CN104480978B - 基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置 - Google Patents

基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，包括模型箱、支架及桩基竖向承载力加载系统和桩基横向承载力加载系统，模型箱内盛装地基土，试验桩插入地基土；桩基竖向承载力加载系统包括竖向荷载加载平台和竖向荷载加载板，支架上设置竖向位移计，竖向位移计探头与竖向荷载加载平台连接；桩基横向承载力加载系统包括横向荷载加载平台、横向荷载加载板和横向位移计，横向荷载加载平台连接有先向上延伸然后延伸至模型箱内且固定在竖向荷载加载平台上的钢丝绳。该试验系统可对试验桩施加竖向和横向的组合荷载，还可对试验桩分别施加竖向荷载和横向荷载，其各部件安装灵活性高，并可以实现不停机分级加载的目的。

Description

基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置
技术领域
本发明属于桩基承载特性的试验技术领域，具体涉及一种基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置。
背景技术
桩基础离心模型试验有高转速、高应力场的特点，在高转速条件下对桩基础施加竖向和横向荷载具有一定的困难。目前已有的可用于离心模型试验的桩基试验装置都仅仅考虑了单独进行桩基竖向荷载的施加和单独进行桩基横向荷载的施加方式及相关加载装置，并没有可同时施加竖向和横向荷载的施加方式及相关加载装置。
现有的荷载加载方式采用千斤顶施加，千斤顶固定在反力架上。千斤顶自重大，在离心试验中的强大加速度场中需要十分稳固的固定方式，且对桩基施加分级荷载时需暂停离心机，操作人员进入离心室进行人工操作，十分不便；且由于千斤顶固定在反力架上，反力架作为千斤顶的反力支撑装置，试验中对桩基施加的荷载越大，反力架的固定要求越高，因此，千斤顶对桩基施加的荷载大小有限。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置。该试验装置可以对试验桩施加竖向和横向荷载，并且可根据需要对试验桩同时施加竖向和横向荷载；该试验系统各部件安装灵活性高，可满足试验桩在不同埋设位置上试验系统的准确安装，使试验快捷准确的进行，并且能够充分利用离心机产生的可动态控制大小的加速度场，实现不停机分级加载的目的。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：包括安装在土工离心机吊篮内的模型箱、安装在所述模型箱上方的支架，以及桩基竖向承载力加载系统和桩基横向承载力加载系统，所述模型箱内盛装有地基土，试验桩插入所述地基土内；所述桩基竖向承载力加载系统包括设置在所述试验桩上端的竖向荷载加载平台和安装在所述竖向荷载加载平台上的竖向荷载加载板，所述支架上设置有用于测量所述试验桩竖向位移量的竖向位移计，所述竖向位移计的探头与竖向荷载加载平台相连接；所述桩基横向承载力加载系统包括设置在所述模型箱外侧的横向荷载加载平台、安装在所述横向荷载加载平台上的横向荷载加载板和位于所述模型箱内且用于测量所述试验桩的水平位移的横向位移计，所述横向位移计水平放置且其探头与试验桩连接，所述横向荷载加载平台连接有先向上延伸然后再延伸至模型箱内且固定在竖向荷载加载平台上以传递横向荷载的钢丝绳。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支架伸出模型箱的部分连接有平台防护板，所述平台防护板上安装有位于横向荷载加载平台外侧的平台防护网。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支架包括两个平行布设的支撑杆以及平行布设的第一反力梁和第二反力梁，所述支撑杆安装在模型箱的上方，所述第一反力梁和第二反力梁均设置在支撑杆的上方，所述第一反力梁和第二反力梁均与所述支撑杆相垂直，所述第一反力梁上连接有用于安装所述竖向位移计的竖向位移计固定板，所述支撑杆伸出模型箱，且所述平台防护板安装在支撑杆伸出模型箱的部位。