CN107313470A - 加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，由加压预固结机构及安装在该机构顶部的水平循环荷载加载机构组成，加压预固结机构包括底座、支架、水平滑轨、模型箱、顶板等结构，水平循环荷载加载机构包括固定支架、定滑轮杆、定滑轮、电机、偏心转子、力加载点支架、力加载线、位移加载线等结构。与现有技术相比，本发明具有可进行黏土预固结，可在保持竖向加压情况下进行水平加载，可进行超固结试验，可在一套装置上分别施加循环的位移或循环的力，循环加载频率范围大，循环加载幅值大，循环加载次数多，循环稳定等优点。

Description

加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置

技术领域

本发明涉及模型试验固结及加载装置，尤其是涉及一种加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置。

背景技术

近年来，我国雾霾现象日益严重，而这与我国的能源消耗有很大关系，我国能源消耗中传统化石能源所占的比重大，能源利用效率低，浪费严重，污染大，因此迫切需要发展新型清洁型能源。近二十年来，风电机组在欧美发展迅速，在我国也已经开始实际运用，其中建设海洋风电工程是一种充分利用风能的方式。

而在复杂的海洋环境中，体型庞大的风电机组需要承受风和海浪耦合形成的长期循环荷载，因此对于支撑风电机组以及上部塔状结构的基础工程提出了很高的要求。但是，在风和海浪耦合循环荷载的作用下，桩基础会产生承载能力弱化和累积侧向变形的增加，而当桩身倾斜超过一定角度时，风电机组将无法正常工作。

因此，找到合理的方法预测和控制水平向循环荷载作用下风电基础的承载力和累积变形，对保证这些工程的正常运作和安全具有重大意义。

针对水平向循环荷载作用下的基础，风电基础的建设面临两个问题，：(1)循环荷载作用下风机基础的累积变形预测；(2)循环荷载作用下桥梁及风机基础的承载力的确定。显然以上两方面至今还缺乏较为可靠的分析方法。为弥补理论分析的局限性，对于重要工程，需要结合室内模型试验进行分析，其中的关键技术是如何在1g条件下模拟现场的地应力环境，以及如何模拟基础长期承受水平向循环荷载的作用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、模拟精度高的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，由加压预固结机构及安装在该机构顶部的水平循环荷载加载机构组成，

所述的加压预固结机构包括：

底座；

支架，安装于底座上；

水平滑轨，放置于底座上；

模型箱，放置于水平滑轨上；

顶板，安装于支架顶部；

安装于顶板上的竖向加载杆；

转轴，设置于竖向加载杆底部；

加压杠杆，安装于转轴上，该加压杠杆为1:30的杠杆；

安装于加载架上的千斤顶及定位孔板；

砝码加载杆，安装于加压杠杆端部，外侧端连接有托盘及砝码；

电动杠杆平衡调节装置，安装在加压杠杆上；

球形顶竖向加载杆，穿过定位孔板上的定位孔，与加压杠杆接触；

加载板，放置于模型箱上部；

加载板盖板，安装于加载板上；

多孔透水板，安装于模型箱底部；

所述的水平循环荷载加载机构包括：

固定支架，安装于加压预固结机构的顶板上；

定滑轮杆，安装于固定支架顶部；

定滑轮，安装于定滑轮杆中部；

转轴，安装于固定支架上；

加载平衡梁，安装于转轴和固定支架上；

滑轨，设置于加载平衡梁上；

滑块，安放在滑轨上；

电机支架，安装于顶板上；

电机，安放于电机支架上，顶部与加载平衡梁顶部平齐；

偏心转子，安装于电机上；

连杆，连接偏心转子与滑块顶部；

力加载点支架，安装于加载平衡梁上部；

力加载线，绕过定滑轮与力加载点支架顶部中心连接；

位移加载线，与滑块顶部连接。

所述的底座，包括固定底座于地面的定位螺孔，固定支架的定位螺孔，底座下部利于搬运的支撑块，所述的底座、定位螺孔及支撑块采用钢结构制作。所述的水平滑轨放置在底座上，由直径10mm，间距50mm的钢管制成，可自由转动，方便模型箱出入。

所述的支架，包括固定定位孔板的定位螺孔，安装放置千斤顶的托板及定位螺孔，所述的定位螺孔、托板由钢结构制作。

所述的顶板，由固定支架的定位螺孔，固定竖向加载杆的定位螺孔，固定上部循环加载装置的定位螺孔，所述的顶板及定位螺孔由钢结构制作。

所述的转轴，包括与加载杠杆相连接的铰接螺孔，与竖向加载杆相连接的铰，所述转轴、铰接螺孔、铰由钢结构制作。

所述的加压杠杆，包括与转轴相连接的铰，固定砝码杆的定位螺孔，所述杠杆、铰及螺孔由钢结构制作。

所述的加载板，包括与竖向加载杆相接触的定位孔，横向加劲肋，用于安放模型桩的定位孔，用于安装加载板盖板的定位螺孔，所述的加载板、定位孔、横向加劲肋、定位螺孔由钢结构制作。

