过模型箱内侧标记的刻度直接观测土体顶面的冻胀位移变化；
9、本该装置可对两根相同尺寸的桩体分别进行冻拔力测试和冻拔位移(不连测力计)测试，从而建立冻拔力和冻拔量之间的关系，指导冻拔措施的研发；
10、该装置可在透水隔板处连接多个测力计底座，通过多个测力计底座安装多个测力计，能够同时对多种尺寸的桩体在同一种土体和相同水热条件下进行冻拔力对比测试；
11、在于测试装置能够适应多种形状的模型桩，试验桩可根据试验条件设置成圆柱状、锥形桩、螺旋桩或竹节桩等各类异形桩，如果为混凝土桩，提供的思路为内埋螺栓与测力计相连，若为其他材质桩，可根据材质特点参考混凝土桩连接模式进行灵活变通加以应用；
12、采用测力计测试冻拔力的方法也可直接应用于实际工程桩体的原位冻拔力监测(实际工程中，桩体最低部埋设在冻深线以下)。
13、测力计外侧被护筒保护，防止测力计与土体直接接触，且可避免试验桩底部与土体接触，保证测力计测试的数据为桩侧面土体的冻拔力。
附图说明：
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的剖面结构示意图。
图3是冻结过程中冻拔力变化规律图。
图4是-30℃融化过程中冻拔力的变化规律图。
图5是透水隔板的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述：
如图1和图2所示的一种桩体冻拔力测试装置，包括模型箱1、水槽2、冷浴箱3、绝热箱4、传感器预留孔5、透水隔板6、补水瓶7、测力计8、试验桩9和数据采集器11，模型箱1使用钢板焊接制成，所述模型箱1内侧标有刻度并且侧面预留传感器孔5，所述透水隔板6固定安装在模型箱1内部，所述模型箱1内侧壁上设置有刻度，在测试过程中能够通过模型箱1内侧标记的刻度直接观测土体顶面的冻胀位移变化，所述水槽2设置在模型箱1内底部，并且所述透水隔板6位于水槽2上部，水槽2侧面安装补水瓶7，所述绝热箱4包覆设置在模型箱1外部，绝热箱4可实现钢制模型箱1的四周和底板的绝热，由于绝热箱4的绝热作用，将装置直接放入普通冰箱内冻结或融化，即能够实现单向冻结和单向融化过程，无需其他温控装置；同时，由于绝热箱可拆卸，可对钢制模型箱、试验土体和桩体整个实验装置预先实现任意初始温度场再装入绝热箱进行冻结和融化试验，所述透水隔板6上开设有网孔，所述透水隔板6包括上层隔板61、下层隔板62和螺栓63，所述上层隔板61、下层隔板62上对应开设在有透水孔，所述上层隔板61上开设有腰型孔，所述下层隔板62上开设螺纹孔，所述螺栓63安装在腰型孔和螺纹孔内，并且螺栓63将上层隔板61、下层隔板62连接固定，透水隔板6网孔大小可调节，通过调节网孔大小能够控制不同补水速率，透水隔板为双层隔板，下层隔板62两侧安装螺栓63，上层隔板61两侧开设腰型孔作为滑动槽，下层隔板62的面积小于上层隔板61的面积，下层隔板63的螺栓可在上层隔板61的滑动槽内滑动，通过螺栓63固定上下隔板。拧松螺栓63，上下隔板的相对错动改变透水孔的大小，当上下隔板的网孔重合时，试样与水接触面积最大，补水速率最大。