CN111441396A - 储罐群桩基础沉降测试的竖向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，涉及一种储罐群桩基础沉降测试的竖向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的曲臂滑块装置，作为荷载模拟系统，将模拟油罐底盘、众多弹簧及基桩模型组成群桩基础模拟系统，在电机驱动下，荷载模拟系统对群桩基础模拟系统施加荷载使模拟油罐底盘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基桩模型上，使其发生沉降。本发明制作简易，操作方便，能够实现群桩基础中的基桩在循环荷载下的沉降规律测试。

Description

储罐群桩基础沉降测试的竖向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，特别地涉及一种储罐群桩基础沉降测试的竖向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。

群桩基础是大型石油储罐工程常采用的基础形式，大型石油储罐底部往往设有群桩基础。群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，变形过大将直接引起储罐失效。对于群桩基础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群桩基础的沉降规律，本发明提出一种储罐群桩基础沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置，通过模拟罐底群桩基础中基桩的分布，以竖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，通过记录并对比群桩基础中基桩模型的沉降量，以研究不同桩土界面和罐底不同位置基桩的不均匀沉降规律。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种储罐群桩基础沉降测试的竖向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：

储罐群桩基础沉降测试的竖向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，模拟油罐底盘，上部支架，弹簧，力传感器，位移传感器，承载箱，基桩模型。其特征在于：所述的承载箱位于装置最底部，承载箱和上部支架连于一体形成整体框架；电机传动杆、从动杆、升降杆顶端滑块及固定导轨组成曲臂滑块装置(见图3)，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，曲臂下端与升降杆顶端滑块相连接(见图4)，升降杆顶端滑块与升降杆互为一体，升降杆下端与模拟油罐底盘连接固定；模拟油罐底盘下表面在竖直方向上连接有数量众多的弹簧，每根弹簧都对应一个基桩模型(见图6)；电机通电后，电机转轴转动，通过曲臂滑块装置实现升降杆竖向升降；承载箱顶部挡板的空洞供升降杆穿过，被束缚在固定导轨内的升降杆顶端滑块保证升降杆始终在竖直方向升降，升降杆做升降运动带动模拟油罐底盘升降使弹簧发生伸缩形变，产生荷载并直接作用在基桩模型上；每根基桩模型顶端都有力传感器，用以记录荷载施加情况；同时每根基桩模型顶部对应有位移传感器，用以记录每根基桩模型的沉降位移数据。

本发明装置中，由曲臂(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的曲臂滑块装置，作为荷载模拟系统，在电机驱动下，此荷载模拟系统使升降杆在竖直方向做往复升降，带动模拟油罐底盘进行相同运动，使弹簧发生伸缩形变后产生荷载并将荷载施加到每个基桩模型上，达到模拟循环荷载的效果。同时，将模拟油罐底盘、众多弹簧及基桩模型组成群桩基础模拟系统，在循环荷载的作用下，此群桩基础模拟系统内的基桩模型将呈现出沉降的整体规律，该系统内的模拟油罐底盘的不同位置所对应的基桩模型也将呈现出因分布而异的沉降规律。荷载模拟系统和群桩基础模拟系统的结合大大提高了试验的灵活性。此外，可以通过改变电机转速以调整荷载施加频率，抑或是通过改变电机传动杆的转动半径、弹簧劲度系数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每一个基桩模型沉降量的变化情况，承载箱底面可设置为起伏不平以模拟实际承压岩层的起伏状况，用以研究油罐底部群桩基础不均匀沉降的规律。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本装置设有数量众多的基桩模型，可以很好地模拟真实油罐底部各个基桩分布情况，每根基桩模型都对应一根弹簧，一个位移传感器，一个力传感器，基桩模型之间相互独立，互不影响。通过进行试验，既可以探究不同因素对单一基桩的作用规律，也可探究罐底不同区域的基桩不均匀沉降的规律。

2、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。

3、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，以及基桩模型表面粗糙度和地基土的种类、层数等，以探究单一因素对群桩基础沉降的影响规律。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群桩基础沉降规律。

