CN111335373A - 一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程和油气储运领域，具体地，涉及一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，其特征在于：本发明装置将曲臂(由电机传动杆和从动杆组成)、升降杆顶端滑块和固定导轨相连组成曲臂滑块装置，在电机驱动下，电机转轴通过此曲臂滑块装置使升降杆在竖直方向做往复升降，使弹簧发生伸缩形变，通过弹簧的形变产生荷载并将荷载施加到混凝土桩基比例模型上，使其发生沉降。本发明制作简易，操作方便，能够实现桩基在循环荷载下的沉降规律测试。

Description

一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程和油气储运工程研究，特别地涉及一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置。

背景技术

我国大型钢储罐大多建设在沿海城市，常分布在软土地层，容易产生各种沉降变形，包括储罐的整体均匀沉降、底板的碟形沉降、储罐的整体倾斜沉降以及储罐周边的不均匀沉降等。我国采用的立式圆筒形钢储罐，是一类典型的金属薄壳结构，其稳定性能对沉降变形十分敏感，其中罐周不均匀沉降对钢储罐稳定的影响最为不利，是导致储罐破坏的主要原因。

桩基础是大型油气储罐工程常采用的基础形式。桩基础的沉降对于储罐的结构稳定有直接影响，如出现罐底地基的非均匀沉降将会导致罐壁变形，变形过大直接引起储罐失效。对于桩基沉降问题可采用模型试验方法进行试验研究。特别地，石油储罐在充油、出油过程中会形成对储罐基础和地基的循环荷载作用。为研究在这种循环荷载作用下的储罐桩基的沉降规律，本发明提出一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，以法向荷载和沉降为切入点，可自由调节循环荷载施加频率、大小、时长，以研究不同桩土界面的不均匀沉降规律。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，包括电机，电机转轴，电机传动杆，固定导轨，从动杆，升降杆，升降杆顶端滑块，中层隔板，外部支架，弹簧，力传感器，位移传感器，承载箱，混凝土桩基比例模型。其特征在于：所述的承载箱位于装置最底部，用以盛土后插埋混凝土桩基比例模型；承载箱和外部支架连于一体，中间设有中层隔板用以承载电机等部件；中层隔板上固接有电机；电机转轴穿过固定导轨，与曲臂(由电机传动杆和从动杆组成)相连；升降杆顶端滑块内侧束缚于固定导轨，外侧与曲臂相连；升降杆顶端滑块可自由升降，电机通电后，转轴转动，通过曲臂和升降杆顶端滑块带动升降杆，实现升降杆升降(见图3)，中层隔板有空洞可供升降杆穿过；固定导轨同样竖直固定在中层隔板上，由于升降杆顶端滑块内侧被束缚在固定导轨内，可保证升降杆始终在竖直方向升降；升降杆下端连接有弹簧，升降杆作升降运动使弹簧发生伸缩形变，产生荷载；混凝土桩基比例模型顶端有力传感器，用以记录荷载施加情况；中层隔板底面有位移传感器，用以记录混凝土桩基比例模型沉降位移数据。

本发明装置将曲臂(由电机传动杆和从动杆组成)、升降杆顶端滑块和固定导轨相连组成曲臂滑块装置，在电机驱动下，电机转轴通过此曲臂滑块装置使升降杆在竖直方向做往复升降，使弹簧发生伸缩形变，通过弹簧的形变产生荷载并将荷载施加到混凝土桩基比例模型上，使其发生沉降。同时，可以通过改变电机转速来改变升降杆升降速度以调整荷载施加频率，通过改变电机传动杆的转动半径、弹簧劲度系数，或电机传动杆和从动杆长度之比以改变所施加荷载的最大值。试验过程中，通过力传感器记录荷载的具体施加情况，通过位移传感器记录沉降量的变化情况。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本装置能够实现竖向循环荷载与竖向沉降的相互影响，电机、曲臂滑块装置和弹簧的综合利用，使该装置既能改变施加的荷载大小，又可改变荷载施加的频率，使试验更加灵活、自由度大，便于获得更加丰富全面的实验数据。

2、整个试验装置制作简易，操作方便。试验过程中可仅仅改变某一变量使变量唯一，通过改变唯一的变量可以进行前后对照试验，如改变荷载施加的大小、频率、时长，以及混凝土桩基比例模型表面粗糙度和地基土的种类、层数等，以探究单一因素对桩基沉降的影响规律。此外，在某一设定的初始条件下，随着试验的进行，还可探究各个因素共同作用下的沉降规律。

