CN109653259B - 多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，涉及岩土力学试验领域。本发明的结构是：在上回型支架的下面分别设置有动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元和扭转荷载施加单元；在中回型支架的上面设置有桩基压力室单元，在桩基压力室单元内置有桩基单元；在中回型支架的下面设置有应变控制单元和土体固结应力比施加单元；在下回型支架的上面设置有水压力加载单元；水压力加载单元与桩基压力室单元连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；其它单元分别与桩基压力室单元相连，提供多种荷载；桩基压力室单元、数据采集仪和计算机依次连接，获取试验数据。本系统用于测定桩基的极限承载力和模拟桩基服役过程中受到的环境荷载和工程荷载状态下桩基的沉降和承载特性。

Description

多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统

技术领域

本发明涉及岩土力学试验领域，尤其涉及一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统。

背景技术

我国海洋岛礁工程建设的实施推进，对于我国经济、军事和民生事业至关重要；在开展岛礁工程建设中遇到各种各样的工程地质问题，桩基工程是岛礁建设中地基处理的一种常见处理手段。桩基工程中通常需要考虑对桩基的承载力进行检测和分析，从而确定其极限承载能力，同时也要考虑服役环境中环境荷载对桩基安全稳定性的影响。一方面，对于桩基承载力的建设，工程中常采用试桩的方法进行；常见的是采用桩基静载试验的慢速维持荷载法，实际工程试桩较为费时费力；但海洋环境中的工程建筑物，往往还需要承受一定频率的动荷载，因而从安全性上讲，是需要进行动静荷载两方面的桩基工程试验。而动荷载的试桩，其特点是需要进行反复加卸荷载。实际工程试桩时中通常采用重物堆压的方式对桩基进行施加荷载，如进行一定循环次数的动静荷载桩基工程试验，其人力、物力成本较高。二方面，对于岛礁建设施工过程中，通常采用动力沉桩的方式进行桩基施工，通过采用有高频率振动冲击和锤击沉桩的施工方法和工艺；而实际工程试桩过程中，很难能够模拟该过程，这也为桩基工程的施工过程的监控，带来一定的不便。另一方面，位于海洋动力环境中的桩基，通常可以通过观测的方法获取环境中的自然环境荷载数据，但是环境荷载如何较好模拟施加则是一项非常具有挑战性的工作，涉及到海洋环境的钙质砂桩基模型试验更是如此。例如位于海洋环境中的岛礁桩基，时常受到多种风、浪动力荷载的作用，然而这类风、浪动力荷载经常具有大小、方向甚至作用点可变的特点，同时波浪的反复水位升降，还会引起土体强度的变化，从而影响桩基承载能力，如何更好地模拟这些风、浪荷载是一件非常重要的事情。在工程试桩中，想要通过某种加载方式去实现环境荷载的模拟是一件十分困难的事。而室内模型试验采用相似原理，通过一定的缩尺比例，在模型箱中开展桩基试验，桩基模型试验，可以更好地分析相关的结论，从而确定和判定桩基承载的相关规律。常规土工模型箱一般具有一定的尺寸，有较好的效果；通常采用室内模型试验的方式模拟桩基环境荷载，在参数的采集上，模型箱试验往往通过埋设传感器等探测手段进行，经过多年的实践方法，正在逐渐被人们所认可，并且加以改进，能够考虑更多的环境荷载因素、方便收集参数，并且能够极大减少工作量。目前对于利用三轴进行桩基模型试验是一个新的途径和方向，利用室内小型土工试验装置，开展三轴桩基模型试验装置，有装样精确、工作量小和数据采集方便等优势。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，可以在三轴压力室中模拟施加有围压状态下模型桩受力状态，对模型桩施加上部恒定静载，从而确定模型桩的极限承载力，同时可以模拟采用锤击沉桩的施工过程，例如模拟不同频率不同大小的冲击能量的锤击沉桩、模拟锤击沉桩的施工过程，而且可以模拟模型桩服役过程后，模拟风、浪等多种环境荷载对桩的作用，例如多向扭转荷载对桩的作用，也可以模拟振动荷载沉桩、同时能够对桩施加一个循环荷载、不同大小的静荷载以模拟真实的工程荷载状态的三轴桩基模型试验。

本发明的目的是是这样实现的：

具体地说，本系统包括试验对象——桩基单元；

设置有支架、桩基压力室单元、动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、应变控制单元、水压力加载单元、动力源单元、土体固结应力比施加单元和扭转荷载施加单元、数据采集仪和计算机；

其位置和连接关系是：

在支架上设置有上、中、下回型支架；

在上回型支架的下面分别设置有动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元和扭转荷载施加单元；

在中回型支架的上面设置有桩基压力室单元，在桩基压力室单元内置有桩基单元；

在中回型支架的下面设置有应变控制单元和土体固结应力比施加单元；

在下回型支架的上面设置有水压力加载单元；

设置在支架外的动力源单元通过管筒分别与动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、水压力加载单元、土体固结应力比施加单元及扭转荷载施加单元连通，提供动力；

水压力加载单元通过管筒与桩基压力室单元连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；

动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、应变控制单元、土体固结应力比施加单元及扭转荷载施加单元的活动部分分别与桩基压力室单元相连，提供多种荷载；

在支架外还设置有数据采集仪和计算机，桩基压力室单元、数据采集仪和计算机依次连接，获取试验数据。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和有益效果：

①土体基础部分与模型桩共同组成桩基单元作为系统的检测对象，水压力加载单元、固结应力比施加单元，可更真实地模拟桩基单元的自然环境中土体受力状态，更加贴近工程桩基应用环境；

②系统中动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、扭转荷载施加单元通过切换可分别施加不同形式的荷载在模型桩上，实现多功能荷载施加，桩基服役环境中的多种形式荷载，功能齐全，操作切换方便快捷；

