CN111707549A - 一种煤场堆载模拟实验方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤场堆载模拟实验方法，包括选择模型管，所述模型管用以模拟煤场原型中所使用的桩基；布置模型箱，根据煤场原型设计结果布置模型箱；所述煤场原型设计结果包括煤场原型中所使用桩基的材质和桩基截面尺寸；吊装模型箱到离心机上，将布置完毕的模型箱吊装到离心机的吊篮上；启动离心机并运行离心机一定的时间，运行离心机一定的时间以模拟煤场原型满载一定年限的工况；获取模拟数据，根据模拟数据验证煤场原型设计结果。还公开了一种煤场堆载模拟实验系统。通过本发明方法和系统能够模拟验证煤场原型的设计结果，保证所设计煤场原型在运营期间的安全性。

Description

一种煤场堆载模拟实验方法和系统
技术领域
本发明涉及一种煤场堆载模拟实验系统方法和系统，属于煤场建设领域。
背景技术
煤场是指对方燃煤的场所，通常燃煤发电厂或钢铁厂的附属设施，随着人们环保意识的不断提高煤炭生产企业以前常用的露天储煤方式已经不符合要求，必须采取符合企业实际需求的全封闭式储煤场，才能保证企业良好的经济效益、环保效益和社会效益。在全封闭式储煤场建设过程中，为减少煤场建设区域原状土淤泥层的影响，通常采用真空联合堆载预压法对煤场地基进行预处理，以减少地基沉降和消除煤棚桩基的负摩阻力，保证煤场运营期间的安全性。但在煤场投入使用后，煤炭的堆载过程对地基和煤棚桩基依然存在影响。对此，如若在煤场设计初期对煤场运营期间的沉降问题进行研究和解决，以为建设封闭式煤场提供更加安全的设计方案，则能够保证封闭式煤场在运营期间的安全性。因此，亟需研究一种煤场堆载模拟实验设备和方法，以验证所设计煤场的安全性，进而保证所设计煤场在运营期间的安全性。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种煤场堆载模拟实验方法和系统，用以验证煤场的设计结果，保证所设计煤场在运营期间的安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种煤场堆载模拟实验方法，包括选择模型管和模型板，所述模型管和模型板用以模拟煤场原型中所使用的桩基；布置模型箱，根据煤场原型设计结果布置模型箱；所述煤场原型设计结果包括煤场原型中所使用桩基的材质和桩基截面尺寸；吊装模型箱到离心机上，将布置完毕的模型箱吊装到离心机的吊篮上；启动离心机并运行离心机一定的时间，运行离心机一定的时间以模拟煤场原型满载一定年限的工况；获取模拟数据，根据模拟数据验证煤场原型设计结果；所述模拟数据包括地基沉降值、桩身弯矩、桩轴力等值；
所述根据煤场原型设计结果布置模型箱包括在模型箱内布置两组两组模拟桩组件，
所述两组模拟桩组件中均包括模型管和模型板，每组模拟桩组件分别靠近于模型箱的内箱壁设置；所述煤场原型中所使用的桩基包括干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基，干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基均包括有PHC桩(预制混凝土桩)和CDM桩(水泥搅拌桩)，两组模拟桩组件中的两个模型管用以模拟煤场原型中的PHC桩、两个模型板用以模拟煤场原型中的CDM桩。
前述的这种煤场堆载模拟实验方法中，所述模型管的选型方法包括如下步骤：
步骤S01:选取模型管或模型板的E值：
当处理结构物模型时，采用原型混凝土材料将导致结构过于薄弱，因此选取与原型钢筋混凝土密度、泊松比相近、结构更为紧密、性质更均匀的铝合金材料进行替代，以选取模型管对应材质的E值；
而煤场原型中CDM桩为设计搭接设计且呈花生状，试验中需对CDM桩进行必要的简化，采用弹性模量约200MPa的塑料板进行模拟，以选取模型板对应材质的E值；
步骤S02:获取模型管或模型板的截面积A：
根据等效刚度相近似原则，计算模型EA＝E1A1+E2A2来获取模型管或模型板的截面积A， E为模型管或模型板的等效弹性模量、E1为煤场原型中所使用桩基的钢筋模量、A1为煤场原型中所使用桩基中钢筋的面积、E2为煤场原型中所使用桩基的混凝土模量、A2为煤场原型中所使用桩基的混凝土截面积；
