CN111157366A - 一种桩土力学特性动态试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程技术领域，具体的说是一种桩土力学特性动态试验设备，包括从上往下依次通过一组支撑柱串联固定连接的顶板、支撑盘和底盘，在支撑盘与底盘之间嵌入安装膜箱，膜箱包括圆形的橡胶膜筒、底托板和盖板；底托板同轴嵌入安装在底盘中部，底托板设置在橡胶膜筒下端，盖板用于密封橡胶膜筒的上端口，盖板穿过支撑盘并通过一组安装柱与顶板固定相连；顶板中部设有竖向加载装置，橡胶膜筒外圈至少设有一个水平加载装置。本发明通过控制每个伸缩杆的位移行程，在伸缩杆行程相同时，则相应的各个方向对桩柱施加一样大小的水平压力，在行程不同时，则实现不同侧压力不同的状态，灵活多变，适应不同的实验要求。

Description

一种桩土力学特性动态试验设备

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体的说是一种桩土力学特性动态试验设备。

背景技术

随着我国城建设的快速发展，为了在较小的土地范围内建造更多的建筑面积，建筑物不得不向高层发展，因此近年来高层和超高层建筑建设的越来越多，这些建筑对地基基础的承载力要求较高，桩基础作为一种主要的基础形式被广泛应用于基础工程中，随着桩基础工程实际经验的累积和理论研究的深入，桩基础的利用方式和使用环境均趋于多样化，如挡土桩多用于工程初期建设支护挡土，然而为了充分发挥挡土桩的作用，减少工程造价，将挡土桩用于竖向承载，因此研究挡土桩的承载力具有实际工程意义。

现有技术中的测试装置，往往只能在桩柱外侧的某一位置施加一个固定方向的推力，而实际工程中，土层结构受力情况极其复杂，桩土受到的剪切力可能随着侧压力的方向角度发生位移，对桩柱产生影响，现有的测试装置不具有模拟上述工况的功能，无法适应不同的实验要求。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提出的一种桩土力学特性动态试验设备，能够解决现有设备不能模拟桩土受到的剪切力随着侧压力的方向角度发生位移的力学特性测试的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明所述的一种桩土力学特性动态试验设备，包括从上往下依次通过一组支撑柱串联固定连接的顶板、支撑盘和底盘，在支撑盘与底盘之间嵌入安装膜箱，所述膜箱包括圆形的橡胶膜筒、底托板和盖板；所述底托板同轴嵌入安装在底盘中部，底托板设置在橡胶膜筒下端，盖板用于密封橡胶膜筒的上端口，盖板穿过支撑盘并通过一组安装柱与顶板固定相连；所述顶板中部设有竖向加载装置，所述竖向加载装置用于对桩柱施加竖向压力；所述橡胶膜筒内放置有桩土，所述桩土内埋设有一组水平压力传感器。

在橡胶膜筒外圈至少设有一个水平加载装置，所述水平加载装置包括弹性带，所述弹性带呈弧形并与橡胶膜筒外圆相切，所述弹性带的两端分别固定连接有一个圆柱，所述圆柱转动安装在支撑盘和底盘之间，两个所述圆柱通过驱动装置驱动同步转动，所述底盘上设有两个滑槽，每个所述滑槽内均滑动连接有滑块，所述滑块上固定安装有推移柱，其中一个推移柱位于弹性带靠近橡胶膜筒的一侧，另一个推移柱位于弹性带背离橡胶膜筒的一侧，在其中一个推移柱远离橡胶膜筒时，另一个推移柱向橡胶膜筒靠近，两个所述推移柱通过同步装置驱动相离移动。

优选地，所述驱动装置包括固定安装在其中一个圆柱上端的第一齿轮，在另一个圆柱上端固定安装第二齿轮，所述支撑盘上侧转动安装有内齿圈，所述第一齿轮与内齿圈相啮合，所述内齿圈内侧还设有换向齿轮，所述换向齿轮转动安装在支撑盘上，所述换向齿轮与第二齿轮相啮合。

