CN103510551A - 一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，包括试验基槽、竖向加载系统、水平双向加载系统和水位模拟系统。试验基槽用于设置地基土、水和模型，试验基槽的顶部安装用于给模型施加竖向静动力作用的竖向加载系统，试验基槽的内侧壁上部安装用于给模型施加两个及以上水平向静动力作用的水平双向加载系统，试验基槽的底部及外侧壁外侧安装用于试验基槽内给排水及试验水位控制的水位模拟系统。该试验平台可开展群桩、沉井、沉箱、复合基础等桥梁深水基础与桥塔(墩)在竖向、水平双向等三向静动力作用下的模型试验研究，解决了竖向力、水平力、弯矩、扭矩等组合工况下地基土-水-桥梁深水基础-桥塔(墩)静动力相互作用模拟的难题。

Description

一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台

技术领域

本发明涉及基础工程技术领域，具体涉及一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台。

背景技术

随着桥梁建设从内陆走向外海，深水、软基、强风、急流、波浪、强震等建设条件更加复杂，所需的桥梁跨径也越来越大。与中小跨径桥梁基础相比，长大桥梁深水基础不仅需要承受更大的竖向荷载，还由于面临船撞、强震、大风、巨浪等灾害作用产生的巨大水平力，这些水平力及其引起的附加弯矩对基础的作用甚至能达到与竖向力相同的量级，基础的受力模式和承载性能明显异于常规的内河及陆上的桥梁基础，竖向力、多点水平力、弯矩、扭矩等的共同静、动力作用是长大桥深水基础的主要特点，也是目前国内外研究较薄弱的部分。

由于土体材料的各向异性和分布的不均匀性，岩土工程领域的各种理论及数值模拟方法均存在诸多假定。因此，模型试验是研究地基基础的最有效方法之一，跨海工程或长大桥梁在初步设计、施工图设计及施工阶段都要安排相关的深水基础模型试验，用于检验基础受力性能及关键工艺的可靠性、校核理论分析与数值模拟结果的合理性、为设计施工提供技术支撑。国内外常用的深水基础模型试验主要有离心模型试验、室内及现场比尺模型试验等几类。离心模型试验优点在于可以用较小的模型重现原型应力场，其不足之处在于土的颗粒尺寸效应，此外由于模型尺寸较小，测量仪器的选择、布置和埋设比较困难；现场模型试验与原型的一致性较好，但费用昂贵、周期长、干扰因素多，多数作为一些重要工程的最终验证。所以，利用模型试验平台开展大比尺或足尺模型试验是揭示桥梁深水基础承载性能、检验理论设计方法、开发新型结构的有效手段，在国内外已得到广泛应用。

目前国内已有的试验平台如大型桩基模型试验系统、地基与边坡工程模型试验平台等规模较大，能开展大比尺模型试验研究，但试验对象主要针对常规的建筑结构基础等主要承受上部结构及基础自重荷载为主，试验平台偏重于竖向荷载模拟，无法实现真三维加载。部分试验平台在技术上进行了改良，实现了多向加载和水位模拟等功能。如城市地下工程模拟试验系统，可对多种类型的城市地下工程实现三维加载及地下水影响模拟试验，但这类试验平台的槽体结构为较小尺寸的钢结构，加载能力有限，且水平向作动器需沿立柱安装而无法灵活调整加载位置，可实现的加载方式仍较为单一。