步骤S03：获取模型管或模型板的截面惯性矩IM；
步骤S04：获取相似比N：
在桩基的各项物理力学参数中，影响桩基水平变形量最显著的是桩基抗弯刚度，因而必须保证模型纵向抗弯刚度的等效性。
根据模型抗弯刚度等效公式
Figure BDA0002553085370000021
获取相似比N；式中EP为煤场原型中所使用桩基的等效弹性模量、IP为煤场原型中所使用桩基的截面惯性矩、EM为步骤S02中所确定的模型管或模型板的E值、IM为模型管或模型板的惯性矩；
步骤S05:根据相似比N获取模型管或模型板的长度。
前述的煤场堆载模拟实验方法中，所述运行离心机一定的时间为50～60小时，以模拟煤场原型满载30年的工况；所述模型箱内设置有荷载板，所述荷载板用以模拟煤场原型所使用桩基上的附加荷载。如煤荷载。
前述的煤场堆载模拟实验方法中，所述每组模拟桩组件中模型管的长度大于模型板的长度。
实施如前所述模拟方法的煤场堆载模拟实验系统，包括信号传输系统、离心模拟系统、驱动系统和冷却系统，所述冷却系统与驱动系统连接，所述驱动系统与离心模拟系统连接，所述信号传输系统设置于第一层实验区内，所述离心模拟系统设置于第二层实验区内，所述驱动系统和冷却系统设置于所述第三层实验区内，所述第一层实验区位于第二层实验区的上方，所述第二层实验区设置于第三层实验区的上方。
前述的煤场堆载模拟实验系统中，所述信号传输系统包括上仪器舱、集流环装置、计算机控制装置、数据采集装置和视频监控装置，所述集流环装置设置于上仪器舱的仓顶上，所述集流环装置分别与计算机控制装置、数据采集装置及视频监控装置连接。
前述的煤场堆载模拟实验系统中，所述离心模拟系统包括离心机，所述离心机包括下仪器舱、转动臂、基座和设置在转动臂上的吊篮，所述转动臂设置在下仪仓的下方，基座设置在转动臂的下方，所述转动臂与驱动系统连接。
前述的煤场堆载模拟实验系统中，所述驱动系统包括电机、电机驱动器和减速机，所述减速机与转动臂连接，所述减速机还与冷却系统连接，所述减速机还与电机连接，所述电机与电机驱动器连接；冷却系统包括稀油站，所述稀油站通过输油管与减速机连接。
前述的煤场堆载模拟实验系统中，还包括模型箱，所述模型箱内设置有第一组模拟桩组件、第二组模拟桩组件、液压缸、荷载板、第一监测装置、第二监测装置，所述第一组模拟桩组件设置在模型箱的左侧，所述第二组模拟桩组件设置在模型箱的右侧，所述液压缸设置在第一组模拟桩组件和第二组模拟桩组件之间，所述荷载板设置在液压缸的下方；所述第一组模拟桩组件和第二组模拟桩组件堆成设置于所述模型箱内。
前述的煤场堆载模拟实验系统中，所述第一组模拟桩组件和第二组模拟桩组件均包括模型管和模型板，所述模型管的材质为铝合金，所述模型板的材质为ABS树脂；所述模型板为王字型结构。
与现有技术相比，本发明方法可有效对煤场原型设计结果进行验证，以保证所设计煤场在运营期间的安全性。通过本发明系统离心机使模拟箱高速运转一定时间，可模拟煤场原型运营期的地基沉降问题和桩身受力变化。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限制。在附图中：
图1是本发明方法的工作流程图；
图2是本发明系统的结构示意图；
图3是本发明模型箱内模拟状组件的布置图；
图4是本发明模型箱布置平面图。
图5是本发明实施例5中的煤棚及斗轮机桩基布置图；
图6是本发明实施例5中的煤荷载分布图；
图7是本发明实施例5中的研究区域的地质剖面图；
图8是本发明模型板的结构示意图；
