CN111648416A - 一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置及使用方法 - Google Patents

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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Abstract

本发明公开了一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置及使用方法，本发明采用模型箱装填试验用土体，试验用土体中埋置扩底模型桩。通过油压千斤顶提供向下钻孔的动力，由伺服电机控制钻孔速率。通过动力控制设备和连接杆进行扩底模型桩等截面直段成孔；通过动力控制设备、连接杆及扩孔机构实现扩底模型桩扩底段成孔。本发明自动化控制水平高，能够模拟扩底桩干作业机械成孔施工过程，能进行扩底桩机械成孔参数精确控制，能在不同特性地基土中进行扩底模型桩机械成孔模拟。

Description

一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置及使用方法
技术领域
本发明属于试验装置领域，具体涉及一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置及使用方法。
背景技术
现在陆上风电场建设项目主要集中的三北(华北、东北、西北)地区，广泛分布的是约占陆地面积6.63％的黄土，黄土普遍发育着大孔隙，约75％具有湿陷性，遇水浸湿易诱发下沉量大、下沉速度快的失稳变形。在湿陷性黄土层厚度大于15m的场地，考虑风机塔筒高耸结构长期承受360°水平偏心随机荷载的特点和基础对倾斜的严格限制，常需要采用穿透湿陷性黄土层的扩底桩基础。
扩底桩在干作业机械成孔过程中，先按照等直径钻孔的方法钻进到预定深度，在此过程中会对桩周土产生一定程度的扰动，然后换用扩孔钻头并撑开钻头的扩孔刀刃，使之旋转切削土层以形成扩大孔底，扩底过程中对土体的扰动比等直径钻孔过程中的扰动还要强烈，不仅会使扩底段的桩周土受到扰动，还会使孔底下端一定深度的土体受到扰动，因此，整个施工过程会持续扰动桩周土及桩底土体，不断改变桩孔周围土体应力状态，会对扩底桩静动力特性产生很大影响。然而，目前大量关于扩底桩水平、抗压、抗拔静动力特性及其影响因素的研究均忽略了扩底桩施工对桩周土体的扰动。
针对缺乏扩底桩施工效应研究，对于重大风电工程，需要结合室内模型试验进行分析，其中的关键技术是如何模拟扩底桩等截面桩身和扩底段施工过程，而目前尚未发现有关该问题的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置及使用方法，本装置的模拟精度高、自动化程度高。
为了达到上述目的，一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，包括模型箱，模型箱上设置有可调节支架，可调节支架顶部设置有移动横梁，移动横梁底部固定有油压千斤顶，油压千斤顶的推杆端部连接伺服电机，伺服电机的两侧设置有固定杆，固定杆的端部设置有滑轮，可调节支架的内表面上开设有滑道，滑轮置于滑道内，伺服电机的输出轴连接连接杆，连接杆置于模型箱内。
连接杆为螺旋钻杆。
连接杆的底部设置有扩孔机构，扩孔机构包括与连接杆连接的带丝扣螺杆，带丝扣螺杆上设置有连接方管，连接方管上设置有若干扩孔刀臂，扩孔刀臂通过连接件与带丝扣螺杆的底部连接。
模型箱包括角钢框架以及钢板、加固槽钢，角钢框架的四周通过钢板焊接成型，加固槽钢设置在角钢框架的中间部位。
调节支架上开设有若干用于固定移动横梁的螺孔。
模型箱与可调节支架间设置有定位支架，连接杆穿过定位支架置于模型箱内。
一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，在模型箱中装填试验用土体，将可调节支架安装在模型箱顶部两边的翻沿上，将移动横梁安装在可调节支架上，油压千斤顶通过安装于移动横梁上，伺服电机上端与油压千斤顶的推进杆连接，伺服电机通过与带滑轮的固定杆连接稳定伺服电机在空中的姿态，再将伺服电机齿轮箱下端先与连接杆连接；
步骤二，开动伺服电机，按照设计的钻速，在油压千斤顶向下的推进力作用下完成等截面桩身钻孔施工；
步骤三，更换连接杆，开动伺服电机，按照设计的扩孔钻速，在油压千斤顶向下的推进力作用下完成扩孔段钻孔施工。