③系统中设置有通用传感器，为了获取对应的数据参数，其输出端与数据采集仪连接，数据采集仪将获得的数据储存在计算机中，分析更为精密、准确。

总之，本系统包括功能和检测两大部分，功能部分包括桩基单元在环境中自身应力状态，其次对桩基单元施加多功能荷载，并通过埋设的传感器等通用元件，检测桩基单元受力及竖向沉降参数，是一种多功能、方便快捷的桩基模型试验系统；用于测定桩基的极限承载力和模拟桩基服役过程中受到的环境荷载和工程荷载状态下桩基的沉降和承载特性。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是本系统的结构示意图；

图3是桩基单元000的结构示意图；

图4是模型桩050的结构示意图；

图5是模型桩050的爆炸示意图；

图6是支架100的结构示意图；

图7是桩基压力室单元200结构方框图；图8是桩基压力室单元200 的剖视图；

图9是桩基压力室单元200的结构示意图；图10是底盘230的结构示意图；

图11是密封件240的结构示意图；图12是桩基压力室单元200的安装示意图；

图13是动静荷载施加单元300的结构示意图；

图14是锤击荷载施加单元400的结构方框图；

图15是锤击荷载施加单元400的结构示意图；

图16是夯击模块460的剖视图；

图17是锤击施加单元400工作示意图；

图18是应变控制单元500的结构示意图；

图19是水压力加载单元600的结构示意图；

图20是水压力加载单元600的工作原理图；

图21是动力源单元700的结构示意图；图22是动力源单元700连接示意图；

图23是固结应力比施加单元800的结构示意图；

图24是压力施加模块830的结构示意图；

图25是扭转荷载施加单元900的结构方框图；

图26是扭转荷载施加单元900的结构示意图；

图27是扭转荷载左半部分920的结构示意图；

图28是扭转荷载右半部分940的结构示意图；

图29是检测受力状态的示意图。

图中：

000—桩基单元，

010—桩侧土，020—桩端土，030-橡皮膜，040-土样帽，

050—模型桩，

051—模型桩上帽，052—销钉，0531—模型桩左半部分，

0532—模型桩右半部分，054—模型桩下帽，055—土压力盒，

056—应变片，057-出线孔，058-水平尺、059-电位移计，0510-齿轮，

0511-扭转固定螺丝。

100—支架，

111—上回型支架；112—中回型支架；113—下回型支架； 120—丝杠；

130—支撑板；

140—滑道。

200—桩基压力室单元，

220—上部玻璃罩，

221—上玻璃罩上盘面，

222—玻璃筒，

223—上玻璃罩下盘面，

224—固定丝杠，

225—固定螺母；

230—底盘，

231—第1围压孔，232—第2围压孔，

233—第1孔压孔，234—第2孔压孔；

240—密封件，

241—凸字形密封体，242—第1密封圈，243—第2密封圈，244—圆形螺母。

300—动静荷载施加单元，

310—动静气缸；

320—动静传力杆。

400—锤击荷载施加单元，

410—锤击第1气缸；420—锤击第1传力杆；430—连接盘；

440—锤击第2气缸；450—锤击第2传力杆；

460—夯击模块，

461—夯击杆，462—小车。

500—应变控制单元，

510—步进电机；520—电机驱动器；530—电机控制器；540—承载圆盘；

550—应变连接板。

600—水压力加载单元，

610—围压孔水压力气缸；620—孔压孔水压力气缸；630—围压孔加水气缸；

640—孔压孔加水气缸；650—围压孔管筒；660—孔压孔管筒；

670—围压孔活塞杆；680—孔压孔活塞杆；690—底板。

700—动力源单元，

710—空气压缩机；

7201、7202—第1、2四通阀；

7203、7204—第1、2三通阀；

7301、7302、……7308—第1、2……8调压阀；

7401、7402—第1、2电磁阀；

7501、7502、7503、7504—第1、2、3、4电气比例阀；

7601、7602、7603、7604—第1、2、3、4信号发生器；

7701、7702—第1、2时间继电器；

7801、7802—第1、2电源。

800—固结应力比施加单元，

810—压力传递支架；

820—应力比连接板；

830—压力施加模块，

831—压力气缸，832—压力传感器，833—T字形铁尺，

8341—第1位移计，8342—第2位移计。

900—扭转荷载施加单元，

910—左连接杆；

920—扭转荷载左半部分

921—左气缸；922—第1左扭转压力传感器；9231—扭转左第1位移计；

9232—扭转左第2位移计；924—左扭转T字形铁尺；925—左齿条；

930—右连接杆；

940—扭转荷载右半部分，

941—右气缸；942—第2右扭转压力传感器；

9431—扭转右第3位移计；9432—扭转右第4位移计；

944—右扭转T字形铁尺；945—右齿条。

1000-数据采集仪。

1100-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、本系统的结构

1、总体

如图1、图2，本系统包括试验对象——桩基单元000；

设置有支架100、桩基压力室单元200、动静荷载施加单元300、锤击荷载施加单元400、应变控制单元500、水压力加载单元600、动力源单元 700、土体固结应力比施加单元800和扭转荷载施加单元900、数据采集仪 1000和计算机1100；

其位置和连接关系是：

在支架100上设置有上、中、下回型支架111、112、113；

在上回型支架111的下面分别设置有动静荷载施加单元300、锤击荷载施加单元400和扭转荷载施加单元900；

在中回型支架112的上面设置有桩基压力室单元200，在桩基压力室单元200内置有桩基单元000；

在中回型支架112的下面设置有应变控制单元500和土体固结应力比施加单元800；

在下回型支架113的上面设置有水压力加载单元600；

设置在支架100外的动力源单元700通过管筒分别与动静荷载施加单元300、锤击荷载施加单元400、水压力加载单元600、土体固结应力比施加单元800及扭转荷载施加单元900连通，提供动力；