因此，重点突破现有基础试验平台加载方式单一、偏重于竖向力作用模拟等薄弱环节，开发可移动式多点加载装置和水位模拟系统，搭建一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，既能针对深水基础的特点模拟多方向静动力荷载，又能开展不同地质及水位条件下多类型基础多工况试验，对于基础工程的发展具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有土工模型试验技术的不足，本发明的主要目的是提供一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，使其能够模拟竖向、横桥向、纵桥向所受的竖向力、水平力、弯矩、扭矩单一或组合工况的静动力作用，能够比较真实地模拟三向静动力作用下地基土-水-桥梁深水基础-桥塔(墩)的相互作用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，该平台包括：用于设置地基土30、水位31、深水基础模型32和桥塔模型33的试验基槽1；安装于试验基槽1的顶部用于给模型施加竖向静动力作用的竖向加载系统2；安装于试验基槽1的内侧壁上部用于给模型施加两个及以上水平向静动力作用的水平双向加载系统3；以及安装于试验基槽1的底部及外侧壁外侧用于试验基槽1内给排水及试验水位控制的水位模拟系统4。

上述方案中，所述试验基槽1包括实体钢筋混凝土底板5、实体钢筋混凝土侧壁板6和带加载孔的反力墙7。在所述试验基槽1外围上部沿带加载孔的反力墙7布置有安装操作室8，作为将水平双向加载系统3安装在带加载孔的反力墙7上的操作空间。

上述方案中，所述竖向加载系统2包括横梁9、立柱10、滑动导轨11、双向滑动板12、竖向电液伺服作动器13和球形铰14，其中：横梁9安装在立柱10上，安装位置能够沿立柱10上下调整；立柱10安装在滑动导轨11上；滑动导轨11预埋于试验基槽1的顶部；双向滑动板12固定于横梁9上；竖向电液伺服作动器13安装在双向滑动板12上；球形铰14位于竖向电液伺服作动器13的下端。在水平高频动载作用下，竖向电液伺服作动器13上端用球形铰14替代双向滑动板12，加载过程中通过控制系统实时计算修正水平向电液伺服作动器17的荷载值，消除竖向电液伺服作动器13角度变化引起的荷载偏差。

上述方案中，所述双向滑动板12包括与横梁9连接的连接底座34、纵向滑动板35、横向滑动底座36、横向滑动板37以及与竖向电液伺服作动器13连接的作动器连接板38，能够实现竖向电液伺服作动器13沿水平双向滑动，以及对没有水平力加载的试验用锁紧的方式消除滑动。所述连接底座34通过横梁螺栓孔39与横梁9连接，作动器连接板38通过作动器螺栓孔40与竖向电液伺服作动器13连接。

上述方案中，所述水平双向加载系统3包括带T型槽的水平加载底座板15、带T型槽的作动器安装板16、水平向电液伺服作动器17和连接杆18，其中，带T型槽的水平加载底座板15安装在带加载孔的反力墙7上或立柱10上；带T型槽的作动器安装板16安装在带T型槽的水平加载底座板15上；水平向电液伺服作动器17安装在带T型槽的作动器安装板16上并与连接杆18连接。所述水平向电液伺服作动器17可沿带T型槽的加载底座板15和带T型槽的作动器安装板16的长度方向实现水平横向和竖向移动，从而根据加载工况需要灵活调整加载点位置和数量，通过对水平向电液伺服作动器17输入正弦波、三角波、方波或随机波等不同的荷载波形和频率等参数，实现多向静动力作用模拟。

上述方案中，所述水位模拟系统4包括土工布19、透水盖板20、渗流管网21、集水槽22、抽水装置23、电动提升装置24、竖井25、水箱26、水位传感器27、排水管路28和进水管路29，其中：试验基槽1底部布置带有2％～5％坡度的渗流管网21，渗流管网21顶面设有透水盖板20和土工布19，防止土进入渗流管网21内；渗流管网21与集水槽22、抽水装置23及排水管路28连通，试验基槽1内的水通过渗流管网21汇入集水槽22，利用抽水装置23抽水，并通过排水管路28排出；水箱26安装在电动提升装置24上，能够沿竖井25深度范围内上下提升；水箱26内设有水位传感器27，水位传感器27用于测定和控制水箱26内水位；进水管路29分别与水箱26和集水槽22连通。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，竖向电液伺服作动器通过双向滑动板实现了静力加载及低周往复加载时的双向跟动，通过球形铰及实时荷载微调解决了三向动力加载试验中水平向加载对竖向加载影响的技术难题。

