CN103821185A - 带有水平动力加载装置的模型桩基 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桩基模拟装置技术领域，特别一种带有水平动力加载装置的模型桩基。该带有水平动力加载装置的模型桩基，包括用于向模型桩施加水平加载力的水平加载机构，水平加载机构具有沿加载方向延伸的轴线，水平加载机构有至少两个，相邻两水平加载机构的轴线不平行也不共线。该模型桩基可以输入至少两个水平方向的振动载荷，进而可以近似模拟桩基在实际工作中的荷载环境，为桩基在水平振动荷载作用下的动力特性研究提供相应的基础。与现有技术相比，本发明提高了模型桩基模拟桩基实际工况的相似度。

Description

带有水平动力加载装置的模型桩基

技术领域

本发明涉及桩基模拟装置技术领域，特别一种带有水平动力加载装置的模型桩基。

背景技术

从桩基动力特性的研究现状来讲，大都侧重于竖向承载力，而对其水平振动荷载作用下的承载力的研究甚少，且都是水平单向振动研究。然而实际工程中桩基是经常承受着双向水平振动荷载的作用，比如：地震荷载和水流荷载的组合，地震荷载和风浪荷载的组合，水流荷载和车辆荷载的组合，施工中两个机械设备同时操作产生的双向振动载荷等。因此，单向水平振动研究与桩基的实际工况相差较远。

对桩基的动承载力的试验研究，采用现场试验的方法通常不易实现，且操作程序复杂，代价较大，多采用室内试验的研究方法。目前对桩基动力特性的研究通常是通过在设有大型振动台的实验室完成，且大都是单个方向振动载荷的输入方式，这种方式一般原理都比较复杂，操作不便，建造费用昂贵。

中国期刊文件《岩土力学》第33卷第2期中《冻融条件下模型桩基水平动力试验研究》一文中，公布了一种桩动力试验装置，该动力试验装置包括加载框架和土箱，土箱内装有土体，土箱内插装有竖直设置的模型桩，加载框架上装配有一个用于向模型桩施加水平加载力的水平加载机构，水平加载机构的轴线沿加载方向延伸，且与模型桩的轴线垂直相交，水平加载机构包括加载轴，加载轴用于直接向模型桩传递水平振动载荷，但是，该装置只能对模型桩进行水平单向振动研究，与实际工况相差较远。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有水平动力加载装置的模型桩基，以提高模型桩基模拟桩基实际工况的相似度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：带有水平动力加载装置的模型桩基，包括用于向模型桩施加水平加载力的水平加载机构，水平加载机构具有沿加载方向延伸的轴线，水平加载机构有至少两个，相邻两水平加载机构的轴线不平行也不共线。

所述水平加载机构包括加载弹簧，加载弹簧的轴线与其所属水平加载机构的轴线共线。

水平加载机构还包括加载轴和与加载轴传动连接的往复驱动机构，加载弹簧设在加载轴与往复驱动机构之间或用于设置在加载轴与模型桩之间。

所述加载弹簧上靠近往复驱动机构的一侧的端部设有卡环。

往复驱动机构包括旋转轴和止旋装配在旋转轴上的输出轮，输出轮具有用于顶压驱动相应加载轴的外周面。

输出轮包括轮芯和套在轮芯上的减摩轴承，输出轮的外周面由减摩轴承的外周面构成。

所述加载轴上套设有用于限制加载轴径向位置的轴向支座。

所述轴向支座的轴孔内设有储油结构。

水平加载机构有两个，两个水平加载机构的轴线互相垂直。

带有水平动力加载装置的模型桩基还包括用于安装水平加载机构的加载框架，所述加载框架为钢制材料。

本发明的有益效果：由于水平加载机构有至少两个，且相邻两水平加载机构的轴线不平行也不共线，因而模型桩基可以输入至少两个水平方向的振动载荷，进而可以近似模拟桩基在实际工作中的荷载环境，为桩基在水平振动荷载作用下的动力特性研究提供相应的基础。因此，与现有技术相比，本发明提高了模型桩基模拟桩基实际工况的相似度。