水压力加载单元600通过管筒与桩基压力室单元200连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；

动静荷载施加单元300、锤击荷载施加单元400、应变控制单元500、土体固结应力比施加单元800及扭转荷载施加单元900的活动部分分别与桩基压力室单元200相连，提供多种荷载；

在支架100外还设置有数据采集仪1000和计算机1100，桩基压力室单元200、数据采集仪1000和计算机1100依次连接，获取试验数据。

工作机理是：

桩基单元000是本系统的试验对象，主要是我国海洋岛礁的钙质砂(和模型桩组成的桩基)；

支架100是本系统的支撑体；

桩基压力室单元200是桩基单元000的试验场地；

水压力加载单元600和动静荷载施加单元300是给桩基单元000提供水压力加载和动静荷载施加的基本工作环境；

锤击荷载施加单元400、应变控制单元500、土体固结应力比施加单元 800和扭转荷载施加单元900是给桩基单元000分别提供锤击荷载、应变控制、土体固结应力比和扭转荷载施加的特别工作环境，即模拟我国海洋岛礁的工作环境；

动力源单元700是提供荷载的动力；

在桩基单元000设置有各种传感器，用于采集数据，再通过采集单元和计算机1100对数据进行分析。

2、功能单元

0)桩基单元000

如图3，桩基单元000是本系统的试验对象，包括桩侧土010、桩端土 020、橡皮膜030、土样帽040和模型桩050；

土样帽040、桩侧土010和桩端土020依次连接成一个圆柱体，在圆柱体的外壁包裹有橡皮膜030，模型桩050的下部依次插入土样帽040和桩侧土010。

(1)桩侧土010

桩侧土010是一种土颗粒粒径在0.075-5mm范围和相对密实度为0.55 的钙质砂土；

(2)桩端土020

桩端土020是一种将水泥、石膏和钙质砂土按照3：2：5制作的胶结钙质砂；

(3)橡皮膜030

橡皮膜030是一种通用件。

(4)土样帽040

土样帽040是一种中间有洞的环形帽。

(5)模型桩050

如图4、图5，模型桩050包括模型桩上帽051、销钉052、模型桩左半部分0531、模型桩右半部分0532、模型桩下帽054、土压力盒055、应变片056、出线孔057、水平尺058、电位移计059、齿轮0510、扭转固定螺丝0511；

模型桩050为一铝合金圆筒，在圆筒两端的内壁车有标准螺纹，随后采用线切割方式对圆筒中心对开，形成模型桩左半部分0531和模型桩右半部分0532；

模型桩左半部分0531和模型桩右半部分0532通过销钉052连接在一起，成为一个固定体；

模型桩上帽051和模型桩下帽054分别为下、上凸体结构，分别位于模型桩050的顶部和底部，车有螺纹，合并后的模型桩050通过螺纹固定；

应变片056贴在模型桩左半部分0531和模型桩右半部分0532的内壁上，土压力盒055置于模型桩下帽054中；

位于应变片056端部的引线从开设在模型桩左半部分0531上的出线孔 057引出，与数据采集仪1000连接；

土压力盒055采用底部出线的方式，引线从模型桩下帽054中心的出线孔引出，经过上方，从开设在模型桩左半部分0531上的出线孔057引出，与数据采集仪1000连接；

扭转固定螺丝0511穿过齿轮0510和水平尺058的一端和模型桩上帽 051的中心连接固定，在水平尺058的另一端连接有电位移计059，电位移计059通过磁性表座固定在支架100上。

工作原理：应变片056用于测定模型桩050的桩身应变，土压力盒055 用于测定模型桩下帽054处的桩端土020的压力变化，电位移计059用于测定模型桩上帽051处的竖向沉降。

1)支架100

如图6，支架100包括回型支架、丝杠120、支撑板130和滑道140；

回型支架包括上回型支架111、中回型支架112和下回型支架113；

支架100通过回型支架、丝杠120和支撑板130连接构成一个整体；在上回型支架111上设置有滑道140。

工作原理：上回型支架111、中回型支架112和下回型支架113通过丝杠120相连并被螺母所固定，构成整个系统的基础稳定结构，能够承受试验所需的压力，保持整个系统的稳定；支撑板130上开有孔以便应变控制单元500工作时不会受到回型支架的摩擦阻尼，支撑板130上开有凹槽以便固结应力比施加单元800与应变控制单元500进行切换；滑道140的作用为可以保证夯击模块460下落的垂直度同时减少其下落所受到的摩擦阻尼。

2)桩基压力室单元200

如图7、图8、图9，桩基压力室单元200包括上部玻璃罩220、底盘 230和密封件240；

上部玻璃罩220和底盘230上下连接成一个容器，在容器内装入桩基单元000，模型桩050和上部玻璃罩220之间通过密封件240密封。

(1)上部玻璃罩220

如图8、图9、图12，上部玻璃罩220为一种透明玻璃罩，其作用是承受桩基单元000中橡皮膜030之间的水体施加的围压，从而对桩基单元000 模拟施加外部土体的围压，提供封闭的环境。

上部玻璃罩220包括上玻璃罩上盘面221、玻璃筒222、上玻璃罩下盘面223、固定丝杠224和固定螺母225；

上玻璃罩上盘面221、玻璃筒222和上玻璃罩下盘面223通过固定丝杠 224和固定螺母225构成一个整体。

(2)底盘230

如图10，底盘230是一种呈三阶梯状的圆盘，其上设置有第1围压孔 231、第2围压孔232、第1孔压孔233和第2孔压孔234。

工作原理：水压力加载单元600通过第1围压孔231(进水口)提供试验所需的围压，桩基单元000位于橡皮膜030中，第2围压孔232的作用为出水口，通过水压对橡皮膜030模拟桩基单元000的围压力；第1孔压孔 233出水口的作用为通过底部水压力加载单元600为桩基单元000提供水压力；第2孔压孔234的作用为进水口。