2、本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，水平向电液伺服作动器通过T型槽实现了水平横向和竖向移动，可根据加载工况需要灵活调整加载点位置和数量，实现多点水平静动力加载的同步模拟。

3、本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其试验基槽内尺寸为10m长×6m宽×8m深，可开展大比尺模型试验，有效降低模型试验的尺寸效应和边界效应；可根据试验需要在试验基槽内填筑多层土(软土、砂性土、粘性土、砾石等)，并通过水位模拟系统实现地下水位变化及控制。

4、本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，由于加载方向及荷载类型多、试验空间大、试验条件可控，可进行多类型基础(如桩基础、沉井基础、沉箱基础、复合基础)模型的承载性能试验，也可以模拟基础施工中的堆载、回填、水位变化等工况及近接施工对临近结构物的影响等。

附图说明

图1为本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台的正立面示意图；

图2为本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台的侧立面示意图；

图3为本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台的平面示意图；

图4为本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台的双向滑动板示意图。

附图标记：试验基槽1；竖向加载系统2；水平双向加载系统3；水位模拟系统4；实体钢筋混凝土底板5；实体钢筋混凝土侧壁板6；带加载孔的反力墙7；安装操作室8；横梁9；立柱10；滑动导轨11；双向滑动板12；竖向电液伺服作动器13；球形铰14；带T型槽的水平加载底座板15；带T型槽的作动器安装板16；水平向电液伺服作动器17；连接杆18；土工布19；透水盖板20；渗流管网21；集水槽22；抽水装置23；电动提升装置24；竖井25；水箱26；水位传感器27；排水管路28；进水管路29；地基土30；水位31；深水基础模型32；桥塔模型33；连接底座34；纵向滑动板35；横向滑动底座36；横向滑动板37；作动器连接板38，横梁螺栓孔39；作动器螺栓孔40。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1～图3所示，本发明提供的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台包括：试验基槽1、竖向加载系统2、水平双向加载系统3和水位模拟系统4。其中，试验基槽1用于设置地基土30、水位31、深水基础模型32和桥塔模型33；试验基槽1的顶部安装用于给模型施加竖向静动力作用的竖向加载系统2；试验基槽1的内侧壁上部安装用于给模型施加两个及以上水平向静动力作用的水平双向加载系统3；试验基槽1的底部及外侧壁外侧安装用于试验基槽1内给排水及试验水位控制的水位模拟系统4。

试验基槽1包括实体钢筋混凝土底板5、实体钢筋混凝土侧壁板6和带加载孔的反力墙7，并且，在试验基槽1外围上部沿带加载孔的反力墙7布置有安装操作室8，作为将水平双向加载系统3安装在带加载孔的反力墙7上的操作空间。

竖向加载系统2包括横梁9、立柱10、滑动导轨11、双向滑动板12、竖向电液伺服作动器13和球形铰14。其中，立柱10安装在预埋于试验基槽1顶部的滑动导轨11上；横梁9安装在立柱10上，安装位置可沿立柱10上下调整；竖向电液伺服作动器13安装在固定于横梁9上的双向滑动板12上；双向滑动板12用于实现竖向电液伺服作动器13沿水平双向滑动，也可对没有水平力加载的试验用锁紧的方式消除滑动，包括与横梁9连接的连接底座34、纵向滑动板35、横向滑动底座36、横向滑动板37以及与竖向电液伺服作动器13连接的作动器连接板38；球形铰14位于竖向电液伺服作动器13的下端。在水平高频动载作用下，竖向电液伺服作动器13上端可用球形铰14替代双向滑动板12，加载过程中通过控制系统实时计算修正水平向电液伺服作动器17的荷载值，消除竖向电液伺服作动器13角度变化引起的荷载偏差。