进一步的，由于水平加载机构包括加载弹簧，因此通过改变加载弹簧的刚性系数可以实现加载的振动载荷幅值的改变。

进一步的，卡环对加载弹簧的靠近往复驱动机构的一侧的端部具有固定作用，通过卡环可以限制加载弹簧朝向往复驱动机构一侧移动。 

进一步的，减摩轴承与加载轴之间的摩擦力小，能够保证在振动过程中减摩轴承与加载轴稳定接触并传递载荷。

进一步的，轴向支座可以严格限制加载轴的径向位置，能很好的稳定荷载的传递状态。

进一步的，轴向支座的轴孔内设有储油结构，通过向储油结构中注入润滑油，可减少轴向支座与加载轴之间的摩擦力。

进一步的，水平加载机构有两个，两个水平加载机构的轴线互相垂直，该模型桩基可近似的模拟实际工程中桩基在双向振动载荷作用下的受力工况，可为桩基的抗震、减震、隔震研究提供帮助，可用于研究桩基在不同土体环境中两个水平方向的振动特性，可为桩基适用的工程地质条件研究提供基础。

附图说明

图1为本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的实施例1的俯视图；

图2为本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的实施例1的主视图；

图3为本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的实施例1的左视图；

图4为本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的实施例1的右视图；

图5为本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的实施例1的后视图；

图6为图1中的水平加载机构的结构示意图；

图7为图2中轴向支座与底座的连接结构示意图；

图8为图2中底座的结构示意图。

具体实施方式

本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的实施例1，如图1-8所示：该带有水平动力加载装置的模型桩基包括土箱1、加载框架2、模型桩3和水平加载机构4。

土箱1为正方体结构，土箱1内充装有土体11。模型桩3上下延伸，模型桩3设有土箱1内，模型桩3位于土箱1的中心位置处，模型桩3的下部埋于土箱1中而被土箱1中的土体固定，模型桩3的上部从土箱1内的土体中伸出。加载框架固设于土箱的外周。加载框架2为钢制材料。水平加载机构4装配于加载框架2上。

水平加载机构4用于向模型桩施加水平加载力，水平加载机构4具有沿加载方向延伸的轴线。水平加载机构4的轴线与模型桩3的轴线呈垂直设置。水平加载机构4共有两个，两个水平加载机构4的轴线不平行也不共线，该两个轴线垂直且相交。在本实施例中，两个水平加载机构4分别位于土箱1的右侧和后侧，两个水平加载机构4分别为右水平加载机构41和后水平加载机构42。除安装位置关系不同外，两个水平加载装置4的具体结构和工作原理相同。

各水平加载机构4均包括加载弹簧5、加载轴6和往复驱动机构。加载弹簧5的轴线与其所属水平加载机构的轴线共线。往复驱动机构与加载轴6传动连接，加载弹簧5设在加载轴6与模型桩3之间。加载弹簧5上靠近往复驱动机构的一侧的端部设有卡环7。卡环7固设于加载轴6上，加载弹簧5的一端为固定端、另一端为自由端，加载弹簧的固定端通过卡环7固定装配在加载轴6上，加载弹簧5的自由端朝向模型桩3。通过卡环7可以限制加载弹簧5的固定端朝向往复驱动机构一侧移动。将加载弹簧朝向模型桩一侧的运动定义为正向移动，将加载弹簧远离模型桩一侧的运动定义为反向移动。在本实施例中，通过卡环7可以限制加载弹簧5的方向移动。

往复驱动机构包括旋转轴81和止旋装配在旋转轴81上的输出轮82，输出轮81具有用于顶压驱动相应加载轴6的外周面。在本实施例中，输出轮82包括轮芯821和套在轮芯821上的减摩轴承822，输出轮82的外周面由减摩轴承822的外周面构成。该轮芯821为偏心轮，在使用时，通过更换不同大小的偏心轮的方法，可实现不同的偏心距，从而可改变输入荷载的大小。在其它实施例中，输出轮还可以不包括减摩轴承，输出轮的外周面由轮芯的外周面构成。

在本实施例中，旋转轴81为电机轴，旋转轴81上连接有用于驱动旋转轴81转动的电机91，电机91固设于电机台座92上，电机台座92与加载框架2固定连接，电机91通过电机台座92固定装配在加载框架2上，电机台座92由钢板焊接而成。电机91上连接有数字式变频控制仪93，通过数字式变频控制仪93可控制电机91的转速，进而可实现不同的加载频率和加速度。在其它实施例中，旋转轴还可以采用其它的动力源，如油缸。

