CN111141607A - 一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩‑土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，属于岩土工程试验技术领域。该装置的加载部分可以变换位置施加不同加载路径下的拉、压、推等静力或拟静力荷载，通过半剪切装置可以模拟土体应力扩散和衰减，减小边界条件影响以达到减小模型尺寸的目的。该装置由反力架、加载装置、角钢模型箱和半剪切装置组成。模型箱用于承载桩与土，是桩‑土体相互作用的主要场所。单向剪切装置实现土体的单向剪切，将实验边界条件与实际边界条件相统一，在提高试验可靠度的同时减小了模型尺寸，减少了财力物力消耗。反力架和加载装置用于施加荷载，有多种组合方式，加载位置和角度可调，可以实现多路径加载。

Description

一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱

技术领域

本发明涉及土木工程模型试验领域，设计了一种可以近似模拟真实边界条件的自平衡式单向剪切箱，可以在桩-土相互作用试验中实现多路径加载。

背景技术

桩-土相互作用试验是土木工程科研的一个重要领域，但由于试验对象体量一般较大从而导致加载困难，人力物力消耗大，原位实验在绝大多数时候都难以实现，所以小型模型试验成为获取相关数据的首选。

在桩-土相互作用试验中，一般会设计一个承载容器，将试验对象和土装入容器后施加各种荷载进行试验。从荷载频率上划分一般分为动力和静力(包括拟静力)试验两种，动力实验典型如地震作用下的桩-土相互作用，一般使用层间剪切箱作为实验容器，在理想状态下可以认为桩在水平方向上处于半无限土体内，土中剪力波与压缩波的传播不受到边界条件的影响。在静力(拟静力)试验中不能使用层间剪切箱，一般采用角钢箱体，即限定土体边界条件为刚性，这与实际条件不符，会严重影响桩-土相互作用发生时土体内的应力扩散与衰减，导致不能获得准确的实验结果。综上所示，在桩-土相互作用静力 (拟静力)试验中急需要一种能模拟土体边界条件的装置。

本发明基于桩在土体中的真实边界情况并结合静力(拟静力)试验特点，发明了一种自平衡式多加载路径单向剪切箱，这种单向剪切箱可以模拟桩-土相互作用时土中应力扩散与衰减现象，通过对箱体剪切板上施加随作用力和速度增大而增大的反作用力和阻尼，可以实现静力(拟静力)试验下模型边界条件和实际边界条件的统一，在增加试验可靠度的情况下缩小模型尺寸，减小实验消耗与试验难度。

发明内容

本发明的具体内容如下：

为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种自平衡式多加载路径单向剪切箱，包括反力架、加载装置、角钢箱体和单向剪切装置四个个组成部分。

进一步地，所述反力架由两根背靠背放置的槽钢和螺杆组成，槽钢在三等分处预留孔洞用螺栓连接。两根槽钢背靠背之间预留一定距离，大小等于螺杆直径并通过螺母与之连接。

进一步地，所述加载设备由夹具和作动器组成，夹具通过栓接将作动器固定在反力架上。夹具由薄钢板和螺杆组成，可以根据需要调整加载装置的位置。

进一步地，所述角钢箱体由角钢、亚克力侧板、侧向钢加载板和钢底板组成。角钢通过焊接或栓接组成箱体外框，亚克力侧板和钢底板通过预留孔与箱体栓接，侧向钢加载板在填土达到预定高度后放置于角钢箱体加载侧的内侧，其外表面边缘与角钢翼缘内侧接触形成限位，使侧向钢加载板只能发生向箱体内的位移。

进一步地，所述单向剪切装置由滑轨、剪切板、可调式复合弹簧阻尼器和角钢反力架组成。滑轨沿角钢箱体高度等间距布置，与箱边缘焊接。剪切板尾部侧边缘通过滑块与滑轨连接。可调式复合弹簧阻尼器顶端与剪切板尾部紧密接触，尾端通过夹具和螺栓与角钢反力架连接形成整体，实现单向层间剪切模拟土中应力的扩散与衰减。

本发明的工作机理是：上述用于桩-土相互作用试验的自平衡多加载路径单向剪切箱由反力架对加载装置提供反力，通过加载装置对桩或土体施加荷载。桩与土在角钢箱体中发生相互作用使土中产生应力。土中应力传向并通过剪切板使可调式复合弹簧阻尼器发生弹性(静力)或粘弹性(拟静力)效应，如此可以模拟土体中的应力扩散和衰减现象。

本发明的优点在于：

1)反力装置与箱体栓接，装配简单且有多种组合方式，可以实现复杂的不同路径的拉、压、推荷载。本发明不仅可以直接对桩加载，例如模拟桩基础的上拔和水平推复，也可以对土体加载从而间接对桩加载，例如模拟抗滑桩工作形态。

