CN106245691A - 钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置，涉及桩基工程的模型试验技术。本装置的结构是：在整体支架的底部设置有液压升降单元，在液压升降单元上设置有模型箱，在模型箱内盛装有钙质砂，在钙质砂内设置有模型桩；水位波动系统和模型箱连接；竖向荷载施加部分、水平荷载施加部分、液压加载部分和气压加载部分的固定端分别置于整体支架上，其活动端分别与模型桩连接；传感采集系统分别与模型桩和模型箱连接。本装置可对模型桩施加多种类型的荷载，尤其可模拟施加海洋动力环境中多种复杂荷载，获取模型桩在复杂荷载作用下桩土相互作用过程的相关参数。

Description

钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置

技术领域

本发明涉及桩基工程的模型试验技术，尤其涉及一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置，主要涉及桩基模型试验，可模拟施加海洋动力环境中多种复杂荷载，并获取模型桩在复杂荷载作用下桩土相互作用过程的相关参数。

背景技术

模型试验是通过尺缩的方法，充分考虑几何相似、物理相似和运动相似等相似条件，结合实际需要人为控制模型物比例、荷载大小、方向、作用点和环境参数等条件的一种试验方法。目前关于桩基模型试验，主要包括静荷载和动荷载两方面的试验。按照现行的土工规范进行，其中静荷载试验主要采用液压千斤顶配合反力梁、百分表的方法对单桩进行加载；具体方法又分为慢速荷载维持法和快速荷载维持法。桩基模型试验观测的主要参数包括桩基位移沉降与所施加荷载的关系，通常采用的是百分表的方法，功能上比较单一，且需要对模型桩进行长时间的加载和观测；手动液压千斤顶由于其自身不具有自动保压功能，在实际使用过程中，压力值会有一定程度的波动，导致测定数据不准。

同时，由于海洋工程中桩基时常需要承受复杂的动荷载，例如包括多种方向的循环荷载，施工建设中的冲击荷载，大小方向和频率常常变化，这使得在开展模型试验的过程中，要充分考虑这些荷载的多变性。例如当模拟海洋工程中的波浪荷载和风荷载以及海冰冲击时，荷载具有周期性，且频率、能量大小、方向可变。在模拟桩基工程沉桩施工方法过程中，尤其针对打入式桩在沉桩过程中的试验研究，还需要考虑沉桩过程中桩受到的锤击能量和频率等因素，同时需要测定桩身轴力、桩身变形和桩周土土压力等多种因素。在单桩承载力过程中，有时还要考虑桩的自身变形和桩-土相互作用的方式问题，例如土体所受压力和土体自身孔隙水压力等参数也需要进行测量，现有的桩基模型试验中，一方面对桩基模型试验中荷载的复杂性考虑较少、另一方面对桩-土相互作用时土体中相关参数的采集也有所欠缺。

涉及海洋工程中的桩基模型试验其所受荷载复杂，对于荷载的模拟以及施加都有诸多要求，同时加上采集的参数数量较多，为模拟环境荷载更需要进行诸多种类的模型试验，现行的做法往往需要进行分开测定，即制作多套模型装置分别开展试验，这样不仅耗费了时间，也不能将多种荷载叠加作用的情况进行综合考虑。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置。

本发明适用于在不同环境、不同加载周期、不同能量级的冲击荷载作用下，测量桩体下沉位移、自身变形和桩侧与桩端土压力变化的情况，采用可方便组合的多种荷载施加部分和方法，便于开展多种类型的桩基模型试验。

具体地说，本装置包括钙质砂、模型箱、整体支架、水位波动部分、竖向荷载施加部分、水平荷载施加部分、液压加载部分、气压加载部分、模型桩、传感采集系统和液压升降平台；

其位置和连接关系是：

在整体支架的底部设置有液压升降单元，在液压升降单元上设置有模型箱，在模型箱内盛装有钙质砂，在钙质砂内设置有模型桩；

水位波动系统和模型箱连接；

竖向荷载施加部分、水平荷载施加部分、液压加载部分和气压加载部分的固定端分别置于整体支架上，其活动端分别与模型桩连接；

传感采集系统分别与模型桩和模型箱连接。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和积极效果。

①操作简便，可对模型桩施加多种类型的荷载，例如竖向荷载、水平荷载，并可在不同荷载施加部分间进行快速移动切换，进一步可模拟海洋工程中复杂的动力环境，便于开展多种类型的桩基模型试验，解决了常规模型试验需要多套装置，操作程序复杂、耗时耗力的问题；

②区别于常见桩基模型试验中进行挖土埋入式成桩测定承载特性的不足，可直接锤击式成桩，模拟桩基工程施工中的沉桩过程，并可对锤击能量、锤击频率等参数进行改变，更加符合实际单桩成桩过程，测定的桩的承载特性更为准确；

③传感数据采集部分，可对桩基模型试验中桩-土相互作用过程进行数据采集，通过埋设传感器，可实时获取桩-土相互作用过程中土体所受压力、土体孔隙水压力、土体加速度和桩身变形等相关参数；

④充分考虑了桩在特定海洋环境中所受波浪荷载的情况，由于海洋环境中所受波浪荷载实际是多向荷载，现有桩基模型试验往往将其考虑为单一方向荷载，较为单一，本发明中的多向荷载施加部分在现有桩基模型试验中较少，可对模型桩施加大小、频率不同的圆周多向荷载，模拟波浪荷载的多向性；

⑤水位波动系统可模拟潮汐作用导致的水位升降问题，水位升降引起钙质砂间细小颗粒的流动，从而改变级配状态，进一步影响桩基周围土的性质，进一步影响钙质砂中桩的承载特性的问题，可对桩基模型试验中的钙质砂土的水位进行控制。