(3)密封件240

如图11、12，密封件240包括凸字形密封体241、第1密封圈242、第 2密封圈243和圆形螺母244；

凸字形密封体241与上玻璃罩上盘面221通过圆形螺母244连接，凸字形密封体241内部车有一定深度的回形卡槽，用于安装第1密封圈242 和第2密封圈243；

第1密封圈242和第2密封圈243为通用件，其作用为密封和润滑，使土样帽040能够在其中滑动。

3)动静荷载施加单元300

如图13，动静荷载施加单元300包括上下连接的动静气缸310和动静传力杆320。

动静气缸310通过螺母与支架100的上回型支架111紧密连接；动静气缸310的活动端连接有动静传力杆320。

所述动静气缸310是一种通用件，其型号为CDQ2KB25-30DM，其工作过程为一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。

工作原理：动力源单元 700的气压进入动静气缸310，气压推动动静传力杆320，将压力施加在模型桩050上。

4)锤击荷载施加单元 400

如图14、图15，锤击荷载施加单元400包括依次连接的锤击第1气缸 410、锤击第1传力杆420、连接盘430、锤击第2气缸440、锤击第2传力杆450和夯击模块460；

夯击模块460由夯击杆461和小车462构成，在夯击杆461上设置有小车462。

如图16，在夯击杆461内部开有通孔，且其通孔直径略大于动静传力杆320的直径。

所述锤击第1气缸410、锤击第2气缸440为通用件，其型号为CDQ2KB25-30DM，其工作原理为一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。

工作原理：

如图16、图17，夯击杆461内部开有通孔，且其通孔直径略大于动静传力杆320的直径，以保证夯击杆461可以以动静传力杆320为轴来回直线运动且不与动静传力杆320产生摩擦；如图15，锤击第1气缸410可以控制锤击第1传力杆420沿竖直方向移动，锤击第1传力杆420控制连接盘430从而控制锤击第2气缸440上下移动，锤击第2气缸440上下移动则可以控制锤击第2传力杆450上下移动；当夯击模块460夯击到模型桩 050时，锤击第2气缸440使锤击第2传力杆450伸出以夹持夯击杆461，此时锤击第1气缸410控制锤击第2气缸440上升，进而控制夯击模块460 以动静传力杆320为轴并沿着滑道140滑行上升，上升到锤击第1气缸410 最大回缩位置时，锤击第2气缸440回缩松开夯击模块460进而释放夯击模块460使其以动静传力杆320为轴并沿着滑道140滑行自由下落夯击模型桩050；夯击到模型桩050时锤击第1气缸410伸出锤击第1传力杆420 控制锤击第2气缸440下降，当锤击第1气缸410伸出到最大行程时，锤击第2气缸440伸出锤击第2传力杆450夹持夯击模块460的夯击杆461，此即为一个夯击循环；通过锤击第1气缸410的最大行程一定以保证每次夯击模块460下落的距离相同进而保证每次施加的冲击能量相同；当要施加动荷载时需通过电磁阀结合具体装置尺寸及实验对冲击能量的要求和冲击频率的要求来设置电磁阀进而来控制锤击第1气缸410、锤击第2气缸 440的具体伸出缩回时间及以满足上述循环要求；当施加动荷载时还需提前调节时间继电器时间以控制动静传力杆320伸出长度并通过关闭动静气缸 310固定动静传力杆320的伸出长度，其中调节动静传力杆320伸出长度以保证动静传力杆320与模型桩050有一定距离以避免其作用于模型桩 050；同时夯击杆461中心开了圆形通孔且其直径略大于动静传力杆320的直径，以使夯击杆461与动静传力杆320同心且两者接触少，进而在一定程度上保证夯击杆461下落的垂直度且可以减少下落过程中的摩擦阻尼；当夯击模块460上下移动的过程中小车462沿着滑道140上下滑动，从而可以再次保证夯击模块460移动过程中的垂直度也可以降低其移动过程中的摩擦阻尼。

5)应变控制单元500

如图18，应变控制单元500包括步进电机510、电机驱动器520、电机控制器530、承载圆盘540和应变连接板550；

其连接关系是：

电机控制器530、电机驱动器520、步进电机510、应变连接板550和承载圆盘540依次连接；

应变连接板550与支架100的中回型支架112通过螺栓螺母连接。

(1)步进电机510

步进电机510是一种通用件，其型号为MLA20直线步进电机，是将电脉冲信号转变为线位移的开环控制元件；在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给步进电机510加一个脉冲信号，步进电机510则转过一个步距角；这一线性关系的存在，加上步进电机510只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。

(2)电机驱动器520

电机驱动器520为通用件，选用型号为42BYG34-401，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

(3)电机控制器530

电机控制器530为通用件，选用型号为DMA8600048，其作用是发出均匀的电脉冲信号。

(4)承载圆盘540

在承载圆盘540上连接有桩基压力室单元200，可以通过控制承载圆盘 540的上升速率进而控制桩基压力室单元200的上升速率以控制应变速率。

(5)应变连接板550

应变连接板550与支架100的中回型支架112通过螺栓螺母连接。

应变控制单元500的工作原理：

通过移动应变连接板550的左右位置来滑动应变控制单元500，应变连接板550与支架100的中回型支架112通过螺栓螺母连接，需要滑动时需拧下螺栓螺母；电机控制器530通过控制电机驱动器520来控制电机510，步进电机510向上伸出从而可以控制承载圆盘540上升速率进而控制桩基压力室单元200的上升速率以控制应变速率。

6)水压力加载单元600

如图19，水压力加载单元600包括围压孔水压力气缸610、孔压孔水压力气缸620、围压孔加水气缸630、孔压孔加水气缸640、围压孔管筒650、孔压孔管筒660、围压孔活塞杆670、孔压孔活塞杆680和底板690；