所述的模型箱，包括模型箱内部下部的多孔透水板，用于排水的水龙头，用于安装水龙头的定位螺孔，用于水循环的水管，所述模型箱、多孔透水板、定位螺孔由钢结构制作，所述水龙头由铜结构制作，所述水管由塑料制作。

所述的球形顶竖向加载杆，包括含有螺纹安装在转轴上的圆钢加载杆，半球形加载顶，球形加载顶下部与加载板相接触的加载杆，所述加载杆、半球形加载顶由钢结构制作。

所述的砝码加载杆，包括一根带螺孔的螺杆，与螺杆相连的托盘，所述托盘采用钢结构制作。

所述的固定支架，包括六根固定于底座上的方钢管，固定于方钢管顶部的钢板，所述的方钢管中，外部四个顶部预留固定定滑轮转轴的螺孔，所述钢板中部留有固定转轴的螺孔。所述定滑轮安装于定滑轮转轴中部，用于改变力加载线的方向。

所述的电机支架，包括固定于底板上的四根方钢管，固定于方钢管顶部的钢板，钢板上预留安装电机的定位螺孔。所述的电机通过螺栓固定于电机支架上。所述的偏心转子，包括两个钢板制成的半圆形圆弧，圆弧上预留有固定电机转轴的定位螺孔，固定连杆的定位螺孔。

所述的加载平衡梁，包括多个定位螺孔，两个安装滑轨的滑槽，安放偏心转子的滑槽，所述定位螺孔及滑槽由钢结构制作。所述的转轴通过定位螺孔与加载平衡梁中部连接。所述的滑轨，通过定位螺孔安装于滑槽内部。所述的滑块，放置在滑槽内部的滑轨上，上部预留有连接连杆以及位移加载线的定位螺孔。所述的连杆，通过定位螺孔与偏心转子以及滑块相连。

所述的力加载点支架，包括四个通过定位螺孔固定于加载平衡梁上部的竖向钢板，两个固定于竖向钢板上的水平钢板，水平钢板中部留有固定力加载线的定位螺孔。所述的力加载线，通过定位螺孔固定于力加载线支架上，绕过定滑轮。

与现有技术相比，本发明能在1g条件下，在不同固结应力下，使土体加压预固结，模拟现场土体应力条件；能在保持固结应力的条件下，进行桩基水平加载试验；能够进行多种超固结比条件下桩基水平承载特性试验，适用范围广、模拟精度高，能够分别进行水平力循环荷载加载以及水平位移循环荷载加载，突破了现有试验装置单向力加载的限制，且能进行精确自平衡，能进行长期循环加载，且体积更小，电机不在平衡架上，使得整体振动更小，荷载更加精确。

通过在1:30的加压杠杆的砝码盘上放置不同的砝码，可以为土体提供不同的固结应力，以模拟现场土体应力条件。

在土体加载固结完成后进行模型桩的试验时，可以将加载板上的盖板去除，在预留孔中插入模型桩进行试验，这样可以在试验时保持土体的固结应力不变。

同时，在探究超固结比的影响时，可以在土体固结完成后，减少砝码盘上的砝码数量，即改变土体的上覆应力，使土体变为超固结土体，同时控制荷载比值，可以获得不同的超固结比。

试验时，当进行水平力荷载加载时，两根力加载线绕过定滑轮与模型桩两边相连接，加载装置实质上为一个平衡梁，当电机旋转时，带动偏心转子旋转，通过两根连杆带动两个滑块在滑轨上做水平往返运动，滑块的运动会改变平衡梁两边的重心位置，在两根力加载线上产生不平衡力，滑块的位置不同，不平衡力也不同，通过滑块的往复运动，在力加载线上产生周期变化的不平衡力。因为力加载线为刚绞线只能提供拉力，故使用两根力加载线分别在桩的两端施加拉力，并且可以确定的是，在同一时刻，根据滑块的位置，只有一根力加载线上是有拉力的，这保证了装置可以进行双向稳定的加载。由于在加载时，平衡梁由于滑块运动而产生的不平衡力通过力加载线传递到桩上，因此，整个平衡梁仍然是平衡的(保证自平衡)。