总之，本装置可对模型桩施加多种类型的荷载，尤其可模拟施加海洋动力环境中多种复杂荷载，获取模型桩在复杂荷载作用下桩土相互作用过程的相关参数。

附图说明

图1是本装置的结构方框图，

图1.1是整体支架的结构示意图，

图1.2是本装置的组装示意图；

图2是模型箱0000的结构示意图（2个，不同角度）；

图3水位波动部分2000的结构示意图；

图4是竖向打入式桩基动荷载系统3100的结构示意图；

图5是竖向打入式动力单元3110的结构示意图；

图6是竖向打入式支撑单元3120的结构示意图；

图7是脱扣装置单元3130的结构爆炸图；

图8是竖向冲击荷载和静荷载施加单元3200的结构示意图；

图9是水平冲击荷载和静荷载施加单元4100的结构示意图；

图10是支撑单元4210的结构示意图；

图11是动力单元4220的结构示意图；

图12是第1、2、3圆筒以及内部结构的结构示意图；

图13是液压站5100的结构示意图；

图14是液压静荷载施加方式的结构示意图；

图15是液压冲击荷载施加方式的结构示意图；

图16是气压静荷载施加方式的结构示意图；

图17是气压循环静荷载施加放式的结构示意图；

图18是气压冲击荷载施加方式的结构示意图；

图19是7000模型桩的结构示意图；

图20是传感器探头布置的结构示意图；

图21是9000液压升降部分的结构示意图;

图22是气缸工作原理图。

图中：

A—钙质砂；

0000—模型箱，

0001—第1水位管，0002—第1万向轮，0003—箱固定环扣，0004—进水口，0005—出砂口，0006—箱体；

1000—整体支架；

2000—水位波动部分

2100—门吊，

2101—第1环扣，2102—手拉葫芦，2103—第2万向轮，2104—门型支架；

2200—水箱，

2201—第2环扣，2202—出水口，2203—出水管，2204—第2水位管，

2205—水箱箱体；

3000—竖向荷载施加部分，

3100—竖向打入式桩基动荷载系统，

3110—竖向打入式动力单元，

3111—无级调速电机，3112—链轮，3113—链条、3113a—链条附件，

3120—竖向打入式支撑单元，

3121—上板，3122—下板，3123—Z向支撑圆杆，3124—重锤导轨，

3125—法兰盘

3130—脱扣装置单元，

3131—重锤，3132—滑块，3133—卡片，3134—圆棒，3135—第1弹簧，

3136—方杆，3137—梯形台，3138—第2弹簧、3132a—矩形凹槽；

3200—竖向冲击荷载和静荷载施加单元，

3201—第1荷载安装槽钢，3202—第1槽钢安装孔,3203—第1荷载安装孔；

4000—水平荷载施加部分

4100—水平冲击荷载和静荷载施加单元，

4101—第2荷载安装槽钢，4102—第2槽钢安装孔，4103—第2荷载安装孔

4200—水平多向荷载施加系统，

4210—支撑单元，

4211—环形轨道，4212—十字板，4213—固定丝杆,4214—第3荷载安装槽钢, 4215—第3荷载安装孔；

4220—动力单元，

4221—直流电机，4222—万向节，4223—第1圆筒，4224—第2圆筒，

4225—第3圆筒，4226—平板，4227—第1小型气缸，4228—第2小型气缸，4229—第1轴承，4230—第2轴承，4231—第1通气管，4232—第2通气管，4233—桩帽套；

4223a—第1圆筒通气孔，4224b—第2圆筒通气孔，

4225c—第3圆筒通气孔，4225d—第3圆筒通气孔；

5100—液压站，5000—液压加载部分，

5101—风冷机，5102—回油阀，5103—输油阀，5104—调压阀，

5105—数显压力表，5106—调压旋钮，5107—油箱，5108—液压缸；

5200—电路控制单元，

5201—第1时间继电器，5202—第1直流电源。

6000—气压加载部分，

6100—气压系统，

6101—空气压缩机，6102—气压调压阀，6103—气缸开关， 6104—气缸；

6200—气压电路控制单元，

6201—第2直流电源，6202—电气比例阀，6203—函数信号发生器，

6204—电磁阀，6205—第2时间继电器；

7000—模型桩，

7001—第1桩身，7002—第2桩身，7003—桩帽，7004—桩靴，7005—桩底，7006—丝杆；

8000—传感采集部分，

a—应变采集器，b—土压力采集器，c—孔隙水压力采集器，d—加速度采集器，

e—计算机；

a1-应变片，b1-微型土压力传感器，c1-微型孔隙水压力传感器，d1-加速度传

感器；

9000—液压升降部分，

9001—液压升降平台，9002—液压升降杆，9003—模型箱固定孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、总体

如图1、图1.1、图1.2，本发明包括钙质砂A、模型箱0000、整体支架1000、水位波动部分2000、竖向荷载施加部分3000、水平荷载施加部分4000、液压加载部分5000、气压加载部分6000、模型桩7000、传感采集系统8000和液压升降平台9000；

其位置和连接关系是：

在整体支架1000的底部设置有液压升降单元9000，在液压升降单元9000上设置有模型箱0000，在模型箱0000内盛装有钙质砂A，在钙质砂A内设置有模型桩7000；

水位波动系统2000和模型箱0000连接；

竖向荷载施加部分3000、水平荷载施加部分4000、液压加载部分5000和气压加载部分6000的固定端分别置于整体支架1000上，其活动端分别与模型桩7000连接；

