CN105887945A - 一种振动拔桩试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动拔桩试验装置及其使用方法，在装置的下方设置有土槽，沿着土槽的四条棱设置有四条长度相同的纵梁，在纵梁上方设置有彼此平行的三条横梁与两条侧梁，在第二横梁下方设置有竖向加载机构，竖向加载机构下方设置有竖向振动机构；竖向振动机构上的竖向位移传感器与动态数据采集仪连接，动态数据采集仪与计算机连接。该装置可以模拟钢管桩基础所承受的振动荷载和竖向荷载的组合，测量记录拔桩时的上拔力大小、振动频率和振幅，以及钢管桩的位移，具有准确性和可靠性。对桩基础工程的设计，桩基承载力和抗拔承载力的计算具有重要意义。

Description

一种振动拔桩试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种桩基试验装置，尤其涉及一种振动拔桩试验装置及其使用方法。

背景技术

桩基础是一种具有悠久的历史且至今仍充满活力的基础形式，随着经济社会的发展与新材料的出现，桩基础由木、竹、石等天然的材料向混凝土和钢材等材料发展。钢材的抗压和抗拉强度高且抗剪能力强，因此钢管桩在海洋工程领域得到了广泛的应用和推广。因此，研究钢管桩的上拔过程具有重要的理论意义与工程应用价值。

振动拔桩是随着振动机械的发展而发展起来的，是一种新型的桩基础施工方法。通过研究发现，在振动荷载的作用下，在一定程度上能够减小土颗粒间的摩擦，进而减小拔桩时的土阻力，提高施工效率，并且在施工过程中能够方便地调整振动荷载的频率和振幅，以适应不同的地质条件，达到最佳施工效率。与传统的锤击式打桩相比，振动沉桩具有无噪声和无油污飞溅的环境污染的特点，施工质量好且费用低。从这个意义上讲，振动沉桩具有明显的环保性和高效性，因此也具有较好的发展前景和经济效益。

发明内容

本发明提出一种振动拔桩试验装置，使得小直径钢管桩在预设的周期性振动荷载的作用下拔桩，实现振动拔桩的过程，进而分析上拔力的大小，振幅和频率的大小对钢管桩上拔过程的影响，同时评估钢管桩的抗拔承载力大小。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种振动拔桩试验装置，在装置的下方设置有由底板和垂直于底板的四面侧板组成的土槽，沿着土槽的四条棱设置有四条长度相同的纵梁，纵梁的底端与底板相连，在纵梁上方设置有彼此平行的三条横梁(第一横梁、第二横梁与第三横梁)与两条侧梁，第二横梁与第一横梁和第三横梁的距离相等，在第二横梁下方设置有竖向加载机构，竖向加载机构下方设置有竖向振动机构；

其中竖向加载机构包括移动座、电动缸杆和电动缸，移动座设置在竖向加载机构的上端，与第二横梁固接，电动缸设置在竖向加载机构的下端，电动缸杆设置在电动缸上，电动缸杆可沿电动缸上下移动(电动缸杆移动时带动下方竖向振动机构一起移动)；

其中竖向振动机构的底端为一个圆盘形桩连接盘，用于与桩体进行连接，在桩连接盘上方设置有桩连接纵板；

在桩连接纵板一侧的下半部分设置竖向位移传感器，在桩连接纵板一侧的上半部分通过纵板连接块与音圈电机相连，音圈电机包括音圈电机第一部件、音圈电机第二部件和音圈电机第三部件，在音圈电机第三部件的外侧设置有音圈电机底板；

在桩连接纵板的另一侧设置有导轨连接块，在导轨连接块上设置有音圈电机导轨，导轨连接块能在音圈电机导轨上滑动，音圈电机导轨的外侧设置有音圈电机导轨底板；

在音圈电机的两侧设置有两块音圈电机侧板，音圈电机底板、音圈电机导轨底板和音圈电机侧板共同组成音圈电机和其他内部组件的外壁；

在音圈电机底板和音圈电机导轨底板的上端平面上设置有螺纹孔，二者通过与螺纹孔与竖向加载机构的电动缸杆的底端相连。

竖向位移传感器与动态数据采集仪连接，动态数据采集仪与计算机连接。

所述的音圈电机是一种特殊的形式的直接驱动直线电机，能够提供高速的竖向振动源，带动桩连接盘做竖向周期性振动，实现钢管桩的竖向周期性往复运动，振幅0-2mm，频率为0-20Hz。

