CN106769488A - 被动桩模型试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种被动桩模型试验系统，包括模型箱、移动滑块、压桩装置、竖向加载系统、侧向加载系统、数据采集系统及模型桩，在模型箱里设有内装有砂土的模型槽，利用竖向液压千斤顶将模型桩压入模型槽中的砂土中，利用侧向液压千斤顶推动移动滑块，然后利用数据采集系统记录桩身试验参数模拟被动桩模型试验，即形成被动桩模型试验系统。本发明的效果是采用被动桩模型试验系统，可获取桩基在土体侧移作用下的基本性状，其中土体位移测定精度能够达到1mm，桩身位移测定精度能够达到0.01mm，精度的提高能够更好获取桩基基本力学性能，提高工程安全储备。
Description
技术领域
本发明为土木工程模型试验领域，特别是一种被动桩模型试验系统。
背景技术
桩基础是陆域土建工程中使用范围最广泛的基础结构形式之一，在实际工程中桩基承受竖向荷载或者侧向荷载作用的情况很多，由于工程建设项目的开挖、堆载导致邻近构造物、桩基础产生变形、破坏以致失稳的事故屡见不鲜。因此开挖或者堆载造成的土体水平运动，进而使桩基础承受水平荷载的情况不容忽视，基于以上原因被动桩的试验研究显得尤为重要。
被动桩的试验研究包括现场测试、室内模型和离心模型试验。根据以往的现场试验，实际工程中面临的问题都比较复杂，而且变化因素不容易控制，现场测试虽然能较真实的反应客观事实，但是要投入大量的人力和物力，而且在场地上受到诸多限制，不便于实施。室内模型试验通过建立相似的原桩模型，依据桩基的实际工作状态，人为的控制试验变量，能较好的反应实际工程状况。离心模型试验虽然有着现场测试和室内模型试验不可比拟的优点，但是试验条件有限。综上所述，室内模型试验更加符合要求。
现有的被动桩模型试验系统存在的不足之处在于：①在侧向加载时不能调节加载高度，不能有效的模拟桩基础在不同高程处受到水平荷载时的情况；②目前的加载装置只能加载矩形荷载，不能模拟其他形状的荷载形式；③当前的侧向加载装置加载不均，精度较低，不能准确测量出加载后土体发生的位移及桩基位移。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够判断桩基在土体侧移作用下的基本性状的被动桩模拟试验系统，同时能够模拟在桩基的不同高程处受到水平荷载时桩身的基本性状。
为实现上述目的，本发明提供一种被动桩模型试验系统，该系统包括模型箱、移动滑块、压桩装置、竖向加载系统、侧向加载系统、数据采集系统及模型桩，在模型箱里设有内装有砂土的模型槽，利用竖向液压千斤顶将模型桩压入模型槽中的砂土中，利用侧向液压千斤顶推动移动滑块，然后利用数据采集系统记录桩身试验参数模拟被动桩模型试验，即形成被动桩模型试验系统。
本发明的效果是采用被动桩模型试验系统，可获取桩基在土体侧移作用下的基本性状，其中土体位移测定精度能够达到1mm，桩身位移测定精度能够达到0.01mm，精度的提高能够更好获取桩基基本力学性能，提高工程安全储备。本试验系统特点为：
1、本发明的模型槽底部加了移动装置，可以前后调整模型槽的位置，进而改变压桩位置，调整模型桩与模型槽边界的距离，具有很好的灵活性。
2、本发明在模型槽上部整齐的摆放一定数目的移动滑块，侧向液压千斤顶处安装有上下调节装置，满足不同类型模块不同加载高度的侧向加载，设置挡板防止土体流出，同时在移动滑块上部安装有固定滑轮，保证滑块正常移动时不会因为加载模块的侧向推力作用而产生隆起。
3、本发明在压桩装置设置定位横梁，在定位横梁上设置水平仪，能随时监测定位横梁是否水平向下移动，从而保证压桩时桩体竖直压下。在竖向支架两端设置刻度，能够精确便捷的读取压桩深度。
4、本发明的竖向加载系统可根据试验要求施加不同大小的稳定竖向荷载。
5、本发明在侧向加载系统处受力横梁与记录标尺相连，在保证顺利水平推动的情况下能够精确的读出对土体施加的侧向位移。
6、本发明加载系统均采用液压千斤顶，能够精确控制加载速度及大小，加载稳定，便于控制，保证模型桩加载的稳定性。
附图说明
图1为本发明的被动桩模型试验系统的正视图；
图2为本发明的被动桩模型试验系统的俯视图；
图3为本发明的被动桩模型试验系统涉及的模型桩示意图；
图4为本发明的被动桩模型试验系统涉及的应变片安装示意图；