与现有技术相比，本发明的装置采用模型箱装填试验用土体，试验用土体中埋置扩底模型桩。通过油压千斤顶提供向下钻孔的动力，由伺服电机控制钻孔速率。通过动力控制设备和连接杆进行扩底模型桩等截面直段成孔；通过动力控制设备、连接杆及扩孔机构实现扩底模型桩扩底段成孔。本发明自动化控制水平高，能够模拟扩底桩干作业机械成孔施工过程，能进行扩底桩机械成孔参数精确控制，能在不同特性地基土中进行扩底模型桩机械成孔模拟。
本发明的方法首先搭建试验装置，再通油压千斤顶向下的推进力作用下完成等截面桩身钻孔施工，本发明适用范围广、自动化程度高，可精确控制，突破了现有桩基模型试验装置只能进行桩埋置或静压安装的限制，能够模拟扩底桩钻扩孔施工过程，能够为扩底桩施工扰动桩周土试验测试以及后续静力动力分析确定桩周初始应力状态提供条件。
附图说明
图1为本发明使用螺旋钻杆时的结构示意图；
图2为本发明使用扩孔机构时的结构示意图；
图3为本发明中可调节支架、移动横梁及油压千斤顶组合结构示意图；
图4为本发明中伺服电机与带滑轮固定杆组合结构示意图；
图5为本发明中伺服电机与螺旋钻杆组合结构示意图；
图6为本发明中伺服电机与连接杆组合结构示意图；
图7为本发明中扩孔机构结构示意图；
图8为本发明中模型箱的立体结构图；
图中：1、模型箱；2、可调节支架；3、移动横梁；4、油压千斤顶；5、伺服电机；6、固定杆；7、滑轮；8、滑道；9、螺旋钻杆；10、定位支架；11、连接杆；12、扩孔机构；13、扩孔刀臂；14、连接方管；15、带丝扣螺杆；16、钢板；17、加固槽钢。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1至图6，一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，包括模型箱1，模型箱1上设置有可调节支架2，可调节支架2顶部设置有移动横梁3，移动横梁3底部固定有油压千斤顶4，油压千斤顶4的推杆端部连接伺服电机5，伺服电机5的两侧设置有固定杆6，固定杆6的端部设置有滑轮7，可调节支架2的内表面上开设有滑道8，滑轮7置于滑道8内，伺服电机5的输出轴连接连接杆11，连接杆11置于模型箱1内。连接杆11为螺旋钻杆9。模型箱1与可调节支架2间设置有定位支架10，连接杆11穿过定位支架10置于模型箱1内。调节支架2上开设有若干用于固定移动横梁3的螺孔。
如图3所示，移动横梁3通过螺栓安装于可调节支架2预留的螺孔上，油压千斤顶4通过螺栓安装与移动横梁3预留的螺孔上，可调节支架采用两根高700mm、边长60mm、壁厚5mm的方钢管制作，移动横梁长600mm、边长60mm、壁厚5mm的方钢管制作。
如图4所示，带滑轮固定杆6通过端部丝扣安装在伺服电机底部预留的螺孔上上，固定杆采用直径20mm、长160mm的钢筋加工而成。
如图5所示，螺旋钻杆9通过顶端加工的丝扣安装在伺服电机齿轮箱5下端预留的螺孔上，螺旋钻杆的长度和直径根据扩底桩模型与原型的相似比设计，底部安装锥型端头。
如图6所示，连接杆11是通过顶端加工的丝扣安装在伺服电机齿轮箱下端预留的螺孔上，底部内螺孔与扩孔机构12连接。连接杆11的长度和直径根据扩底桩模型与原型的相似比设计。
参见图7，连接杆11的底部设置有扩孔机构，扩孔机构包括与连接杆11连接的带丝扣螺杆15，带丝扣螺杆15上设置有连接方管14，连接方管14上设置有若干扩孔刀臂13，扩孔刀臂13通过连接件与带丝扣螺杆15的底部连接，扩孔刀臂13采用钢板和加工的刀片焊接而成，扩孔机构大小根据扩大段模型与原型相似比确定。
参见图8，模型箱1包括角钢框架以及钢板16、加固槽钢17，角钢框架的四周通过钢板16焊接成型，加固槽钢设置17在角钢框架的中间部位。模型箱长700mm、宽600mm、高600mm，由8mm厚角钢焊接成立体框架，模型箱四周采用8mm钢板与角钢框架焊接，左右两侧再采用50mm槽钢加固。
本试验系统的工作过程：先在模型箱中装填试验用土体，然后利用螺栓将可调节支架安装在模型箱顶部两边的翻沿上，通过螺栓将移动横梁安装在可调节支架上，油压千斤顶通过螺栓安装于移动横梁预留的螺孔上，伺服电机上端与油压千斤顶的推进杆连接，通过与带滑轮的固定杆连接稳定伺服电机在空中的姿态，再将伺服电机齿轮箱下端先与带锥型端头的螺旋钻杆连接。试验时，开动伺服电机，按照设计的钻速，在油压千斤顶向下的推进力作用下完成等截面桩身钻孔施工。之后，将螺旋钻杆拆下，将合拢的扩孔机构通过连接杆安装于伺服电机齿轮箱下端，再次开动伺服店家，按照设计的扩孔钻速，在油压千斤顶向下的推进力作用下完成扩孔段钻孔施工。