优选地，所述第一齿轮或第二齿轮的转轴贯穿顶板，并在端头固定连接有第一伺服电机，所述第一伺服电机固定安装在顶板上。

优选地，所述同步装置包括第二伺服电机，所述第二伺服电机固定安装在底盘底部，所述第二伺服电机转轴贯穿底盘的避让孔，并在端头固定安装有驱动齿轮，所述底盘上表面平行滑动安装两个齿条，所述驱动齿轮位于两个齿条之间，两个所述齿条均与驱动齿轮相啮合，每个齿条上分别固定安装一个连杆，所述连杆上固定连接有滑条，所述滑条滑动安装在底盘上，所述推移柱固定安装在滑条上。

优选地，所述弹性带分为上收紧带和下收紧带，所述圆柱外圈对应下收紧带固定连接有弧形凸块，在圆柱转动时，下收紧带绕卷在弧形凸块外圈。

本发明的有益效果如下：

本发明能够实现不同的实验对比，通过控制每个伸缩杆的位移行程，在伸缩杆行程相同时，则相应的各个方向对桩柱施加一样大小的水平压力，在行程不同时，则实现不同侧压力不同的状态，灵活多变，适应不同的实验要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视图

图3是图1中去除顶板后的结构示意图；

图4是图3中去除支撑盘和驱动装置后的结构示意图

图5是图4中E处局部放大图；

图6是图4中去除膜箱并转换视角后的结构示意图；

图7是本发明膜箱的结构示意图

图8是本发明受力点在A处的示意图；

图9是本发明受力点在B处的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图9所示，本发明所述的一种桩土力学特性动态试验设备，包括从上往下依次通过一组支撑柱15串联固定连接的顶板11、支撑盘12和底盘13，在支撑盘12与底盘13之间嵌入安装膜箱3，所述膜箱3包括圆形的橡胶膜筒31、底托板32和盖板33；所述底托板32嵌入安装在底盘13中部，底托板32设置在所述橡胶膜筒31下端并将橡胶膜筒31的下端口堵住，盖板33用于密封橡胶膜筒31的上端口，盖板贯穿支撑盘12并通过一组安装柱14与顶板11固定相连；橡胶膜筒31用于套设在桩柱22的径向外侧，且当桩柱22插设在膜箱3内时，橡胶膜筒31与桩柱22之间具有容置桩土的容置腔；容置腔内放置有桩土，所述桩土内埋设有一组水平压力传感器，用于收集不同方向上施加的水平推力大小。

所述顶板11中部设有竖向加载装置，所述竖向加载装置用于对桩柱22施加竖向压力，所述竖向加载装置包括固定连接在顶板11中部的伺服液压机21，伺服液压机21下压杆下端贯穿顶板11并与桩柱22顶端相接触，下压杆用于与桩柱22接触的端面上设有位移传感器23，位移传感器23与压力传感器24相连接，且压力传感器24夹设在位移传感器23与桩柱22之间；该结构中，伺服液压机21通过下压杆将竖向压力施加在桩柱22上；位移传感器23用于检测桩柱22的位移，压力传感器24用于感应伺服液压机21对桩柱22所施加的压力，该处采用现有技术中的常规试验手段，在此不做累述；在橡胶膜筒31外圈至少设有一个水平加载装置，所述水平加载装置包括弹性带51，所述弹性带51呈弧形并与橡胶膜筒31外圆相切，所述弹性带51的两端分别固定连接有一个圆柱52，所述圆柱52转动安装在支撑盘12和底盘13之间，两个所述圆柱52通过驱动装置驱动同步转动，圆柱52转动从而将弹性带51绕卷到圆柱52上，进而使得弹性带51张紧，对橡胶膜筒31施加侧推力，所述底盘13上设有两个滑槽131，每个所述滑槽131内均滑动连接有滑块53，所述滑块53上固定安装有推移柱54，其中一个推移柱54位于弹性带51靠近橡胶膜筒31的一侧，另一个推移柱54位于弹性带51背离橡胶膜筒31的一侧，在其中一个推移柱54远离橡胶膜筒31时，另一个推移柱54向橡胶膜筒31靠近，两个所述推移柱54通过同步装置驱动相离移动，在两个推移柱54相对移动后，相应的弹性带51接触橡胶膜筒31的位置由A点变为B点，这就相当于弹性带51对橡胶膜筒31的压力由A点转移至B点，从而模拟偏移的动态压力对桩土剪切特性的影响，以研究复杂动态的环境状况对桩土剪切特性的影响。