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支撑杆上开设有用于引导所述第一反力梁移动的第一滑槽，所述第一反力梁上安装有伸入所述第一滑槽的第一定位螺栓。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述第一反力梁上开设有沿其长度方向延伸的第二滑槽，所述竖向位移计固定板通过伸入所述第二滑槽的第二定位螺栓连接。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支架上设置有用于将从横向荷载加载平台向上延伸的钢丝绳引导成水平延伸的第一滑轮、用于将从第一滑轮引出且水平延伸的钢丝绳引导成竖直向下的第二滑轮和用于将从第二滑轮引出且竖直向下的钢丝绳水平引导至竖向荷载加载平台的第三滑轮。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：一个所述支撑杆靠近试验桩的一侧面连接有用于固定所述横向位移计的横向位移计固定板，所述支撑杆的另一侧面连接有用于安装所述第三滑轮的滑轮固定板。
上述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支撑杆的一侧面上开设有沿其长度方向延伸的第三滑槽，所述横向位移计固定板通过伸入所述第三滑槽的第三定位螺栓连接；所述支撑杆的另一侧面上开设有沿其长度方向延伸的第四滑槽，所述滑轮固定板通过伸入所述第四滑槽的第四定位螺栓连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单，设计新颖合理。
2、本发明有效的利用了土工离心机转动起来的加速度场，配合可更换的竖向荷载加载板和横向荷载加载板，实现了对试验桩竖向分级加载的目的和对试验桩横向分级加载的目的。
3、本发明桩基竖向承载力加载系统和桩基横向承载力加载系统可分别单独安装，亦可同时安装，这样的设计可分别进行桩基横向荷载加载试验、桩基竖向荷载加载试验或桩基横竖向同时加载的试验，其适用范围大大增加。
4、本发明支撑杆与第一反力梁相接部位开有第一滑槽，使第一反力梁可沿着支撑杆轴线方向移动；第一反力梁与竖向位移计固定板相接的部位开有第二滑槽，使竖向位移计固定板可沿着第一反力梁长度方向移动；支撑杆与滑轮固定板相连部位开有第四滑槽，支撑杆与横向位移计固定板相连部位开有第三滑槽，使滑轮固定板和横向位移计固定板可沿着支撑杆轴线移动。这样的设计增加了布设试验系统时的灵活性，在该试验系统布设在不同位置上时，横向位移计和竖向位移计均可准确安装在与试验桩相相应的位置。
5、本发明的实现成本低，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明结构简单，设计新颖合理，工作可靠性高，使用寿命长，安装简便，分级加载效果好，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为图1中的A-A剖视图。
图3为图1中的B-B剖视图。
图4为本发明横向荷载加载板安装在横向荷载加载平台上的位置关系示意图。
图5为利用本发明模拟桩基竖向和横向承载特性时试验桩的受力示意图。
图6为利用本发明模拟桩基横向承载特性时试验桩的受力示意图。
图7为本发明与土工离心机配合使用的结构示意图。
附图标记说明:
1—模型箱；2—支架；2-1—支撑杆；
2-2—第一反力梁；2-3—第二反力梁；2-4—第一滑槽；
2-5—第二滑槽；2-6—第四滑槽；3—竖向荷载加载平台；
4—竖向荷载加载板；5—试验桩；6—横向位移计；
7—横向位移计固定板；8—第二滑轮；9—滑轮固定板；
10—第三滑轮；11—竖向位移计固定板；12—竖向位移计；