传感采集系统8000分别与模型桩7000和模型箱0000连接。

工作机理是：

整体支架1000是基础性承载的框架平台，在内部设置模型箱0000，模型箱0000内部盛装钙质砂A，在钙质砂A中埋置模型桩7000；竖向荷载施加部分3000和水平施加部分4000可通过人为安装的方式分别置于整体支架1000上，分别形成相应方向的加载，对模型桩7000施加竖向或水平向的荷载；液压加载部分5000和气动加载部分6000是提供荷载的动力源，气动加载部分6000提供低幅值大小的荷载，液压加载部分5000提供中高幅值大小的荷载；模型桩7000是被施加荷载的部分，荷载可通过气动加载部分6000进行施加，也可通过液压加载部分5000进行施加，具体要根据所需模拟的荷载来进行确定；传感采集部分8000涵盖多种传感器例如应变片、土压力盒、孔隙水压力计、土面加速度传感器和计数器等，其中应变片贴于模型桩7000内壁，用于测量模型桩7000的桩身应变，土压力盒、孔隙水压力计、土面加速度传感器置于模型箱0000内的钙质砂A内，分别测定对应的参数；水位波动部分2000是用于模拟海洋工程环境中的水位上升或下降方式，通过起吊来实现；液压升降平台9000通过液压进行升降，可实现对模型箱0000位置的调整。

2、功能块

1）模型箱0000

如图2，模型箱0000包括第1水位管0001、第1万向轮0002、模型箱固定环扣0003、进水口0004、出砂口0005和箱体0006；

箱体0006为一长方形容器；

在箱体0006侧壁设置有第1水位管0001、进水口0004、出砂口0005和4个模型箱固定环扣0003；在箱体0006底部四角设置有第1万向轮0002。

工作机理：

所述模型箱0000为长1500mm，宽1200mm，高1100mm的长方形箱；模型箱0000侧面设置有进水口0004，底部四面装有第1万向轮0002，侧面安装有第1水位管0001，并设置有出砂口0005；所述的出砂口0005上设置有出水口，可同时进出水；所述的第1水位管0001制作过程如下：在箱体0006底部开一小孔，在小孔处焊接一小段弯管，在弯管口插上一根与箱体0006等高的透明玻璃管，再将弯管与玻璃管连接处用密封胶密封；进一步考虑箱体0006自身刚度问题，在箱体0006内外焊接有角钢，以减少箱体0006的变形。

2）整体支架1000

整体支架1000是本装置的支撑体。

如图1.1，整体支架1000是由工字钢和丝杠等组成的支架结构。

如图1.2，整体支架1000分为四个空间，四个空间分别安装竖向打入式

桩基动荷载系统3100、竖向冲击荷载和静荷载施加单元3200、水平冲击荷载和静荷载施加单元4100和水平多向荷载施加系统4200，四个系统单独工作。

3）水位波动部分2000

如图3，水位波动部分2000包括门吊2100和水箱2200；

在门吊2100内设置有水箱2200；

（1）门吊2100

如图3，门吊2100包括第1环扣2101、手拉葫芦2102、第3万向轮2103和门型支架2104；

在门型支架2104的上横梁中间下部依次设置有第1环扣2101和手拉葫芦2102，在门型支架2104的底部设置有4个第3万向轮2103。

（2）水箱2200

如图3，水箱2200包括第2环扣2201、出水口2202、出水管2203、水位管2204和水箱箱体2205；

水箱箱体2205为一圆筒形容器，在水箱箱体2205侧面设置水位管2204，在水箱箱体2205底部设置有出水口2202，在水箱箱体2205的侧壁上部设置有第2环扣2201，第2环扣2201与手拉葫芦2102相连。

工作原理：

水位波动部分2000是用于模拟海洋工程环境中的水位上升或下降方式，通过水箱2200的起吊来实现；水箱2200的出水口2202与模型箱0000的进水口0004相连，通过水箱2200的升降控制模型箱0000内的水位。

3）竖向荷载施加部分3000

竖向荷载施加部分3000包括竖向打入式桩基动荷载系统3100和竖向冲击荷载和静荷载施加系统3200。

竖向荷载施加部分3000可实现施加竖向静荷载、竖向冲击荷载、以及竖向打入式荷载，包括对长期循环荷载的施加，同时对荷载频率、大小、加载方式进行改变，上部设置有压力传感器和精密位移计，可用于掌握静压荷载下的实时受力和沉降变形情况。