图5-1、5-2为本发明的被动桩模型试验系统模型筛二视图。
图中：
1.底座 2.固定滑片 3.模型槽 4.外部挡板支架 5.砂土 6.顶丝
7.内部挡板支架 8.顶丝 9.挡板 10.移动滑块 11.固定滑轮
12.龙门架 13.位移计支架 14.位移计 15.模型桩 16.预留孔
17.套管 18.加载盘 19.安全环 20.安全绳 21.刻度 22.桩套
23.定位横梁 24.水平仪 25.竖向液压千斤顶 26.控制台 27.螺旋杆
28.加载模块 29.受力横柱 30.托举架 31.竖向指针 32.记录标尺
33.螺旋调高器 34.侧向液压千斤顶 35.侧向加载支架 36.液压管
37.液压泵 38.导线 39.应变片 40.应变片导线 41.模型筛 42.筛孔
具体实施方式
下面结合附图对本发明的被动桩模型试验系统结构进行说明。
如图1、2、所示，本发明的被动桩模型试验系统结构是，该系统包括模型箱、移动滑块10、压桩装置、竖向加载系统、侧向加载系统、数据采集系统及模型桩15。所述模型箱里设有的模型槽3内装有砂土5，利用竖向液压千斤顶25将模型桩15压入模型槽3中的砂土5中，在模型桩15桩顶安装竖向加载系统，利用侧向液压千斤顶34推动移动滑块10，然后利用数据采集系统记录桩身试验参数模拟被动桩模型试验。
所述模型箱包括有底部支座1、螺旋杆件27、固定滑片2、模型槽3、外部挡板支架4、顶丝Ⅰ6、内部挡板支架7、顶丝Ⅱ8和挡板9，固定滑片2固定在底部支座1两侧的上表面，模型槽3安装在固定滑片2上，顶丝Ⅰ6安装在外部挡板支架外侧，顶丝Ⅱ8安装在挡板9外侧，外部挡板支架4对称分布在模型槽3的前侧边缘，外部挡板支架4内设有可上下移动的内部挡板支架7，顶丝Ⅰ6穿过外部挡板支架6顶住内部挡板支架7外边缘锁紧，固定内部挡板支架7，顶丝Ⅱ穿过挡板9顶住内部挡板支架7外边缘锁紧，固定挡板9。
压桩装置包括龙门架12、刻度21、竖向液压千斤顶25、液压泵37、定位横梁23、桩套22、控制台26，竖向液压千斤顶20安装在龙门架12的上端横梁上，通过液压管36与液压泵32相连接，液压泵32通过导线38与控制台26连接，竖向液压千斤顶25的前端设置在定位横梁23上部，模型桩15的桩顶放入桩套22内，所述的模型桩15外表面安装有应变片39，并通过应变片导线40穿过预留孔16与数据采集系统连接。
所述竖向加载系统包括套管17、加载盘18、安全环19和安全绳20，所述的套管17套在模型桩15上，加载盘18固定在套管17上，在加载盘18两侧和龙门架12的横梁上两侧分别安装有两个安全环19，在安全环19上连接有安全绳20。
所述侧向加载系统包括加载模块28、受力横柱24、托举架30、竖向指针31)、记录标尺32、侧向液压千斤顶34、侧向加载支架35、控制台26及液压泵37，加载模块28与受力横柱29相连接，受力横柱29固定在托举架30上，托举架30嵌套在记录标尺32上，竖向指针31安装在托举架30上，侧向液压千斤顶34与液压泵37连接，侧向液压千斤顶34顶住受力横柱29后端，施加荷载，受力横柱29带动加载模块28推动移动滑块10向前滑动。
所述的固定滑片2对称固定在底部支座1上，模型槽3安装在两片固定滑片2上，模型槽3底部与螺旋杆件27相连，所述的外部挡板支架4固定在模型槽3前面的两侧，外部挡板支架4上设置有对内部挡板支架7调整高度的顶丝Ⅰ6，通过顶丝Ⅰ6锁紧；所述的挡板9上设置有顶丝Ⅱ8，将挡板9嵌套在内部挡板支架7上，通过顶丝Ⅱ8锁紧。
所述龙门架12内侧设置有一对固定滑轮11，桩套22固定在定位横梁23底部中间位置，压桩时将桩套22套在模型桩15的桩顶，定位横梁23可沿着龙门架12上下移动，其中定位横梁23上安装有水平仪24；所述的龙门架12沿着定位横梁23移动的方向上有刻度21；所述的竖向液压千斤顶25与液压泵37通过液压管36相连，所述液压泵37与控制台26通过导线38相连，在龙门架12两侧固定有位移计支架13，在位移支架13中央固定有位移计14，位移计14前端顶在模型桩15的外表面，设置上下两个位移计14，位移计14连接数据采集系统。
所述侧向加载支架35上设置有螺旋调高器33，所述螺旋调高器33与侧向液压千斤顶34相连。
