CN110158674B - 一种可实现桩基拉弯耦合的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现桩基拉弯耦合的试验装置及方法，耦合荷载分为水平向和竖直向，竖直向荷载通过竖直放置的液压作动器和反力梁施加于桩基上，水平向荷载通过水平放置的液压作动器施加于桩基上，竖直液压作动器与桩基之间设有可随桩基同步运动、可承受拉力的滑动小车，桩基上设有位移传感器、应变传感器测量桩基的竖直位移、水平位移和桩身变形，液压作动器上设有力传感器测量施加的力。本发明方法简单，在竖直荷载装置与反力梁之间加设可随桩基同步运动的滑动小车系统，使得竖直向荷载不会产生偏移、有效传递竖直向拉、压力，便于检测桩基在拉弯或压弯耦合荷载作用下的真实受力特性和破坏机理。

Description

一种可实现桩基拉弯耦合的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程试验装置及方法，涉及一种可实现桩基础拉弯耦合的试验装置及方法。

背景技术

目前国内外桩基础抗震方面的研究主要集中在竖向压力单独作用、水平荷载单独作用或竖向压力—水平荷载联合作用下的抗震性能。然而在地震作用下，当桩基础承受由上部结构传来的极限弯矩时，桩基可能会受到很大的拉力。另外，当连续梁桥边跨较小而中跨较大时，或承受较大的横向荷载时，其桩基不仅会受到水平力作用，同时受到上拔力的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种既可实现桩基础压弯耦合又可实现桩基础拉弯耦合的可实现桩基拉弯耦合的试验装置及方法，能够有效传递桩顶竖直向荷载，减小耦合荷载的相互干扰。

本发明的技术方案如下:

一种可实现桩基础拉弯耦合的试验装置，包括左右平行间隔设置的反力承台桩、桩基础以及反力桩，在所述的反力承台桩上固定有反力承台，在所述的桩基础下部支柱的侧壁上上下间隔固定有多个应变传感器，所述的应变传感器的布置方式为上密下疏多个应变传感器用于测量桩基础的轴向应变；在所述的桩基础的顶壁上通过竖直支架固定有水平位移传感器，用于测量桩基础顶部的水平位移；在所述的桩基础的顶壁上通过水平支架固定有竖向位移传感器，所述的竖向位移传感器用于测量桩基础的竖向位移；其特征在于：在所述的反力承台上固定有反力墙，所述的反力墙包括横截面为正多边形的外剪力墙，在外剪力墙的内部成十字形连接有内剪力墙，正多边形的边数为偶数且最小为4，最大为10，在所述的外剪力墙侧壁上开有多个锚栓孔；

在所述的外剪力墙侧壁和桩基础侧壁之间沿水平方向上下间隔设置有上水平液压作动器和下水平液压作动器，所述的上水平液压作动器的右端与上水平液压作动器力传感器的左端同轴线固定相连，所述的下水平液压作动器的右端与下水平液压作动器力传感器的左端同轴线固定相连，所述的上水平液压作动器力传感器的右端以及下水平液压作动器力传感器的右端分别与一个右侧铰接座的转轴转动相连，两个所述的右侧铰接座固定在桩基础侧壁上，上水平液压作动器和下水平液压作动器的左端分别与一个左侧铰接座的转轴转动相连，两个所述的左侧铰接座固定在外剪力墙侧壁上；

在所述的桩基础的顶壁上沿竖直方向设置有一个竖直液压作动器，所述的竖直液压作动器的下端与固定在桩基础顶壁上的顶部铰接座转动相连，在所述的竖直液压作动器顶壁上同轴线固定有一个竖直液压作动器力传感器；一根沿水平方向设置的反力梁的左右两端分别固定在外剪力墙以及反力桩顶壁上，在所述的反力梁上套有滑动小车系统；

所述的滑动小车系统包括上下平行间隔设置的梁顶滑动小车和梁底滑动小车，所述的梁顶滑动小车和梁底滑动小车均包括沿水平方向设置的车板，每个车板的四角处分别开有一个锚孔，在梁顶滑动小车的车板下部以及梁底滑动小车的车板上部分别平行设置有一个滚轴板，每一个滚轴板包括多根沿水平方向设置的滚轴，所述的滚轴的轴线方向与反力梁的长度方向的轴线垂直设置；

