CN103821186B - 冻土环境中桩基模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及桩基模拟装置技术领域，特别涉及一种冻土环境中桩基模型试验装置。冻土环境中桩基模型试验装置，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，还包括用于向模型桩施加竖向加载力的竖向加载机构，水平加载机构有一个或两个以上，竖向加载机构设在用于补偿模型桩的水平位移的行走机构上。该试验装置能够在模拟冻土环境中桩基受力工况，且与实际工况的相似度高，不仅可单独完成水平与竖向的静载实验，也可完成水平与竖向荷载共同作用的静载实验；在进行水平方向的静动力加载时，可模拟实际工程中上部结构产生的竖向荷载。本发明为冻土环境中桩基础的承载特性研究提供良好的基础。

Description

冻土环境中桩基模型试验装置

技术领域

本发明涉及桩基模拟装置技术领域，特别涉及一种冻土环境中桩基模型试验装置。

背景技术

目前对于冻土环境中基桩的荷载传递机理、破坏性状、承载能力以及内力和位移的分析研究大都局限于竖向或水平荷载单独作用下，在实际工程中基桩单纯承受竖向或横向荷载作用的情况很少，往往在承受轴向荷载的同时，还承受有水平荷载的作用。当水平荷载和竖向荷载共同作用于基桩时，水平荷载将使桩身产生较大的弯矩并发生挠曲变形。目前对冻土环境中桩基的试验研究，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。

冻土环境中桩–土动力相互作用是一个亟须研究的课题，但由于受各种条件的限制，缺乏足够的现场数据，制约了该方向相关理论的研究，因此室内模型试验变得尤为重要。

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、土箱和制冷系统，土箱内装有土体，制冷系统用于调节土体的温度而得到冻土，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。

现有的桩动力试验装置，通常只单独包括竖向加载机构或水平加载机构，这样是因为当同时包括竖向加载机构和水平加载机构时，当模型桩发生水平位移时，竖向加载机构不能随模型桩水平移动，竖向加载机构会与模型桩分离而不能对模型桩施加竖向作用力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冻土环境中桩基模型试验装置，以提高试验装置模拟桩基实际工况的相似度。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：冻土环境中桩基模型试验装置，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，还包括用于向模型桩施加竖向加载力的竖向加载机构，所述水平加载机构有一个或两个以上，所述竖向加载机构设在用于补偿模型桩的水平位移的行走机构上。

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。

往复驱动机构包括旋转轴和止转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。

所述水平加载机构的数量为一个。

所述竖向加载机构包括可上下移动的螺旋千斤顶。

所述行走机构包括导轨和滑动导向装配于导轨上的滑块结构，滑块结构与竖向加载机构相连，导轨的轴线与水平加载机构的轴线平行。

所述导轨为反力梁，滑块结构包括找正箱，找正箱上开设有供反力梁通过的让位结构，找正箱内设有滚杆，滚杆的轴线沿反力梁的宽度方向延伸，反力梁的下侧具有与滚杆滚动配合的上配合面，找正箱的上部设有上部轴承，上部轴承的轴线沿反力梁的宽度方向延伸，反力梁的下侧具有与上部轴承滚动导向配合的下配合面，找正箱通过上部轴承悬挂在反力梁上。

所述找正箱上设有用于限制找正箱向反力梁两侧移动的限位轴承，限位轴承的轴线上下延伸，限位轴承设于反力梁的两侧面且与反力梁滚动配合。

本发明的有益效果：本发明的冻土环境中桩基模型试验装置能够在模拟冻土环境中桩基受力工况，且与实际工况的相似度高，不仅可单独完成水平与竖向的静载实验，也可完成水平与竖向荷载共同作用的静载实验；在进行水平方向的静动力加载时，可模拟实际工程中上部结构产生的竖向荷载。本发明为冻土环境中桩基础的承载特性研究提供良好的基础。

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，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，行走机构包括导轨和滑块，其工作原理和结构简单，便于加工。