如图3、图4所示，在试验前，制作模型桩15，沿模型桩15的外侧确定两条对称轴线，在每条轴线上对称的各取16个点，第一个点距离桩底50mm，然后依次每隔75mm取至第13个点，再依次每隔50mm取至第16个点，然后在每个点上安装应变片39，第16个应变片39距离桩端500mm，在桩端处应变片40穿出。
接下来进行试验，具体步骤如下：
第一步，填土。确定现场土质的密度，确定模型筛41的高度，如图5-1、5-2中的模型筛41，模型筛41内并排分布大小相同的筛孔42，筛孔42可根据试验需要设置密集度。利用砂雨的方法每次让砂土5通过筛孔42落入模型槽3内，在模型槽3上摆放等量的移动滑块10，保证每一次砂土5的落距相同，保证每次填土的密度相同，填土完成后，调整螺旋杆件27，使模型槽3前后移动到合适的位置，确定移动土层和固定土层的高度，安装挡板9，将内部挡板支架7提到相应高度，用顶丝Ⅰ6将内部挡板支架7固定在外部挡板支架4上，然后将挡板9嵌套在内部挡板支架7上，用顶丝Ⅱ8将挡板9固定在内部挡板支架7上。
第二步，压桩。安装压桩位置，用液压管36将竖向液压千斤顶25和液压泵37连接，将模型桩15竖直放置，桩头插入砂土5中少许，桩顶用桩套17套住，避免模型桩15倾斜，观察水平仪24将定位横梁23调至水平，竖向液压千斤顶25顶在定位横梁23上面，开始进行压桩，龙门架12两端有刻度21，可以读取压桩的高度，精确到1mm，同时可以通过控制台观察压桩力。
第三步，安装竖向加载系统。压桩完毕后，将套管17套在模型桩15上，根据试验中桩顶施加荷载大小，在套管17上安装并固定一定数量的加载盘18，安装安全环19，安全绳20穿过安全环19防止加载盘18脱落造成事故。竖向加载系统安装在模型桩15桩顶处，能与模型桩15运动保持一致，能够很好的模拟模型桩15受恒定竖向荷载的试验。
第四步，安装位移计。将位移计支架13安装在龙门架12两侧，根据试验要求上下调整两个位移计支架13的位置，将位移计14固定在位移计支架13上，位移计14和模型桩15同时与数据采集系统相连接。
第五步，安装侧向加载系统并推桩。所述的侧向加载系统包括加载模块28、受力横柱29、托举架30、竖向指针31、记录标尺32、侧向液压千斤顶34、侧向加载支架35、控制台26及液压泵37。加载模块28与受力横柱29相连接，受力横柱29固定在托举架30上，将托举架30嵌套在记录标尺32上，竖向指针31安装在托举架30上，侧向液压千斤顶34与液压泵37连接，侧向液压千斤顶34对受力横柱29施加荷载，将力传递给加载模块28推动移动滑块10向前滑动。
第六步，数据采集。整个采集系统包括土体侧向位移采集、桩基侧向位移采集、桩身应变采集。所述的数据采集系统包括记录标尺32、刻度20、应变片39、应变片导线40、位移计14、DH3816静态应变仪以及计算机，所述的刻度量程2m，精度为1mm，能够精确采集压桩高度。所述的记录标尺32量程300mm，精度为1mm，能够准确读出侧向土体移动的位移。所述的模型桩15上的应变片39连接有应变仪，应变仪连接电脑，所述的模型桩15前方安装有两个位移计14，一个与模型桩15的上端接触，另一个与模型桩15上端靠下接触，位移计14连接应变仪，其中每个应变片的电阻为120Ω，栅长×栅宽为3mm×2mm，灵敏度系数为2.20±1％，能够精确监测出桩身应变。
上述实例是对本发明技术方案的说明而非限制，对于本领域的技术人员来说，本发明可有各种变化和更改，比如更改本装置外观尺寸等。凡依据本发明的对本类装置所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所要求的权利保护范围之内。
Claims (8)
1.一种被动桩模型试验系统，其特征是：所述被动桩模型试验系统包括有：模型箱、移动滑块(10)、压桩装置、竖向加载系统、侧向加载系统、数据采集系统及模型桩(15),在模型箱里设有内装有砂土(5)的模型槽(3)，用竖向液压千斤顶(25)将模型桩(15)压入模型槽(3)内的砂土(5)中，在模型桩(15)顶端安装竖向加载系统，用侧向液压千斤顶(34)推动移动滑块(10)，应变采集系统记录试验数据，即形成被动桩模型试验系统。
