CN111441397A - 油罐桩基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，涉及一种油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置。主要包括箱体支架、弹簧、力传感器、承载箱、桩基模型、位移传感器、电机、电机传动杆、自由导轨、导轨滑轮、第一主动杆、从动作用杆、中央传动齿轮、固定导轨板，其特征在于：本发明装置的电机驱动装置通过齿轮传动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桩基模型上，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

油罐桩基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，特别地涉及油罐桩基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。

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，本发明提出了一种油罐桩基沉降测试的竖向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，本发明提供一种油罐桩基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：

油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置的主要结构，包括箱体支架、弹簧、力传感器、承载箱、桩基模型、位移传感器、以及由电机、电机传动杆、自由导轨构成的电机驱动装置和由导轨滑轮、第一主动杆、从动作用杆、中央传动齿轮、固定导轨板构成的齿轮传动装置。其主要特征在于：所述的承载箱位于箱体支架内部，桩基模型安装在承载箱内；箱体支架上部安装有电机和固定导轨板；其中，固定导轨板上装有中央传动齿轮，轨道滑轮分别与第一主动杆和从动作用杆连为一体，并沿固定导轨板的轨道运动；第一主动杆通过固接在其下端的自由导轨和与电机传动杆相连；第一主动杆和从动作用杆通过中央传动齿轮连接；箱体支架顶部相应位置有空洞可供第一主动杆和从动作用杆穿过；从动作用杆下端端面连接有弹簧，桩基模型顶端有力传感器；箱体支架顶板下表面有位移传感器。在电机驱动下，电机传动杆绕电机转轴旋转，做圆周运动，其自由端相对自由导轨滑动，从而带动第一主动杆周期性升降；利用齿轮传动装置使从动作用杆进行同周期性升降，升降过程中使弹簧发生伸缩形变产生荷载；桩基模型顶端的力传感器用以记录荷载施加情况；箱体支架顶板下表面的位移传感器用以记录桩基模型沉降位移数据。

本发明装置通过电机驱动装置与齿轮传动装置的相互配合，实现从动作用杆在竖直方向的往复升降，从而利用弹簧产生形变将荷载施加到桩基模型，使其发生沉降；通过改变电机转速可调整荷载的施加频率，通过调整电机传动杆长度或弹簧劲度系数来调整所施加荷载的最大值；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桩基沉降量的变化情况。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本装置能够实现竖直方向循环荷载与竖向沉降的相互影响。通过电机驱动装置、齿轮传动装置以及弹簧的配合使用，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，提高了试验的灵活度和自由度，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，适用范围广。可以探究不同的荷载施加频率、大小、时长，以及桩基模型表面粗糙度和地基土的层数、种类等对桩基沉降的影响。

附图说明

图1：油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置整体图。

图2：油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置正视图。

图3：电机驱动装置图。

图4：齿轮传动装置图。

图5：电机传动杆转动角度示意图。

图6：荷载随时间变化关系图(多周期)。

图7：荷载随时间变化关系图(单周期)。

图中：1.电机2.从动作用杆3.箱体支架4.弹簧5.力传感器6.承载箱7.桩基模型8.位移传感器9.电机传动杆10.自由导轨11.导轨滑轮12.第一主动杆13.固定导轨板14.中央传动齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1-4所示，油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置，包括1.电机2.从动作用杆3.箱体支架4.弹簧5.力传感器6.承载箱7.桩基模型8.位移传感器9.电机传动杆10.自由导轨11.导轨滑轮12.第一主动杆13.固定导轨板14.中央传动齿轮。其主要特征在于：所述电机1和固定导轨板13安装在箱体支架3上方；电动机传动杆9一端与电机1的转轴相连，另一端通过突出短轴嵌入自由导轨10(见图3)；自由导轨10固定在第一主动杆12的下端，且第一主动杆12和从动作用杆2后面皆有两个上下排列的导轨滑轮11(见图4)，导轨滑轮11被约束在固定导轨板13的T型凹槽内，保证第一主动杆12和从动作用杆2始终沿轨道竖直升降；从动作用杆2下端与弹簧4连接；箱体支架3内装有承载箱6，承载箱6内插埋桩基模型7；力传感器5固定在桩基模型7顶端；位移传感器8位于箱体支架3顶部隔板的底面，正对桩基模型7。电机传动杆9在旋转过程中，远端突出短轴做圆周运动并在自由导轨10内滑动带动自由导轨10竖直升降，由于自由导轨10固定在第一主动杆12下端，进而使第一主动杆12实现往复升降；第一主动杆12通过中央传动齿轮14传递动力带动从动作用杆2，使之同样做往复升降运动，进而使弹簧4产生形变对桩基模型7施加荷载。桩基模型7顶部的力传感器5记录随时间不断变化的荷载；位移传感器8时刻记录桩基沉降量的变化。