作为本发明的一种实施方式，所述驱动装置包括固定安装在其中一个圆柱52上端的第一齿轮41，在另一个圆柱52上端固定安装第二齿轮42，所述支撑盘12上侧转动安装有内齿圈43，所述第一齿轮41与内齿圈43相啮合，所述内齿圈43内侧还设有换向齿轮44，所述换向齿轮44转动安装在支撑盘12上，所述换向齿轮44与第二齿轮42相啮合，所述第一齿轮41或第二齿轮42的转轴贯穿顶板11，并在端头固定连接有第一伺服电机45，所述第一伺服电机45固定安装在顶板11上。在内齿圈43转动后，通过换向齿轮44的传动，使得第一齿轮41与第二齿轮42的转动方向相反，从而对弹性带51施加相同的绕卷力，使得弹性带51绷直，对橡胶膜筒31施加压力。

作为本发明的一种实施方式，所述同步装置包括第二伺服电机71，所述第二伺服电机71固定安装在底盘13底部，所述第二伺服电机71转轴贯穿底盘13的避让孔，并在端头固定安装有驱动齿轮72，所述底盘13上表面平行滑动安装两个齿条73，所述驱动齿轮72位于两个齿条73之间，两个所述齿条73均与驱动齿轮72相啮合，每个齿条73上分别固定安装一个连杆74，所述连杆74上固定连接有滑条75，所述滑条75滑动安装在底盘13上，所述推移柱54固定安装在滑条75上。通过驱动齿轮72转动预设的角度，相应的两个齿条73相互匀速远离，使得弹性带51与橡胶膜筒31的接触点由A点均速移动至B点，减小移动过程中，弹性带51提供压力的影响变化。

作为本发明的一种实施方式，所述弹性带51分为上收紧带511和下收紧带512，所述圆柱52外圈对应下收紧带51固定连接有弧形凸块9，在圆柱52转动时，下收紧带512绕卷在弧形凸块9外圈，现实工作中，随着土壤深度的增加，相应的桩柱22受到的侧压力也会逐渐增大，在圆柱52绕卷时，下收紧带512绕卷在弧形凸块9外圈，相比于上收紧带511绕卷更多，下收紧带512绷直的幅度更大，从而大于上收紧带511提供的压力。

本发明的工作原理如下：

试验者预制桩柱22，并将桩柱22插入膜箱3内，在橡胶膜筒31内装入桩土并压实后，盖板33密封橡胶膜筒31的上端口。

盖板33密封后，将顶板11固定在安装柱14上端，顶板11中部固定连接伺服液压机21，伺服液压机21下压杆与桩柱22接触的端面上设有位移传感器23，压力传感器24夹设在位移传感器23与桩柱22之间。

第一伺服电机45转动驱使其中用圆柱52转动，同时驱使内齿圈43转动，通过换向齿轮44的传动，使得第一齿轮41与第二齿轮42的转动方向相反，从而对弹性带51施加相同的绕卷力，使得弹性带51绷直，对橡胶膜筒31施加压力，控制第一伺服电机45的转动角度，从而获得不同大小的初始压力，以研究同一位置点施加不同大小压力对桩土力学特性的影响，启动伺服液压机21对桩柱22施加竖向压力，在竖向压力所用下，桩柱22在竖向发生移动，桩柱22所受压力和位移，分别通过压力传感器24和位移传感器23获得，并根据现有技术的计算方式对桩土接触面剪切力进行计算。