（1）竖向打入式桩基动荷载系统3100

如图4，竖向打入式桩基动荷载系统3100包括竖向打入式动力单元3110，竖向打入式支撑单元3120和脱扣装置单元3130；

竖向打入式支撑单元3120内安装有竖向打入式动力单元3110和脱扣装置单元3130，竖向打入式动力单元3110和脱扣装置单元3130相连。

（1-1）竖向打入式动力单元3110

如图5，竖向打入式动力单元3110包括无级调速电机3111、链轮3112和链条3113；

无级调速电机3111通过链条3113和链轮3112连接；

所述的链条3113侧面设置有有链条附件3113a，链条附件3113a在矩形凹槽3132a内滑动。

（1-2）竖向打入式支撑单元3120

如图6，竖向打入式支撑单元3120包括上板3121、下板3122、Z向支撑圆杆3123、3根重锤导轨3124和法兰盘3125；

4根Z向支撑圆杆3123固定在上板3121与下板3122的四角之间，3根重锤导轨3124呈等边三角形均布穿过上板3121与下板3121，由法兰盘3125固定。

（1-3）脱扣装置单元3130

如图7，脱扣装置单元3130包括重锤3131、滑块3132、卡片3133、圆棒3134、第1弹簧3135、方杆3136、梯形台3137和第2弹簧3138；

所述重锤3131为一空心铁棒，其外表面有等间距排列的凹槽；

所述滑块3132为一中间有方孔的方形铁块，其背面设置有矩形凹槽3132a；

在方杆3136的上部设置有梯形台3137；

在滑块3132上部装有卡片3133，圆棒3134穿过滑块3132和卡片3133后其下端连接有第1弹簧3135；

在滑块3132和卡片3133侧面分别设置两个第2弹簧3138，第2弹簧3138一端连接滑块3132侧面后部，另一端连接卡片3133侧面后部；

方杆3136穿过滑块3132和卡片3133上的方孔，卡片3133卡进凹槽内。

竖向打入式桩基动荷载系统3100工作原理如下：

所述重锤导轨3124由三根长杆构成，穿过上板3211下板3122，由两个法兰盘3122固定；三根长杆围成一个等边三角形，中间可刚好通过重锤3131；

所述无级调速电机3111可进行无级变速，设置在下板3122上，无级调速电机3111通过链条3113和链轮3112连接；

所述方杆3136固定在上板3121与下板3122之间，方杆3136一侧安装有可调高度的梯形台3137；

所述滑块3132中心有方孔，可套在方杆3136上滑动；背面有一矩形凹槽3132a，与链条3113上的链条附件3113a连接；

所述卡片3133在滑块3132上方，在第1弹簧3135的作用下可弹出，卡住重锤凹槽；

所述重锤3131为钢制空心圆棒，顶部有螺旋封盖，重锤3131内可装入重物，如铁砂等，可改变重锤3138的质量；重锤3131外表面排布着凹槽，卡片3133弹出时，卡片3133前段插入凹槽中，重锤3131可随滑块3132滑动；

所述脱扣装置单元3130工作原理如下：

滑块3132随链条3113上下滑动，当到达最低点时，圆棒3134被下板3122抬起，卡片3133在第2弹簧3138的作用下弹出，卡住重锤3131上的凹槽，使重锤3131与滑块3132一同向上运动；当滑块通过方杆3136上的梯形台3137时，卡片3133被梯形台3137顶回，在第1弹簧3136的作用下，圆棒3134向下伸出，圆棒帽卡住卡片3133，使其不能伸出。重锤3131落下；脱扣装置单元3130工作时，重锤3131被抬高的距离为下板3122和梯形台3137的高度差，可以满足每次锤击的高度保持一致。通过调整方杆上梯形台3137的位置，即可控制锤击的高度。

（2）竖向冲击荷载和静荷载施加单元3200

如图8，竖向冲击荷载和静荷载施加单元3200包括第1荷载安装槽钢3201、第1槽钢安装孔3202和第1荷载安装孔3203；

在第1荷载安装槽钢3201的两端分别设置有第1槽钢安装孔3202，在第1荷载安装槽钢3201的中间设置有第1荷载安装孔3203；第1荷载安装槽钢3201安装在整体支架1000的Y向固定槽钢上，第1荷载安装孔3203安装在气缸6104或液压缸5108上。

竖向冲击荷载和静荷载施加系统3200工作原理如下：

所述第1荷载安装槽钢通过第1槽钢固定孔固定在Y向固定槽钢上；

所述第1荷载安装孔可安装气缸6104或液压缸5108；所述气缸6104可通过气压加载部分6000对模型桩7000施加竖向冲击荷载和竖向静荷载；所述液压缸6104可通过液压加载部分5000对模型桩7000施加竖向冲击荷载和竖向静荷载；

所述气缸6104可施加较小的竖向冲击荷载和竖向静荷载，一般为1吨以下；

所述液压缸5108可施加1吨以上的竖向冲击荷载和竖向静荷载。

4）水平荷载施加部分4000

水平荷载施加部分4000包括水平冲击荷载和静荷载施加单元4100和水平多向荷载施加系统4200；

（1）水平冲击荷载和静荷载施加单元4100

如图9，水平冲击荷载和静荷载施加单元4100包括第2荷载安装槽钢4101、第2槽钢安装孔4102和第2荷载安装孔4103；

在第2荷载安装槽钢4101的两端分别设置有第2槽钢安装孔4102，在第2荷载安装槽钢4101的中间设置有第2荷载安装孔4103；第2荷载安装槽钢4101安装在整体支架1000的Z向支撑丝杆之间，第2荷载安装孔4103安装气缸6104或液压缸5108上。

（2）水平多向荷载施加系统4200

水平多向荷载施加系统4200包括水平多向荷载支撑单元4210和水平多向荷载动力单元4220；

水平多向荷载动力单元4220内设置有水平多向荷载支撑单元4210。

（2-1）水平多向荷载支撑单元4210

如图10，水平多向荷载支撑单元4210包括环形轨道4211、十字板4212、固定丝杆4213、第3荷载安装槽钢4214和第3荷载安装孔4215；

在环形轨道4211内部设置有十字板4212，在十字板4212的一横板上设置有两根固定丝杆4213并连接第3荷载安装槽钢4214，在第3荷载安装槽钢4214两端分别设置有第3荷载安装孔4215。

（2-2）水平多向荷载动力单元4220

如图11、图12，水平多向荷载动力单元4220包括直流电机4221、万向节4222、第1圆筒4223、第2圆筒4224、第3圆筒4225、平板4226、第1小型气缸4227、第2小型气缸4228、第1轴承4229、第2轴承4230、第1通气管4231、第2通气管4232和桩帽套4233；

在第1圆筒4223底部嵌有第1滚珠轴承4229，第1滚珠轴承4229与第1通气管4231上端连接；

在第2圆筒4224底部嵌有第2滚珠轴承4230, 第2滚珠轴承4230与第2通气管4232上端连接；

从上到下，直流电机4221、万向节4222、第1圆筒4223、第2圆筒4224、平板4226依次连接，在平板4226上的左、右两边分别设置有第1小型气缸4227、第2小型气缸4228；

第3圆筒4225上端与第2通气管4232连接，中部螺纹与第1通气管4231下端配合；

桩套帽4233上端面与第3圆筒4225的下端面连接；

第1小型气缸4227、第2小型气缸4228前端分别设置有带滚珠轴承的y型接头；第1小型气缸4227、第2小型气缸4228的固定端与平板4226连接，活动端与环形轨道4211连接。