多根所述的滚轴的两端分别转动连接在一根连杆上，两根连杆的两端分别通过弯杆与一个滑轮转动相连，其中梁顶滑动小车的四个滑轮分别钩挂在梁顶滑动小车的车板的顶壁的前后边缘上，梁底滑动小车的四个滑轮钩挂在梁底滑动小车的车板的底壁的前后边缘上；所述的梁顶滑动小车和梁底滑动小车的两个车板彼此上下对应的两个锚孔之间插有一根竖杆，每根所述的竖杆的上下两端分别设置有螺纹，每根竖杆的螺纹端分别与对应设置的车板通过调节螺栓固定连接，其中前部的两根竖杆之间以及后部的两根竖杆之间分别通过斜撑固定相连；两个滚轴板均能够通过滑轮沿车板左右滑动，且两个滚轴板上的滚轴能够分别在反力梁的顶壁和底壁上滑动；

在所述的梁底滑动小车的车板底壁上固定有前后间隔设置的两个连接环，在所述的两个连接环之间固定连接有一根连接转轴，所述的竖直液压作动器力传感器的上端与连接转轴转动相连。

一种实现桩基拉弯耦合的试验方法，包括以下步骤：

第一步，试验预加载：通过竖直液压作动器向桩基础施加竖直向荷载至目标值，并保持不变；通过上水平液压作动器与下水平液压作动器向桩基础施加一级水平向荷载进行预加载，持载设定时间后卸载，分别记录上水平液压作动器压力传感器、下水平液压作动器压力传感器、竖直液压作动器压力传感器、水平位移传感器、竖向位移传感器和应变传感器的初始读数；

第二步，正式加载：通过竖直液压作动器向桩基础缓慢施加竖直向荷载，通过上水平液压作动器与下水平液压作动器向桩基础缓慢施加水平向荷载；加载时，按照设计加载要求每次施加一级荷载；加载过程中，实时记录上水平液压作动器压力传感器和下水平液压作动器压力传感器输出的水平向荷载数据、竖直液压作动器压力传感器输出的竖直向荷载数据、水平位移传感器输出的桩基础的水平位移和竖向位移传感器输出的桩基础的竖直向位移，同时通过应变传感器测量桩基础的轴向应变并记录数据；

第三步，试验终止：随着荷载的增加，当达到某一级恒定荷载时，桩基础水平向位移急剧增加，变位速率逐渐加快，地基土出现明显的斜裂缝或已达到试验要求的最大荷载或最大位移，试验即终止。

本发明相对于现有技术具有以下优点及突出效果：

方法简单，滑动小车系统可以随桩基同步运动，使得竖直向荷载不会产生偏移，有效传递竖直向拉、压力，实现了桩基拉弯耦合加载，便于检测桩基在拉弯或压弯耦合荷载作用下的真实受力特性和破坏机理。通过测量外加荷载、桩顶位移、桩身变形等数据，既可探究桩基础压弯耦合又可探究桩基础拉弯耦合作用下的受力特性和破坏机理，该试验方法能够对桩基受力条件下各个参数变化进行实时测量，并且本发明装置操作简便，适用于单桩、群桩，能够多次试验同时加载。

附图说明

图1为本发明的一种可实现桩基拉弯耦合的试验装置的主视图；

图2为图1所示装置的俯视图；

图3为本发明的一种可实现桩基拉弯耦合的试验装置的立体图；

图4为图3所示装置中采用的滑动小车系统的主视图；

图5为图3所示的滑动小车系统的立体图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图所示，本发明的一种可实现桩基础拉弯耦合的试验装置，包括左右平行间隔设置的反力承台桩1、桩基础2以及反力桩3，在所述的反力承台桩1上固定有反力承台4，在所述的桩基础2下部支柱的侧壁上上下间隔固定有多个应变传感器17，所述的应变传感器17的布置方式为上密下疏。多个应变传感器17用于测量桩基础2的轴向应变；在所述的桩基础2的顶壁上通过竖直支架固定有水平位移传感器15，用于测量桩基础2顶部的水平位移；在所述的桩基础2的顶壁上通过水平支架固定有竖向位移传感器16。所述的竖向位移传感器16用于测量桩基础2的竖向位移；在所述的反力承台4上固定有反力墙5，所述的反力墙包括横截面为正多边形的外剪力墙，在外剪力墙的内部成十字形连接有内剪力墙，正多边形的边数为偶数且最小为4，最大为10。在所述的外剪力墙侧壁上开有多个锚栓孔。

