CN108396790A - 一种地基基础双向动态加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于试验设备技术领域，涉及一种地基基础双向动态加载试验装置及方法，根据试验要求的频率、振幅、循环次数同时实现两个方向同时循环加载；并将试验中模型桩的数据信息实时传输到PLC操作控制器，根据得到的数据信息进行试验的调整以达到模型桩试验的要求，真实模拟现实地基基础在竖向重力以及风或浪情形下的模型桩试验，使得试验结果更加真实准确的反映现实海上桩体的情况，其结构简单，操作方便，不需要人工辅助，自动化程度高，安全可靠，可以快速进行试验。

Description

一种地基基础双向动态加载试验装置及方法

技术领域：

本发明属于试验设备技术领域，涉及一种地基基础双向动态加载试验装置及方法。

背景技术：

随着现代化的飞速发展、基础建设的不断完善和人类对于海洋认识的加深，人们对于海洋资源的认识与利用已经成为现代化进程的重要组成部分。我国拥有30000多公里长的海岸线和300万平方公里的海域，拥有丰富的海洋资源。随着我国环境情况的恶化和人们环保意识的增强，海洋工程将成为我们发展的重点，跨海大桥、海上油田开采、海上风力发电等近海工程、海岸工程发展迅速。近海工程和海岸工程中桩基础是被采用的最主要基础形式之一，特别是随着海洋工程发展速度的加快和发展规模的日益庞大，在保证桩基础安全可靠的前提下，缩短工期、延长使用年限、节约工程造价、减少维修工作等要求不断提高。海上桩基多为大直径开口管桩，因其承载力高、质量可靠、制桩速度快、施工方便、较为经济等优点得到越来越广泛的应用。我们迫切需要模拟海洋环境中双向循环荷载下对模型管桩影响的试验，研究其服役阶段的承载力特性，为其服役阶段的安全可靠性提供理论依据。现有的实验室试验设备不能满足模拟真实的海上竖向重力和水平风或浪下的双向循环荷载对桩施加的外力，以及试验设备操作不易，不能根据时刻不同调整循环荷载的频率和振幅，因此，迫切需要自行设计一种地基基础双向动态加载试验装置及方法，以满足模拟海上竖向重力和水平风或浪循环荷载下的管桩试验需求。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求提供一种地基基础双向动态加载试验装置及方法，在进行试验前，根据海洋上桩基常年受竖向重力和水平力的规律选择循环荷载的频率、振幅、循环次数进行试验方案的确定，通过海上双向动态加载试验装置能够简便、快速、安全的进行海上竖向重力和水平风或浪下的管桩模拟试验。

为了实现上述目的，本发明所述地基基础双向动态加载试验装置的主体结构包括反力柱、水平Y轨道、水平X轨道、水平圆形轨道、六自由度信息收集器、变频电机、滑动块、模型箱、底座、伺服加载电机、信息处理传输器、伺服加载控制器、油泵和PLC操作控制器，其中水平Y轨道、水平X轨道、水平圆形轨道、变频电机、滑动块组成水平位移控制系统，伺服加载电机、伺服加载控制器、油泵组成伺服加载系统，六自由度信息收集器、信息处理传输器组成位移信息反馈系统，PLC操作控制器为控制系统，底座中间安装有模型箱，底座的四个角处均竖向安装有反力柱，同侧的两根反力柱之间安装有水平Y轨道，两根水平Y轨道之间连接有水平X轨道，水平圆形轨道采用不锈钢带轨道的圆盘，水平圆形轨道设置在水平X轨道下方并分别与四根反力柱相切，水平X轨道和水平圆形轨道上均设置有变频电机、滑动块、伺服加载电机，滑动块的滑轮固定在水平X轨道或水平圆形轨道上，变频电机的一端安装在水平X轨道或水平圆形轨道上，另一端与滑动块连接，变频电机带动滑动块在水平X轨道或水平圆形轨道上运动，从而实现滑动块的X、Y形和圆形水平运动，变频电机带动滑动块运动的速度和运动的位置通过数据线传送到位移反馈系统，经过处理后再传送给控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机的运动速度和运动轨迹进行调整；伺服加载电机固定在滑动块上，油泵通过外接的油管与伺服加载电机连接，伺服加载控制器与油泵采用数据线连接，伺服加载控制器根据试验所需频率、振幅、循环次数控制油泵，油泵通过油管控制伺服加载电机，从而实现加载要求；信息处理传输器的一端与PLC操作控制器数据线连接，另一端与六自由度信息收集器数据线连接，模型桩在加载过程时，六自由度信息收集器不断的将收集到的模型桩桩体信息通过数据线传送给信息处理传输器，信息处理传输器将得到的信息进行处理后通过数据线传送到控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机位置进行调整，从而实现伺服加载系统的预期工作状态；信息处理传输器通过数据线将处理后的信息传送到PLC操作控制器，PLC操作控制器对各个系统的运动状态进行调整以达到模型桩试验的要求。

