CN110629812A - 单桩竖向动静荷载的加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置及方法，该装置包括支撑组件、加载控制系统以及数据采集系统；支撑组件包括模型箱、加载框架以及反力框架，加载框架设置于模型箱的上部，反力框架设置于模型箱的外围，加载框架的下部与反力框架的上部连接；加载控制系统包括伺服电动缸、伺服驱动器、PLC控制器以及上位机PC，伺服电动缸安装在加载框架上，伺服电动缸、伺服驱动器、PLC控制器以及上位机PC依次电连接；数据采集系统包括位移传感器、土压力盒、应变片和应变仪，位移传感器安装在加载框架上，土压力盒埋置于单桩下方，应变片具有多个且粘贴于单桩内部。本发明可以真实地模拟公路、铁路桥梁桩基础基桩在竖向动静组合荷载作用下的受力特性。

Description

单桩竖向动静荷载的加载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及桩基模型试验领域，尤其涉及一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置及方法。

背景技术

随着社会的不断发展进步，各种高层建筑物、公路、桥梁，内河码头及沿海港口设施等大型建筑物被规划并建设，这些大型建筑物对地基的承载能力和变形的要求会越来越高。在这种形势下，桩基础由于具有承载力高、变形较小、稳定性好且施工相对简单等优点而被广泛应用。现有公路、铁路桥梁桩基础基桩常受到上部结构自重及竖向活载等竖向组合荷载的作用，同时上述建筑对下部结构的竖向承载特性要求很高，因此研究竖向组合荷载下的单桩承载特性变得十分必要。

因室内模型试验具有经济实惠、操作便捷的特点，是现有研究单桩承载力特性的重要手段。传统的室内单桩竖向加载装置通常是通过千斤顶或者杠杆给桩顶施加一定的静态荷载，无法有效的施加静荷载和动态荷载的组合荷载。同时传统千斤顶由于油压不稳定而不能长时间进行稳定精确加载，并且需要人为推动推杆以实现对油压的控制，因此存在很大的人为误差，而且传统杠杆加载无法施加荷载量级较大的荷载。因此设计出一种能够施加竖向动静组合荷载，加载范围较广、维持时间较长，能够精确稳定的加载，操作相对简单的单桩竖向动静组合加载的室内加载装置变得十分有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够施加竖向动静组合荷载，加载范围较广、维持时间较长，能够精确稳定的加载，操作相对简单的单桩竖向动静荷载的加载试验装置及方法。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置，包括支撑组件、加载控制系统以及数据采集系统；

所述支撑组件包括模型箱、加载框架以及反力框架，所述模型箱的上部具有开口，加载试验的单桩埋置在所述模型箱中心，所述加载框架设置于所述模型箱的上部，所述反力框架设置于所述模型箱的外围，所述加载框架的下部与所述反力框架的上部连接；

所述加载控制系统包括伺服电动缸、伺服驱动器、PLC控制器以及上位机PC，所述伺服电动缸安装在所述加载框架上且位于所述单桩的正上方，所述伺服驱动器与所述伺服电动缸及所述PLC控制器电连接，所述上位机PC与所述PLC控制器电连接；所述上位机PC用于对PLC控制器进行编程以输入用于模拟所需荷载的静态波、不同形式的正弦波或者静态波与正弦波的叠加波的波形与频率，所述伺服驱动器用于在接收到PLC控制器的相关指令后驱动伺服电动缸给单桩施加相应的竖向荷载；

所述数据采集系统包括位移传感器、土压力盒、应变片和应变仪，所述位移传感器安装在所述加载框架上，所述位移传感器的指针垂直朝下并与设置于所述单桩顶部的加载板触接，所述土压力盒埋置于所述单桩下方，所述应变片具有多个且均粘贴于所述单桩内部，各所述应变片均与所述应变仪连接，所述位移传感器、所述土压力盒以及所述应变仪均与数据处理计算机连接。

进一步地，所述加载控制系统还包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述伺服电动缸的活塞杆前端，所述压力传感器与所述伺服驱动器电连接，所述压力传感器用于测量实际施加到单桩桩顶的荷载信号并反馈给伺服驱动器，所述伺服驱动器根据压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给单桩的竖向荷载。

