鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 文鵬宇 崔 璨 許 琨

樁基靜載實驗反力裝置研制

鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 文鵬宇 崔 璨 許 琨

在靜載實驗中，荷載一般由反力裝置提供，反力裝置的易用程度直接影響著實驗的過程和結(jié)果。因此，根據(jù)實際工程需要選用合適的反力裝置顯得尤為重要。對于小噸位（2000kN以內(nèi)）實驗的小樁或復(fù)合地基，現(xiàn)在常用錨桿反力梁裝置，地錨根據(jù)螺旋鉆受力方向的不同可分為斜拉式和豎直式，斜拉式中的螺旋鉆受土的豎向阻力和水平阻力，豎直式中的螺旋鉆只受土的豎向阻力。兩種裝置如圖1所示。

圖1 斜拉式和豎直式中的螺旋鉆結(jié)構(gòu)

在靜載實驗中，現(xiàn)有斜拉式反力梁裝置自身有許多不足。本裝置就是根據(jù)斜拉梁反力裝置在工程實例中出現(xiàn)的問題，加以改進(jìn)研制出來的。在原來的基礎(chǔ)上增加了橫桿和壓梁，橫桿用于支撐，提供水平支撐力，而壓梁不僅能夠作為傳力裝置，而且能作為堆重平臺。由于增加了水平撐桿，各桿件的受力情況跟原來的不再相同，尺寸也肯定有所變化，根據(jù)理論力學(xué)和材料力學(xué)的相關(guān)知識以及實際工程中所要提供的相應(yīng)載荷，現(xiàn)將各桿件的尺寸分析如下。

在工程中，我們需要檢測的樁基的承載力一般小于2 000kN，因此我們?nèi)⊙b置在豎直方向承受2 000kN的力，如圖2所示，現(xiàn)根據(jù)用料最省的原則設(shè)計各桿件尺寸如下：

圖2 樁基桿件設(shè)計

豎直桿件1為主要受力桿件，受到豎向2 000kN的壓力作用。根據(jù)材料力學(xué)設(shè)：截面積為A ，長度為h，極限抗壓強(qiáng)度為σs，安全系數(shù)為n（本設(shè)計中安全系數(shù)都取n = 2），體積為V 。根據(jù)材料力學(xué)可得計算式：

由（1），（2）得：

斜桿2因本裝置是對稱結(jié)構(gòu)，共計水平桿4根，斜桿4根，成90°均布在豎直桿四周，因此，斜桿受到豎直方向500kN的力，受力分析如圖3所示：

圖3 樁基桿件受力分析

由理論力學(xué)受力平衡可得：

由以上各式得：F3=500kN/sina，F(xiàn)4=500kN/tana。

設(shè)斜桿2的截面面積為A2，體積為V2；水平桿3的面積為A3，體積為V3，長度l=3m，根據(jù)材料力學(xué)可得關(guān)于斜桿2的計算公式如下：

由以上各式可得：V2≥500n（h2+l2）/hσs。

根據(jù)材料力學(xué)可得關(guān)于水平桿3的計算公式如下：

可得：V3≥500nl2/hσs。

因為水平桿3，斜桿2分別有4根，根據(jù)用料最省、總體積V最小的要求可得：

式中，n=2，σs=235MPa，l =3m；代入數(shù)據(jù)可得：

對于該式，當(dāng)且僅當(dāng)h=3m時V最小，此時V的值約為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。

根據(jù)材料力學(xué)，空心桿件比實心桿件能承受更大的拉壓力作用，因此，裝置中的各桿件均采用空心桿件，通過查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》內(nèi)外徑之比d/D=0.8。

由Ai=0.25π（Di2+di2），i＝1，2，3。

有以上數(shù)據(jù)及關(guān)系式可得：

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

根據(jù)上述計算，畫出裝置立體效果圖（圖4）。

圖4 樁基桿件立體效果

在該效果圖中，除了增加了4個水平撐桿外，我們還增加了橫梁，通過橫梁把反力從地錨傳給斜拉桿。在工程實際中，這個傳力裝置有很重要的作用。當(dāng)?shù)鼗梁苡?，地錨不容易打進(jìn)去，或地基土比較軟，不足以提供反作用力時，就可以在橫梁上堆重，比如堆預(yù)制混凝土，十分方便。