本发明采用所述地基基础双向动态加载试验装置进行模拟地基基础竖向重力和水平风或浪循环荷载下的管桩试验的具体过程为：

(1)将变频电机通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机是否能和安装在一起的滑动块在水平圆形轨道、水平Y轨道、水平X轨道上正常运行；然后，将位移信息反馈系统中的六自由度信息收集器、信息处理传输器通过数据线连接，启动位移信息反馈系统，检查各部分是否工作正常；将油泵通过油管与伺服加载电机连接，再将伺服加载控制器通过数据线与油泵连接，打开伺服加载控制器检查伺服加载系统是否工作正常；

(2)根据模型桩的位置确定伺服加载系统的位置，然后，通过伺服加载控制器将伺服加载电机的加载杆对准模型桩的中心位置，确定加载频率、振幅、加载循环次数，确定试验方案；

(3)开启位移信息反馈系统，进行模型桩桩体的位移信息采集，并将采集到的位移信息通过数据线传输到信息处理传输器，信息处理传输器对位移信息的时刻处理并传输到PLC操作控制器；

(4)打开伺服加载电机的开关进行模型桩的模拟试验，位移信息反馈系统实时采集模型桩桩体位移信息传输到信息处理传输器，模型桩桩体位移信息经处理后再传输给PLC操作控制器，PLC操作控制器对各个系统的运动状态进行调整实现伺服加载电机的加载使其按确定的试验方案进行，加载力始终位于模型桩的中心位置上；

(5)当模型桩的模拟试验达到所确定的加载循环次数，或符合桩体破坏条件时，PLC操作控制器发出停止试验指令，所有自动关闭，停止试验。

本发明与传统的试验装置相比，具有以下优点：一是能根据试验要求的频率、振幅、循环次数同时实现两个方向同时循环加载；二是操作方便，不需要人工辅助，自动化程度高，安全可靠，可以快速进行试验；三是能将试验中模型桩的数据信息实时传输到PLC操作控制器，并根据得到的数据信息进行试验的调整以达到模型桩试验的要求；四是更加真实的模拟了现实地基基础在竖向重力以及风或浪情形下的模型桩试验，使得试验结果更加真实准确的反映现实海上桩体的情况。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例所述地基基础双向动态加载试验装置的主体结构包括反力柱1、水平Y轨道2、水平X轨道3、水平圆形轨道4、六自由度信息收集器5、变频电机6、滑动块7、模型箱8、底座9、伺服加载电机10、信息处理传输器11、伺服加载控制器12、油泵13和PLC操作控制器14，其中水平Y轨道2、水平X轨道3、水平圆形轨道4、变频电机6、滑动块7组成水平位移控制系统，伺服加载电机10、伺服加载控制器12、油泵13组成伺服加载系统，六自由度信息收集器5、信息处理传输器11组成位移信息反馈系统，PLC操作控制器14为控制系统，底座1中间安装有模型箱8，底座9的四个角处均竖向安装有反力柱1，同侧的两根反力柱1之间安装有水平Y轨道2，两根水平Y轨道2之间连接有水平X轨道3，水平圆形轨道4采用不锈钢带轨道的圆盘，水平圆形轨道4设置在水平X轨道3下方并分别与四根反力柱1相切，水平X轨道3和水平圆形轨道4上均设置有变频电机6、滑动块7、伺服加载电机10，滑动块7的滑轮固定在水平X轨道3或水平圆形轨道4上，变频电机6的一端安装在水平X轨道3或水平圆形轨道4上，另一端与滑动块7连接，变频电机6带动滑动块7在水平X轨道3或水平圆形轨道4上运动，从而实现滑动块7的X、Y形和圆形水平运动，变频电机6带动滑动块7运动的速度和运动的位置通过数据线传送到位移反馈系统，经过处理后再传送给控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机7的运动速度和运动轨迹进行调整；伺服加载电机10固定在滑动块7上，油泵13通过外接的油管与伺服加载电机10连接，伺服加载控制器12与油泵13采用数据线连接，伺服加载控制器12根据试验所需频率、振幅、循环次数控制油泵13，油泵13通过油管控制伺服加载电机10，从而实现加载要求；信息处理传输器11的一端与PLC操作控制器14数据线连接，另一端与六自由度信息收集器5数据线连接，模型桩在加载过程时，六自由度信息收集器5不断的将收集到的模型桩桩体信息通过数据线传送给信息处理传输器11，信息处理传输器11将得到的信息进行处理后通过数据线传送到控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机6位置进行调整，从而实现伺服加载系统的预期工作状态；信息处理传输器11通过数据线将处理后的信息传送到PLC操作控制器14，PLC操作控制器14对各个系统的运动状态进行调整以达到模型桩试验的要求。