附图标记：1-信号传输系统，101-上仪器舱，102-集流环装置，103-计算机控制装置， 104-数据采集装置，105-视频监控装置，2-模型箱，201-第一组模拟桩组件，202-第二组模拟桩组件，203-液压缸，204-荷载板，205-第一监测装置，206-第二监测装置，3-离心模拟系统，301-下仪器舱，302-转动臂，303-基座，304-吊篮，4-第三层实验区，5-驱动系统，501-电机，502-电机驱动器，503-减速机，6-冷却系统，7-第一层实验区，8-第二层实验区，9-模型管，10-模型板。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明的实施例1：一种煤场堆载模拟实验方法，包括选择模型管和模型板，所述模型管和模型板用以模拟煤场原型中所使用的桩基；布置模型箱，根据煤场原型设计结果布置模型箱；所述煤场原型设计结果包括煤场原型中所使用桩基的材质和桩基截面尺寸；吊装模型箱到离心机上，将布置完毕的模型箱吊装到离心机的吊篮上；启动离心机并运行离心机一定的时间，运行离心机一定的时间以模拟煤场原型满载一定年限的工况；获取模拟数据，根据模拟数据验证煤场原型设计结果；所述模拟数据包括地基沉降值、桩身弯矩、桩轴力等值；
所述根据煤场原型设计结果布置模型箱包括在模型箱内布置两组模拟桩组件，所述两组模拟桩组件中均包括模型管和模型板，每组模拟桩组件分别靠近于模型箱的内箱壁设置；所述煤场原型中所使用的桩基包括干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基，包括有PHC桩(预制混凝土桩)和CDM桩(水泥搅拌桩)，两组模拟桩组件中的两个模型管用以模拟煤场原型中的PHC桩、两个模型板用以模拟煤场原型中的CDM桩。
本发明的实施例2：一种煤场堆载模拟实验方法，其中模型管的选型方法包括如下步骤：
步骤S01:选取模型管或模型板的E值：当处理结构物模型时，采用原型混凝土材料将导致结构过于薄弱，因此选取与原型钢筋混凝土密度、泊松比相近、结构更为紧密、性质更均匀的铝合金材料进行替代，以选取模型管对应材质的E值；
而煤场原型中CDM桩为设计搭接设计且呈花生状，试验中需对CDM桩进行必要的简化，采用弹性模量约200MPa的塑料板进行模拟，以选取模型板对应材质的E值；
步骤S02:获取模型管的截面积A：根据等效刚度相近似原则，计算模型EA＝E1A1+E2A2来获取模型管的截面积A，E为模型管的等效弹性模量、E1为煤场原型中所使用桩基的钢筋模量、A1为煤场原型中所使用桩基中钢筋的面积、E2为煤场原型中所使用桩基的混凝土模量、 A2为煤场原型中所使用桩基的混凝土截面积；
步骤S03：获取模型管的截面惯性矩IM；
步骤S04：获取相似比N：(写进说明书：在桩基的各项物理力学参数中，影响桩基水平变形量最显著的是桩基抗弯刚度，因而必须保证模型纵向抗弯刚度的等效性。)根据模型抗弯刚度等效公式
Figure BDA0002553085370000051
获取相似比N；式中EP为煤场原型中所使用桩基的等效弹性模量、 IP为煤场原型中所使用桩基的截面惯性矩、EM为步骤S02中所确定的模型管的E值、IM为模型管的惯性矩；
步骤S05:根据相似比N获取模型管的长度。
本发明实施例3：一种煤场堆载模拟实验方法，其中模型板的选型方法包括如下步骤：
步骤S01:选取模型板的E值：
煤场原型中CDM桩为设计搭接设计且呈花生状，试验中需对CDM桩进行必要的简化，采用弹性模量约200MPa的塑料板进行模拟，以选取模型板对应材质的E值；
步骤S02:获取模型板的截面积A：根据等效刚度相近似原则，计算模型EA＝E1A1+E2A2来获取模型板的截面积A，E为模型板的等效弹性模量、E1为煤场原型中所使用桩基的钢筋模量、A1为煤场原型中所使用桩基中钢筋的面积、E2为煤场原型中所使用桩基的混凝土模量、 A2为煤场原型中所使用桩基的混凝土截面积；
步骤S03：获取模型板的截面惯性矩IM；
步骤S04：获取相似比N：(写进说明书：在桩基的各项物理力学参数中，影响桩基水平变形量最显著的是桩基抗弯刚度，因而必须保证模型纵向抗弯刚度的等效性。)根据模型抗弯刚度等效公式
Figure BDA0002553085370000061
获取相似比N；式中EP为煤场原型中所使用桩基的等效弹性模量、IP为煤场原型中所使用桩基的截面惯性矩、EM为步骤S02中所确定的模型板的E值、IM为模型板的惯性矩；
步骤S05:根据相似比N获取模型板的长度。
本发明的实施例5：采用本发明煤场堆载模拟实验方法，对各参数如下设计结果的煤场原型进行验证，以保证其运营的安全性：