竖向加载系统2中的双向滑动板12包括连接底座34、实现纵向滑动功能的纵向滑动板35、实现横向滑动功能的横向滑动底座36和横向滑动板37、作动器连接板38，见图4所示。连接底座34通过横梁螺栓孔39与横梁连接，作动器连接板38通过作动器螺栓孔40与竖向电液伺服作动器13连接。

水平双向加载系统3包括带T型槽的水平加载底座板15、带T型槽的作动器安装板16、水平向电液伺服作动器17和连接杆18。其中，带T型槽的水平加载底座板15安装在带加载孔的反力墙7上或立柱10上；带T型槽的作动器安装板16安装在带T型槽的水平加载底座板15上；水平向电液伺服作动器17安装在带T型槽的作动器安装板16上并与连接杆18连接，可沿带T型槽的加载底座板15和带T型槽的作动器安装板16的长度方向实现水平横向和竖向移动，从而可根据加载工况需要灵活调整加载点位置和数量，通过对水平向电液伺服作动器17输入正弦波、三角波、方波、随机波等不同的荷载波形和频率等参数，实现多向静动力作用模拟。

水位模拟系统4包括土工布19、透水盖板20、渗流管网21、集水槽22、抽水装置23、电动提升装置24、竖井25、水箱26、水位传感器27、排水管路28和进水管路29。其中，试验基槽1底部布置带有2％～5％坡度的渗流管网21，渗流管网21顶面设有透水盖板20和土工布19，防止土进入渗流管网21内；渗流管网21与集水槽22、抽水装置23及排水管路28连通，试验基槽1内的水可通过渗流管网21汇入集水槽22，利用抽水装置23抽水，并通过排水管路28排出。水箱26安装在电动提升装置24上，可沿竖井25深度范围内上下提升；水箱26内设有水位传感器27，水位传感器27用于测定和控制水箱26内水位，进水管路29分别与水箱26和集水槽22连通。

现以一个桥梁深水基础与上部桥塔结构模型的三向加载试验来说明本试验平台的使用方法。

在试验基槽1内填筑地基土30并安装带有深水基础模型32和桥塔模型33的模型，地基土30的土层条件可根据试验需求制备，如软土、砂性土、粘性土、砾石等组成的多层土。

模型安装完毕后，启动水位模拟系统4，利用电动提升装置24使水箱26在竖井25内提升至试验中需要模拟的水位31的高度，水箱26内的水通过进水管路29进入集水槽22，并通过渗流管网21使试验基槽1内的水位不断上升，水位传感器27将水箱26内的水位信号传输至控制计算机，当达到需要的水位31时，将自动停止向试验基槽1内供水。

调整立柱10在滑动导轨11上的位置和横梁9的高度，并调整双向滑动板12在横梁9上的位置，通过球形铰14将竖向电液伺服作动器13对准所需要加载的桥塔模型33指定区域，通过液压系统实现竖向力的施加。将带T型槽的水平加载底座板15和带T型槽的作动器安装板16组合安装在带加载孔的反力墙7或立柱10上，在带T型槽的作动器安装板16上安装多排或多列水平向电液伺服作动器17，并调整水平向电液伺服作动器17至深水基础模型32和桥塔模型33所需的水平向加载点位置，通过液压系统实现水平力、弯矩、扭矩等的组合施加；通过液压控制系统输入不同的荷载波形和频率等参数，模拟风荷载、波浪荷载等低周往复荷载对深水基础及桥塔的共同作用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，该平台包括：

用于设置地基土(30)、水位(31)、深水基础模型(32)和桥塔模型(33)的试验基槽(1)；

安装于试验基槽(1)的顶部用于给模型施加竖向静动力作用的竖向加载系统(2)；

安装于试验基槽(1)的内侧壁上部用于给模型施加两个及以上水平向静动力作用的水平双向加载系统(3)；以及

安装于试验基槽(1)的底部及外侧壁外侧用于试验基槽(1)内给排水及试验水位控制的水位模拟系统(4)。

2.根据权利要求1所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述试验基槽(1)包括实体钢筋混凝土底板(5)、实体钢筋混凝土侧壁板(6)和带加载孔的反力墙(7)。