附图说明

图1：一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置整体图。

图2：一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置正视图。

图3：电机与曲臂滑块装置连接图。

图4：电机转轴与曲臂及升降杆顶端滑块连接图。

图5：固定导轨独立图。

图6：部分参数表示图。

图7：荷载随时间变化关系图(多周期)。

图8：荷载随时间变化关系图(单周期)。

图中：1.电机，2.升降杆，3.弹簧，4.力传感器，5.承载箱，6.混凝土桩基比例模型，7.位移传感器，8.中层隔板，9.电机传动杆，10.固定导轨，11.从动杆，12.外部支架，13.电机转轴，14.升降杆顶端滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1-5所示，一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，包括1.电机，2.升降杆，3.弹簧，4.力传感器，5.承载箱，6.混凝土桩基比例模型，7.位移传感器，8.中层隔板，9.电机传动杆，10.固定导轨，11.从动杆，12.外部支架，13.电机转轴，14.升降杆顶端滑块。其特征在于：承载箱5与外部支架12构成装置整体框架，中间设有中层隔板8以承载电机1及固定导轨10，同时，电机1和固定导轨10顶部接外部支架12，防止电机1和固定导轨10在试验过程中产生运动，此外，中层隔板8中间预设有空洞，供升降杆顶端滑块14安装入固定导轨10以及升降杆2自由升降；电机1和固定导轨10前后对应，使电机转轴13穿过固定导轨10，与电机传动杆9的一端连接，由此电机传动杆9可随电机转轴13旋转，从动杆11的一端与电机传动杆9的自由端连接，从动杆11的另一端固定在升降杆顶端滑块14的外一侧，升降杆顶端滑块14内一侧嵌入固定导轨10(见图3、4)；在固定导轨10的束缚下，升降杆顶端滑块14可在从动杆11牵引下沿固定导轨10竖直升降，当电机1运作时，电机传动杆9随电机转轴13转动，带动从动杆11，从而牵引升降杆顶端滑块14沿固定导轨10做循环往复的升降运动，则与升降杆顶端滑块14一体的升降杆2亦随之做循环往复的竖直升降运动；升降杆2底端与弹簧3连接，力传感器4固定在混凝土桩基比例模型6顶端，弹簧3与力传感器4自然接触，当升降杆2做升降运动时，弹簧3发生伸缩形变从而产生荷载，力传感器4时刻记录弹簧3施加的荷载；位移传感器7固定在中层隔板8底面，正对混凝土桩基比例模型6，在试验过程中，实时记录混凝土桩基比例模型6沉降情况。

本发明利用由电机传动杆9、从动杆11、升降杆顶端滑块14和固定导轨10构成的曲臂滑块装置与升降杆2连接，通过电机10的驱动，使升降杆2沿固定导轨10升降，利用升降杆2升降使弹簧3发生的伸缩形变对混凝土桩基比例模型6施加荷载，通过力传感器4记录荷载变化情况，通过位移传感器7获得沉降数据。同时，通过改变电机传动杆9的转动半径、弹簧3的劲度系数，或电机传动杆9和从动杆11的长度之比以调整荷载最大施加值(见公式(3))，通过改变电机转速调整荷载变化周期(见公式(2))，通过改变混凝土桩基比例模型6的表面粗糙度可探究桩基粗糙度对沉降变形的影响。

升降杆的升降速度与电机传动杆的角速度的关系见式(1)，相关参数表示见图6。

V＝ωR(sinα+cosαsinβ) (1)

V—升降杆的升降速度；ω—电机传动杆的角速度；R—电机传动杆的转动半径；α—电机传动杆与竖直向下方向的角度；β—从动杆与竖直向上方向的角度。

升降杆的荷载施加周期与电机传动杆转速的关系见式(2)。

T＝2πn (2)

T—升降杆的荷载施加周期；n—电机传动杆的转速。

从动杆对桩基模型施加的作用力见式(3)。

F—从动杆对桩基模型施加的作用力；ω—电机传动杆的角速度；R—电机传动杆的转动半径；k—弹簧的劲度系数；λ—电机传动杆与从动杆长度之比；t—荷载所施加时间。

通过测量出电机转轴的角速度ω，电机传动杆的转动半径R，电机传动杆与从动杆长度之比λ和弹簧劲度系数k，可计算出任意时刻加载装置对混凝土桩基比例模型理论上施加的作用力F。

初始时，即t＝0时，α为180°，β为0°，弹簧处于原长，此时作用力最小，F＝0；经过半个周期，即

时，α为0°，β为0°，弹簧处于最大压缩状态，此时作用力最大，F＝2kR；经过一个周期，即t＝T时，α为180°，β为0°，弹簧恢复原长，此时作用力减为最小，F＝0，如此循环(以取

kR＝4，ω＝1为例，所施加作用力F与施加时间t的关系曲线见图7、8)。实际上的作用力可由力传感器测量，通过力传感器的实时测量进而绘制出实际作用力与时间的关系曲线图。在一定误差允许范围内，实际作用力与时间的关系应符合理论作用力与时间的关系。

同时，改变电机转速n可改变荷载变化周期T。可用以探究荷载施加快慢对桩基沉降的影响。

利用本发明装置进行桩基循环加载测试的具体操作方法如下：

1)根据储罐工程地质情况，选取模拟实际地基地层性质的土作为岩土相似材料填筑于承载箱5内；

2)按模型试验相似理论利用砂浆材料或混凝土材料配制混凝土桩基比例模型6，混凝土桩基比例模型6对应实际工程桩基础，需符合相应的几何比尺并力学参数相似，并可根据试验需要制作特定的表面粗糙度不同的混凝土桩基比例模型6；