进一步地，还包括移动装置，所述移动装置包括移动框架以及安装在所述移动框架上的电机，所述电机通过钢缆线与所述加载框架连接。

进一步地，所述模型箱底部与所述移动框架底部齐平且均设置有承重的万向轮。

进一步地，所述加载框架呈伞形，所述加载框架的下部与所述反力框架的上部可拆卸连接。

进一步地，所述加载框架的下部与所述反力框架的上部设置有相对应的多对圆孔，多个螺栓分别穿过所述多对圆孔并通过螺母锁紧固定。

进一步地，所述伺服驱动器、所述PLC控制器以及所述伺服电动缸的电源装置均安装于电柜箱中，所述电柜箱放置于所述模型箱周围。

进一步地，所述上位机PC具有触摸屏，其设置有开关设置单元、速度设置单元、加载量设置单元以及维持时间设置单元，所述开关设置单元、所述速度设置单元、所述加载量设置单元、所述维持时间设置单元分别用于设置开关、速度、加载量、维持时间。

另一方面，本发明还提供一种上述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置的加载试验方法，包括以下步骤：

（1）通过上位机PC对PLC控制器进行编程，以输入用于模拟所需荷载的静态波、不同形式的正弦波、静态波与正弦波的叠加波的波形与频率；

（2）伺服驱动器接收到PLC控制器的相关指令后驱动伺服电动缸给单桩施加相应的竖向荷载；

（3）压力传感器测量实际施加到单桩桩顶的荷载信号并反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给单桩的竖向荷载；

（4）加载试验过程中，位移传感器、土压力盒以及应变仪实时采集相应的数据并传递给数据处理计算机。

进一步地，还包括：在上位机PC的触摸屏上设置开关、速度、加载量、维持时间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种单桩竖向动静荷载的加载试验装置及方法，通过伺服电动缸、伺服驱动器以及PLC控制器可实现竖向静荷载和动态荷载的组合荷载的施加，克服现有竖向加载装置存在的不足，可以更为真实地模拟公路、铁路桥梁桩基础基桩在竖向动静组合荷载作用下的受力特性；本发明适用性范围较广，通过上位机PC对PLC控制器进行不同的编程处理，可实现竖向静荷载、动态循环荷载、静荷载和动态荷载的组合荷载等不同形式竖向荷载的施加，可进行不同形式和不同竖向荷载组合的单桩模型试验；本发明的加载试验装置制作较为简单，自动化程度较高，通过压力传感器实现闭环控制模式进一步提高了加载精度，可以实现对桩体施加稳定准确的荷载。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置的主视图；

图2为本发明实施例提供的一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置的侧视图；

图3为本发明实施例提供的一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置的俯视图；

图4为本发明实施例提供的加载控制系统的逻辑示意图。

附图标记说明：1、模型箱；2、试验土样；3、伺服电动缸；4、加载框架；5、位移传感器；6、压力传感器；7、加载板；8、反力框架；9、单桩；10、应变片；11、土压力盒；12、移动框架；13、电机；14、电柜箱；15、应变仪；16、上位机PC。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明实施例提供一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置，包括支撑组件、加载控制系统以及数据采集系统。

所述支撑组件包括模型箱1、加载框架4以及反力框架8，所述模型箱1由加肋钢板制成，呈圆桶状且上部具有开口，加载试验的单桩9通过试验土样2埋置在所述模型箱1中心，所述加载框架4呈伞状，其设置于所述模型箱1的上部，所述反力框架8设置于所述模型箱1的外围，具体设置于模型箱1的前后以及顶部，通过钢板与模型箱1连接固定。所述加载框架4的下部与所述反力框架8的上部连接，实现对加载框架4的支撑，保持其稳定性；优选地，所述加载框架4的下部与所述反力框架8的上部可拆卸连接，具体为所述加载框架4的下部与所述反力框架8的上部设置有相对应的多对圆孔，多个螺栓分别穿过所述多对圆孔并通过螺母锁紧固定，从而实现加载框架4与反力框架8的可拆卸连接，方便单桩9的埋置以及位移传感器5、应变片10等测量元件的安装。