一种振动拔桩试验装置的使用方法，按下列步骤进行：

步骤1：安装试验用的钢管桩，将钢管桩安装在加载装置下部，与桩连接盘固定；

步骤2：填砂，将砂土分层填入土槽中，每填完一层用滚筒将土压实，如此反复直到达到预定标高；

步骤3：开启音圈电机并设置较小的振幅和频率，开启电动缸并设置较小的上拔力，开启动态数据采集仪和计算机，记录钢管桩的上拔位移量。

步骤4：加大振幅和频率，或加大上拔力，重复上一步骤，直至钢管桩达到上拔破坏；

步骤5：试验结束后，依次关闭音圈电机、电动缸和动态数据采集仪，根据拔桩力和上拔位移量的关系，计算单桩抗拔承载力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：适用于小型比尺的钢管桩抗拔试验，该装置可以模拟钢管桩基础所承受的振动荷载和竖向荷载的组合，测量记录拔桩时的上拔力大小、振动频率和振幅，以及钢管桩的位移，具有相当的准确性和可靠性。对桩基础工程的设计，桩基承载力和抗拔承载力的计算具有重要意义。本实验装置结构简单，使用方便、快捷、操作性强，安装和卸载便捷，可重复利用，经济适用，易于推广。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的竖向加载机构结构示意图。

图3是竖向振动机构结构示意图。

图4是竖向振动机构内部结构示意图。

图5本发明使用状态的整体示意图。

图6实施例中钢管桩的位移-上拔力曲线图。

图中：1为纵梁，2为侧梁，3-1为第一横梁，3-2为第二横梁，3-3为第三横梁，4为土槽，4-1为底板，4-2为侧板，4-3为棱，5为移动座，6为竖向加载机构，7为竖向振动机构，8为电动缸杆，9为电动缸，10为音圈电机导轨底板，11为音圈电机侧板，12为音圈电机，12-1为音圈电机第一部件，12-2为音圈电机第二部件，12-3为音圈电机第三部件，13为音圈电机底板，14为桩连接盘，15为桩连接纵板，16为竖向位移传感器，17为音圈电机导轨，18为导轨连接块，19为纵板连接块，20为动态数据采集仪，21为计算机，22为螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种振动拔桩试验装置，在装置的下方设置有由底板和垂直于底板的四面侧板组成的土槽，沿着土槽的四条棱设置有四条长度相同的纵梁，纵梁的底端与底板相连，在纵梁上方设置有彼此平行的三条横梁(第一横梁、第二横梁与第三横梁)与两条侧梁，第二横梁与第一横梁和第三横梁的距离相等，在第二横梁下方设置有竖向加载机构，竖向加载机构下方设置有竖向振动机构；

其中竖向加载机构包括移动座、电动缸杆和电动缸，移动座设置在竖向加载机构的上端，与第二横梁固接，电动缸设置在竖向加载机构的下端，电动缸杆设置在电动缸上，电动缸杆可沿电动缸上下移动(电动缸杆移动时带动下方竖向振动机构一起移动)；

其中竖向振动机构的底端为一个圆盘形桩连接盘，用于与桩体进行连接，在桩连接盘上方设置有桩连接纵板；

在桩连接纵板一侧的下半部分设置竖向位移传感器，在桩连接纵板一侧的上半部分通过纵板连接块与音圈电机相连，音圈电机包括音圈电机第一部件、音圈电机第二部件和音圈电机第三部件，在音圈电机第三部件的外侧设置有音圈电机底板；

在桩连接纵板的另一侧设置有导轨连接块，在导轨连接块上设置有音圈电机导轨，导轨连接块能在音圈电机导轨上滑动，音圈电机导轨的外侧设置有音圈电机导轨底板；

在音圈电机的两侧设置有两块音圈电机侧板，音圈电机底板、音圈电机导轨底板和音圈电机侧板共同组成音圈电机和其他内部组件的外壁；

在音圈电机底板和音圈电机导轨底板的上端平面上设置有螺纹孔，二者通过与螺纹孔与竖向加载机构的电动缸杆的底端相连。

竖向位移传感器与动态数据采集仪连接，动态数据采集仪与计算机连接。

所述的音圈电机是一种特殊的形式的直接驱动直线电机，能够提供高速的竖向振动源，带动桩连接盘做竖向周期性振动，实现钢管桩的竖向周期性往复运动，振幅0-2mm，频率为0-20Hz。