13—横向荷载加载板；14—固定柱；15—地基土；
16—平台防护网；17—平台防护板；18—钢丝绳；
19—第一滑轮；20—横向荷载加载平台；21—土工离心机；
21-1—吊篮；21-2—离心机转轴；21-3—离心机转臂；
21-4—吊篮转轴；21-5—吊篮底板。
具体实施方式
如图1-图7所示的一种基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，包括安装在土工离心机21吊篮21-1内的模型箱1、安装在所述模型箱1上方的支架2，以及桩基竖向承载力加载系统和桩基横向承载力加载系统，所述模型箱1内盛装有地基土15，试验桩5插入所述地基土15内；所述桩基竖向承载力加载系统包括设置在所述试验桩5上端的竖向荷载加载平台3和安装在所述竖向荷载加载平台3上的竖向荷载加载板4，所述竖向荷载加载平台3设置有用于定位竖向荷载加载板4的固定柱14，所述支架2上设置有用于测量所述试验桩5竖向位移量的竖向位移计12，所述竖向位移计12的探头与竖向荷载加载平台3相连接；所述桩基横向承载力加载系统包括设置在所述模型箱1外侧的横向荷载加载平台20、安装在所述横向荷载加载平台20上的横向荷载加载板13和位于所述模型箱1内且用于测量所述试验桩5的水平位移的横向位移计6，所述横向位移计6水平放置且其探头与试验桩5连接，所述横向荷载加载平台20连接有先向上延伸然后再延伸至模型箱1内且固定在竖向荷载加载平台3上以传递横向荷载的钢丝绳18。
如图3所示，所述支架2伸出模型箱1的部分连接有平台防护板17，所述平台防护板17上安装有位于横向荷载加载平台20外侧的平台防护网16。
如图1、图2和图3所示，所述支架2包括两个平行布设的支撑杆2-1以及平行布设的第一反力梁2-2和第二反力梁2-3，所述支撑杆2-1安装在模型箱1的上方，所述第一反力梁2-2和第二反力梁2-3均设置在支撑杆2-1的上方，所述第一反力梁2-2和第二反力梁2-3均与所述支撑杆2-1相垂直，所述第一反力梁2-2上连接有用于安装所述竖向位移计12的竖向位移计固定板11，所述支撑杆2-1伸出模型箱1，且所述平台防护板17安装在支撑杆2-1伸出模型箱1的部位。所述支架2结构简单，组装方便快捷。
如图1所示，所述支撑杆2-1上开设有用于引导所述第一反力梁2-2移动的第一滑槽2-4，所述第一反力梁2-2上安装有伸入所述第一滑槽2-4的第一定位螺栓。
如图2所示，所述第一反力梁2-2上开设有沿其长度方向延伸的第二滑槽2-5，所述竖向位移计固定板11通过伸入所述第二滑槽2-5的第二定位螺栓连接。
如图2和图3所示，所述支架2上设置有用于将从横向荷载加载平台20向上延伸的钢丝绳18引导成水平延伸的第一滑轮19、用于将从第一滑轮19引出的且水平延伸的钢丝绳18引导成竖直向下的第二滑轮8和用于将从第二滑轮8引出且竖直向下的钢丝绳18水平引导至竖向荷载加载平台3的第三滑轮10。
如图2和图3所示，两个支撑杆2-1中一个所述支撑杆2-1靠近试验桩5的一侧面连接有用于固定所述横向位移计6的横向位移计固定板7，所述支撑杆2-1的另一侧面连接有用于安装所述第三滑轮10的滑轮固定板9。
结合图2和图3，所述支撑杆2-1的一侧面上开设有沿其长度方向延伸的第三滑槽，所述横向位移计固定板7通过伸入所述第三滑槽的第三定位螺栓连接；所述支撑杆2-1的另一侧面上开设有沿其长度方向延伸的第四滑槽2-6，所述滑轮固定板9通过伸入所述第四滑槽2-6的第四定位螺栓连接。本实施例中，所述第三滑槽和第四滑槽2-6相贯通。
如图5所示，当进行单根桩的竖向承载特性试验系统的安装时，首先将竖向位移计12用螺栓固定在竖向位移计固定板11上；然后将带有竖向位移计12的竖向位移计固定板11用螺栓固定在第一反力梁2-2的一侧面上，其中竖向位移计12的探头向下；根据竖向位移计12的探头与试验桩5上的竖向荷载加载平台3之间的相对位置，使第一反力梁2-2沿着支撑杆2-1上的第一滑槽2-4作相应移动调整，直到竖向位移计12的探头到达竖向荷载加载平台3上合适的位置，用螺栓将竖向位移计12的探头卡在竖向荷载加载平台3上；最后将第一滑槽2-4上的第一定位螺栓拧紧，固定，桩基竖向荷载试验系统安装完成。