当进行水平位移加载时，将两根位移加载线绕过定滑轮与模型桩两边相连接，当电机旋转时，带动偏心转子旋转，通过两根连杆带动两个滑块在滑轨上做水平往返运动，通过位移加载线将滑块的往返运动传递到桩顶，带动桩做水平往复运动。

因为连杆可以连接在偏心转子的不同位置，即可以改变滑块的运动幅值，滑块运动幅值的大小决定了产生的周期性不平衡力的幅值大小(力加载)或者桩顶位移的大小(位移加载)。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为水平循环荷载加载机构的结构示意图；

图3为加压预固结机构的结构示意图；

图4为平衡加载梁平面结构示意图；

图5为模型箱的结构示意图；

图6为加载板及盖板的结构示意图。

图中，1-加压预固结机构、11-顶板、12-支架、13-加压杠杆、14-千斤顶、15-砝码、16-底座、17-模型箱、18-定位孔板、19-加载板、110-球形顶竖向加载杆、111-控制器、112-盖板、113-预留孔、114-肋板、115-传压板、116-定位孔、2-水平循环荷载加载机构、21-定滑轮、22-偏心转子、23-加载平衡梁、24-固定支架、25-电机、26-位移加载线、27-滑块、28-力加载线、29-连杆、210-滑槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其结构如图1所示，由加压预固结机构1及安装在该机构顶部的水平循环荷载加载机构2组成。

加压预固结机构1的结构如图2所示，包括底座16、安装于底座上16的支架、支架上设置有控制器111、放置于底座上水平滑轨、放置于水平滑轨上的模型箱17、安装于支架顶部的顶板11、安装于顶板11上的竖向加载杆；设置于竖向加载杆底部的转轴、安装于转轴上加压杠杆13；安装于加载架上的千斤顶14及定位孔板18；砝码加载杆，安装于加压杠杆13端部，外侧端连接有托盘及砝码15；电动杠杆平衡调节装置，安装在加压杠杆13上；球形顶竖向加载杆110，穿过定位孔板18上的定位孔，与加压杠杆13接触；放置于模型箱17上部的加载板19，安装于加载板19上的盖板112，安装于模型箱17底部的多孔透水板。

底座16包括固定底座于地面的定位螺孔，固定支架的定位螺孔，底座下部利于搬运的支撑块，所述的底座、定位螺孔及支撑块采用钢结构制作。水平滑轨放置在底座上，由直径10mm，间距50mm的钢管制成，可自由转动，方便模型箱出入。支架包括固定定位孔板的定位螺孔，安装放置千斤顶的托板及定位螺孔，定位螺孔、托板由钢结构制作。

顶板11带有固定支架的定位螺孔，固定竖向加载杆的定位螺孔，固定上部循环加载装置的定位螺孔，所述的顶板及定位螺孔由钢结构制作。

转轴包括与加载杠杆相连接的铰接螺孔，与竖向加载杆相连接的铰，转轴、铰接螺孔、铰由钢结构制作。加压杠杆13包括与转轴相连接的铰，固定砝码杆的定位螺孔，加压杠杆13、铰及螺孔由钢结构制作。

加载板19的结构如图6所示，本体为传压板115，包括与球形顶竖向加载杆110相接触的定位孔116，横向的肋板114，用于安放模型桩的预留孔113孔，用于安装盖板112的定位螺孔，盖板112盖设在加载板19上。加载板、定位孔、横向加劲肋、定位螺孔由钢结构制作。

模型箱的结构如图5所示，包括模型箱内部下部的多孔透水板，用于排水的水龙头，用于安装水龙头的定位螺孔，用于水循环的水管，模型箱、多孔透水板、定位螺孔由钢结构制作，水龙头由铜结构制作，所述水管由塑料制作。

球形顶竖向加载杆110包括含有螺纹安装在转轴上的圆钢加载杆，半球形加载顶，球形加载顶下部与加载板相接触的加载杆，加载杆、半球形加载顶由钢结构制作。砝码加载杆包括一根带螺孔的螺杆，与螺杆相连的托盘，托盘采用钢结构制作。

水平循环荷载加载机构2的结构如图3所示，包括安装于加压预固结机构的顶板11上的固定支架24、安装于固定支架24顶部的定滑轮杆及安装于定滑轮杆中部的定滑轮21、安装于固定支架24上的转轴、安装于转轴和固定支架24上的加载平衡梁23、设置于加载平衡梁上的滑轨及安放在滑轨内的滑块27、安装于顶板11上的电机支架及安放于电机支架上的电机25，其顶部与加载平衡梁23顶部平齐、安装于加载平衡梁23上部的力加载点支架、绕过定滑轮21与力加载点支架顶部中心连接的力加载线28、与滑块27顶部连接的位移加载线26。