如图4所示，所述加载控制系统包括伺服电动缸3、压力传感器6、伺服驱动器、PLC控制器以及上位机PC 16，所述伺服电动缸3安装在所述加载框架4的中间且位于所述单桩9的正上方，用于给单桩9施加竖向荷载，其中，所述加载框架4的中部预留有与伺服电动缸3前端支座尺寸相对应的固定孔，所述伺服电动缸3通过螺栓及所述固定孔紧固在所述加载框架4上。所述伺服驱动器通过数据线与所述伺服电动缸3及所述PLC控制器电连接，所述上位机PC与所述PLC控制器电连接，上位机PC用于对PLC控制器进行编程以输入用于模拟所需荷载的静态波、不同形式的正弦波或者静态波与正弦波的叠加波的波形与频率；所述伺服驱动器用于在接收到PLC控制器的相关指令后驱动伺服电动缸3给单桩施加相应的竖向荷载。所述压力传感器6安装在所述伺服电动缸3的活塞杆前端，并与所述伺服驱动器电连接，所述压力传感器6用于测量实际施加到单桩桩顶的荷载信号并反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给单桩的竖向荷载，以形成反馈控制。优选地，所述伺服驱动器、所述PLC控制器以及所述伺服电动缸3的电源装置均统一安装于电柜箱14中，以确保试验的用电安全，所述电柜箱14放置于所述模型箱1周围。

所述数据采集系统包括位移传感器5、土压力盒11、应变片10和应变仪15，所述位移传感器5安装在所述加载框架4上，具体可通过夹具将位移传感器上端夹紧固定在加载框架4上，通过调节夹具螺丝的松紧可以调整位移传感器5的相对位置。所述位移传感器5的指针垂直朝下并与设置于所述单桩9顶部的加载板7触接，用于测量单桩9顶部的位移。所述土压力盒11埋置于所述单桩9下方，用于测量桩端阻力。所述应变片10具有多个且均粘贴于所述单桩9内部，用于测量桩身应变，各所述应变片10均与所述应变仪15连接，所述位移传感器5、所述土压力盒11以及所述应变仪15均与数据处理计算机连接，用于将测量的数据传递给数据处理计算机进行保存和查看，所述数据处理计算机可以采用上述的上位机PC 16，应变仪15记录的任意时刻的数据都可在上位机PC 16中进行查看，在上位机PC 16上可观测到任意时刻的相关数据，从而可以对数据进行相关分析。

本发明实施例提供的这种单桩竖向动静荷载的加载试验装置，通过伺服电动缸、伺服驱动器以及PLC控制器可实现竖向静荷载和动态荷载的组合荷载的施加，克服现有竖向加载装置存在的不足，可以更为真实地模拟公路、铁路桥梁桩基础基桩在竖向动静组合荷载作用下的受力特性；本发明适用性范围较广，通过上位机PC对PLC控制器进行不同的编程处理，可实现竖向静荷载、动态循环荷载、静荷载和动态荷载的组合荷载等不同形式竖向荷载的施加，可进行不同形式和不同竖向荷载组合的单桩模型试验；本发明的加载试验装置制作较为简单，自动化程度较高，通过压力传感器实现闭环控制模式进一步提高了加载精度，可以实现对桩体施加稳定准确的荷载。

优化上述实施例，还包括移动装置，所述移动装置包括移动框架12以及安装在所述移动框架12上的电机13，电机13下配套有钢缆线，电机13上的钢缆线与加载框架4连接，加载框架4与反力框架8拆开后通过电机13驱动加载框架4上升，然后通过对移动框架12进行移动即可实现对加载框架4的移动。进一步地，所述模型箱1底部与所述移动框架12底部齐平且均设置有承重的万向轮，方便移动。

进一步优化地，所述上位机PC 16具有触摸屏，其设置有开关设置单元、速度设置单元、加载量设置单元以及维持时间设置单元，所述开关设置单元、所述速度设置单元、所述加载量设置单元、所述维持时间设置单元分别用于设置开关、速度、加载量、维持时间，控制方便。

本发明实施例还提供一种上述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置的加载试验方法，包括以下步骤：

（1）通过上位机PC对PLC控制器进行编程，以输入用于模拟所需荷载的静态波、不同形式的正弦波、静态波与正弦波的叠加波的波形与频率，分别用于模拟竖向静荷载、动态循环荷载、静荷载和动态荷载的组合荷载；

（2）伺服驱动器接收到PLC控制器的相关指令后驱动伺服电动缸给单桩施加相应的竖向荷载；

（3）压力传感器测量实际施加到单桩桩顶的荷载信号并反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给单桩的竖向荷载，形成闭环控制；