进一步的，限位轴承可限制找正箱向反力梁两侧移动，即可避免找正箱发生侧移，进而能避免竖向加载机构发生侧移，提高了试验精度。

附图说明

图1是本发明的冻土环境中桩基模型试验装置的实施例1的主视图；

图2是本发明的冻土环境中桩基模型试验装置的实施例1的后视图；

图3是本发明的冻土环境中桩基模型试验装置的实施例1的左视图(带剖视)；

图4是本发明的冻土环境中桩基模型试验装置的实施例1的俯视图；

图5是制冷系统的结构示意图；

图6是竖向加载机构的主视图；

图7是竖向加载机构的左视图；

图8是行走机构的横剖视图；

图9是行走机构的纵剖视图；

图10是行走机构的俯视图；

图11是水平荷载加载机构的结构示意图；

图12是轴向支座与底座的连接结构示意图；

图13是底座的结构示意图。

具体实施方式

本发明的冻土环境中桩基模型试验装置的实施例1，如图1-13所示：该冻土环境中桩基模型试验装置包括土箱1、加载框架2、模型桩3、水平加载机构4、竖向加载机构101、冷却系统102和行走机构103。

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，模型桩的上端的周面上设有位移传感器104，位移传感器104用于测试模型桩的水平位移和竖直位移。

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和竖向加载机构101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。水平加载机构的数量为一个。在本实施例中，水平加载机构的轴线左右延伸。

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和止转装配在旋转轴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6111，环形凹槽内设有钢珠6112。钢珠可减小轴向支座与加载轴之间的摩擦力。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。

系统输入的水平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。

系统输入的水平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。

竖向加载机构101用于向模型桩施加竖向加载力，行走机构103用于补偿模型桩的水平位移，竖向加载机构101设在行走机构103上。

竖向加载机构101包括可上下移动的螺旋千斤顶1011，螺旋千斤顶1011的下部设有压力传感器1012，该压力传感器1012用于读取所施加竖向静荷载的大小。

行走机构103包括导轨和滑动导向装配于导轨上的滑块结构，滑块结构与竖向加载机构相连，导轨的轴线与水平加载机构的轴线平行。在本实施例中，导轨为反力梁1031，反力梁1031固定装配于加载框架上，反力梁1031的截面为方形，滑块结构包括找正箱1032，找正箱1032上开设有供反力梁1031通过的让位结构，该让位结构为让位槽1033，在其它实施例中，还可以为让位孔。找正箱1032内滚动装配有滚杆1034，滚杆1034的轴线沿反力梁1031的宽度方向延伸，反力梁1031的下侧具有与滚杆1034滚动配合的上配合面，找正箱1032的上部设有上部轴承1035，上部轴承1035的轴线沿反力梁1031的宽度方向延伸，反力梁1031的下侧具有与上部轴承1035滚动导向配合的下配合面，找正箱通过上部轴承悬挂在反力梁上。找正箱1032上设有用于限制找正箱向反力梁前后两侧移动的限位轴承1036，限位轴承1036的轴线上下延伸，限位轴承1036设于反力梁的两侧面且与反力梁滚动配合。找正箱1032与螺旋千斤顶1011之间通过上下延伸的扩大头1013连接。在本实施例中，上部轴承1035有两个，分别位于反力梁1031的前、后两侧；限位轴承1036有四个，其中两个位于反力梁1031的前侧且间隔设置，另两个位于反力梁1031的后侧且间隔设置；滚杆1034的两端通过端部轴承1037装配于找正箱1032上。

冷却系统102用于将土体11制备为冻土，并能调节冻土的温度。由于冷却系统102包括制冷管1021，制冷管1021围设于土体的外周，制冷管1021上设有毛细管1022，土体11与土箱1的内壁之间设有保温材料1023，土箱1的外部设有冷凝器1024，冷凝器1024与制冷管1021的一端连接，冷凝器1024通过进气管1026与压缩机1027相连，压缩机1027通过出气管1025与制冷管1021的另一端连接，压缩机1027上还连接有温控器1028，温控器1028上连接有温度传感器1029，该温度传感器设于土体11内。

采用本发明的冻土环境中桩基模型试验装置的实施例1进行试验时的试验过程如下：

在运行试验前，首先进行对箱体1中的冻土的温度进行调节。施加载荷前，首先完成对土体的冷却，先将制冷系统内充入制冷剂，启动压缩机1027，根据所需要的土体负温环境，由温控器1028设定压缩机工作的上限及下限温度，将常温制冷剂加压后，使之通过进气管1026流入冷凝器1024，借助散热片散热后，气态制冷剂冷凝成液态。高压液态的制冷剂通过毛细管1022进入制冷管1021后，压力急剧减小，蒸发变成气体，伴随着该过程将土体内部的热量带走，之后制冷剂通过出气管1025进入压缩机1037，如此循环，达到冷却土体的目的，通过温控器1028调节获得不同温度的冻土。试验过程中可制作一层塑料薄膜，在土体冻结过程中严密覆盖于试验箱上部敞口处，使桩–土体系与外界热空气隔开，仅处于制冷系统所营造的负温环境中。