围压孔水压力气缸610、围压孔活塞杆670、围压孔加水气缸630、围压孔管筒650依次连接；

孔压孔水压力气缸620、孔压孔活塞杆680、孔压孔加水气缸640、孔压孔管筒660依次连接；

底板690作为水压力加载单元600的支撑体。

在围压孔加水气缸630和围压孔管筒650的内部充满水；在孔压孔加水气缸640和孔压孔管筒660的内部充满水。

所述的围压孔水压力气缸610、孔压孔水压力气缸620、围压孔加水气缸630和孔压孔加水气缸640均是一种通用件，其型号为 CDQ2KB25-30DM，其工作原理为一端有活塞杆，从活塞一侧供气聚能产生气压，气压推动活塞产生推力伸出，靠弹簧或自重返回。

水压力加载单元600的工作原理：

如图20，围压孔水压力气缸610向右运动排气时通过围压孔活塞杆670 带动围压孔加水气缸630吸水，然后围压孔水压力气缸610吸气带动围压孔加水气缸630推水，从而对上部玻璃罩220内桩基部分000中的橡皮膜 030外面施加外部压力，模拟真实土体受到的周围土体的压力；

孔压孔水压力气缸620排气时通过孔压孔活塞杆680带动孔压孔加水气缸640吸水，然后孔压孔水压力气缸620吸气带动孔压孔加水气缸640 推水，从而对桩基部分000中的橡皮膜030内的钙质砂施加内部孔隙水压力。

围压孔加水气缸630、孔压孔加水气缸640在施加水压力前需要反复进行吸水和推水以排出孔压孔加水气缸640、孔压孔管筒660、围压孔加水气缸630、和围压孔管筒650中的气体。

6)动力源单元700

如图21、图22，动力源单元700包括空气压缩机710，第1、2四通阀 7201、7202，第1、2三通阀7203、7204，第1、2……8调压阀7301、 7302、……7308，第1、2电磁阀7401、7402，第1、2、3、4电气比例阀 7501、7502、7503、7504，第1、2、3、4信号发生器7601、7602、7603、7604，第1、2时间继电器7701、7702，第1、2电源7801、7802；通过管筒连接起来。

上述部件均为通用件。

所述的空气压缩机710的型号为800Wx4-620L，其主要作用为提供一定压力的压缩空气，输出的气压压力范围峰值通常为0-0.7Mpa；在空气压缩机710上设有空压机出气口。

所述的调压阀的型号为AR2000-02，其主要作用为调节空压机的输出气体压力值大小，在调压阀上设有调压阀进气口和调压阀出气口，调压阀进气口与空压机出气口连接。

所述的电磁阀的型号为N4V210-08，设置有进气口和出气口，电磁阀出气口与气缸进气口相连，其作用为控制气流的通断。

所述的时间继电器的型号为正品欧姆龙H3Y-2或时间继电器H3Y-2-C AC220H3Y-4，DC24V12V8，其主要作用是通过人为设定的参数，实现通电、断电，并可控制通电和断电的时间。

所述的信号发生器的型号为SIN-C702，其作用是根据人为参数设定，自身可以输出一个随波形变化的电压信号，例如本发明中所使用的函数信号发生器，一般可输出正弦波形、线性波形和锯齿波形等不同波形的电压信号。

动力源单元700的工作原理：

空气压缩机710产生的压力经管筒后流向第1、2四通阀7201、7202，第1、2三通阀7203、7204，再经第1、2……8调压阀7301、7302、……7308 控制输出压力大小；由第1、2电磁阀7401、7402控制部分流向的气流压力的输出与中断；由第1、2时间继电器7701、7702控制通电和断电的时间。通过以上功能部件给实验气缸提供所需压力。

8)固结应力比施加单元800

如图23，固结应力比施加单元800包括压力传递支架810、应力比连接板820和压力施加模块830；

其位置和连接关系是：

在压力传递支架810上开有凹槽与压力施加模块830相连，在压力施加模块830的上方设置有应力比连接板820；应力比连接板820通过螺栓螺母与中回型支架112相连。

(1)压力传递支架810

如图23，压力传递支架810呈长方形，在压力传递支架810中间开设有比模型桩050直径略大、比土样帽040直径略小的孔洞，与土样帽040 连接；

(2)应力比连接板820

应力比连接板820是一块长方形板。

(3)压力施加模块830

如图24，压力施加模块830包括气缸831、压力传感器832、T字形铁尺833和第1、2位移计8341、8342；

其位置和连接关系是：

压力气缸831、压力传感器832和T字形铁尺833依次连接，在T字形铁尺833的两端分别设置有第1、2位移计8341、8342。

固结应力比施加单元800的工作原理：

动力源单元700给压力气缸831提供经第5调压阀7305调节后的气压，使压力气缸831向下伸出，施加压力给压力传递支架810，压力经压力传递支架810传递给模型桩050；通过移动应力比连接板820的左右位置滑动固结应力比施加单元 800的位置，应力比连接板820与支架100的中回型支架112通过螺栓螺母连接，需要滑动时需拧下螺栓螺母，需要施加固结应力比时需移动至合适位置并拧紧螺母；将压力传感器832、第1位移计8341、第2位移计8342与计算机1100连接可以采集各个时刻的压力和位移数据。

9)扭转荷载施加单元900

如图25、26，扭转荷载施加单元900包括左连接杆910、扭转荷载左半部分920、扭转荷载右半部分940、右连接杆930，

扭转荷载左半部分920和扭转荷载右半部分940分别置于桩基压力室单元200的两侧；通过其上部设置的左连接杆910和右连接杆930与上回型支架111相连；齿轮0510与模型桩050的模型桩上帽051通过扭转固定螺丝0511连接；

如图27，扭转荷载左半部分920由左气缸921、第1左扭转压力传感器922、左扭转T字形铁尺924和左齿条925依次连接构成，扭转左第1 位移计9231和扭转左第2位移计9232分别设置于左扭转T字形铁尺924 的两端；

