CN104515734B - 一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及模拟方法 - Google Patents

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本发明公开一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及其模拟方法,加载系统用螺栓固定在反力架上,推拉电动机固定在反力架上,推拉杆连接在推拉电动机上,在推拉杆中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉杆连接,拉压传感器导线连接在加载数据控制设备上;推拉杆通过反力架上的预留孔与加载系统连接;模型桩上端通过连接套管连接在推拉杆的下方;模型桩穿过定位板上的预留孔,定位板通过连接钮扣固定在支架上,固定在模型桩桩顶通过连接套管连接在推拉杆的下方,反力架上的预留孔与穿过定位板上的预留孔在同一铅垂线上;模型桩下端穿过定位板上的预留孔伸入模型箱内。可以提高试验精度,可以通过可视化装置直观的观察到试验过程中桩与土的变化。

Description

一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及模拟方法
技术领域
[0001 ]本发明属于试验设备技术领域,涉及一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置,本 发明还涉及该管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法。
背景技术
[0002] 管粧竖向静载是一个复杂的过程,包括竖向抗压和竖向抗拔。室内模型试验是一 种研究管粧静载的有效手段,可以通过室内模型试验的方法研究其机理。目前,管粧竖向静 载试验多为现场原位试验,室内模拟试验应用还是很少,室内静载模拟试验在抗拔方面的 研究更为少见,而且室内模拟试验的试验装置及模拟方法还很不成熟。现有的试验模型箱 有用砖块、水泥和砂浆砌成的矩形容器。该方法施工简单,容易实现而且造价较低,但是此 模型箱不可移动并且不便于观察试验过程中粧与土的变化。现有的试验模型箱还有用角钢 和钢板焊接而成的,该模型箱与用砖块、水泥和砂浆砌成的矩形容器相比有一定的优点,该 模型箱便于移动,便于试验过程中的移动需要,但是此模型箱仍然不便于观察试验过程中 粧与土的变化。现有的加载装置也是各有不同,有采用特制螺杆,以人工匀速旋转施加粧顶 荷载的试验加载装置,该加载装置螺杆旋转可能产生扭矩,对试验的干扰比较大,从而导致 试验的控制精度降低。现有的加载装置也有用伺服电机加载的,该装置人为干扰的影响相 对较小,相对采用特制螺杆加载的装置试验的控制精度有了大幅提高,但是此加载方式不 能很好的模拟现实中的管粧竖向静载试验。
[0003] 综上可知,现有的管粧室内模拟装置及模拟方法各有优缺点,所以选择一种更优 的管粧室内模拟装置及模拟方法对试验的精度控制很关键。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷,提供一种管粧竖向静载试验可视 化模拟装置,可以很好的模拟现实中的管粧竖向静载试验,不仅可以模拟竖向抗压试验,还 可以模拟竖向抗拔试验,提高试验精度,可以恒力和均匀加载,可以自由调节,方便压单粧 和群粧。更重要的一点是,可以通过可视化装置很直观的观察到试验过程中粧与土的变化。