Claims (7)

1.一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)，模型箱(1)上设置有可调节支架(2)，可调节支架(2)顶部设置有移动横梁(3)，移动横梁(3)底部固定有油压千斤顶(4)，油压千斤顶(4)的推杆端部连接伺服电机(5)，伺服电机(5)的两侧设置有固定杆(6)，固定杆(6)的端部设置有滑轮(7)，可调节支架(2)的内表面上开设有滑道(8)，滑轮(7)置于滑道(8)内，伺服电机(5)的输出轴连接连接杆(11)，连接杆(11)置于模型箱(1)内。
2.根据权利要求1所述的一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，其特征在于，连接杆(11)为螺旋钻杆(9)。
3.根据权利要求1所述的一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，其特征在于，连接杆(11)的底部设置有扩孔机构，扩孔机构包括与连接杆(11)连接的带丝扣螺杆(15)，带丝扣螺杆(15)上设置有连接方管(14)，连接方管(14)上设置有若干扩孔刀臂(13)，扩孔刀臂(13)通过连接件与带丝扣螺杆(15)的底部连接。
4.根据权利要求1所述的一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，其特征在于，模型箱(1)包括角钢框架以及钢板(16)、加固槽钢(17)，角钢框架的四周通过钢板(16)焊接成型，加固槽钢设置(17)在角钢框架的中间部位。
5.根据权利要求1所述的一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，其特征在于，调节支架(2)上开设有若干用于固定移动横梁(3)的螺孔。
6.根据权利要求1所述的一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置，其特征在于，模型箱(1)与可调节支架(2)间设置有定位支架(10)，连接杆(11)穿过定位支架(10)置于模型箱(1)内。
7.权利要求1所述的一种伺服控制的扩底桩机械成孔模型试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在模型箱(1)中装填试验用土体，将可调节支架(2)安装在模型箱(1)顶部两边的翻沿上，将移动横梁(3)安装在可调节支架(2)上，油压千斤顶(4)通过安装于移动横梁(3)上，伺服电机(5)上端与油压千斤顶(4)的推进杆连接，伺服电机(5)通过与带滑轮(7)的固定杆(6)连接稳定伺服电机(5)在空中的姿态，再将伺服电机(5)齿轮箱下端先与连接杆(11)连接；
步骤二，开动伺服电机(5)，按照设计的钻速，在油压千斤顶(4)向下的推进力作用下完成等截面桩身钻孔施工；
步骤三，更换连接杆(11)，开动伺服电机(5)，按照设计的扩孔钻速，在油压千斤顶(4)向下的推进力作用下完成扩孔段钻孔施工。
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