3.根据权利要求2所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，在所述试验基槽(1)外围上部沿带加载孔的反力墙(7)布置有安装操作室(8)，作为将水平双向加载系统(3)安装在带加载孔的反力墙(7)上的操作空间。

4.根据权利要求1所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述竖向加载系统(2)包括横梁(9)、立柱(10)、滑动导轨(11)、双向滑动板(12)、竖向电液伺服作动器(13)和球形铰(14)，其中：横梁(9)安装在立柱(10)上，安装位置能够沿立柱(10)上下调整；立柱(10)安装在滑动导轨(11)上；滑动导轨(11)预埋于试验基槽(1)的顶部；双向滑动板(12)固定于横梁(9)上；竖向电液伺服作动器(13)安装在双向滑动板(12)上；球形铰(14)位于竖向电液伺服作动器(13)的下端。

5.根据权利要求4所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，在水平高频动载作用下，竖向电液伺服作动器(13)上端用球形铰(14)替代双向滑动板(12)，加载过程中通过控制系统实时计算修正水平向电液伺服作动器(17)的荷载值，消除竖向电液伺服作动器(13)角度变化引起的荷载偏差。

6.根据权利要求4所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述双向滑动板(12)包括与横梁(9)连接的连接底座(34)、纵向滑动板(35)、横向滑动底座(36)、横向滑动板(37)以及与竖向电液伺服作动器(13)连接的作动器连接板(38)，能够实现竖向电液伺服作动器(13)沿水平双向滑动，以及对没有水平力加载的试验用锁紧的方式消除滑动。

7.根据权利要求6所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述连接底座(34)通过横梁螺栓孔(39)与横梁(9)连接，作动器连接板(38)通过作动器螺栓孔(40)与竖向电液伺服作动器(13)连接。

8.根据权利要求1所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述水平双向加载系统(3)包括带T型槽的水平加载底座板(15)、带T型槽的作动器安装板(16)、水平向电液伺服作动器(17)和连接杆(18)，其中：带T型槽的水平加载底座板(15)安装在带加载孔的反力墙(7)上或立柱(10)上；带T型槽的作动器安装板(16)安装在带T型槽的水平加载底座板(15)上；水平向电液伺服作动器(17)安装在带T型槽的作动器安装板(16)上并与连接杆(18)连接。

9.根据权利要求8所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述水平向电液伺服作动器(17)可沿带T型槽的加载底座板(15)和带T型槽的作动器安装板(16)的长度方向实现水平横向和竖向移动，从而根据加载工况需要灵活调整加载点位置和数量，通过对水平向电液伺服作动器(17)输入不同的荷载波形和频率参数，实现多向静动力作用模拟。

10.根据权利要求1所述的桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，其特征在于，所述水位模拟系统(4)包括土工布(19)、透水盖板(20)、渗流管网(21)、集水槽(22)、抽水装置(23)、电动提升装置(24)、竖井(25)、水箱(26)、水位传感器(27)、排水管路(28)和进水管路(29)，其中：

试验基槽(1)底部布置带有2％～5％坡度的渗流管网(21)，渗流管网(21)顶面设有透水盖板(20)和土工布(19)，防止土进入渗流管网(21)内；

渗流管网(21)与集水槽(22)、抽水装置(23)及排水管路(28)连通，试验基槽(1)内的水通过渗流管网(21)汇入集水槽(22)，利用抽水装置(23)抽水，并通过排水管路(28)排出；

水箱(26)安装在电动提升装置(24)上，能够沿竖井(25)深度范围内上下提升；

水箱(26)内设有水位传感器(27)，水位传感器(27)用于测定和控制水箱(26)内水位；

进水管路(29)分别与水箱(26)和集水槽(22)连通。

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