在所述的外剪力墙侧壁和桩基础2侧壁之间沿水平方向上下间隔设置有上水平液压作动器6和下水平液压作动器7，所述的上水平液压作动器6的右端与上水平液压作动器力传感器8的左端同轴线固定相连，所述的下水平液压作动器7的右端与下水平液压作动器力传感器9的左端同轴线固定相连，所述的上水平液压作动器力传感器8的右端以及下水平液压作动器力传感器9的右端分别与一个右侧铰接座10-1的转轴转动相连，两个所述的右侧铰接座10-1固定在桩基础2侧壁上，上水平液压作动器6和下水平液压作动器7的左端分别与一个左侧铰接座10-2的转轴转动相连，两个所述的左侧铰接座10-2固定在外剪力墙侧壁上。

在所述的桩基础2的顶壁上沿竖直方向设置有一个竖直液压作动器11，所述的竖直液压作动器11的下端与固定在桩基础2顶壁上的顶部铰接座10-3转动相连，在所述的竖直液压作动器11顶壁上同轴线固定有一个竖直液压作动器力传感器12。

一根沿水平方向设置的反力梁13的左右两端分别固定在外剪力墙以及反力桩3顶壁上，在所述的反力梁13上套有滑动小车系统14。

所述的滑动小车系统14包括上下平行间隔设置的梁顶滑动小车18和梁底滑动小车19，所述的梁顶滑动小车18和梁底滑动小车19均包括沿水平方向设置的车板20，每个车板20的四角处分别开有一个锚孔，在梁顶滑动小车18的车板20下部以及梁底滑动小车19的车板20上部分别平行设置有一个滚轴板21，每一个滚轴板21包括多根沿水平方向设置的滚轴，所述的滚轴的轴线方向与反力梁13的长度方向的轴线垂直设置。

多根所述的滚轴的两端分别转动连接在一根连杆上，两根连杆的两端分别通过弯杆与一个滑轮22转动相连，其中梁顶滑动小车18的四个滑轮22分别钩挂在梁顶滑动小车18的车板20的顶壁的前后边缘上，梁底滑动小车19的四个滑轮22钩挂在梁底滑动小车19的车板20的底壁的前后边缘上。所述的梁顶滑动小车18和梁底滑动小车19的两个车板20彼此上下对应的两个锚孔之间插有一根竖杆，每根所述的竖杆的上下两端分别设置有螺纹，每根竖杆的螺纹端分别与对应设置的车板通过调节螺栓23固定连接。其中前部的两根竖杆之间以及后部的两根竖杆之间分别通过斜撑固定相连。

两个滚轴板21均能够通过滑轮22沿车板20左右滑动，且两个滚轴板上的滚轴能够分别在反力梁13的顶壁和底壁上滑动。

在所述的梁底滑动小车19的车板20底壁上固定有前后间隔设置的两个连接环24，在所述的两个连接环24之间固定连接有一根连接转轴25，所述的竖直液压作动器力传感器12的上端与连接转轴25转动相连。

一种可实现桩基拉弯耦合的试验方法，包括以下步骤：

第一步，试验预加载：通过竖直液压作动器11向桩基础2施加竖直向荷载至目标值，并保持不变；通过上水平液压作动器6与下水平液压作动器7向桩基础2施加一级水平向荷载(如：水平向极限荷载的1/10)进行预加载，持载设定时间(如：4min)后卸载，分别记录上水平液压作动器压力传感器8、下水平液压作动器压力传感器9、竖直液压作动器压力传感器12、水平位移传感器15、竖向位移传感器16和应变传感器17的初始读数；

第二步，正式加载：通过竖直液压作动器11向桩基础2缓慢施加竖直向荷载，通过上水平液压作动器6与下水平液压作动器7向桩基础2缓慢施加水平向荷载。加载时，按照设计加载要求每次施加一级荷载(如：竖直向、水平向极限荷载的1/10)；加载方式可以是先将竖直向荷载或者水平向荷载加载至目标值并保持不变，也可以是水平向荷载和竖直向荷载两个方向同步加载。加载过程中，实时记录上水平液压作动器压力传感器8和下水平液压作动器压力传感器9输出的水平向荷载数据、竖直液压作动器压力传感器12输出的竖直向荷载数据、水平位移传感器15输出的桩基础2的水平位移和竖向位移传感器16输出的桩基础2的竖直向位移，同时通过应变传感器17测量桩基础2的轴向应变并记录数据。