[0005] 本发明的另一目的是提供该管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案是,一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置,加载系统 用螺栓固定在反力架上,加载系统包括推拉电动机、拉压传感器和推拉杆;推拉电动机固定 在反力架上,推拉杆连接在推拉电动机上,在推拉杆中间部位通过内置螺纹将拉压传感器 和推拉杆连接,拉压传感器导线连接在加载数据控制设备上;推拉杆通过反力架上的预留 孔与加载系统连接;模型粧上端通过连接套管连接在推拉杆的下方,连接套管中部为薄钢 板,上部为与推拉杆匹配的圆形钢管,下部为与模型粧匹配的半圆形钢管;模型粧穿过定位 板上的预留孔,定位板通过连接钮扣固定在支架上,固定在模型粧粧顶通过连接套管连接 在推拉杆的下方,反力架上的预留孔与穿过定位板上的预留孔在同一铅垂线上;模型粧下 端穿过定位板上的预留孔伸入模型箱内。
[0007] 本发明所采用的另一技术方案是:一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟 方法,包括以下步骤:
[0008] 步骤1,调整好实验装置,将模型粧压到所需做静载试验的位置;
[0009] 步骤2,试验加载的位移通过加载系统控制,粧顶位移具体是通过控制加载系统里 的推拉电动机的转速来控制,推拉电动机内置有计数器,计数器可以记录累计脉冲个数,精 确记录推拉杆的位移,整个过程由预编程序来控制操作;
[0010] 步骤3,加载系统里有一个拉压传感器,可以测出竖向抗压静载时的粧顶荷载大小 及竖向抗拔时的所施加的抗拔力大小;
[0011] 步骤4,可以通过粧顶荷载大小和粧顶位移量绘出P-S曲线;
[0012] 当粧身荷载逐级施加于粧顶时,粧身受到压缩而产生向下的位移,通过粧身各断 面处轴力可以计算出第i断面至第i+1断面间粧身侧摩阻力,具体计算如下:
[0013]
Figure CN104515734BD00051
[0014]式中:qs(i,i+l)--第i断面至第i+1断面间粧身侧摩阻力 [0015] Qi-粧身各断面处轴力
[0016] Asl-第i断面至第i+1断面间粧侧表面积
[0017] 各断面处的粧身轴力Qi:
[0018] Qi = EpApei
[0019] 式中:
[0020] Ep-粧身弹性模量;
[0021] Ap-粧身截面积。
[0022] 本发明的有益效果为:首先,由于试验过程中反力架一般是固定不动的,但有时试 验需要改变压粧位置,本发明模型箱便于移动,为试验提供了有利条件。同时,试验设备可 进行竖向抗压静载试验和竖向抗拔静载试验,分级加载控制可实现伺服控制且数据实现自 动采集保证精度减少人为误差。其次,可以通过可视化装置很直观的观察到试验过程中粧 与土的变化。
附图说明
[0023] 图1为本发明的模型试验装置结构示意图。
[0024]图2为本发明的模型试验装置正二视图。
[0025] 图3为本发明的模型箱结构示意图。
[0026] 图4为本发明的连接套管结构示意图。
[0027] 图中,1.模型箱,2.定向滑轮,3.模型粧,4.支架固定钮扣,5.预留孔,6.连接套管, 7.推拉杆,8.加载系统,9.反力架,10.定位板,11.支架,12.连接钮扣,13.加载数据控制设 备,14.静态应变仪,15 .高清数码相机,16.电脑,17.钢板,18.横肋,19.钢化玻璃,61.薄钢 板,62.圆形钢管,63.半圆形钢管。
具体实施方式
[0028] 本发明管粧竖向静载试验可视化模拟装置的结构,如图1~4所示,加载系统8用螺 栓固定在反力架9上。加载系统8包括推拉电动机、拉压传感器和推拉杆7。推拉电动机固定 在反力架9上,推拉杆7连接在推拉电动机上,在推拉杆7中间部位通过内置螺纹将拉压传感 器和推拉杆连接起来,拉压传感器导线连接在加载数据控制设备13上。推拉杆7通过反力架 9上的预留孔5与加载系统8连接。四个支架11用支架固定钮扣4固定在地面滑槽上。模型粧3 采用半模铝管,上端通过连接套管6连接在推拉杆7的下方,该连接套管6中部为薄钢板61, 上部为与推拉杆7匹配的圆形钢管62,下部为与模型粧3匹配的半圆形钢管63。模型粧3穿过 定位板10上的预留孔5,定位板10通过连接钮扣12固定在支架11上,固定在模型粧3粧顶通 过连接套管6连接在推拉杆7的下方,通过保证反力架9上的预留孔5与穿过定位板10上的预 留孔5在同一铅垂线上来保证压粧的垂直度。模型粧3下端穿过定位板10上的预留孔5伸入 模型箱1内。