如图28，扭转荷载右半部分940由右气缸941、第2右扭转压力传感器942、右扭转T字形铁尺944和右齿条945依次连接构成，扭转右第3 位移计9431和扭转右第4位移计9432分别设置于右扭转T字形铁尺944 的两端。

扭转荷载施加单元900的工作原理：

动力源单元700给左气缸921、右气缸941提供经第3调压阀7303、第4调压阀7304调节后的气压使左齿条925、右齿条945运动从而带动齿轮0510运动进而给模型桩050施加扭转荷载；通过第1左扭转压力传感器 922、扭转左第1位移计9231、扭转左第2位移计9232、第2右扭转压力传感器942、扭转右第3位移计9431和扭转右第4位移计9432采集试验数据。

二、本系统的试验方法

1、加载

1)静荷加载

①按照试验方案要求配置桩侧土010，所述桩侧土010由橡皮膜030包裹，用凡士林将橡皮膜030的下部与底盘230的底座密封，用凡士林将橡皮膜030的上部与模型桩050密封；

②将模型桩050拆开并且在模型桩左半部分0531和模型桩右半部分 0532贴上应变片056；

③按图将系统各单元连接起来，不用连接夯击模块460；将应变控制单元500移开并且将固结应力比施加单元800移动至桩基压力室单元200的正下方；

④将桩基压力室单元200内充满水，并利用排气操作排空管筒的空气，按照实验要求调节第1调压阀7301、第2调压阀7302、第5调压阀7305、第6调压阀7306、第7调压阀7307以控制输出压力大小；

⑤打开空气压缩机710；

⑥按照实验要求控制第1、2、3、4、5电磁阀7401、7402、7403、7404、 7405以控制气流的通断；

⑦试验结束后，如无特殊要求，应先将第1、2、5、6、7调压阀7301、 7302、7305、7306、7307调至0，关闭空气压缩机710，并放桩基压力室单元200内的水，取出桩基部分000，并烘干橡皮膜030。

2)动荷加载

①按照试验方案要求配置桩侧土010，所述桩侧土010由橡皮膜030包裹，用凡士林将橡皮膜030的下部与底盘230的底座密封，用凡士林将橡皮膜030的上部与模型桩050密封；

②将模型桩050拆开并且在模型桩左半部分0531和模型桩右半部分 0532贴上应变片056；

③按图将装置各部分连接起来，用夯击模块460并按照实验对冲击能量的要求选择夯击模块460的质量；将应变控制单元500移开并且将固结应力比施加单元800移动至桩基 压力室200的正下方，其中夯击模块460 质量由以下公式确定：

其中：W冲击为试验所需冲击能，h为锤击第1气缸410的行程；

④将桩基压力室单元200内充满水，并利用排气操作排空管筒的空气，按照实验要求调节第1、2、5、6、7调压阀7301、7302、7305、7306、7307 控制输出压力大小；

⑤打开空气压缩机710；

⑥按照实验要求控制第1、2、3、4、5电磁阀7401、7402、7403、7404、 7405以控制气流的通断；

⑦试验结束后，如无特殊要求，应先将第1、2、5、6、7调压阀7301、7302、7305、7306、7307调至0，关闭空气压缩机710，并放桩基压力室单元200内的水，取出桩基单元 000，并烘干橡皮膜030。

3)应变加载

①按照试验方案要求配置桩侧土010，所述桩侧土010由橡皮膜包裹，用凡士林将橡皮膜030的下部与底盘230的底座密封，用凡士林将橡皮膜 030的上部与模型桩050密封；

②将模型桩050拆开并且在模型桩左半部分0531和模型桩右半部分 0532贴上应变片056；

③按图将装置各部分连接起来，不用连接夯击模块460，将固结应力比施加单元800移开并且将应变控制单元 500移动至桩基压力室单元200的正下方，在电机控制器530中输入试验所需控制应变路径的参数；

④将桩基压力室单元200充满水，并利用排气操作排空管筒的空气；按照实验要求调节第1、2、5、6、7调压阀7301、7302、57305、7306、7307 以控制输出压力大小；

⑤打开空气压缩机710；

⑥按照实验要求控制第1、2、3、4、5电磁阀7401、7402、7403、7404、 7405以控制气流的通断；

⑦试验结束后，如无特殊要求，应先将第1、2、5、6、7调压阀7301、 7302、7305、7306、7307调至0，关闭空气压缩机710，并放桩基 压力室 200的水，取出桩基单元 000，并烘干橡皮膜030。

4)扭转加载

①按照试验方案要求配置桩侧土010，所述桩侧土010由橡皮膜030包裹，用凡士林将橡皮膜030的下部与底盘230的底座密封，用凡士林将橡皮膜030的上部与模型桩050密封；

②将模型桩050拆开并且在模型桩左半部分0531和模型桩右半部分 0532贴上应变片056；

③按图将装置各部分连接起来，不用连接夯击模块460；将应变控制单元 500移开并且将固结应力比施加单元 800移动至桩基压力室单元200的正下方；需将齿轮0510连接在模型桩050上；

④将桩基压力室单元200充满水，并利用排气操作排空管筒的空气，按照实验要求调节第1、2、3、4、5、6、7调压阀7301、7302、7303、7304、 7305、7306、7307以控制输出压力大小；

⑤打开空气压缩机710；

⑥按照实验要求控制第1、2、3、4、5电磁阀7401、7402、7403、7404、 7405以控制气流的通断，保证左气缸921和右气缸931内的气压相等，使模型桩050受到扭矩；其中扭矩由以下公式确定：

M＝2PSr

其中：P为气压，S为气缸横截面积，r为齿轮直径；

⑦试验结束后，如无特殊要求，应先将第1、2、3、4、5、6、7调压阀7301、7302、7303、7304、7305、7306、7307调至0，关闭空气压缩机 710，并放掉桩基压力室单元200的水，取出桩基部分000，并烘干橡皮膜 030。