附图说明

图1：储罐群桩基础沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置整体图。

图2：储罐群桩基础沉降测试的竖向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：基桩示意图。

图7：部分参数表示图。

图8：基桩模型荷载随时间变化关系图(多周期)。

图9：基桩模型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.基桩模型， 7.位移传感器，8.模拟油罐底盘，9.电机传动杆，10.固定导轨，11.从动杆， 12.上部支架，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，储罐群桩基础沉降测试的竖向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.基桩模型，7.位移传感器，8.模拟油罐底盘，9.电机传动杆，10.固定导轨，11.从动杆，12.上部支架，13.电机转轴，14.升降杆顶端滑块。其特征在于：承载箱5与上部支架12构成装置整体框架，承载箱5上端承载电机1及固定导轨10，同时，电机1和固定导轨10顶部接上部支架12，防止电机1和固定导轨10在试验过程中产生运动；此外，承载箱5上端挡板中间预设有空洞供升降杆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 底端与模拟油罐底盘8连接，模拟油罐底盘8下表面连接数量众多的弹簧3，力传感器4固定在每一个基桩模型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，模拟油罐底盘8随之升降，使弹簧3发生伸缩形变从而产生荷载，荷载作用在基桩模型6上，使之产生沉降，力传感器4时刻记录弹簧3施加的荷载；每一个基桩模型6顶端设有位移传感器7，在试验过程中，实时记录基桩模型6沉降情况。

本发明利用荷载模拟系统对群桩基础模拟系统施加荷载，即通过电机1的驱动，经由曲臂滑块装置使升降杆2沿固定导轨10升降，带动模拟储罐底盘8 压缩弹簧3，对基桩模型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的劲度系数以调整每根基桩模型6上的荷载最大施加值(见公式(3))，通过改变电机转速调整荷载变化周期(见公式(2))，通过改变基桩模型6的表面粗糙度可探究桩基粗糙度对沉降变形的影响，承载箱5底面可设置为起伏不平以模拟实际承压岩层的起伏状况。

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7。

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。

模拟储罐底盘对桩基模型施加的作用力见式(3)。

F—模拟储罐底盘对每根基桩模型施加的作用力；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。

通过测量出电机传动杆的角速度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，可计算出任意时刻模拟储罐底盘对每根基桩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8、9)。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群桩基础沉降的影响。

利用本发明装置进行群桩基础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基桩模型6，基桩模型6对应实际工程群桩基础，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基桩模型6；

3)采用表面形貌扫描仪或相关设备采集记录基桩模型6的表面粗糙度性质，然后将基桩模型6组合成群插入承载箱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施加到基桩模型6顶面；

5)施加于基桩模型6的作用力为

其中，F—从动杆对基桩模型施加的作用力；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记录施加到基桩模型6的荷载大小，位移传感器7记录基桩模型6的沉降位移，分析群桩基础在循环荷载作用下的变形规律与群桩效应。

Claims (4)

1.储罐群桩基础沉降测试的竖向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，模拟油罐底盘，上部支架，弹簧，力传感器，位移传感器，承载箱，基桩模型，其特征在于：所述的承载箱位于装置最底部，承载箱和上部支架连于一体形成整体框架；电机传动杆、从动杆、升降杆顶端滑块及固定导轨组成曲臂滑块装置，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，曲臂下端与升降杆顶端滑块相连接，升降杆顶端滑块与升降杆互为一体，升降杆下端与模拟油罐底盘连接固定；模拟油罐底盘下表面在竖直方向上连接有数量众多的弹簧，每根弹簧都对应一个基桩模型；电机通电后，电机转轴转动，通过曲臂滑块装置实现升降杆竖向升降；承载箱顶部挡板的空洞供升降杆穿过，被束缚在固定导轨内的升降杆顶端滑块保证升降杆始终在竖直方向升降，升降杆做升降运动带动模拟油罐底盘升降使弹簧发生伸缩形变，产生荷载并直接作用在基桩模型上；每根基桩模型顶端都有力传感器，用以记录荷载施加情况；同时每根基桩模型顶部对应有位移传感器，用以记录每根基桩模型的沉降位移数据。

2.根据权利要求1所述的储罐群桩基础沉降测试的竖向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的曲臂滑块装置，作为荷载模拟系统，将模拟油罐底盘、众多弹簧及基桩模型组成群桩基础模拟系统，在电机驱动下，荷载模拟系统对群桩基础模拟系统施加荷载使模拟油罐底盘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基桩模型上，使其发生沉降。

3.根据权利要求1所述的储罐群桩基础沉降测试的竖向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以调整荷载施加频率，抑或是通过改变电机传动杆的转动半径、弹簧劲度系数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每一个基桩模型沉降量的变化情况。

4.根据权利要求1所述的储罐群桩基础沉降测试的竖向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基桩模型，基桩模型对应实际工程群桩基础，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基桩模型；

3)采用表面形貌扫描仪或相关设备采集记录基桩模型的表面粗糙度性质，然后将基桩模型组合成群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基桩模型顶面；

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基桩模型的荷载大小，位移传感器记录基桩模型的沉降位移，分析群桩基础在循环荷载作用下的变形规律与群桩效应。

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