[0029] 模型箱1其中一个相邻两面为钢化玻璃19,另外一个相邻两面和模型箱底面为钢 板17,在模型箱侧面为钢化玻璃的中间部位装有由角钢和螺栓连接的横肋18。
[0030] 在试验准备阶段,首先在模型箱1内装满试验所用的试验用土,在模型粧3上等间 隔的贴上电阻式应变片,应变片用导线连接在静态应变仪14上,然后静态应变仪14连接在 电脑16上。其次,加载系统8连接在加载数据控制设备13上。最后,调节反力架9上的预留孔5 与定位板10上的预留孔5在同一铅垂线上,然后让模型粧3穿过定位板10上的预留孔5,将粧 顶和推拉杆7分别连接在连接套管6上。在模型箱1装有钢化玻璃19的一侧调整好高清数码 相机15,然后把高清数码相机15连接在电脑16上,并且在透明玻璃上标定4个不动点,主要 是为了试验后期图像处理提供坐标点。试验准备完毕后,将粧压至目的位置开始做静载试 验,这里静载不仅可以做竖向抗压静载试验,还可以做竖向抗拔静载试验。
[0031]通过电阻式应变片、拉压传感器和土压力盒(土压力盒是填土过程中预埋在土层 中,土压力盒连接在静态应变仪14上)等仪器,可以分析试验数据,总结管粧竖向抗压静载 试验或竖向抗拔静载试验过程中粧侧压力沿粧身变化规律、在同一深度位置粧摩阻力变化 规律、粧身承载力变化情况和粧体时效性的变化情况。此发明试验过程中还有一个很重要 的方法,即利用高清数码相机15拍摄记录粧周土的变化情况,最后利用图片处理软件分析 粧周土体位移场的变化情况。
[0032]其中,模型箱1框架是由50mmX50mmX5mm角钢焊接而成,模型箱1其中两个相邻侧 面是由两块6mm厚钢板17与角钢焊接而成,另外两个相邻侧面是由两块12mm厚透明的钢化 玻璃19组成,底面是由6mm厚钢板17与角钢焊接而成,在模型箱1的底部安装四个定向滑轮 2,定向滑轮2落在固定在地上的滑槽上,目的是便于压粧需要而前后移动模型箱,定向滑轮 2上安装一个卡子,当模型箱移动至所需位置时用卡子固定好定向滑轮2即可。数据采集装 置主要是静态应变仪14和电脑16,采集实验过程中拉压传感器及应变片的实验数据。图像 采集装置主要是高清数码相机15和电脑16,通过图像采集装置可以很直观的观察到试验过 程中粧与土的变化。
[0033] -种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法,包括以下步骤:
[0034] 1)首先调整好实验装置,将模型粧3压到所需做静载试验的位置;
[0035] 2)试验加载的位移通过加载系统8控制,粧顶位移具体是通过控制加载系统8里的 推拉电动机的转速来控制,推拉电动机内置有计数器,计数器可以记录累计脉冲个数,精确 记录推拉杆的位移,整个过程由预编程序来控制操作;
[0036] 3)加载系统8里有一个拉压传感器,可以测出竖向抗压静载时的粧顶荷载大小及 竖向抗拔时的所施加的抗拔力大小;
[0037] 4)可以通过粧顶荷载大小和粧顶位移量绘出P-S曲线。
[0038] 当粧身荷载逐级施加于粧顶时,粧身受到压缩而产生向下的位移,通过粧身各断 面处轴力可以计算出第i断面至第i+1断面间粧身侧摩阻力,具体计算如下:
[0039]
Figure CN104515734BD00071
[0040] 式中:qs(i,i+l)-_第i断面至第i+1断面间粧身侧摩阻力
[00411 Qi-粧身各断面处轴力
[0042] Asl-第i断面至第i+1断面间粧侧表面积
[0043]各断面处的粧身轴力Qi:
[0044] Qi = EpApEi
[0045] 式中:
[0046] Ep-粧身弹性模量;
[0047] Ap-粧身截面积。
[0048] 还可做以下优化:
[0049] 1)在加载的时候设置一个导向装置,有了导向装置可以保证压粧过程中的垂直 度。导向装置可以自由调节和固定,这样就可以很方便的压单粧和群粧。
[0050] 2)在图像采集的过程中,为了避免外界光线的干扰和提高图像采集的精度,可以 在高清数码相机两边各打一个专用光源。

Claims (5)

1. 一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法,其特征在于,采用一种管粧竖 向静载试验可视化模拟装置,包括加载系统(8),加载系统(8)用螺栓固定在反力架(9)上, 加载系统(8)包括推拉电动机、拉压传感器和推拉杆(7);推拉电动机固定在反力架(9)上, 推拉杆(7)连接在推拉电动机上,在推拉杆(7)中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉 杆(7)连接,拉压传感器导线连接在加载数据控制设备(13)上;推拉杆(7)通过反力架(9)上 的预留孔(5)与加载系统(8)连接;模型粧(3)上端通过连接套管(6)连接在推拉杆(7)的下 方,连接套管(6)中部为薄钢板(61),上部为与推拉杆(7)匹配的圆形钢管(62),下部为与模 型粧(3)匹配的半圆形钢管(63);模型粧(3)穿过定位板(10)上的预留孔(5),定位板(10)通 过连接钮扣(12)固定在支架(11)上,反力架(9)上的预留孔(5)与穿过定位板(10)上的预留 孔(5)在同一铅垂线上;模型粧(3)下端穿过定位板(10)上的预留孔(5)伸入模型箱(1)内; 然后采用以下步骤进行: 步骤1,调整好实验装置,将模型粧压到所需做静载试验的位置; 步骤2,试验加载的位移通过加载系统控制,粧顶位移具体是通过控制加载系统里的推 拉电动机的转速来控制,推拉电动机内置有计数器,计数器可以记录累计脉冲个数,精确记 录推拉杆的位移,整个过程由预编程序来控制操作; 步骤3,加载系统里有一个拉压传感器,可以测出竖向抗压静载时的粧顶荷载大小及竖 向抗拔时的所施加的抗拔力大小; 步骤4,可以通过粧顶荷载大小和粧顶位移量绘出P-S曲线; 当粧身荷载逐级施加于粧顶时,粧身受到压缩而产生向下的位移,通过粧身各断面处 轴力可以计算出第i断面至第i+1断面间粧身侧摩阻力,具体计算如下:
Figure CN104515734BC00021
式中:qs(i,i+l)-_第i断面至第i+1断面间粧身侧摩阻力 Qi-粧身各断面处轴力 Asl-第i断面至第i+1断面间粧侧表面积 各断面处的粧身轴力Qi: Qi = EpAp£i 式中: Ep-粧身弹性模量; Ap-粧身截面积。
2. 根据权利要求1所述的一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法,其特征 在于,所述模型箱(1)其中一个相邻两面为钢化玻璃(19 ),另外一个相邻两面和底面为钢板 (17),在模型箱侧面为钢化玻璃的中间部位装有由角钢和螺栓连接的横肋(18)。
3. 根据权利要求1所述的一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法,其特征 在于,所述模型粧(3)上等间隔的贴有电阻式应变片,电阻式应变片用导线连接在静态应变 仪(14)上,静态应变仪(14)连接在电脑(16)上,模型箱(1)装有钢化玻璃(19)的一侧设置高 清数码相机(15),然后把高清数码相机(15)连接在电脑(16)上。
4. 根据权利要求1所述的一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法,其特征 在于,所述模型箱(1)的底部安装四个定向滑轮(2),定向滑轮(2)上安装一个卡子。
5.根据权利要求1所述的一种管粧竖向静载试验可视化模拟装置的模拟方法,其特征 在于,四个所述支架(11)用支架固定钮扣(4)固定在地面滑槽上。
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