*直流电机4221是一种通用件，是动力源；

*万向节4222是一种通用件，起连接和传递动力的作用；

*第1圆筒4223、第2圆筒4224、第3圆筒4225分别为三个内径不同的圆筒；在第1、2圆筒4223、4224侧壁分别设置有两个通气孔4223a、4224b，在第3圆筒4225侧壁设置有两个通气孔4225c、4225d，其中通气孔4225c位于第3圆筒上部，通气孔4225d位于第3圆筒下部，第3圆筒4225内壁中部有螺纹；

*第1通气管4231为一铁质圆管，其底部有外螺纹；第2通气管4232为一内径大于第1通气管4231的铁质圆管。

工作原理：

所述水平荷载施加部分4000可实现施加水平静荷载、水平冲击荷载和水平多向荷载，包括对长期循环荷载的施加，同时对荷载频率、大小、加载方式进行改变，上部设置有压力传感器和精密位移计，可用于掌握静压荷载下的实时受力和变形变形情况。

水平冲击荷载和静荷载施加系统4100工作原理如下：

所述第2荷载安装槽钢通过第2槽钢固定孔固定在Z向支撑丝杆之间。

所述第2荷载安装孔可安装气缸6104或液压缸5108；所述气缸6104可通过气压加载部分6000对模型桩7000施加水平冲击荷载和水平静荷载；所述液压缸5108可通过液压加载部分5000对模型桩7000施加水平冲击荷载和水平静荷载；

所述气缸6104可施加较小的水平冲击荷载和水平静荷载，一般为1吨以下；

所述液压缸5108可施加1吨以上的水平冲击荷载和水平静荷载。

水平多向荷载系统4200工作原理如下：

所述水平多向荷载系统4200其主要包括直流电机4221、第1圆筒4223、第2圆筒4224、第1气缸4233、平板4211和第3圆筒4226等；

第1圆筒4224侧壁设有两通气孔4224a，分别通过导气管与两气缸连接，两孔与内部空腔连通，空腔下部不封闭，其上部与万向节4222连接，下部套合有第1轴承4229，第1轴承4229内径与第1通气管4231上部套合；

第2圆筒4224内径比第1圆筒4223内径大，侧壁设有两通气孔孔4224b，分别通过气管与两气缸另外一个接口连接，其上部内径与第1圆筒4223下部直径通过销钉套合，下部内径与第2轴承4230套合，第2轴承4230内径与第2通气管4232上部套合；

第1轴承4229和第2轴承4230起连接和减少摩擦的作用；

平板4226设置在第2圆筒4224和第3圆筒4225之间，并通过螺丝固定在第2圆筒4224下部，主要起支撑作用；

第3圆筒4225的内径略小，内部分为两个空腔，侧壁有两个通气孔4235c、4235d；

第3圆筒的上空腔和下空腔之间通过螺纹和第1通气管4231下部连接，从而使第1通气管4231内部和第3圆筒4225的下空腔连通；

第2通气管的上部和第2轴承的内径套合，下部与第3圆筒上空腔内径套合，使第2通过管内部气体与第3圆筒上空腔内气体连通；

第1通气管4231在其中部穿过第2轴承4229和第2通气管4232并将第1通气管4231内气体和第2通气管4232内气体隔开；

第1圆筒4223、第2圆筒4224、第3圆筒4225、第1通气管4231和第2通气管4232起连接和导气的作用；

第1小型气缸4227和第2小型气缸4228设置在平板4226两端，第1小型气缸4227和第2小型气缸4228前端分别设置有带滚珠轴承的y型接头；

第1小型气缸4227和第2小型气缸4228固定端与平板4226连接，活动端与环形轨道4211内壁连接，主要用来产生水平多向动荷载；

桩帽套4233和模型桩7000上端连接；

当直流电机转动时，万向节4222、第1圆筒4223、第2圆筒4224、平板4226、第1小型气缸4227、第2小型气缸4228一起转动；第3圆筒4225通气时，第1小型气缸4227、第2小型气缸4228伸出，第1小型气缸4227、第2小型气缸4228前端作用于环形轨道4211，施加反力与模型桩7000；

所述动水平荷载系统4200，其特征在于可实现周期性旋转的水平荷载施加，同时可对旋转周期，荷载大小，对称性进行改变。

5）液压加载部分5000

如图13、图14、图15，液压加载部分5000包括相互连接的液压站5100和液压电路控制系统5200，液压电路控制系统5200控制液压站5100。

所述液压站5100是一种外购件，包括风冷机5101、回油阀5102、输油阀5103、调压阀5104、数显压力表5105、调压旋钮5106、油箱5107和液压缸5108；

所述液压电路控制系统5200包括相互连接第1时间继电器5201和第1直流电源5202。

液压电路控制单元有两种连接方式：冲击荷载连接方式和静荷载连接方式。

*冲击荷载连接方式：如图15，第1直流电源5202与第1时间继电器5201和调压阀5104连接，第1时间继电器5201分别与输油阀5103与回油阀5102连接。

*静荷载连接方式：如图14，第1直流电源5202分别与输油阀5103和调压阀5104连接。

工作原理：

所述风冷机5101为液压站5100降温，所述调压阀5104可以调节液压站5100输出压力，所述数显压力表5105可观察液压站5100输出压力；所述第1直流电源5202为调压阀、输油阀5103、回油阀5102和第1时间继电器5201提供24V电压。

所述冲击荷载连接方式原理如下：

所述第1直流电源5202与第1时间继电器5201相连，第1时间继电器5201控制输油阀5103与回油阀5102的开关；所述第1时间继电器5201可根据时间控制电路的通断，当输油阀5103工作时，回油阀5102断开；当回油阀5102工作时，输油阀5103断开；