一、向静荷载施加的操作步骤：

拧动螺旋千斤顶，通过调节螺纹的长度实现不同的竖向力，通过压力传感器来读取所施加竖向压力的大小，通过位移传感器测得模型桩的沉降量。通过温控器调节获得不同温度的冻土。

二、水平静荷载施加的操作步骤：

在水平方向上，切断电机的电源，用扳手拧紧电机轴并缓慢转动，电机轴带动偏心轮转动，减摩轴承822与加载轴6的端部接触并推动加载弹簧5将荷载施加给模型桩。通过温控器1028调节获得不同温度的冻土。

三、竖向和水平静载共同作用操作步骤：

在水平方向上，用扳手拧紧电机轴并缓慢转动，电机轴带动偏心轮转动，减摩轴承822与加载轴6的端部接触并推动加载弹簧5将荷载施加给模型桩。在竖直方向上，拧动螺旋千斤顶，通过调节螺纹的长度实现不同的竖向力，通过压力传感器来读取所施加竖向压力的大小。加载过程中当模型桩产生水平位移时，找正箱会紧随模型桩沿反力梁移动产生同样方向的水平位移，同时保证施加的竖向静荷载不间断。通过温控器仪调节获得不同温度的冻土。

四、考虑竖向荷载作用下水平动荷载操作步骤：

进行加载试验前，先将模型桩埋置在冻土中，将电机接通电源。

在水平方向，启动电机，电机轴带动偏心轮转动，减摩轴承822与加载轴6的端部接触并推动加载弹簧5将荷载施加给模型桩。

在竖直方向，当模型桩产生水平方向上的位移时，找正箱内的滚杠与反力梁接触并沿反力梁方向产生相同的位移，滑动箱上部设置的四个限位轴承会严格限制了找正箱的横向侧移，两个上部向轴承使找正箱能悬挂在反力梁上并沿纵向移动，从而实现竖向荷载稳定不间断的施加，且作用在桩顶的作用点不改变。竖向荷载的大小主要通过螺旋千斤顶的螺栓拧紧长度决定，其大小由连接在螺旋千斤顶下端的压力传感器测量读取。

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，水平加载机构还可以为两个或两个以上，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，还可以省去端部轴承；还可以省去限位轴承。

在其它实施例中，导轨和滑块结构还可以采用其它的配合结构，如导轨的下端面上设有导槽，滑块结构的上部的两侧具有凸部，凸部伸入导槽内且与导槽滑动配合；或滑块结构的两侧壁上开设有滑槽，滑动结构上具有与滑槽配合的插入配合结构。

Claims (7)

1.冻土环境中桩基模型试验装置，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：还包括用于向模型桩施加竖向加载力的竖向加载机构，所述水平加载机构有一个或两个以上，所述竖向加载机构设在用于补偿模型桩的水平位移的行走机构上，所述水平加载机构的数量为一个，所述行走机构包括导轨和滑动导向装配于导轨上的滑块结构，滑块结构与竖向加载机构相连，导轨的轴线与水平加载机构的轴线平行，所述导轨为反力梁，滑块结构包括找正箱，找正箱上开设有供反力梁通过的让位结构，找正箱内设有滚杆，滚杆的轴线沿反力梁的宽度方向延伸，反力梁的下侧具有与滚杆滚动配合的上配合面，找正箱的上部设有上部轴承，上部轴承的轴线沿反力梁的宽度方向延伸，反力梁的下侧具有与上部轴承滚动导向配合的下配合面，找正箱通过上部轴承悬挂在反力梁上。

2.根据权利要求1所述的冻土环境中桩基模型试验装置，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所述的冻土环境中桩基模型试验装置，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设置在加载轴与模型桩之间。

4.根据权利要求3所述的冻土环境中桩基模型试验装置，其特征在于：往复驱动机构包括旋转轴和止转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。

5.根据权利要求4所述的冻土环境中桩基模型试验装置，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。

6.根据权利要求1所述的冻土环境中桩基模型试验装置，其特征在于：所述竖向加载机构包括可上下移动的螺旋千斤顶。

7.根据权利要求1所述的冻土环境中桩基模型试验装置，其特征在于：所述找正箱上设有用于限制找正箱向反力梁两侧移动的限位轴承，限位轴承的轴线上下延伸，限位轴承设于反力梁的两侧面且与反力梁滚动配合。