（4）加载试验过程中，位移传感器、土压力盒以及应变仪实时采集相应的数据并传递给数据处理计算机。

该方法可以通过上位机PC对PLC控制器进行不同的编程处理以设置不同的竖向荷载的加载形式，通过伺服驱动器驱动伺服电动缸3给单桩9施加不同形式的竖向荷载，且伺服驱动器能够根据压力传感器6反馈的信号进行输出调节，实现闭环控制以提高加载的精度，位移传感器5、土压力盒11以及应变仪15实时采集相应的数据并传递给数据处理计算机，方便观察数据并对数据进行相应的分析。

优选地，上述方法还包括：在上位机PC 16的触摸屏上设置加载荷载的开关、速度、加载量、维持时间，具体可通过人为操作相应按钮，实现对电动缸速度、位移、推力的精确控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：包括支撑组件、加载控制系统以及数据采集系统；

所述支撑组件包括模型箱、加载框架以及反力框架，所述模型箱的上部具有开口，加载试验的单桩埋置在所述模型箱中心，所述加载框架设置于所述模型箱的上部，所述反力框架设置于所述模型箱的外围，所述加载框架的下部与所述反力框架的上部连接；

所述加载控制系统包括伺服电动缸、伺服驱动器、PLC控制器以及上位机PC，所述伺服电动缸安装在所述加载框架上且位于所述单桩的正上方，所述伺服驱动器与所述伺服电动缸及所述PLC控制器电连接，所述上位机PC与所述PLC控制器电连接；所述上位机PC用于对PLC控制器进行编程以输入用于模拟所需荷载的静态波、不同形式的正弦波或者静态波与正弦波的叠加波的波形与频率，所述伺服驱动器用于在接收到PLC控制器的相关指令后驱动伺服电动缸给单桩施加相应的竖向荷载；

所述数据采集系统包括位移传感器、土压力盒、应变片和应变仪，所述位移传感器安装在所述加载框架上，所述位移传感器的指针垂直朝下并与设置于所述单桩顶部的加载板触接，所述土压力盒埋置于所述单桩下方，所述应变片具有多个且均粘贴于所述单桩内部，各所述应变片均与所述应变仪连接，所述位移传感器、所述土压力盒以及所述应变仪均与数据处理计算机连接。

2.如权利要求1所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：所述加载控制系统还包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述伺服电动缸的活塞杆前端，所述压力传感器与所述伺服驱动器电连接，所述压力传感器用于测量实际施加到单桩桩顶的荷载信号并反馈给伺服驱动器，所述伺服驱动器根据压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给单桩的竖向荷载。

3.如权利要求1所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：还包括移动装置，所述移动装置包括移动框架以及安装在所述移动框架上的电机，所述电机通过钢缆线与所述加载框架连接。

4.如权利要求3所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：所述模型箱底部与所述移动框架底部齐平且均设置有承重的万向轮。

5.如权利要求1所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：所述加载框架呈伞形，所述加载框架的下部与所述反力框架的上部可拆卸连接。

6.如权利要求5所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：所述加载框架的下部与所述反力框架的上部设置有相对应的多对圆孔，多个螺栓分别穿过所述多对圆孔并通过螺母锁紧固定。

7.如权利要求1所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：所述伺服驱动器、所述PLC控制器以及所述伺服电动缸的电源装置均安装于电柜箱中，所述电柜箱放置于所述模型箱周围。

8.如权利要求1所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置，其特征在于：所述上位机PC具有触摸屏，其设置有开关设置单元、速度设置单元、加载量设置单元以及维持时间设置单元，所述开关设置单元、所述速度设置单元、所述加载量设置单元、所述维持时间设置单元分别用于设置开关、速度、加载量、维持时间。

9.一种如权利要求1-8任一所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置的加载试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过上位机PC对PLC控制器进行编程，以输入用于模拟所需荷载的静态波、不同形式的正弦波、静态波与正弦波的叠加波的波形与频率；

（2）伺服驱动器接收到PLC控制器的相关指令后驱动伺服电动缸给单桩施加相应的竖向荷载；

（3）压力传感器测量实际施加到单桩桩顶的荷载信号并反馈给伺服驱动器，伺服驱动器根据压力传感器反馈的信号调节伺服电动缸施加给单桩的竖向荷载；

（4）加载试验过程中，位移传感器、土压力盒以及应变仪实时采集相应的数据并传递给数据处理计算机。

10.如权利要求9所述的单桩竖向动静荷载的加载试验装置的加载试验方法，其特征在于，还包括：

在上位机PC的触摸屏上设置开关、速度、加载量、维持时间。