本发明利用由电机传动杆9、自由导轨10和电机1组成的电机驱动装置(见图3)和由导轨滑轮11、第一主动杆12、中央传动齿轮14及从动作用杆2构成的齿轮传动装置(见图4)组成了本装置的核心。通电后通过电机驱动装置和齿轮传动装置实现从动作用杆2的周期性升降，使弹簧4产生伸缩变形，进而对桩基模型7施加循环荷载，力传感器5记录荷载变化情况，位移传感器8获得沉降数据。通过改变电机传动杆9的转动半径或弹簧4的劲度系数可调整荷载最大施加值(见公式(3))，通过改变电机转速可调整荷载施加频率(见公式(2))，通过改变桩基模型7的表面粗糙度可探究桩基表面粗糙度对沉降变形的影响。

从动作用杆的升降速度与电机传动杆的角转速的关系见式(1)，相关参数表示见图5。

V＝ωR sin α (1)

V—第一主动杆12和从动作用杆2的升降速度；ω—电机传动杆9的角速度；R—电机传动杆9的转动半径；α—电机传动杆9与竖直向上方向的角度

从动作用杆的荷载施加周期与电机转速的关系见式(2)。

T＝2πn (2)

T—升降杆的荷载施加周期；n—电机的转速。

从动作用杆对桩基模型施加的作用力见式(3)。

F＝kR(1-cosωt) (3)

F—弹簧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—弹簧劲度系数，t—荷载所施加时间。

已知电机传动杆的角速度ω，电机传动杆的转动半径R，和弹簧劲度系数k，可计算出任意时刻加载装置对桩基模型理论上施加的作用力F。

初始时，即t＝0时，α为180°，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°，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°，弹簧恢复原长，此时作用力减为最小，F＝0。如此循环即可对桩基模型施加循环荷载。(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6、7)。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6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桩基模型7，桩基模型7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桩基模型7；

3)采用表面形貌扫描仪或相关设备采集记录桩基模型7的表面粗糙度性质，然后将桩基模型7插入承载箱6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，第一主动杆12，自由导轨10和从动作用杆2；配置需要的劲度系数的弹簧4，设定电机传动杆9转动的角速度；电机传动杆9转动，带动第一主动杆12从而带动从动作用杆2竖直运动，将荷载经由弹簧4施加到桩基模型7顶面；

5)施加于桩基模型7的作用力为

F＝kR(1-cosωt)

其中，F—弹簧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—弹簧劲度系数，t—荷载所施加时间；

6)试验过程中采用力传感器5记录施加到桩基模型7的荷载大小，采用位移传感器8记录桩基模型7的沉降位移。

Claims (4)

1.油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置，主要结构包括箱体支架、弹簧、力传感器、承载箱、桩基模型、位移传感器、以及由电机、电机传动杆、自由导轨构成的电机驱动装置和由导轨滑轮、第一主动杆、从动作用杆、中央传动齿轮、固定导轨板构成的齿轮传动装置，其主要特征在于：所述的承载箱位于箱体支架内部，桩基模型安装在承载箱内；箱体支架上部安装有电机和固定导轨板；其中，固定导轨板上装有中央传动齿轮，轨道滑轮分别与第一主动杆和从动作用杆连为一体，并沿固定导轨板的轨道运动；第一主动杆通过固接在其下端的自由导轨和与电机传动杆相连；第一主动杆和从动作用杆通过中央传动齿轮连接；箱体支架顶部相应位置有空洞可供第一主动杆和从动作用杆穿过；从动作用杆下端端面连接有弹簧，桩基模型顶端有力传感器；箱体支架顶板下表面有位移传感器；在电机驱动下，电机传动杆绕电机转轴旋转，做圆周运动，其自由端相对自由导轨滑动，从而带动第一主动杆周期性升降；利用齿轮传动装置使从动作用杆进行同周期性升降，升降过程中使弹簧发生伸缩形变产生荷载；桩基模型顶端的力传感器用以记录荷载施加情况；箱体支架顶板下表面的位移传感器用以记录桩基模型沉降位移数据。

2.根据权利要求1所述的油罐桩基沉降测试的竖向循环荷载加载试验装置，其特征在于，本发明装置将电机、电机传动杆、自由导轨构成电机驱动装置，将导轨滑轮、第一主动杆、从动作用杆、中央传动齿轮、固定导轨板构成齿轮传动装置，通电后，电机驱动装置通过齿轮传动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桩基模型上，使其发生沉降。

3.根据权利要求1所述的油罐桩基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可调整荷载的施加频率，通过调整电机传动杆长度或弹簧劲度系数来调整所施加荷载的最大值；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桩基沉降量的变化情况。

4.根据权利要求1所述的油罐桩基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桩基模型，桩基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桩基模型；

3)采用表面形貌扫描仪或相关设备采集记录桩基模型的表面粗糙度性质，然后将桩基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，第一主动杆，自由导轨和从动作用杆；配置需要的劲度系数的弹簧，设定电机传动杆转动的角速度；电机传动杆转动，带动第一主动杆从而带动从动作用杆竖直运动，将荷载经由弹簧施加到桩基模型顶面；

5)施加于桩基模型的作用力为

F＝kR(1-cosωt)

其中，F—弹簧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—弹簧劲度系数，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桩基模型的荷载大小，采用位移传感器记录桩基模型的沉降位移。

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