2.根据权利要求书1所述的被动桩模型试验系统，其特征是：所述模型箱包括有底部支座(1)、螺旋杆件(27)、固定滑片(2)、模型槽(3)、外部挡板支架(4)、顶丝Ⅰ(6)、内部挡板支架(7)、顶丝Ⅱ(8)和挡板(9)，固定滑片(2)固定在底部支座(1)两侧的上表面，模型槽(3)安装在固定滑片(2)上，顶丝Ⅰ(6)安装在外部挡板支架外侧，顶丝Ⅱ(8)安装在挡板(9)外侧，外部挡板支架(4)对称分布在模型槽(3)的前侧边缘，外部挡板支架(4)内设有可上下移动的内部挡板支架(7)，顶丝Ⅰ(6)穿过外部挡板支架(6)顶住内部挡板支架(7)外边缘锁紧，固定内部挡板支架(7)，顶丝Ⅱ穿过挡板(9)顶住内部挡板支架(7)外边缘锁紧，固定挡板(9)。
3.根据权利要求书1所述的被动桩模型试验系统的压桩装置，其特征是：压桩装置包括龙门架(12)、刻度(21)、竖向液压千斤顶(25)、液压泵(37)、定位横梁(23)、桩套(22)、控制台(26)，竖向液压千斤顶(20)安装在龙门架(12)的上端横梁上，通过液压管(36)与液压泵(32)相连接，液压泵(32)通过导线(38)与控制台(26)连接，竖向液压千斤顶(25)的前端设置在定位横梁(23)上部，模型桩(15)的桩顶放入桩套(22)内，所述的模型桩(15)外表面安装有应变片(39)，并通过应变片导线(40)穿过预留孔(16)与数据采集系统连接。
4.根据权利要求书1所述的被动桩模型试验系统的竖向加载系统，其特征是：所述竖向加载系统包括套管(17)、加载盘(18)、安全环(19)和安全绳(20)，所述的套管(17)套在模型桩(15)上，加载盘(18)固定在套管(17)上，在加载盘(18)两侧和龙门架(12)的横梁上两侧分别安装有两个安全环(19)，在安全环(19)上连接有安全绳(20)。
5.根据权利要求书1所述的被动桩模型试验系统，其特征是：所述侧向加载系统包括加载模块(28)、受力横柱(24)、托举架(30)、竖向指针(31)、记录标尺(32)、侧向液压千斤顶(34)、侧向加载支架(35)、控制台(26)及液压泵(37)，加载模块(28)与受力横柱(29)相连接，受力横柱(29)固定在托举架(30)上，托举架(30)嵌套在记录标尺(32)上，竖向指针(31)安装在托举架(30)上，侧向液压千斤顶(34)与液压泵(37)连接，侧向液压千斤顶(34)顶住受力横柱(29)后端，施加荷载，受力横柱(29)带动加载模块(28)推动移动滑块(10)向前滑动。
6.根据权利要求书2所述的被动桩模型试验系统，其特征是：所述的固定滑片(2)对称固定在底部支座(1)上，模型槽(3)安装在两片固定滑片(2)上，模型槽(3)底部与螺旋杆件(27)相连，所述的外部挡板支架(4)固定在模型槽(3)前面的两侧，外部挡板支架(4)上设置有对内部挡板支架(7)调整高度的顶丝Ⅰ(6)，通过顶丝Ⅰ(6)锁紧；所述的挡板(9)上设置有顶丝Ⅱ(8)，将挡板(9)嵌套在内部挡板支架(7)上，通过顶丝Ⅱ(8)锁紧。
7.根据权利要求书3所述的被动桩模型试验系统，其特征是：所述龙门架(12)内侧设置有一对固定滑轮(11)，桩套(22)固定在定位横梁(23)底部中间位置，压桩时将桩套(22)套在模型桩(15)的桩顶，定位横梁(23)可沿着龙门架(12)上下移动，其中定位横梁(23)上安装有水平仪(24)；所述的龙门架(12)沿着定位横梁(23)移动的方向上有刻度(21)；所述的竖向液压千斤顶(25)与液压泵(37)通过液压管(36)相连，所述液压泵(37)与控制台(26)通过导线(38)相连，在龙门架(12)两侧固定有位移计支架(13)，在位移支架(13)中央固定有位移计(14)，位移计(14)前端顶在模型桩(15)的外表面，设置上下两个位移计(14)，位移计(14)连接数据采集系统。
8.根据权利要求书4所述的被动桩模型试验系统，其特征是：所述侧向加载支架(35)上设置有螺旋调高器(33)，所述螺旋调高器(33)与侧向液压千斤顶(34)相连。
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2016
- 2016-12-23 CN CN201611202509.XA patent/CN106769488A/zh active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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