2、检测

如图29，本系统涉及的传感器包括土压力盒055、应变片056、电位移计059、第1左扭转压力传感器922、扭转左第1位移计9231、扭转左第2 位移计9232、第2右扭转压力传感器942、扭转右第3位移计9431和扭转右第4位移计9432；

上述的各传感器均为通用件，其输出端均与数据采集仪1000输入端连接，数据采集仪1000输出端与计算机1100输入端口连接。

计算机1100通过数据采集仪1000获取电位移计059的竖向位移，从而获取试验中测定模型桩上帽051处的竖向沉降。

计算机1100通过数据采集仪1000获取土压力盒055的受力数据，从而获取模型桩下帽054处的桩端土020的压力变化；

计算机1100通过数据采集仪1000获取应变片056的受力数据，从而获取模型桩050的桩身应变；

计算机1100通过数据采集仪1000获取扭转左第1位移计9231、扭转左第2位移计9232、第2右扭转压力传感器942、扭转右第3位移计9431 和扭转右第4位移计9432，从而获取试验中模型桩050在扭转荷载作用下扭转力和扭转位移。

数据采集仪1000为一种通用件，一般为动静态应变数据采集仪。

计算机1100为通用件。

Claims (1)

1.一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，其特征在于：

本系统包括试验对象——桩基单元（000）；

设置有支架（100）、桩基压力室单元（200）、动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、水压力加载单元（600）、动力源单元（700）、土体固结应力比施加单元（800）和扭转荷载施加单元（900）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）；

其位置和连接关系是：

支架（100）包括回型支架、丝杠（120）、支撑板（130）和滑道（140）；

支架（100）通过回型支架、丝杠（120）和支撑板（130）连接构成一个整体；在支架（100）上设置有上、中、下回型支架（111、112、113），在上回型支架（111）上设置有滑道（140）；

在上回型支架（111）的下面分别设置有动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）和扭转荷载施加单元（900）；

在中回型支架（112）的上面设置有桩基压力室单元（200），在桩基压力室单元（200）内置有桩基单元（000）；

在中回型支架（112）的下面设置有应变控制单元（500）和土体固结应力比施加单元（800）；

在下回型支架（113）的上面设置有水压力加载单元（600）；

支撑板（130）上开有孔以便应变控制单元（500）工作时不会受到回型支架的摩擦阻尼，支撑板（130）上开有凹槽以便固结应力比施加单元（800）与应变控制单元（500）进行切换；

设置在支架（100）外的动力源单元（700）通过管筒分别与动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、水压力加载单元（600）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）连通，提供动力；

水压力加载单元（600）通过管筒与桩基压力室单元（200）连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；

动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）的活动部分分别与桩基压力室单元（200）相连，提供多种荷载；

在支架（100）外还设置有数据采集仪（1000）和计算机（1100），桩基压力室单元（200）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）依次连接，获取试验数据；

所述的桩基单元（000）是本系统的试验对象，包括桩侧土（010）、桩端土（020）、橡皮膜（030）、土样帽（040）和模型桩（050）；

土样帽（040）、桩侧土（010）和桩端土（020）依次连接成一个圆柱体，在圆柱体的外壁包裹有橡皮膜（030），模型桩（050）的下部依次插入土样帽（040）和桩侧土（010）；

模型桩（050）包括模型桩上帽（051）、销钉（052）、模型桩左半部分（0531）、模型桩右半部分（0532）、模型桩下帽（054）、土压力盒（055）和应变片（056）、出线孔（057）、水平尺（058）、电位移计（059）、齿轮（0510）、扭转固定螺丝（0511）；

模型桩左半部分（0531）和模型桩右半部分（0532）通过销钉（052）连接在一起，成为一个固定体；

模型桩上帽（051）和模型桩下帽（054）分别为下、上凸体结构，分别位于模型桩（050）的顶部和底部；

应变片（056）贴在模型桩左半部分（0531）和模型桩右半部分（0532）的内壁上，土压力盒（055）置于模型桩下帽（054）中；位于应变片（056）端部的引线从开设在模型桩左半部分（0531）上的出线孔（057）引出，与数据采集仪（1000）连接；

土压力盒（055）与数据采集仪（1000）连接；

扭转固定螺丝（0511）穿过齿轮（0510）和水平尺（058）的一端和模型桩上帽（051）的中心连接固定，在水平尺（058）的另一端连接有电位移计（059），电位移计（059）通过磁性表座固定在支架（100）上；

应变片（056）用于测定模型桩（050）的桩身应变，土压力盒（055）用于测定模型桩下帽（054）处的桩端土（020）的压力变化，电位移计（059）用于测定模型桩上帽（051）处的竖向沉降；

所述的桩基压力室单元（200）包括上部玻璃罩（220）、底盘（230）和密封件（240）；

上部玻璃罩（220）和底盘（230）上下连接成一个容器，在容器内装入桩基单元（000），模型桩（050）和上部玻璃罩（220）之间通过密封件（240）密封；

所述的动静荷载施加单元（300）包括上下连接的动静气缸（310）和动静传力杆（320）；

动静气缸（310）通过螺母与支架（100）的上回型支架（111）紧密连接；动静气缸（310）的活动端连接有动静传力杆（320）；

所述的锤击荷载施加单元（400）包括依次连接的锤击第1气缸（410）、锤击第1传力杆（420）、连接盘（430）、锤击第2气缸（440）、锤击第2传力杆（450）和夯击模块（460）；