本实施例采用所述地基基础双向动态加载试验装置进行模拟竖向重力和水平风或浪循环荷载下的管桩试验的具体过程为：

(1)将变频电机6通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机6是否能和安装在一起的滑动块7在水平圆形轨道4、水平Y轨道2、水平X轨道3上正常运行；然后，将位移信息反馈系统中的六自由度信息收集器5、信息处理传输器11通过数据线连接，启动位移信息反馈系统，检查各部分是否工作正常；将油泵13通过油管与伺服加载电机10连接，再将伺服加载控制器12通过数据线与油泵13连接，打开伺服加载控制器12检查伺服加载系统是否工作正常；

(2)根据模型桩的位置确定伺服加载系统的位置，然后，通过伺服加载控制器12将伺服加载电机10的加载杆对准模型桩的中心位置，确定加载频率、振幅、加载循环次数，确定试验方案；

(3)开启位移信息反馈系统，进行模型桩桩体的位移信息采集，并将采集到的位移信息通过数据线传输到信息处理传输器11，信息处理传输器11对位移信息的时刻处理并传输到PLC操作控制器14；

(4)打开伺服加载电机10的开关进行模型桩的模拟试验，位移信息反馈系统实时采集模型桩桩体位移信息传输到信息处理传输器11，模型桩桩体位移信息经处理后再传输给PLC操作控制器14，PLC操作控制器14对各个系统的运动状态进行调整实现伺服加载电机10的加载使其按确定的试验方案进行，加载力始终位于模型桩的中心位置上；

(5)当模型桩的模拟试验达到所确定的加载循环次数，或符合桩体破坏条件时，PLC操作控制器14发出停止试验指令，所有自动关闭，停止试验。

实施例2：

本实施例进行模拟竖向重力和水平风或浪循环荷载下的管桩试验的具体过程为：

(1)将变频电机6通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机6是否能和安装在一起的滑动块7在水平圆形轨道4、水平Y轨道2、水平X轨道3上正常运行；

(2)将位移信息反馈系统中的六自由度信息收集器5、信息处理传输器11通过数据线连接，启动位移信息反馈系统，检查各部分是否工作正常；

(3)将油泵13通过油管与伺服加载电机10连接，再将伺服加载控制器12通过数据线与油泵13连接，打开伺服加载控制器12检查伺服加载系统是否工作正常；

(4)根据模型桩的沉桩位置，通过变频电机4调节并确定伺服加载系统的位置，然后通过伺服加载控制器12将伺服加载电机10的加载杆对准模型桩的中心位置，根据海上风机以及跨海大桥的桩基常年受力情况和试验室试验条件情况确定加载频率为5Hz，水平循环荷载振幅6kN竖向为恒荷载10KN以及加载循环次数为10000次；

(5)开启位移信息反馈系统，进行模型桩桩体的位移信息采集，并将采集到的位移信息通过数据线传输到信息处理传输器11，信息处理传输器11对位移信息的时刻处理并传输到PLC操作控制器14；

(6)打开伺服加载电机10的开关进行模型桩的模拟试验，位移信息反馈系统实时采集模型桩桩体位移信息传输到信息处理传输器11，模型桩桩体位移信息经处理后再传输给PLC操作控制器14，PLC操作控制器14对各个系统的运动状态进行调整实现伺服加载电机10的加载使其按确定的试验方案进行，加载力始终位于模型桩的中心位置上；

