CN110552380A - 一种电磁控制的变频循环荷载加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程领域，具体地，涉及一种电磁控制的变频循环荷载加载装置，包括模型箱、模型桩、竖向加载装置、水平向加载装置、监测系统。其特征在于：所述的竖向加载装置中，连接件上可放置配重块，通过改变配重质量大小与电磁铁的规格来改变模型桩的竖向压力，并通过改变变频电机转速来调节循环荷载的循环周期；所述的水平向加载装置中，弹簧可更换为不同劲度系数的弹簧，通过改变配重块的质量、弹簧的劲度系数以及电磁铁的规格来控制模型桩所受的水平力。本发明适用于循环荷载下单桩力学性能研究的模型试验。

Description

一种电磁控制的变频循环荷载加载试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体地，涉及一种电磁控制的变频循环荷载加载装置，适用于循环荷载下单桩力学性能研究的模型试验。

背景技术

随着世界石油工业的迅速发展和能源需求的不断增加，石油的储备问题受到了全球的关注，对石油储罐存储能力的要求也越来越高。为此，储罐向大型化发展的步伐不断加快，在建设中遇到非理想土层作为储罐地基的情况也日益增多，根据实际情况，大型储罐尤以桩基础为主。

桩基础以其工程量小、沉降量小、抗震性能好、承载力高等优点，成为大型建、构筑物常用的基础形式。作为大型储罐的基础形式，桩基础在其服役期内不但要承受上部结构自重所产生的静荷载，而且还要承受由于储罐进出油而产生的竖向循环荷载，可能对桩-土接触及桩周围土体产生一定程度的扰动，对桩基础的横向承载力也有潜在的影响。且由于大型储罐等建设环境的不同，其下桩基础，不仅要承受由于储罐进出油而产生的竖向循环荷载，而且还会受到水平向的循环荷载。

现有的研究通常采用室内模型试验的方法对上述问题开展研究工作。进行模型试验时，通常采用费用昂贵结构形式复杂加载系统，不能很好地反映桩基础受到的竖向循环荷载，且加载荷载较大，不能满足小模型试验的要求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、成本较低的电磁控制的变频循环荷载加载装置。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种结构简单、成本较低的电磁控制的变频循环荷载加载装置包括模型箱、模型桩、竖向加载装置、水平向加载装置、监测系统。其特征在于：所述模型桩可更换，竖向固定于模型箱中部，顶部通过连接件与电磁铁连接，所述竖向加载装置包括永久磁铁、电磁铁、变频电机，所述水平向加载装置包括导轨、电磁铁、铁配重块、弹簧，所述监测系统包括压力传感器与位移传感器，所述压力传感器用来监测加载压力值，所述位移传感器用来监测竖向循环荷载下模型桩的竖向位移。

本发明通过电磁铁与永久磁铁之间同极相斥原理施加压力，通过变频电机控制加卸载速度以及实现竖向荷载的循环施加，通过水平向电磁铁与铁配重块之间的吸力，配合弹簧对模型桩施加水平向拉力，采用压力传感器监测模型桩所受的荷载值，采用位移传感器监测竖向循环荷载下模型桩的竖向位移。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、竖向循环加载装置可以很好地改变加载周期和加载次数，操作简单；

2、水平向加载装置能够很好的模拟水平向循环荷载试验；

2、本发明结构简单、易于维护，具有较好的经济性和可靠性，输出的荷载稳定性较好且精度较高。

附图说明

图1为电磁控制的循环荷载加载装置三维图。

图2为电磁控制的循环荷载加载装置竖向加载结构图。

图3为电磁控制的循环荷载加载装置水平向加载结构图。

图中，1.土体，2.模型箱，3.模型桩，4.连接件，5.电磁铁，6.钢支撑，7.转轴，8.永久磁体，9.变频电机，10.支撑平台，11.平台支撑，12.导轨，13.电磁铁，14.铁配重块，15.弹簧，16.压力传感器，17.位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、2、3所示，一种结构简单、成本较低的电磁控制的变频循环荷载加载装置包括模型箱2、模型桩3、竖向加载装置、水平向加载装置、监测系统。其特征在于：所述模型桩3可更换，顶部通过连接件4与电磁铁5连接，竖向固定于模型箱2中部。

所述竖向加载装置包括连接件4、电磁铁5、钢支撑6、转轴7、永久磁铁8、变频电机9、支撑平台10、平台支撑11，所述电磁铁5可更换不同规格，通过连接件4与模型桩3连接；所述永久磁铁8固定于转轴7上，位于电磁铁5正上方，转轴7两端与分别与两侧钢支撑6相连接，其中一端贯穿钢支撑6与变频电机9相连；所述变频电机9固定于支撑平台10上，支撑平台10固定于钢支撑6与平台支撑11上，钢支撑6共两根，分别固定在模型箱2两侧中部位置，平台支撑11共两根，底部固定在模型箱2上部边缘处，作为支撑平台10的竖向支撑。

所述水平向加载装置包括连接件4、导轨12、电磁铁13、铁配重块14、弹簧15，所述导轨12共两条，分别位于模型桩3两侧，连接件4下方，固定于模型箱2上部；所述电磁铁13共有两块，可更换不同规格，分别固定在导轨12的两端；所述弹簧15一端与连接件4连接，另一端与铁配重块14连接。

所述监测系统包括压力传感器16与位移传感器17，二者均与数据采集装置相连接，所述压力传感器16用来监测加载压力值，所述位移传感器17用来监测竖向循环荷载下模型桩3的竖向位移。