2)加载装置选择多样，可以用千斤顶实现静力的压、推荷载，也可以用滑轮组和配重实现多角度拉荷载，还能用作动器实现拟静力的压、推荷载。

3)本发明是自平衡式的，不用对装置提供额外反力，对实验场地要求低。

4)剪切装置通过可调式复合弹簧阻尼器将土中应力以弹性或粘弹性的方式吸收，近似模拟了土中应力的扩散与衰减过程，使得实验边界条件与真实边界条件相统一，在增加试验可靠度的同时可以减小模型尺寸，减小工作量和经费支出。

5)本发明概念清晰，原理明确，桩简单，易于生产与维修。

附图说明

图1为本发明的侧立面面图；

图2为本发明的45°等角度俯视图；

图3为本发明加载装置局部示意图；

图4为本发明单向剪切装置局部示意图；

图5为本发明使用滑轮组加载示意图。

图中：1、反力架螺杆，2、槽钢反力梁，3、角钢箱体，4、作动器，5、轮辐式压力传感器，6、亚克力侧板，7、可调式复合弹簧阻尼器，8、滑轨，9、剪切板，10、剪切装置反力架，11、侧向钢加载板，12、滑轮，13、拉力传感器，14、钢丝绳，15、铰接头，16、桩，17、配重。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

实施例1

实施例1目的是对桩或土体施加推或下压荷载，如图1-图4所示。一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱由反力架、加载设备、角钢箱体3 和单向剪切装置组成。

本实例中，所述反力架由反力架螺杆1和槽钢反力梁2组成。反力架螺杆 1穿过角钢箱体3预留孔洞，用螺母与之相连。两根14a型槽钢背靠背的组成槽钢反力梁，用螺栓穿过预留孔洞将两槽钢连接。槽钢之间预留间隙，大小等于反力架螺杆1直径，并通过螺栓与反力架螺杆1连接形成反力架，为荷载提供反力支持。

本实例中，所述由作动器4、轮辐式压力传感器5、滑轮12、拉力传感器 13、钢丝绳14、配重17和加载装置夹具18组成。轮辐式压力传感器5背面顶在槽钢反力梁2上，作动器4底面顶在轮辐式压力传感器5正面，加载时作动器4的加载值可以由轮辐式压力传感器5输出。加载装置夹具18由带预留孔的薄钢板、细螺杆和螺母组成。作动器4头部穿过薄钢板的预留孔，薄钢板与作动器4在油缸处接触，通过细螺杆、螺栓箍在槽钢反力梁2上，形成一个整体。作动器4的位置可以沿槽钢反力梁2任意调节，易于匹配预定的加载位置。在同样的思路下，将作动器4换为滑轮12并通过钢丝绳与拉力传感器13 和配重17串接，可以形成拉荷载施加系统。

本实例中，所述角钢箱体3长1500mm，宽1200mm，高1200mm，由角钢焊接或栓接组成。在箱体顶部距边缘250mm处开孔用于与反力架螺杆连接 1，在箱体左距顶端220mm和距离底端180mm处开孔用于与反力架螺杆连接 1。亚克力侧板6通过螺栓连接在角钢箱体3内表面。角钢箱体3左侧面由两块侧向钢加载板11组成，待填土达到预定高度后依次安装在角钢箱体3内表面，侧向钢加载板11外侧与角钢翼缘内侧接触形成限位，使得侧向钢加载板只能向箱体内部移动，可以对土体加载。

本实例中，所述单向剪切装置由可调式复合弹簧阻尼器7、滑轨8、剪切板9和剪切装置反力架10组成。滑轨8沿角钢箱体3高度方向等间距布置，可以根据用土性质和试验需求调整滑轨数量，滑轨与角钢箱体3右侧角钢焊接。每一对滑轨8对应一个剪切板9，通过滑块相连，剪切板9在装土时通过限位器限制移动，在试验中打开限位器时可以沿滑轨方向自由滑动。可调式复合弹簧阻尼器7头部顶在剪切板9外侧，尾部通过夹具与剪切板反力架10栓接，在剪切板有相对位移时为其提供弹性或粘弹性反力。选用不同长度、圈数、直径的弹簧可以调整弹性反力，通过调整可调式复合弹簧阻尼器7尾部旋钮可以调整阻尼。

本实施例中，试验开始前先安装剪切板9，可调式复合弹簧阻尼器7和剪切装置反力架10，使它们与角钢箱体3形成一个稳定的整体。按照试验设计将桩装入角钢箱体3中并分层填土，待达到预定高度后安装侧向钢加载板11。安装反力架螺杆1和槽钢反力架2，并调整其与箱体的距离。安装作动器4、轮辐式压力传感器5，并用加载装置夹具18与槽钢反力架2相连。根据不同土体，调整可调式复合弹簧阻尼器7阻尼值和弹簧型号，调整加载装置位，对准预定加载点后开始试验。