固定支架24包括六根固定于底座上的方钢管，固定于方钢管顶部的钢板，方钢管中，外部四个顶部预留固定定滑轮转轴的螺孔，钢板中部留有固定转轴的螺孔。定滑轮21安装于定滑轮转轴中部，用于改变力加载线28的方向。

电机支架包括固定于底板上的四根方钢管，固定于方钢管顶部的钢板，钢板上预留安装电机的定位螺孔。电机通过螺栓固定于电机支架上。偏心转子22包括两个钢板制成的半圆形圆弧，圆弧上预留有固定电机转轴的定位螺孔，固定连杆29的定位螺孔。

加载平衡梁处的结构如图4所示，包括多个定位螺孔，两个安装滑轨的滑槽210，安放偏心转子的滑槽，定位螺孔及滑槽由钢结构制作。转轴通过定位螺孔与加载平衡梁中部连接。滑轨通过定位螺孔安装于滑槽210内部。滑块27放置在滑槽210内部的滑轨上，预留有连接连杆29以及位移加载线的定位螺孔。连杆29通过定位螺孔与偏心转子以及滑块相连。

力加载点支架包括四个通过定位螺孔固定于加载平衡梁上部的竖向钢板，两个固定于竖向钢板上的水平钢板，水平钢板中部留有固定力加载线的定位螺孔。所述的力加载线，通过定位螺孔固定于力加载线支架上，绕过定滑轮。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，该装置由加压预固结机构及安装在该机构顶部的水平循环荷载加载机构组成，

所述的加压预固结机构包括：

底座；

支架，安装于底座上；

水平滑轨，放置于底座上；

模型箱，放置于水平滑轨上；

顶板，安装于支架顶部；

安装于顶板上的竖向加载杆；

转轴，设置于竖向加载杆底部；

加压杠杆，安装于转轴上；

安装于加载架上的千斤顶及定位孔板；

砝码加载杆，安装于加压杠杆端部，外侧端连接有托盘及砝码；

电动杠杆平衡调节装置，安装在加压杠杆上；

球形顶竖向加载杆，穿过定位孔板上的定位孔，与加压杠杆接触；

加载板，放置于模型箱上部；

加载板盖板，安装于加载板上；

多孔透水板，安装于模型箱底部；

所述的水平循环荷载加载机构包括：

固定支架，安装于加压预固结机构的顶板上；

定滑轮杆，安装于固定支架顶部；

定滑轮，安装于定滑轮杆中部；

转轴，安装于固定支架上；

加载平衡梁，安装于转轴和固定支架上；

滑轨，设置于加载平衡梁上；

滑块，安放在滑轨上；

电机支架，安装于顶板上；

电机，安放于电机支架上，顶部与加载平衡梁顶部平齐；

偏心转子，安装于电机上；

连杆，连接偏心转子与滑块顶部；

力加载点支架，安装于加载平衡梁上部；

力加载线，绕过定滑轮与力加载点支架顶部中心连接；

位移加载线，与滑块顶部连接。

2.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的转轴上设有与加载杠杆相连接的铰接螺孔，与竖向加载杆相连接的铰。

3.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的加压杠杆上设有与转轴相连接的铰，固定砝码加载杆的定位螺孔。

4.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的加载板上设有与竖向加载杆相接触的定位孔，横向加劲肋，用于安放模型桩的定位孔，用于安装加载板盖板的定位螺孔。

5.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的模型箱内设有用于排水的水龙头及用于水循环的水管。

6.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的球形顶竖向加载杆包括含有螺纹安装在转轴上的圆钢加载杆，半球形加载顶，以及设置在半球形加载顶下部与加载板相接触的加载杆。

7.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的砝码加载杆包括一根带螺孔的螺杆及与该螺杆相连的托盘。

8.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的加载平衡梁，包括多个定位螺孔，两个安装滑轨的滑槽，安放偏心转子的滑槽。

9.根据权利要求8所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的转轴通过定位螺孔与加载平衡梁中部连接，所述的滑轨通过定位螺孔安装于滑槽内部，所述的滑块放置在滑槽内部的滑轨上，上部预留有连接连杆以及位移加载线的定位螺孔，所述的连杆通过定位螺孔与偏心转子以及滑块相连。

10.根据权利要求1所述的加压预固结模拟桩箱基础长期循环荷载作用的试验装置，其特征在于，所述的力加载点支架包括四个通过定位螺孔固定于加载平衡梁上部的竖向钢板，两个固定于竖向钢板上的水平钢板，水平钢板中部留有固定力加载线的定位螺孔，所述的力加载线通过定位螺孔固定于力加载线支架上，绕过定滑轮。