更具体的，所述竖向加载装置中，连接件4上可放置配重块，所述电磁铁5可更换不同规格，可通过改变配重质量大小与电磁铁5的规格来改变模型桩3的竖向压力，并通过改变变频电机9转速来调节循环荷载的循环周期；所述水平向加载装置中，导轨12不光滑，需要考虑摩擦力，所述弹簧15可更换为不同劲度系数的弹簧，所述铁配重块14可改变质量，可通过改变配重块14的质量、弹簧15的劲度系数以及电磁铁13的规格来控制模型桩3所受的水平力，模型桩3所受水平力大小由电磁铁吸力、配重块14与导轨12之间的摩擦力以及弹簧的弹力控制，所述电磁铁13需与时控装置相连，以实现定时启动、关闭电磁铁13，达到荷载循环的目的；所述压力传感器16、位移传感器17位置可根据具体试验调整。

竖向循环荷载下不同接触面模型桩的沉降模型试验步骤如下：

1、向模型箱2中装填一定量的土体1，使土体1装填至模型桩3埋深位置；

2、将模型桩3竖向居中放置模型箱2中，考虑试验实际情况，判断是否需要配重以及配重的大小，并选择合适的电磁铁5，通过连接件4将模型桩3、配重以及电磁铁5连接；

3、继续向模型箱2中填装一定量的土体1，使其到达指定位置；

4、调整变频电机9转速，打开变频电机9与电磁铁5开关，电磁铁5产生磁性，永久磁体8开始转动，模型桩3所受到的竖向压力开始变化，通过控制永久磁体8的转速来改变循环荷载的周期；

5、通过压力传感器16记录循环加载压力，通过位移传感器17监测竖向循环荷载下模型桩3的竖向位移；

6、试验过程中，可根据情况改变电磁铁5、永久磁体8的规格以及变频电机9的转速，并按相应步骤继续试验。

水平向循环荷载下不同接触面模型桩的沉降模型试验步骤如下：

1、向模型箱2中装填一定量的土体1，使土体1装填至模型桩3埋深位置；

2、将模型桩3竖向居中放置模型箱2中，根据实际情况选择合适的弹簧15规格以及铁配重块14的质量，通过连接件4将两侧边弹簧15与模型桩3相连接，弹簧15另一端与铁配重块14连接，调整配重块14位置使模型桩3所受水平力为0；

3、继续向模型箱2中填装一定量的土体1，使其到达指定位置；

4、选择合适的电磁铁13，分别固定在导轨两端，调整时控装置的间断时间，打开电磁铁13的电源，其中一侧电磁铁开始产生磁性，对铁配重块14产生吸力，并向电磁铁13方向移动，弹簧15被拉长产生拉力，模型桩3受到水平拉力，到达时控装置设定时间后，另一侧电磁铁13开始运转，本侧电磁铁13关闭，模型桩受到另一个水平方向拉力，时控装置不断控制两侧电磁铁13开关达到循环目的；

5、通过压力传感器16记录循环加载压力，通过位移传感器17监测竖向循环荷载下模型桩3的竖向位移。

Claims (3)

1.一种电磁控制的变频循环荷载加载试验装置，包括模型箱、模型桩、竖向加载装置、水平向加载装置、监测系统，其特征在于：所述的模型桩可更换，顶部通过连接件与电磁铁连接，竖向固定于模型箱中部；所述的竖向加载装置可对模型桩施加竖向循环荷载，所述的水平向加载装置可模型桩施加水平向循环荷载；

所述的竖向加载装置包括连接件、电磁铁、钢支撑、转轴、永久磁铁、变频电机、支撑平台、平台支撑；所述的电磁铁通过连接件与模型桩连接；所述的永久磁铁固定于转轴上，位于电磁铁正上方，转轴两端分别与两侧钢支撑相连接，其中右端贯穿右侧钢支撑与变频电机相连；所述的变频电机固定于支撑平台上，支撑平台固定于平台支撑与右侧钢支撑上；所述的钢支撑共两根，分别固定在模型箱左右两侧中部位置；所述的平台支撑共两根，底部固定在模型箱上部右边缘处，作为支撑平台的竖向支撑；所述的连接件上可放置配重块，所述的电磁铁可更换不同规格，通过改变配重质量大小与电磁铁的规格改变模型桩的竖向压力，并通过改变变频电机转速来调节循环荷载的循环周期。

2.根据权利要求1所述的一种电磁控制的变频循环荷载加载试验装置，其特征在于：所述的水平向加载装置包括连接件、导轨、电磁铁、铁配重块、弹簧；所述的导轨共两条，分别位于模型桩两侧，连接件下方，固定于模型箱上部；所述的电磁铁共有两块，分别固定在导轨的两端；所述的弹簧一端与连接件连接，另一端与铁配重块连接；所述的导轨不光滑，所述的弹簧可更换为不同劲度系数的弹簧，所述的铁配重块可改变质量，通过改变铁配重块的质量、弹簧的劲度系数以及电磁铁的规格来控制模型桩所受的水平力；所述的电磁铁与时控装置相连，以实现定时启动、关闭电磁铁，达到荷载循环的目的。

3.根据权利要求1所述的一种电磁控制的变频循环荷载加载试验装置，其特征在于：所述的监测系统包括压力传感器与位移传感器，二者均与数据采集装置相连接，所述的压力传感器用来监测加载压力值，所述的位移传感器用来监测竖向循环荷载下模型桩的位移。