结合图7所示，土工离心机21是一种可以提供人造高重力场的试验仪器。所述土工离心机21包括吊篮21-1、离心机转轴21-2、离心机转臂21-3和吊篮转轴21-4，使用时，将安装好的桩基竖向荷载试验系统设置在吊篮21-1内的吊篮底板21-5上。土工离心机21未开动时，吊篮21-1中的加速度场a即为重力加速度g，方向与吊篮底板21-5垂直。土工离心机21运行时，离心机转臂21-3带动着吊篮21-1绕离心机转轴21-2高速旋转，而吊篮21-1会在离心力作用下绕吊篮转轴21-4转动，从而发生倾斜，此时模型箱1中的加速度场a是地球重力场g(竖直方向)和离心力产生的加速度场(水平方向)的矢量之和，该加速度场a的方向相对于吊篮21-1并未改变，依然垂直于吊篮底板21-5。土工离心机21运行时，吊篮21-1中存在离心加速度场a，由于吊篮21-1可绕吊篮转轴21-4进行转动调节，因此该加速度场a的方向在离心机转速不同时始终与吊篮底板21-5垂直。在离心加速度场a的作用下，质量为m1的竖向荷载加载板4对试验桩5桩顶产生竖直向下的力F1，其中F1＝m1×a；若将土工离心机21运行加速度分别设定为50g、100g、150g、200g时，即吊篮21-1中的离心加速度场a为50g、100g、150g、200g，当在试验桩5桩顶加载竖向荷载加载板4的质量为m1时，则对桩顶产生的力F1分别为50m1g、100m1g、150m1g、200m1g，从而达到对桩顶不停机分级加载的目的，并通过竖向位移计12对试验桩5竖向位移进行测量。
如图2和图4所示，当进行单根桩的横向承载特性试验系统的安装时，首先将横向位移计6用螺栓固定在横向位移计固定板7下端；其次将装有横向位移计6的横向位移计固定板7用螺栓固定在一个支撑杆2-1内侧，将第一滑轮19安装在第二反力梁2-3的下底面上，将第二滑轮8安装在第一反力梁2-2的下底面，将滑轮固定板9安装在所述支撑杆2-1的外侧；然后将钢丝绳18一端分别穿过第一滑轮19、第二滑轮8和第三滑轮10，经过横向位移计固定板7上的开槽到达竖向荷载加载平台3并可拆卸的固定于其上，钢丝绳18另一端固定在横向荷载加载平台20上；最后将装有平台防护网16的平台防护板17安装在支撑杆2-1伸出模型箱1部分的外侧，从而防止试验过程中横向荷载加载平台20的摇摆，至此，桩基横向荷载加载试验安装完成。
如图6所示，与桩基竖向荷载加载试验相同，利用土工离心机21带动吊篮21-1转动，质量为m2的横向荷载加载板13对钢丝绳18产生竖直向下的拉力F2，其中F2＝m2×a。由于钢丝绳18另一端固定在试验桩5桩顶的竖向荷载加载平台3，方向水平，通过钢丝绳18对拉力F2的传递，最终使得拉力F2水平向的作用在了试验桩5顶部。横向荷载加载板13对试验桩5施加水平荷载的原理与上述桩基竖向荷载加载试验类似：当土工离心机21运行加速度分别设定为50g、100g、150g、200g，质量为m2的横向荷载加载板13通过钢丝绳18对桩顶产生了水平方向的力F2，大小分别为50m2g、100m2g、150m2g、200m2g，从而达到不停机分级加载的目的，并通过横向位移计6对试验桩5横向位移进行测量。
当进行单根桩的横向和竖向组合荷载下的承载特性试验时，分别按上述进行单根桩的竖向承载特性试验系统的安装方法和进行单根桩的横向承载特性试验系统的安装方法进行试验系统的安装固定，从而将桩基竖向荷载加载系统和桩基横向荷载加载系统同时安装，对试验桩5进行横向和竖向组合荷载的加载试验。依据上述方式，还可以同时对两根试验桩5进行承载特性试验。