下面以研究砂土中桩长50cm，桩径30mm，壁厚5mm的钢管桩的振动上拔过程作为实施例，按下列步骤进行：

步骤1：安装试验用的钢管桩，将钢管桩安装在加载装置下部，与桩连接盘固定。

步骤2：填砂，本次试验采用细砂作为地基土体，将砂土分层填入土槽中，每层砂土高度为15cm，每填完一层用滚筒将土压实，如此反复直到达到预定标高。

步骤3：开启音圈电机并设置较小的振幅和频率：A＝2mm，f＝5HZ，开启电动缸并设置较小的上拔力：20～40N，开启动态数据采集仪和计算机，记录钢管桩的上拔位移量。

步骤4：加大上拔力至5～10N，直至钢管桩达到上拔破坏，记录钢管桩的上拔位移。

步骤5：试验结束后，依次关闭音圈电机、电动缸和动态数据采集仪，根据拔桩力和上拔位移量的关系，计算单桩抗拔承载力。

在计算机中读取钢管桩在不同振动荷载作用下的上拔位移数据，绘制在以位移为横轴，上拔力为纵轴的坐标系内，可以得到钢管桩的位移-上拔力曲线图，如图6所示。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种振动拔桩试验装置，其特征在于：在装置的下方设置有由底板和垂直于底板的四面侧板组成的土槽，沿着土槽的四条棱设置有四条长度相同的纵梁，纵梁的底端与底板相连，在纵梁上方设置有彼此平行的三条横梁与两条侧梁，第二横梁与第一横梁和第三横梁的距离相等，在第二横梁下方设置有竖向加载机构，竖向加载机构下方设置有竖向振动机构；

其中竖向加载机构包括移动座、电动缸杆和电动缸，移动座设置在竖向加载机构的上端，电动缸设置在竖向加载机构的下端，电动缸杆设置在电动缸上，电动缸杆可沿电动缸上下移动；

其中竖向振动机构的底端为一个圆盘形桩连接盘，用于与桩体进行连接，在桩连接盘上方设置有桩连接纵板；

在桩连接纵板一侧的下半部分设置竖向位移传感器，在桩连接纵板一侧的上半部分通过纵板连接块与音圈电机相连，音圈电机包括音圈电机第一部件、音圈电机第二部件和音圈电机第三部件，在音圈电机第三部件的外侧设置有音圈电机底板；

在桩连接纵板的另一侧设置有导轨连接块，在导轨连接块上设置有音圈电机导轨，导轨连接块能在音圈电机导轨上滑动，音圈电机导轨的外侧设置有音圈电机导轨底板；

在音圈电机的两侧设置有两块音圈电机侧板，音圈电机底板、音圈电机导轨底板和音圈电机侧板共同组成音圈电机和其他内部组件的外壁；

在音圈电机底板和音圈电机导轨底板的上端平面上设置有螺纹孔，二者通过与螺纹孔与竖向加载机构的电动缸杆的底端相连；

竖向位移传感器与动态数据采集仪连接，动态数据采集仪与计算机连接。

2.如权利要求1所述的一种振动拔桩试验装置，其特征在于：所述的音圈电机是一种特殊的形式的直接驱动直线电机，能够提供高速的竖向振动源，带动桩连接盘做竖向周期性振动，实现钢管桩的竖向周期性往复运动，振幅0-2mm，频率为0-20Hz。

3.一种振动拔桩试验装置的使用方法，其特征在于，按下列步骤进行：

步骤1：安装试验用的钢管桩，将钢管桩安装在加载装置下部，与桩连接盘固定；

步骤2：填砂，将砂土分层填入土槽中，每填完一层用滚筒将土压实，如此反复直到达到预定标高；

步骤3：开启音圈电机并设置较小的振幅和频率，开启电动缸并设置较小的上拔力，开启动态数据采集仪和计算机，记录钢管桩的上拔位移量。

步骤4：加大振幅和频率，或加大上拔力，重复上一步骤，直至钢管桩达到上拔破坏；

步骤5：试验结束后，依次关闭音圈电机、电动缸和动态数据采集仪，根据拔桩力和上拔位移量的关系，计算单桩抗拔承载力。