第三步，试验终止：随着荷载的增加，当达到某一级恒定荷载时，桩基础2水平向位移急剧增加，变位速率逐渐加快，地基土出现明显的斜裂缝或已达到试验要求的最大荷载或最大位移，试验即终止。

试验结束后，根据上水平液压作动器压力传感器8和下水平液压作动器压力传感器9输出的水平向荷载数据、竖直液压作动器压力传感器12输出的竖直向荷载数据、竖向位移传感器15和水平位移传感器16测量得到的桩基础2竖直向位移和水平位移、多个应变传感器17测量得到的桩基础2的纵向应变，可以计算得到桩基础2的水平向极限荷载、桩身弯矩，计算方法详见《杨克己.实用桩基工程[M].人民交通出版社,2004.》。

因为桩基础2在水平向荷载作用下产生水平位移，会带动竖直向荷载偏移，引起竖直液压作动器11和反力梁13的倾覆失稳；在常规桩基试验中，梁顶滑动小车18或梁底滑动小车19只能承受压力，不能承受拉力。而在本发明中，在竖直液压作动器11与反力梁13之间加设可以随桩基础2同步运动的滑动小车系统14，使得竖直向荷载不会产生偏移、有效传递竖向拉力，竖直液压作动器11和反力梁13不会倾覆失稳。

刚车架26由四根竖杆以及竖杆之间的斜撑组成，具有调节锁紧功能，使得滑动小车系统14在反力梁13表面无法沿非水平荷载方向进行滑动，只能沿平行于水平向荷载且垂直于竖直向荷载的方向滑动，且梁顶滑动小车18和梁底滑动小车19始终与反力梁13顶壁、底壁保持紧密接触，保证竖直向荷载稳定施加。当桩基础2所受竖向荷载为拉力时，竖直向拉力由梁底滑动小车19经刚车架26传递给梁顶滑动小车18，使得梁顶滑动小车18受压，从而将竖直向拉力有效传递至反力梁13，反力梁13传递给桩基础2左右两侧的反力墙5和反力桩3，反力墙5和反力桩3提供承压力。上水平液压作动器6与下水平液压作动器7将水平反力传递到反力墙5上，反力墙5将反力传递给反力承台4和反力承台桩1。加载过程中，通过上水平液压作动器压力传感器8、下水平液压作动器压力传感器9、竖直液压作动器压力传感器12测量水平向荷载和竖直向荷载，通过水平位移传感器15和竖向位移传感器16测量桩基础2的水平位移和竖直向位移，同时通过应变传感器17测量桩基础2的轴向应变，根据以上数据可计算得到桩基础2的水平极限荷载、桩身弯矩。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书原理及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种可实现桩基础拉弯耦合的试验装置，包括左右平行间隔设置的反力承台桩(1)、桩基础(2)以及反力桩(3)，在所述的反力承台桩(1)上固定有反力承台(4)，在所述的桩基础(2)下部支柱的侧壁上上下间隔固定有多个应变传感器(17)，所述的多个应变传感器的布置方式为上密下疏,多个应变传感器用于测量桩基础的轴向应变；在所述的桩基础的顶壁上通过竖直支架固定有水平位移传感器(15)，用于测量桩基础顶部的水平位移；在所述的桩基础(2)的顶壁上通过水平支架固定有竖向位移传感器(16)，所述的竖向位移传感器用于测量桩基础(2)的竖向位移；其特征在于：在所述的反力承台(4)上固定有反力墙(5)，所述的反力墙包括横截面为正多边形的外剪力墙，在外剪力墙的内部成十字形连接有内剪力墙，正多边形的边数为偶数且最小为4，最大为10,在所述的外剪力墙侧壁上开有多个锚栓孔；