(7)当模型桩的模拟试验达到所确定的加载循环次数，或符合桩体破坏条件时，PLC操作控制器14发出停止试验指令，所有自动关闭，停止试验。

Claims (2)

1.一种地基基础双向动态加载试验装置，其特征在于主体结构包括反力柱、水平Y轨道、水平X轨道、水平圆形轨道、六自由度信息收集器、变频电机、滑动块、模型箱、底座、伺服加载电机、信息处理传输器、伺服加载控制器、油泵和PLC操作控制器，其中水平Y轨道、水平X轨道、水平圆形轨道、变频电机、滑动块组成水平位移控制系统，伺服加载电机、伺服加载控制器、油泵组成伺服加载系统，六自由度信息收集器、信息处理传输器组成位移信息反馈系统，PLC操作控制器为控制系统，底座中间安装有模型箱，底座的四个角处均竖向安装有反力柱，同侧的两根反力柱之间安装有水平Y轨道，两根水平Y轨道之间连接有水平X轨道，水平圆形轨道采用不锈钢带轨道的圆盘，水平圆形轨道设置在水平X轨道下方并分别与四根反力柱相切，水平X轨道和水平圆形轨道上均设置有变频电机、滑动块、伺服加载电机，滑动块的滑轮固定在水平X轨道或水平圆形轨道上，变频电机的一端安装在水平X轨道或水平圆形轨道上，另一端与滑动块连接，变频电机带动滑动块在水平X轨道或水平圆形轨道上运动，从而实现滑动块的X、Y形和圆形水平运动，变频电机带动滑动块运动的速度和运动的位置通过数据线传送到位移反馈系统，经过处理后再传送给控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机的运动速度和运动轨迹进行调整；伺服加载电机固定在滑动块上，油泵通过外接的油管与伺服加载电机连接，伺服加载控制器与油泵采用数据线连接，伺服加载控制器根据试验所需频率、振幅、循环次数控制油泵，油泵通过油管控制伺服加载电机，从而实现加载要求；信息处理传输器的一端与PLC操作控制器数据线连接，另一端与六自由度信息收集器数据线连接，模型桩在加载过程时，六自由度信息收集器不断的将收集到的模型桩桩体信息通过数据线传送给信息处理传输器，信息处理传输器将得到的信息进行处理后通过数据线传送到控制系统，控制系统根据实际试验需求对变频电机位置进行调整，从而实现伺服加载系统的预期工作状态；信息处理传输器通过数据线将处理后的信息传送到PLC操作控制器，PLC操作控制器对各个系统的运动状态进行调整以达到模型桩试验的要求。

2.一种采用如权利要求1所述装置进行双向动态加载试验的方法，其特征在于具体过程为：

(1)将变频电机通过数据线与控制系统连接，打开控制系统检查变频电机是否能和安装在一起的滑动块在水平圆形轨道、水平Y轨道、水平X轨道上正常运行；然后，将位移信息反馈系统中的六自由度信息收集器、信息处理传输器通过数据线连接，启动位移信息反馈系统，检查各部分是否工作正常；将油泵通过油管与伺服加载电机连接，再将伺服加载控制器通过数据线与油泵连接，打开伺服加载控制器检查伺服加载系统是否工作正常；

(2)根据模型桩的位置确定伺服加载系统的位置，然后，通过伺服加载控制器将伺服加载电机的加载杆对准模型桩的中心位置，确定加载频率、振幅、加载循环次数，确定试验方案；

(3)开启位移信息反馈系统，进行模型桩桩体的位移信息采集，并将采集到的位移信息通过数据线传输到信息处理传输器，信息处理传输器对位移信息的时刻处理并传输到PLC操作控制器；

(4)打开伺服加载电机的开关进行模型桩的模拟试验，位移信息反馈系统实时采集模型桩桩体位移信息传输到信息处理传输器，模型桩桩体位移信息经处理后再传输给PLC操作控制器，PLC操作控制器对各个系统的运动状态进行调整实现伺服加载电机的加载使其按确定的试验方案进行，加载力始终位于模型桩的中心位置上；

(5)当模型桩的模拟试验达到所确定的加载循环次数，或符合桩体破坏条件时，PLC操作控制器发出停止试验指令，所有自动关闭，停止试验。