所述输油阀5103工作时，液压缸5108伸出；所述回油阀5102工作时，液压缸5108缩回；

所述调压阀旋钮5106可调节液压站5100油压大小；

所述冲击荷载连接方式可提供较大压力的周期性冲击荷载；

所述静荷载连接方式原理如下：

所述第1直流电源5202与输油阀5103相连，输油阀5103工作时液压缸5108伸出。所述调压阀旋钮5106调节液压站5100油压大小。

6）气压加载部分6000

如图16、图17、图18，气压加载部分6000包括相互连接的气压系统6100和气压电路控制系统6200；气压电路控制系统6200控制气压系统6100。

（1）气压系统6100

如图16，所述的气压系统6100包括依次连接的空气压缩机6101、气压调压阀6102、气缸开关6103和气缸6104。

（2）气压电路控制系统6200

如图17，所述的气压电路控制系统6200包括直流电源6201、电气比例阀6202、函数信号发生器6203、电磁阀6204和时间继电器6205；

所述气压电路控制系统6200有两种连接方式：冲击荷载连接方式和静荷载连接方式。

*如图18，所述冲击荷载连接方式：直流电源6201、时间继电器6205和电磁阀6204依次电路连接；空气压缩机6101、气压调压阀6102、气缸开关6103和气缸6104依次气路连通。

所述静荷载连接方式可分为两种：恒压静压荷载和循环静压荷载。

所述恒压静压荷载连接方式为：如图16，空气压缩机6101、调压阀6102和气缸6104依次连通。调压阀控制输出气压大小。

所述循环静压荷载连接方式为：如图17，直流电源6201、电气比例阀6202和函数信号发生器6203依次电路连接；空气压缩机6101、气压调压阀6102、电气比例阀6202和气缸6104依次气路连通。

工作原理如下：

所述空气压缩机6101提供气压源，所述气压调压阀6102调节空气压缩机6101输出气压大小，所述气缸开关6103可控制气缸伸缩；所述第2直流电源6201为电气比例阀6202，函数信号发生器，电磁阀6204和第2时间继电器6205提供24V电压。

所述冲击荷载连接方式工作原理如下：

所述空气压缩机6101、气压调压阀6102、气缸开关6103和气缸依次相连，气缸开关6103上安有电磁阀6204，电磁阀6204由时间继电器控制；

所述时间继电器可通过时间控制电磁阀6204的通断，从而控制气缸6104的伸缩；

所述恒压静压荷载连接方式工作原理为：气压调压阀6102可调节空气压缩机6101的输出压力，从而施加静荷载。

所述循环静压荷载连接方式工作原理如下：

所述函数信号发生器6203的作用是提供变化的电压信号；

所述电气比例阀6202的作用是在接受电压信号后改变输出空气压力值的大小，其特点是随着电压信号的线性变化，提供线性变化的空气压力；

所述循环静压荷载连接方式可由函数信号发生器6203控制循环荷载的大小与周期。

7）模型桩7000

如图19，模型桩7000包括第1桩身7001、第2桩身7002、桩帽7003、桩靴7004、桩底7005和丝杆7006；

第1桩身7001和第2桩身7002为一钢管的两半；通过丝杆7006合为一体；

在第1桩身7001的顶端连接有桩帽7003，在第1桩身7001的底端依次连接有桩底7005和桩靴7004，在第1桩身7001的上部设置有出线孔7001A；

在第1、2桩身7001、7002的两端设置有固定孔B。

工作原理：所述模型桩7000为空心钢管，采用无缝切割方法进行模型桩对开，对开后在模型桩内壁贴有应变片，具体按照应变片粘贴规范进行。桩身两瓣薄管壁上开设有对穿对应的固定孔B，通孔之间通过丝杆7006连接固定。

所述桩帽7003、桩靴7004和桩底7005车有外螺纹，可与第1桩身7001两端的内螺纹配合。

8）传感采集部分8000

如图1，所述的传感采集部分8000包括应变采集器a、土压力采集器b、孔隙水压力采集器c、加速度采集器d和计算机e；

应变采集器a、土压力采集器b、孔隙水压力采集器c、加速度采集器d，其各自的传感器 探头a1、b1、c1、d1分别置于模型箱0000内的钙质砂A中；其各自的输出端均与计算机e连接；

如图20，传感器探头a1、b1，c1，d1布置如下：

应变采集器a输入端连接有应变片a1，应变片a1贴于模型桩7000内壁，对称进行布置；

土压力采集器b输入端连接有微型土压力传感器b1，微型土压力传感器b1分别置于模型箱0000内模型桩7000周围的钙质砂A中，沿深度方向和水平方向布置；

孔隙水压力采集器c输入端连接有微型孔隙水压力传感器c1，微型孔隙水压力传感器c1分别置于模型箱0000内模型桩7000周围的钙质砂A中，沿深度方向和水平方向布置；