夯击模块（460）由夯击杆（461）和小车（462）构成，在夯击杆（461）上设置有小车（462）；

在夯击杆（461）内部开有通孔，且其通孔直径略大于动静传力杆（320）的直径；锤击第1气缸（410）可以控制锤击第1传力杆（420）沿竖直方向移动，锤击第1 传力杆（420）控制连接盘（430）从而控制锤击第2气缸（440）上下移动，锤击第2气缸（440）上下移动则可以控制锤击第2传力杆（450）上下移动；当夯击模块（460）夯击到模型桩（050）时，锤击第 2气缸（440）使锤击第2传力杆（450）伸出以夹持夯击杆（461），此时锤击第1气缸（410）控制锤击第 2气缸（440）上升，进而控制夯击模块（460）以动静传力杆（320）为轴并沿着滑道（140）滑行上升，上升到锤击第1 气缸（410）最大回缩位置时，锤击第2气缸（440）回缩松开夯击模块（460）进而释放夯击模块（460）使其以动静传力杆（320）为轴并沿着滑道（140）滑行自由下落夯击模型桩（050）；夯击到模型桩（050）时锤击第1气缸（410）伸出锤击第1传力杆（420）控制锤击第2气缸（440）下降，当锤击第1气缸（410）伸出到最大行程时，锤击第2气缸（440）伸出锤击第2传力杆（450）夹持夯击模块（460）的夯击杆（461），此即为一个夯击循环；通过锤击第1气缸（410）的最大行程一定以保证每次夯击模块（460）下落的距离相同进而保证每次施加的冲击能量相同；当要施加动荷载时需通过电磁阀结合具体装置尺寸及实验对冲击能量的要求和冲击频率的要求来设置电磁阀进而来控制锤击第1气缸（410）、锤击第2气缸（440）的具体伸出缩回时间及以满足上述循环要求；当施加动荷载时还需提前调节时间继电器时间以控制动静传力杆（320）伸出长度并通过关闭动静气缸（310）固定动静传力杆（320）的伸出长度，其中调节动静传力杆（320）伸出长度以保证动静传力杆（320）与模型桩（050）有一定距离以避免其作用于模型桩（050）；同时夯击杆（461）中心开了圆形通孔且其直径略大于动静传力杆（320）的直径，以使夯击杆（461）与动静传力杆（320）同心且两者接触少，进而在一定程度上保证夯击杆（461）下落的垂直度且可以减少下落过程中的摩擦阻尼；当夯击模块（460）上下移动的过程中小车（462）沿着滑道（140）上下滑动，从而可以再次保证夯击模块（460）移动过程中的垂直度也可以降低其移动过程中的摩擦阻尼；

应变控制单元（500）包括步进电机（510）、电机驱动器（520）、电机控制器（530）、承载圆盘（540）和应变连接板（550）；

电机控制器（530）、电机驱动器（520）、步进电机（510）、应变连接板（550）和承载圆盘（540）依次连接；

应变连接板（550）与支架（100）的中回型支架（112）通过螺栓螺母连接；

所述的水压力加载单元（600）包括围压孔水压力气缸（610）、孔压孔水压力气缸（620）、围压孔加水气缸（630）、孔压孔加水气缸（640）、围压孔管筒（650）、孔压孔管筒（660）、围压孔活塞杆（670）、孔压孔活塞杆（680）和底板（690）；

围压孔水压力气缸（610）、围压孔活塞杆（670）、围压孔加水气缸（630）、围压孔管筒（650）依次连接；

孔压孔水压力气缸（620）、孔压孔活塞杆（680）、孔压孔加水气缸（640）、孔压孔管筒（660）依次连接；

底板（690）作为水压力加载单元（600）的支撑体；

围压孔水压力气缸（610）向右运动排气时通过围压孔活塞杆（670）带动围压孔加水气缸（630）吸水，然后围压孔水压力气缸（610）吸气带动围压孔加水气缸（630）推水，从而对上部玻璃罩（220）内桩基单元（000）中的橡皮膜（030）外面施加外部压力，模拟真实土体受到的周围土体的压力；

孔压孔水压力气缸（620）排气时通过孔压孔活塞杆（680）带动孔压孔加水气缸（640）吸水，然后孔压孔水压力气缸（620）吸气带动孔压孔加水气缸（640）推水，从而对桩基单元（000）中的橡皮膜（030）内的钙质砂施加内部孔隙水压力；

所述的固结应力比施加单元（800）包括压力传递支架（810）、应力比连接板（820）和压力施加模块（830）；

其位置和连接关系是：

在压力传递支架（810）上开有凹槽与压力施加模块（830）相连，在压力施加模块（830）的上方设置有应力比连接板（820）；应力比连接板（820）通过螺栓螺母与中回型支架（112）相连；

压力传递支架（810）呈长方形，在压力传递支架（810）中间开设有比模型桩（050）直径略大、比土样帽（040）直径略小的孔洞，与土样帽（040）连接；

应力比连接板（820）是一块长方形板；

压力施加模块（830）包括气缸（831）、压力传感器（832）、T字形铁尺（833）和第1、2位移计（8341、8342）；

其位置和连接关系是：

气缸（831）、压力传感器（832）和T字形铁尺（833）依次连接，在T字形铁尺（833）的两端分别设置有第1、2位移计（8341、8342）；

所述的扭转荷载施加单元（900）包括左连接杆（910）、扭转荷载左半部分（920）、扭转荷载右半部分（940）、右连接杆（930）；

扭转荷载左半部分（920）和扭转荷载右半部分（940）分别置于桩基压力室单元（200）的两侧；通过其上部设置的左连接杆（910）和右连接杆（930）与上回型支架（111）相连；齿轮（0510）与模型桩（050）的模型桩上帽（051）通过扭转固定螺丝（0511）连接；

扭转荷载左半部分（920）由左气缸（921）、第1左扭转压力传感器（922）、左扭转T字形铁尺（924）和左齿条（925）依次连接构成，扭转左第1位移计（9231）和扭转左第2位移计（9232）分别设置于左扭转T字形铁尺（924）的两端；

扭转荷载右半部分（940）由右气缸（941）、第2右扭转压力传感器（942）、右扭转T字形铁尺（944）和右齿条（945）依次连接构成，扭转右第3位移计（9431）和扭转右第4位移计（9432）分别设置于右扭转T字形铁尺（944）的两端。

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