在所述的外剪力墙侧壁和桩基础(2)侧壁之间沿水平方向上下间隔设置有上水平液压作动器(6)和下水平液压作动器(7)，所述的上水平液压作动器的右端与上水平液压作动器力传感器(8)的左端同轴线固定相连，所述的下水平液压作动器的右端与下水平液压作动器力传感器(9)的左端同轴线固定相连，所述的上水平液压作动器力传感器的右端以及下水平液压作动器力传感器(9)的右端分别与一个右侧铰接座(10-1)的转轴转动相连，两个所述的右侧铰接座固定在桩基础侧壁上，上水平液压作动器和下水平液压作动器的左端分别与一个左侧铰接座(10-2)的转轴转动相连，两个所述的左侧铰接座固定在外剪力墙侧壁上；

在所述的桩基础的顶壁上沿竖直方向设置有一个竖直液压作动器(11)，所述的竖直液压作动器(11)的下端与固定在桩基础(2)顶壁上的顶部铰接座(10-3)转动相连，在所述的竖直液压作动器顶壁上同轴线固定有一个竖直液压作动器力传感器(12)；一根沿水平方向设置的反力梁(13)的左右两端分别固定在外剪力墙以及反力桩(3)顶壁上，在所述的反力梁上套有滑动小车系统(14)；

所述的滑动小车系统(14)包括上下平行间隔设置的梁顶滑动小车(18)和梁底滑动小车(19)，所述的梁顶滑动小车(18)和梁底滑动小车(19)均包括沿水平方向设置的车板(20)，每个车板(20)的四角处分别开有一个锚孔，在梁顶滑动小车的车板下部以及梁底滑动小车的车板上部分别平行设置有一个滚轴板(21)，每一个滚轴板包括多根沿水平方向设置的滚轴，所述的滚轴的轴线方向与反力梁(13)的长度方向的轴线垂直设置；

多根所述的滚轴的两端分别转动连接在一根连杆上，两根连杆的两端分别通过弯杆与一个滑轮(22)转动相连，其中梁顶滑动小车(18)的四个滑轮(22)分别钩挂在梁顶滑动小车(18)的车板(20)的顶壁的前后边缘上，梁底滑动小车(19)的四个滑轮钩挂在梁底滑动小车(19)的车板的底壁的前后边缘上；所述的梁顶滑动小车(18)和梁底滑动小车的两个车板彼此上下对应的两个锚孔之间插有一根竖杆，每根所述的竖杆的上下两端分别设置有螺纹，每根竖杆的螺纹端分别与对应设置的车板通过调节螺栓(23)固定连接，其中前部的两根竖杆之间以及后部的两根竖杆之间分别通过斜撑固定相连；两个滚轴板(21)均能够通过滑轮(22)沿车板左右滑动，且两个滚轴板上的滚轴能够分别在反力梁(13)的顶壁和底壁上滑动；

在所述的梁底滑动小车(19)的车板(20)底壁上固定有前后间隔设置的两个连接环(24)，在所述的两个连接环之间固定连接有一根连接转轴(25)，所述的竖直液压作动器力传感器(12)的上端与连接转轴(25)转动相连。

2.一种采用权利要求1装置实现桩基拉弯耦合的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，试验预加载：通过竖直液压作动器(11)向桩基础(2)施加竖直向荷载至目标值，并保持不变；通过上水平液压作动器(6)与下水平液压作动器(7)向桩基础(2)施加一级水平向荷载进行预加载，持载设定时间后卸载，分别记录上水平液压作动器压力传感器(8)、下水平液压作动器压力传感器(9)、竖直液压作动器压力传感器(12)、水平位移传感器(15)、竖向位移传感器(16)和应变传感器(17)的初始读数；

第二步，正式加载：通过竖直液压作动器(11)向桩基础(2)缓慢施加竖直向荷载，通过上水平液压作动器(6)与下水平液压作动器(7)向桩基础(2)缓慢施加水平向荷载；加载时，按照设计加载要求每次施加一级荷载；加载过程中，实时记录上水平液压作动器压力传感器(8)和下水平液压作动器压力传感器(9)输出的水平向荷载数据、竖直液压作动器压力传感器(12)输出的竖直向荷载数据、水平位移传感器(15)输出的桩基础(2)的水平位移和竖向位移传感器(16)输出的桩基础(2)的竖直向位移，同时通过应变传感器(17)测量桩基础(2)的轴向应变并记录数据；

第三步，试验终止：随着荷载的增加，当达到某一级恒定荷载时，桩基础(2)水平向位移急剧增加，变位速率逐渐加快，地基土出现明显的斜裂缝或已达到试验要求的最大荷载或最大位移，试验即终止。

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