试验时，密集分布的网孔可对土体整个底面积进行多点均匀补水，比单点补水更接近实际工况，所述透水隔板6上不同位置焊接设置有多个测力计连接底座12，通过多个底座12连接多个测力计8，同时对多种尺寸的桩体在同一种土体和相同水热条件下进行冻拔力对比测试，所述测力计8安装在测力计连接底座12上，所述试验桩9固定安装在测力计8上，测力计8固定在底座12上并与试验桩9的桩底直接相连，所述测力计8上套接安装有护筒13，所述护筒13下部焊接固定安装在透水隔板6上，护筒13对测力计8起到防护作用，使测量计8与土体填充保持隔绝，保证测力计8测试的数据为桩侧面土体的冻拔力，桩体的冻拔力即为测力计所受的拉力，可直接测量各种条件下冻结过程中的桩体冻拔力变化规律和最大总冻拔力以及融化过程中冻拔力的消散规律，所述传感器预留孔5内安装有水热传感器10，水热传感器10监测冻结过程土体中温度与水分的变化，所述冷浴箱3安装在模型箱1的底部，模型箱1下方的冷浴箱3可进行拆卸，冷浴箱3卸下时，模型箱1外侧包裹的绝热箱4使水槽2内水温能够维持恒定，冷浴箱3能够通过程序进行温度控制，所述补水瓶7通过管路连通至水槽2，冻结过程中能够通过补水瓶7液面的变化实时观察补水量，所述测力计8和水热传感器10分别通过导线外接至数据采集器11，所述补水瓶7为马利奥特瓶，所述补水瓶7上标有刻度，所述测力计8与测力计连接底座12通过螺纹连接的方式安装固定，在试验过程中，所述透水隔板6上部铺设滤纸，也可防止土体下落。
试验桩9可以是不同材质的圆柱桩、锥形桩、螺旋桩、竹节桩等，若桩为混凝土圆柱桩或锥形桩，本发明提供内埋螺栓与测力计相连的实施方法，若桩为铁质桩或者钢桩，本发明提供桩底部焊接螺栓与测力计相连的实施方法，若为其他材质桩，应根据材质特点选择合理连接方式。作为优选实施例，本装置模型箱选择尺寸长60cm，宽40cm，高50cm的钢制箱体，绝热箱厚度为5cm，包裹模型箱，试验桩体为混凝土锥形桩，顶部直径4cm，底部直径6cm，高度为25cm，内埋螺栓。
测试过程中，模型箱1外面被绝热箱4所包裹，阻止模型箱1四周及底面传热，水槽2下部的冷浴箱3根据水温是否需要调控而进行安装或拆卸，当将装置整体放置在低温温控室或普通制冷冰箱内，即可使试验满足单向冻结和单向融化条件，同时，绝热箱4可拆卸，可对钢制模型箱1、试验土体和桩体整个实验装置预先实现任意初始温度场再装入绝热箱进行单向冻结和融化试验。
模型箱1外侧预留传感器孔，可根据试验要求在预留传感器孔5内埋设水热传感器10，水热传感器10同时测定桩周土体在冻结过程中的水分温度变化情况，试验中也可以在模型箱1内埋设对比桩，对比桩与试验桩在模型箱内同一水平高度内不同位置处，对比桩不连接测力计，并在对比桩上方安置位移传感器，也能够采集对比桩的冻拔位移数据，从而建立冻拔力-冻拔位移之间的关系。此外，底板处可同时连接多个相同尺寸的桩体，在同一土体和同一种水热条件下测试不同尺寸桩体的冻拔力变化规律。
试验开始前向水槽2内注水，注水至恰好没过到透水隔板6后停止，在透水隔板6底板上铺设滤纸，将试验桩底部与测力计连接，向桩周分层均匀的填充配置好的土体并压实，期间将水分、温度等传感器埋于桩周土体合适位置。待土体填充完毕后，在向补水瓶内注满水，记录初始刻度。然后开启冰箱开关，调至设定负温，冰箱降温过程中，土体表面做冷端，若需对模型箱1内底层水槽2水分温度进行调控，需要安装冷浴箱3，水槽2对试样进行水分补给，对试样进行单向冻结。试验过程中，通过外接数据采集器记录冻结与融化过程中冻拔力变化全过程，通过布置的水分温度传感器观察土体内的水热变化情况，此外，还可以通过模型箱内侧刻度线观察土体顶面的冻胀量。附图3是冻结过程中冻拔力变化规律图，附图4为在零下30℃时，对混凝土试验桩的冻拔力测试数据。
实施例一：
1、制作试验桩，配置初始含水率的土样。