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：包括安装在土工离心机(21)吊篮(21-1)内的模型箱(1)、安装在所述模型箱(1)上方的支架(2)，以及桩基竖向承载力加载系统和桩基横向承载力加载系统，所述模型箱(1)内盛装有地基土(15)，试验桩(5)插入所述地基土(15)内；所述桩基竖向承载力加载系统包括设置在所述试验桩(5)上端的竖向荷载加载平台(3)和安装在所述竖向荷载加载平台(3)上的竖向荷载加载板(4)，所述支架(2)上设置有用于测量所述试验桩(5)竖向位移量的竖向位移计(12)，所述竖向位移计(12)的探头与竖向荷载加载平台(3)相连接；所述桩基横向承载力加载系统包括设置在所述模型箱(1)外侧的横向荷载加载平台(20)、安装在所述横向荷载加载平台(20)上的横向荷载加载板(13)和位于所述模型箱(1)内且用于测量所述试验桩(5)的水平位移的横向位移计(6)，所述横向位移计(6)水平放置且其探头与试验桩(5)连接，所述横向荷载加载平台(20)连接有先向上延伸然后再延伸至模型箱(1)内且固定在竖向荷载加载平台(3)上以传递横向荷载的钢丝绳(18)。
2.根据权利要求1所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支架(2)伸出模型箱(1)的部分连接有平台防护板(17)，所述平台防护板(17)上安装有位于横向荷载加载平台(20)外侧的平台防护网(16)。
3.根据权利要求2所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支架(2)包括两个平行布设的支撑杆(2-1)以及平行布设的第一反力梁(2-2)和第二反力梁(2-3
)，所述支撑杆(2-1)安装在模型箱(1)的上方，所述第一反力梁(2-2)和第二反力梁(2-3)均设置在支撑杆(2-1)的上方，所述第一反力梁(2-2)和第二反力梁(2-3)均与所述支撑杆(2-1)相垂直，所述第一反力梁(2-2)上连接有用于安装所述竖向位移计(12)的竖向位移计固定板(11)，所述支撑杆(2-1)伸出模型箱(1)，且所述平台防护板(17)安装在支撑杆(2-1)伸出模型箱(1)的部位。
4.根据权利要求3所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支撑杆(2-1)上开设有用于引导所述第一反力梁(2-2)移动的第一滑槽(2-4)，所述第一反力梁(2-2)上安装有伸入所述第一滑槽(2-4)的第一定位螺栓。
5.根据权利要求3所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述第一反力梁(2-2)上开设有沿其长度方向延伸的第二滑槽(2-5)，所述竖向位移计固定板(11)通过伸入所述第二滑槽(2-5)的第二定位螺栓连接。
6.根据权利要求3所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支架(2)上设置有用于将从横向荷载加载平台(20)向上延伸的钢丝绳(18)引导成水平延伸的第一滑轮(19)、用于将从第一滑轮(19)引出且水平延伸的钢丝绳(18)引导成竖直向下的第二滑轮(8)和用于将从第二滑轮(8)引出且竖直向下的钢丝绳(18)水平引导至竖向荷载加载平台(3)的第三滑轮(10)。
7.根据权利要求6所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：一个所述支撑杆(2-1)靠近试验桩(5)的一侧面连接有用于固定所述横向位移计(6)的横向位移计固定板(7)，所述支撑杆(2-1)的另一侧面连接有用于安装所述第三滑轮(10)的滑轮固定板(9)。
8.根据权利要求7所述的基于土工离心机模拟桩基竖向和横向承载特性的试验装置，其特征在于：所述支撑杆(2-1)的一侧面上开设有沿其长度方向延伸的第三滑槽，所述横向位移计固定板(7)通过伸入所述第三滑槽的第三定位螺栓连接；所述支撑杆(2-1)的另一侧面上开设有沿其长度方向延伸的第四滑槽(2-6)，所述滑轮固定板(9)通过伸入所述第四滑槽(2-6)的第四定位螺栓连接。
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