在本实施例中，加载轴6上套设有用于限制加载轴6径向位置的轴向支座61。每个加载轴6上设有两个沿加载轴的轴线间隔设置的轴向支座61。轴向支座61具有用于穿装加载轴的轴孔611，该轴孔611内设有储油结构。储油结构可注入润滑油，能起到减少加载轴与轴向支座之间的摩擦力。该储油结构为储油槽，该储油槽为环形凹槽。在其它实施例中，储油槽还可以弧形凹槽；或储油结构还可以为储油孔；或者还可以省去该储油结构。电机台座92上固设有底座62，轴向支座61固定装配在底座62上。底座62设于轴向支座61的下部，两者之间通过螺栓固连在一起。轴向支座61通过底座62固定装配于电机台座92上。底座62包括支撑平台621和设于支撑平台621下部的支撑杆622，该支撑杆622为空心结构。

上述实施例1的使用过程：进行加载试验前，先将模型桩3埋置在土箱1内的土体11中，将电机91接通电源。

启动电机91，旋转轴81带动轮芯821转动，套设在轮芯821上的减摩轴承822与加载轴6的端部接触并传递荷载，从而加载轴6可带动加载弹簧5沿加载轴6的轴线移动，使加载弹簧5与模型桩3接触并传递振动荷载。

两个水平加载机构的两台电机传递的荷载方向相垂直，即两个水平加载机构中的加载轴的水平运动方向相垂直，进而可实现模型桩的水平双向振动荷载的输入。

系统输入的振动荷载幅值的改变可通过两种方法实现：一是通过更换不同大小的偏心轮或通过调整偏心轮上的OA线与竖直方向OB线之间的夹角α的大小来实现，当α=0°时，偏心距最大，加载轴的行程最大，荷载幅值最大；当α=180°时，偏心距最小，加载轴的行程最小，荷载幅值最小；二是通过改变加载弹簧的刚度系数来实现。

系统输入的荷载频率和加速度可通过数字式变频控制仪调节，从而可实现无级变速及加速度的大小改变。

本发明的带有水平动力加载装置的模型桩基的结构原理简单，可移动，在室内外都可以操作，各零部件容易取得，造价较低，比较经济，适合推广使用 。

在其它实施例中，两个水平加载机构的轴线还可以为空间垂直，即两个轴线垂直但不相交；或者两个水平加载机构的轴线之间的夹角还可以为除去0-180度之间除90度、180度、0度之外的其它值。

在其它实施例中，水平加载机构的数量还可以为两个以上，各个水平加载机构的轴线除了共面垂直交叉外，还可以有空间垂直和交叉的情况；相邻水平加载机构的轴线之间的夹角还可以为除0度和180度以外的其它数值。

在其它实施例中，加载弹簧还可以设置在加载轴与模型桩之间，此时，使用时加载轴直接向模型桩施加水平振动载荷；此外，还可以在加载弹簧的两端均设置卡环，或仅在加载弹簧上靠近往复驱动机构的一侧的端部上设置用于限制加载弹簧朝向往复驱动机构一侧移动的卡环。

在其它实施例中，还可以省去加载弹簧。

在其它实施例中，水平加载机构还可以是曲柄滑块机构或丝杠螺母机构。

在其它实施例中，加载框架还可以其它金属制成，如铜、铝合金等。

在其它实施例中，还可以省去模型桩、土箱和加载框架中一个或两个或全部。

Claims (10)

1.带有水平动力加载装置的模型桩基，包括用于向模型桩施加水平加载力的水平加载机构，水平加载机构具有沿加载方向延伸的轴线，其特征在于：水平加载机构有至少两个，相邻两水平加载机构的轴线不平行也不共线。

2.根据权利要求1所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：所述水平加载机构包括加载弹簧，加载弹簧的轴线与其所属水平加载机构的轴线共线。

3.根据权利要求2所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：水平加载机构还包括加载轴和与加载轴传动连接的往复驱动机构，加载弹簧设在加载轴与往复驱动机构之间或用于设置在加载轴与模型桩之间。

4.根据权利要求3所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：所述加载弹簧上靠近往复驱动机构的一侧的端部设有卡环。

5.根据权利要求3所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：往复驱动机构包括旋转轴和止旋装配在旋转轴上的输出轮，输出轮具有用于顶压驱动相应加载轴的外周面。

6.根据权利要求5所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：输出轮包括轮芯和套在轮芯上的减摩轴承，输出轮的外周面由减摩轴承的外周面构成。

7.根据权利要求3所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：所述加载轴上套设有用于限制加载轴径向位置的轴向支座。

8.根本权利要求7所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：所述轴向支座的轴孔内设有储油结构。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：水平加载机构有两个，两个水平加载机构的轴线互相垂直。

10.根据权利要求1所述的带有水平动力加载装置的模型桩基，其特征在于：还包括用于安装水平加载机构的加载框架，所述加载框架为钢制材料。

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