加速度采集器d输入端连接有加速度传感器d1，加速度传感器d1分别置于模型箱0000内模型桩7000周围的钙质砂A表层位置，位于模型桩7000周围、成对称分布。

（1）应变片采集器a

应变片采集器a为通用件，其作用为采集测量应变片a1的传感数据，其输入端连接应变片a1，其输出端连接计算机e；

应变片a1是电阻式传感器，其作用为测量桩身的变形，其主要原理是应变片变形量与其自身可测电阻阻值变化成比例关系，进一步通过桩身变形量可分析模型桩受力状态。

应变片a1与模型桩7000通过胶水粘结在第1桩身7001和第2桩身7002内壁，对称均匀分布。

（2）土压力采集器b

土压力采集器b为通用件，其作用为采集微型土压力传感器b1的传感数据，其输入端连接微型土压力传感器b1，其输出端连接计算机e；

微型土压力传感器b1是电阻式传感器；

微型土压力传感器b1主要用于采集模型桩7000因受荷载与钙质砂A发生桩土相互作用时该点土体所受压力变化；

微型土压力传感器b1其主要原理是将土体所受压力变化转换为内部传感器阻值的变化，进一步通过分析得到该点土体压力状态；

微型土压力传感器b1埋置于模型桩7000周围的钙质砂A中，位于模型桩7000桩侧，并沿深度方向和水平方向均匀布置。

（3）孔隙水压力采集器c

孔隙水压力传感器c为通用件，其作用为采集微型孔隙水压力传感器c1的传感数据，其输入端连接微型孔隙水压力传感器c1，其输出端连接计算机e；

微型孔隙水压力传感器c1是电阻式传感器；

微型孔隙水压力传感器c1主要用于采集模型桩7000因受荷载与钙质砂A发生桩土相互作用时该点土体处孔隙间水压力变化，其主要原理是该点土体对压力盒工作面的孔隙水压力变化，转换为微型土压力内部传感器阻值的变化，进一步通过分析得到该点土体孔隙间水压力状态；

微型孔隙水压力传感器c1埋置于模型桩7000周围的钙质砂A中，位于模型桩7000桩侧，并沿深度方向和水平方向均匀布置。

（4）加速度采集器d

加速度采集器d为通用件，其作用为采集加速度传感器d1的传感数据，其输入端连接加速度传感器d1，其输出端连接计算机e；

加速度传感器d1其主要作用是用于测定模型桩在受到冲击荷载下土体表面振动加速度；

加速度传感器d1埋置于模型桩7000周围的钙质砂A土体表面，位于模型桩7000桩侧，并沿水平方向呈120°均匀布置。

（5）计算机f

计算机f为通用件，其主要作用为储存土工数字采集仪e传输的传感器数据，计算机f上安装有相应的传感器采集软件。

10）液压升降部分9000

如图21，液压升降部分9000包括液压升降平台9001、液压升降杆9002；

在液压升降平台9001上设置有模型箱固定孔9003，液压升降杆9002设置于液压升降平台9001下。

工作机理：

液压升降部分9000可实现对模型箱0000的位置调整；液压升降部分9000通过液压升降杆9002实现升降，液压升降平台9001上设置的模型箱固定孔9003用来固定模型箱0000。

Claims (10)

1.一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置，其特征在于：

本发明包括钙质砂（A）、模型箱（0000）、整体支架（1000）、水位波动部分（2000）、竖向荷载施加部分（3000）、水平荷载施加部分（4000）、液压加载部分（5000）、气压加载部分（6000）、模型桩（7000）、传感采集部分（8000）和液压升降平台（9000）；

其位置和连接关系是：

在整体支架（1000）的底部设置有液压升降单元（9000），在液压升降单元（9000）上设置有模型箱（0000），在模型箱（0000）内盛装有钙质砂（A），在钙质砂（A）内设置有模型桩（7000）；

水位波动系统（2000）和模型箱（0000）连接；

竖向荷载施加部分（3000）、水平荷载施加部分（4000）、液压加载部分（5000）和气压加载部分（6000）的固定端分别置于整体支架（1000）上，其活动端分别与模型桩（7000）连接；

传感采集部分（8000）分别与模型桩（7000）和模型箱（0000）连接。

2.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的模型箱（0000）包括第1水位管（0001）、第1万向轮（0002）、模型箱固定环扣（0003）、进水口（0004）、出砂口（0005）和箱体（0006）；

箱体0006为一长方形容器；

在箱体（0006）侧壁设置有第1水位管（0001）、进水口（0004）、出砂口（0005）和4个模型箱固定环扣（0003）；在箱体（0006）底部四角设置有第1万向轮（0002）。

3.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的水位波动部分（2000）包括门吊（2100）和水箱（2200）；

在门吊（2100）内设置有水箱（2200）；

门吊（2100）包括第1环扣（2101）、手拉葫芦（2102）、第3万向轮（2103）和门型支架（2104）；在门型支架（2104）的上横梁中间下部依次设置有第1环扣（2101）和手拉葫芦（2102），在门型支架（2104）的底部设置有4个第3万向轮（2103）；

水箱（2200）包括第2环扣（2201）、出水口（2202）、出水管（2203）、水位管（2204）和水箱箱体（2205）；水箱箱体（2205）为一圆筒形容器，在水箱箱体（2205）侧面设置水位管（2204），在水箱箱体（2205）底部设置有出水口（2202），在水箱箱体（2205）的侧壁上部设置有第2环扣（2201），第2环扣（2201）与手拉葫芦（2102）相连。

4.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的竖向荷载施加部分（3000）包括竖向打入式桩基动荷载系统（3100）和竖向冲击荷载和静荷载施加系统（3200）；

竖向打入式桩基动荷载系统（3100）包括竖向打入式动力单元（3110）、竖向打入式支撑单元（3120）和脱扣装置单元（3130）；竖向打入式支撑单元（3120）内安装有竖向打入式动力单元（3110）和脱扣装置单元（3130），竖向打入式动力单元（3110）和脱扣装置单元（3130）相连；

竖向打入式动力单元（3110）包括无级调速电机（3111）、链轮（3112）和链条（3113）；无级调速电机（3111）通过链条（3113）和链轮（3112）连接；所述的链条（3113）侧面设置有有链条附件（3113a），链条附件（3113a）在矩形凹槽（3132a）内滑动；

竖向打入式支撑单元（3120）包括上板（3121）、下板（3122）、Z向支撑圆杆（3123）、3根重锤导轨（3124）和法兰盘（3125）；4根Z向支撑圆杆（3123）固定在上板（3121）与下板（3122）的四角之间，3根重锤导轨（3124）呈等边三角形均布穿过上板（3121）与下板（3121），由法兰盘（3125）固定；