3)采用表面形貌扫描仪或相关设备采集记录混凝土桩基比例模型6的表面粗糙度性质，然后将混凝土桩基比例模型6插入承载箱5的岩土相似材料中，并压实周围土层，模拟储罐下桩基的初始条件；

4)选择合适的电机传动杆9和从动杆11，配置需要的劲度系数的弹簧3，设定电机传动杆9的转动的角速度，电机传动杆9转动，带动从动杆11竖直运动，将荷载经由弹簧3施加到混凝土桩基比例模型6顶面；

5)施加于混凝土桩基比例模型6的作用力为

其中，F—从动杆对混凝土桩基比例模型施加的作用力；ω—电机传动杆的角速度；R—电机传动杆的转动半径；k—弹簧的劲度系数；λ—电机传动杆与从动杆长度之比；t—荷载所施加时间；

6)试验过程中采用力传感器4记录施加到混凝土桩基比例模型6的荷载大小，位移传感器7记录混凝土桩基比例模型6的沉降位移。

Claims (4)

1.一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，包括电机，电机转轴，电机传动杆，固定导轨，从动杆，升降杆，升降杆顶端滑块，中层隔板，外部支架，弹簧，力传感器，位移传感器，承载箱，混凝土桩基比例模型，其特征在于：所述的承载箱位于装置最底部，用以盛土后插埋混凝土桩基比例模型；承载箱和外部支架连于一体，中间设有中层隔板用以承载电机等部件；中层隔板上固接有电机；电机转轴穿过固定导轨，与曲臂(由电机传动杆和从动杆组成)相连；升降杆顶端滑块内侧束缚于固定导轨，外侧与曲臂相连；升降杆顶端滑块可自由升降，电机通电后，转轴转动，通过曲臂和升降杆顶端滑块带动升降杆，实现升降杆升降，中层隔板有空洞可供升降杆穿过；固定导轨同样竖直固定在中层隔板上，由于升降杆顶端滑块内侧被束缚在固定导轨内，可保证升降杆始终在竖直方向升降；升降杆下端连接有弹簧，升降杆作升降运动使弹簧发生伸缩形变，产生荷载；混凝土桩基比例模型顶端有力传感器，用以记录荷载施加情况；中层隔板底面有位移传感器，用以记录混凝土桩基比例模型沉降位移数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，其特征在于，本发明装置将曲臂(由电机传动杆和从动杆组成)、升降杆顶端滑块和固定导轨相连组成曲臂滑块装置，在电机驱动下，电机转轴通过此曲臂滑块装置使升降杆在竖直方向做往复升降，使弹簧发生伸缩形变，通过弹簧的形变产生荷载并将荷载施加到混凝土桩基比例模型上，使其发生沉降。

3.根据权利要求1所述的一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，其特征在于，可以通过改变电机转速来改变升降杆升降速度以调整荷载施加频率，通过改变电机传动杆的转动半径、弹簧劲度系数，或电机传动杆和从动杆长度之比以改变所施加荷载的最大值；试验过程中，通过力传感器记录荷载的具体施加情况，通过位移传感器记录沉降量的变化情况。

4.根据权利要求1所述的一种用于储罐桩基沉降测试的循环荷载加载试验装置，其特征在于，利用本发明装置进行桩基循环加载测试的具体操作方法如下：

1)根据储罐工程地质情况，选取模拟实际地基地层性质的土作为岩土相似材料填筑于承载箱内；

2)按模型试验相似理论利用砂浆材料或混凝土材料配制混凝土桩基比例模型，混凝土桩基比例模型对应实际工程桩基础，需符合相应的几何比尺并力学参数相似，并可根据试验需要制作特定的表面粗糙度不同的混凝土桩基比例模型；

3)采用表面形貌扫描仪或相关设备采集记录混凝土桩基比例模型的表面粗糙度性质，然后将混凝土桩基比例模型插入承载箱的岩土相似材料中，并压实周围土层，模拟储罐下桩基的初始条件；

4)选择合适的电机传动杆和从动杆，配置需要的劲度系数的弹簧，设定电机传动杆的转动的角速度，电机传动杆转动，带动从动杆竖直运动，将荷载经由弹簧施加到混凝土桩基比例模型顶面；

5)施加于桩基模型的作用力为

其中，F—从动杆对桩基模型施加的作用力；ω—电机传动杆的角速度；R—电机传动杆的转动半径；k—弹簧的劲度系数；λ—电机传动杆与从动杆长度之比；t—荷载所施加时间；

6)试验过程中采用力传感器记录施加到混凝土桩基比例模型的荷载大小，位移传感器记录混凝土桩基比例模型的沉降位移。

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