2、连接测力计8到模型箱1内的透水隔板6上的底座12上，试验桩9与测力计8连接固定，并将导线外接到数据采集器11上。
3、通过模型箱1侧面的传感器预留孔5将水热传感器10穿进模型箱1内，水热传感器10即为温度、水分传感器，可以测定温度和水分数据。
4、向模型内1的水槽2注水，当水分刚好没过透水隔板6时停止注水，在隔水底板6上方铺设一层滤纸，然后将土样分层装入模型箱1内，装土过程中将水热传感器按一定间距埋设在桩周土体内，并对土体分层压实。
5、土体填充完毕后，将模型箱1、试验土体和试验桩9整个实验装置放入预定的温度场内，实现初始温度条件，然后使用绝热箱4包裹整个装置(若需对水槽2水分温度进行控制，则在钢制模型箱1底部安装冷浴箱3，若不需要控制水温，则不需安装冷浴箱3)，将包裹绝热箱的装置整体放入制冷冰箱内，冰箱温度在试验前调至设定负温，冰箱内温度做冷端，绝热箱4阻止了模型箱1四周及底部的热量传递，实现了单向冻结条件，开始对试样进行冻结。
6、根据模型箱1内侧标计的刻度记录土体填充初始高度，同时将测力计8与水热传感器10通电，记录冻结过程中冻拔力变化规律和不同位置处温度水分变化情况以及土体表面的冻胀量，此外，还可通过马里奥特补水瓶7液面刻度的变化监测补水量。
需要强调的是：对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
1.一种桩体冻拔力测试装置，其特征在于：包括模型箱(1)、水槽(2)、冷浴箱(3)、绝热箱(4)、传感器预留孔(5)、透水隔板(6)、补水瓶(7)、测力计(8)、试验桩(9)和数据采集器(11)，所述模型箱(1)内侧标有刻度并且侧面预留传感器孔(5)，所述透水隔板(6)固定安装在模型箱(1)内部，所述水槽(2)设置在模型箱(1)内底部，并且所述透水隔板(6)位于水槽(2)上部，所述绝热箱(4)包覆设置在模型箱(1)外部，所述透水隔板(6)上开设有网孔，所述透水隔板(6)上焊接设置有测力计连接底座(12)，所述测力计(8)安装在测力计连接底座(12)上，所述试验桩(9)固定安装在测力计(8)上，所述传感器预留孔(5)内安装有水热传感器(10)，所述冷浴箱(3)安装在模型箱(1)的底部，所述补水瓶(7)通过管路连通至水槽(2)，所述测力计(8)和水热传感器(10)分别通过导线外接至数据采集器(11)。
2.根据权利要求1所述的桩体冻拔力测试装置，其特征在于：所述补水瓶(7)为马利奥特瓶，所述补水瓶(7)上标有刻度。
3.根据权利要求1所述的桩体冻拔力测试装置，其特征在于：所述测力计(8)与测力计连接底座(12)通过螺纹连接的方式安装固定。
4.根据权利要求1所述的桩体冻拔力测试装置，其特征在于：所述透水隔板(6)上部铺设滤纸。
5.根据权利要求1所述的桩体冻拔力测试装置，其特征在于：所述透水隔板(6)包括上层隔板(61)、下层隔板(62)和螺栓(63)，所述上层隔板(61)、下层隔板(62)上对应开设在有透水孔，所述上层隔板(61)上开设有腰型孔，所述下层隔板(62)上开设螺纹孔，所述螺栓(63)安装在腰型孔和螺纹孔内，并且螺栓(63)将上层隔板(61)、下层隔板(62)连接固定。
6.根据权利要求1所述的桩体冻拔力测试装置，其特征在于：所述测力计(8)上套接安装有护筒(13)，所述护筒(13)下部焊接固定安装在透水隔板(6)上。
7.根据权利要求1所述的桩体冻拔力测试装置，其特征在于：所述模型箱(1)内侧壁上设置有刻度。
技术总结