脱扣装置单元（3130）包括重锤（3131）、滑块（3132）、卡片（3133）、圆棒（3134）、第1弹簧（3135）、方杆（3136）、梯形台（3137）和第2弹簧（3138）；所述重锤（3131）为一空心铁棒，其外表面有等间距排列的凹槽；所述滑块（3132）为一中间有方孔的方形铁块，其背面设置有矩形凹槽（3132a）；在方杆（3136）的上部设置有梯形台（3137）；滑块（3132）上部装有卡片（3133），圆棒（3134）穿过滑块（3132）和卡片（3133）后其下端连接有第1弹簧（3135）；在滑块（3132）和卡片（3133）侧面分别设置两个第2弹簧（3138），第2弹簧（3138）一端连接滑块（3132）侧面后部，另一端连接卡片（3133）侧面后部；方杆（3136）穿过滑块（3132）和卡片（3133）上的方孔，卡片（3133）卡进凹槽内；

竖向冲击荷载和静荷载施加单元（3200）包括第1荷载安装槽钢（3201）、第1槽钢安装孔（3202）和第1荷载安装孔（3203）；在第1荷载安装槽钢（3201）的两端分别设置有第1槽钢安装孔（3202），在第1荷载安装槽钢（3201）的中间设置有第1荷载安装孔（3203）；第1荷载安装槽钢（3201）安装在整体支架（1000）的Y向固定槽钢上，第1荷载安装孔（3203）安装在气缸（6104）或液压缸（5108）上。

5.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的水平荷载施加部分（0004）包括水平冲击荷载和静荷载施加单元（4100）和水平多向荷载施加系统（4200）；

水平冲击荷载和静荷载施加单元（4100）包括第2荷载安装槽钢（4101）、第2槽钢安装孔（4102）和第2荷载安装孔（4103）；在第2荷载安装槽钢（4101）的两端分别设置有第2槽钢安装孔（4102），在第2荷载安装槽钢（4101）的中间设置有第2荷载安装孔（4103）；第2荷载安装槽钢（4101）安装在整体支架（1000）的Z向支撑丝杆之间，第2荷载安装孔（4103）安装气缸（6104）或液压缸（5108）上；

水平多向荷载施加系统（4200）包括水平多向荷载支撑单元（4210）和水平多向荷载动力单元（4220）；水平多向荷载动力单元（4220）内设置有水平多向荷载支撑单元（4210）；水平多向荷载支撑单元（4210）包括环形轨道（4211）、十字板（4212）、固定丝杆（4213）、第3荷载安装槽钢（4214）和第3荷载安装孔（4215）；在环形轨道（4211）内部设置有十字板（4212），在十字板（4212）的一横板上设置有两根固定丝杆（4213）并连接第3荷载安装槽钢（4214），在第3荷载安装槽钢（4214）两端分别设置有第3荷载安装孔（4215）；水平多向荷载动力单元（4220）包括直流电机（4221）、万向节（4222）、第1圆筒（4223）、第2圆筒（4224）、第3圆筒（4225）、平板（4226）、第1小型气缸（4227）、第2小型气缸（4228）、第1轴承（4229）、第2轴承（4230）、第1通气管（4231）、第2通气管（4232）和桩帽套（4233）；在第1圆筒（4223）底部嵌有第1滚珠轴承（4229），第1滚珠轴承（4229）与第1通气管（4231）上端连接；在第2圆筒（4224）底部嵌有第2滚珠轴承（4230）, 第2滚珠轴承（4230）与第2通气管（4232）上端连接；从上到下，直流电机（4221）、万向节（4222）、第1圆筒（4223）、第2圆筒（4224）、平板（4226）依次连接，在平板（4226）上的左、右两边分别设置有第1小型气缸（4227）、第2小型气缸（4228）；第3圆筒（4225）上端与第2通气管（4232）连接，中部螺纹与第1通气管（4231）下端配合；桩套帽（4233）上端面与第3圆筒（4225）的下端面连接；第1小型气缸（4227）、第2小型气缸（4228）前端分别设置有带滚珠轴承的y型接头；第1小型气缸（4227）、第2小型气缸（4228）的固定端与平板（4226）连接，活动端与环形轨道（4211）连接。

6.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的液压加载部分（5000）包括相互连接的液压站（5100）和液压电路控制系统（5200），液压电路控制系统（5200）控制液压站（5100）。

7.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的气压加载部分（6000）包括相互连接的气压系统（6100）和气压电路控制系统（6200）；气压电路控制系统（6200）控制气压系统（6100）。

8.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的模型桩（7000）包括第1桩身（7001）、第2桩身（7002）、桩帽（7003）、桩端靴（7004）、桩底（7005）和丝杆（7006）；

第1桩身（7001）和第2桩身（7002）为一钢管的两半；通过丝杆（7006）合为一体；

在第1桩身（7001）的顶端连接有桩帽（7003），在第1桩身（7001）的底端依次连接有桩底（7005）和桩端靴（7004），在第1桩身（7001）的上部设置有出线孔（7001A）；

在第1、2桩身（7001、7002）的两端设置有固定孔（B）。

9.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的传感采集部分（8000）包括应变采集器（a）、土压力采集器（b）、孔隙水压力采集器（c）、加速度采集器（d）和计算机（e）；

应变采集器（a）、土压力采集器（b）、孔隙水压力采集器（c）和加速度采集器（d）的传感 器探头（a1）、（b1）、（c1）、（d1）分别置于模型箱（0000）内的钙质砂（A）中；

应变采集器（a）、土压力采集器（b）、孔隙水压力采集器（c）和加速度采集器（d）的输出端均与计算机（e）连接。

10.按权利要求1所述的试验装置，其特征在于：

所述的液压升降部分（9000）包括液压升降平台（9001）、液压升降杆（9002）；

在液压升降平台（9001）上设置有模型箱固定孔（9003），液压升降杆（9002）设置于液压升降平台（9001）下。