在需要研究偏移压力对桩土力学特性的影响时，通过驱动齿轮72转动预设的角度，相应的两个齿条73相互匀速远离，对应的弹性带51接触橡胶膜筒31的位置由A点变为B点，这就相当于弹性带51对橡胶膜筒31的压力由A点转移至B点，从而模拟偏移的动态压力对桩土剪切特性的影响，以研究复杂动态的环境状况对桩土剪切特性的影响。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (5)

1.一种桩土力学特性动态试验设备，包括从上往下依次通过一组支撑柱（15）串联固定连接的顶板（11）、支撑盘（12）和底盘（13），在支撑盘（12）与底盘（13）之间嵌入安装膜箱（3），所述膜箱（3）包括圆形的橡胶膜筒（31）、底托板（32）和盖板（33）；所述底托板（32）同轴嵌入安装在底盘（13）中部，底托板（32）设置在橡胶膜筒（31）下端，盖板（33）用于密封橡胶膜筒（31）的上端口，盖板（33）穿过支撑盘（12）并通过一组安装柱（14）与顶板（11）固定相连；所述顶板（11）中部设有竖向加载装置；所述竖向加载装置用于施加竖向压力；所述橡胶膜筒（31）内放置有桩土，所述桩土内埋设有一组水平压力传感器；

其特征在于：在橡胶膜筒（31）外圈至少设有一个水平加载装置，所述水平加载装置包括弹性带（51），所述弹性带（51）呈弧形并与橡胶膜筒（31）外圆相切，所述弹性带（51）的两端分别固定连接有一个圆柱（52），所述圆柱（52）转动安装在支撑盘（12）和底盘（13）之间，两个所述圆柱（52）通过驱动装置驱动同步转动，所述底盘（13）上设有两个滑槽（131），每个所述滑槽（131）内均滑动连接有滑块（53），所述滑块（53）上固定安装有推移柱（54），其中一个推移柱（54）位于弹性带（51）靠近橡胶膜筒（31）的一侧，另一个推移柱（54）位于弹性带（51）背离橡胶膜筒（31）的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种桩土力学特性动态试验设备，其特征在于：所述驱动装置包括固定安装在其中一个圆柱（52）上端的第一齿轮（41），在另一个圆柱（52）上端固定安装第二齿轮（42），所述支撑盘（12）上侧转动安装有内齿圈（43），所述第一齿轮（41）与内齿圈（43）相啮合，所述内齿圈（43）内侧还设有换向齿轮（44），所述换向齿轮（44）转动安装在支撑盘（12）上，所述换向齿轮（44）与第二齿轮（42）相啮合。

3.根据权利要求2所述的一种桩土力学特性动态试验设备，其特征在于：所述第一齿轮（41）或第二齿轮（42）的转轴贯穿顶板（11），并在端头固定连接有第一伺服电机（45），所述第一伺服电机（45）固定安装在顶板（11）上。

4.根据权利要求1所述的一种桩土力学特性动态试验设备，其特征在于：所述同步装置包括第二伺服电机（71），所述第二伺服电机（71）固定安装在底盘（13）底部，所述第二伺服电机（71）转轴贯穿底盘（13）的避让孔，并在端头固定安装有驱动齿轮（72），所述底盘（13）上表面平行滑动安装两个齿条（73），所述驱动齿轮（72）位于两个齿条（73）之间，两个所述齿条（73）均与驱动齿轮（72）相啮合，每个齿条（73）上分别固定安装一个连杆（74），所述连杆（74）上固定连接有滑条（75），所述滑条（75）滑动安装在底盘（13）上，所述推移柱（54）固定安装在滑条（75）上。

5.根据权利要求4所述的一种桩土力学特性动态试验设备，其特征在于：所述弹性带（51）分为上收紧带（511）和下收紧带（512），所述圆柱（52）外圈对应下收紧带（51）固定连接有弧形凸块（9）。

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