实施例2

实施例2目的是对桩施加拉荷载，如图5所示。

本实例中，所述角钢箱体2和单向剪切装置与实施例1相同，加载装置中作动器4换为滑轮12，与槽钢反力架的连接方式不变。铰接头15穿过桩物16 并与钢丝绳14相连，钢丝绳另一端穿过滑轮12并与配重17连接，如此传力对桩16加载。位于滑轮12和铰接头15的钢丝绳中间穿过拉力传感器13，这样做可以忽略滑轮对力传递的影响，直接得到桩物16受到的拉力。通过调节槽钢反力架的高度可以改变上拔荷载的角度，以满足不同实验需求。

Claims (6)

1.一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，其特征在于：单向剪切箱由反力架、加载装置、角钢箱体和单向剪切装置组成；其中反力架由八根反力架螺杆1、八根长1200mm的14a槽钢、两根长1500mm的14a槽钢和四根长1200mm的10号槽钢组成；八根反力架螺杆1包括四根长2000mm的M30通长螺纹反力架螺杆和四根长1200mm的M30通长螺纹反力架螺杆；反力架螺杆穿过角钢箱体上的预留孔洞，并用螺母与反力架螺杆相连，将槽钢反力梁受到的力传递给角钢箱体从而形成自平衡系统；每根槽钢反力梁有相同型号的两根槽钢背靠背摆放组成，将螺栓穿过腹板上等分处的预留孔洞使之形成整体，槽钢之间预留缝隙，缝隙大小等于反力架螺杆的直径，用螺母将两根槽钢相对固定形成整个反力系统，为试验提供反力支持；两根长1200的14a槽钢反力梁作为在角钢箱体顶部区域加载时的主梁，通过反力架螺杆沿箱体长度方向与箱体栓接，控制加载装置与箱体在高度上的相对位置；两根长1200的10号槽钢反力梁作为在角钢箱体顶部区域加载时的次梁，与主梁成垂直状栓接，并与加载装置连接，控制加载装置在宽度方向上与箱体的相对位置；

两根长1200的14a槽钢反力梁作为在箱体侧向区域加载时的主梁与箱体栓接，控制水平方向上加载装置与箱体的相对位置；一根长1500的14a槽钢反力梁作为在箱体侧向区域加载时的次梁，与主梁成垂直状栓接，并与加载装置连接，控制加载装置在高度方向上与箱体的相对位置。

2.根据权利要求1所述一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，其特征在于：所述加载装置由作动器、轮辐式压力传感器、滑轮、拉力传感器、钢丝绳、配重和加载装置夹具组成；轮辐式传感器反面顶在次梁上，正面顶在作动器底部，作动器穿过带预留孔的钢板，并在油缸处与之接触形成限位；另一块钢板与作动器穿过的钢板相配合，将轮辐式压力传感器和作动器箍在次梁上，并用细螺杆和螺栓固定；通过调节主梁、次梁和加载装置位置，满足空间内三个水平自由度上任意位置加载；将作动器换为滑轮并通过钢丝绳与拉力传感器和配重串接，形成拉荷载施加系统，调节主梁、次梁和滑轮相对位置可以控制与箱体长和高组成的平面平行的平面内的三个自由度。

3.根据权利要求1所述一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，其特征在于：所述角钢箱体由80×80×6的角钢、亚克力侧板和侧向钢加载板组成；箱体外框由角钢焊接或栓接组成，亚克力侧板与箱体内部表面栓接；待填土达到相应高度后将侧向钢加载板放置在箱体内侧，其外表面与角钢翼缘内表面接触形成限位，使得加载板只能向箱体内部移动；当箱体为栓接时整个装置拆解为角钢、槽钢、作动器基础零件。

4.根据权利要求1所述一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，其特征在于：所述单向剪切装置由可调式复合弹簧阻尼器、滑轨、剪切板和剪切装置反力架组成；滑轨沿箱体高度等距离与之焊接，另一端与剪切装置反力架焊接；剪切板通过滑轨上的滑块与滑轨连接，滑轨和剪切板的数量相对应，根据不同实验需求调整剪切板的层数。

5.根据权利要求4所述一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，其特征在于：可调式复合弹簧阻尼器的头部顶在剪切板后部，可调式复合弹簧阻尼器的尾部通过夹具和螺栓与剪切装置反力架相连，夹具与反力架中的次梁相同，槽钢之间间距为可调式复合弹簧阻尼器的直径，将可调式复合弹簧阻尼器穿过夹具并在两端紧固螺母即可形成稳定整体。

6.根据权利要求4所述一种桩-土试验用自平衡式多加载路径单向剪切箱，其特征在于：将夹具与剪切装置反力架靠紧即可为可调式复合弹簧阻尼器提供反力，并通过滑轨传到至箱体形成平衡系统；当桩和土在箱体内发生相互作用时，土体中应力向外传导到剪切板，当剪切板发生位移时可调式复合弹簧阻尼器通过弹性或粘弹性反应吸收能量；根据土的性质不同，调整弹簧长度、圈数和直径可以控制弹性反应，调节可调式复合弹簧阻尼器尾部旋钮调节阻尼，模拟土中应力扩散和衰减效应。

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