1)结构参数：图3为1号干煤棚及斗轮机基础桩基布置图，煤棚总长264m，宽138m。
干煤棚桩基和斗轮机下方的桩基，其中的PHC桩
Figure BDA0002553085370000062
抗裂弯矩245.2kN*m，极限弯矩441.4kN*m，PHC桩长约40～44m。
2)煤荷载参数：干煤棚内的荷载以斗轮机基础为分界线，分成两块场地施加。如图4煤荷载分布图所示，单块场地煤荷载呈梯形分布，极限高度16.5m，极限角度为休止角40°，地面极限宽度为62m。
3)桩脚柱反力参数：干煤棚桩基础采用2柱6桩基础，斗轮机为2桩基础。根据斗轮机和干煤棚基础计算书，斗轮机施加荷载为N＝2244.7kN、V＝148kN(标准组合)，干煤棚施加荷载为N＝2594.06kN、V＝776.0kN(标准组合)。
4)土体参数：土体参数如图5研究区域的地质剖面图所示。对于地基土层来讲，土的压缩模量是判断土的压缩性和计算地基压缩变形量的重要指标之一。试验组选取天津滨海新区沿海吹填区的粉质黏土、高岭土、福建标准砂作为基土进行各层土样的配制，通过不同的比例来混合干土样，参考现场勘测资料中的密度和天然含水量开展固结试验，测得此种土样的压缩模量或压缩指数，并与勘测资料进行对比，误差小于5％方可达到试验要求。
选择模型管和模型板，模型管+模型板用以模拟煤场原型中所使用的桩基；然后布置模型箱，根据煤场原型设计结果布置模型箱；煤场原型设计结果包括煤场原型中所使用桩基的材质和桩基截面尺寸；之后吊装模型箱到离心机上，将布置完毕的模型箱吊装到离心机的吊篮上；然后启动离心机并运行离心机53.6小时，运行离心机53.6小时以模拟煤场原型满载30 年的工况；离心机停止运行后，获取模拟数据，根据模拟数据验证煤场原型设计结果；
其中根据煤场原型设计结果布置模型箱包括在模型箱内对称布置两组模拟桩组件，每组模拟桩组件分别靠近于模型箱的一个内箱壁设置；煤场原型中所使用的桩基包括干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基，干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基包括有PHC桩和CDM桩，两组模拟桩组件中的两个模型管用以模拟煤场原型中的PHC桩、两个模型板用以模拟煤场原型中的CDM桩。
其中，模型管的选型方法包括如下步骤：
步骤S01:当处理结构物模型时，采用原型混凝土材料将导致结构过于薄弱，因此选取与原型钢筋混凝土密度、泊松比相近、结构更为紧密、性质更均匀的铝合金材料进行替代，选取模型管对应材质的E值为69GPa；
步骤S02:根据步骤S01选用模型管的材质的E值，来获取模型管的截面积A：
根据等效刚度相近似原则，计算模型EA＝E1A1+E2A2获取模型管的截面积A，计算模型中的E为模型管的等效弹性模量、E1为煤场原型中所使用桩基的钢筋模量、A1为煤场原型中所使用桩基中钢筋的面积、E2为煤场原型中所使用桩基的混凝土模量、A2为煤场原型中所使用桩基的混凝土截面积；
步骤S03：根据步骤S02中所获取的截面积A获取模型管的截面惯性矩IM；
步骤S04：在桩基的各项物理力学参数中，影响桩基水平变形量最显著的是桩基抗弯刚度，因而必须保证模型纵向抗弯刚度的等效性。
根据模型抗弯刚度等效公式
Figure BDA0002553085370000071
获取相似比N；式中EP为煤场原型中所使用桩基的等效弹性模量、IP为煤场原型中所使用桩基的截面惯性矩、EM为步骤S02中所确定的模型管的E值、IM为模型管的惯性矩；
步骤S05:根据相似比N获取模型管的长度。
煤场原型中的CDM桩为搭接设计且呈花生状，实验中需对CDM桩进行必要的简化，采用弹性模量约200MPa的ABS树脂板作为模型板进行模拟，该模型板的选型方法同上述步骤 S01-S05。
根据模拟桩组件与煤场原型所使用桩基的相似比1:70，计算得到长为636mm的模型管该模型管的直径为9mm，壁厚为0.5mm，计算得到长为457mm的模型板，该模型板如图8所示。
本发明实施例6：一种煤场堆载模拟实验系统，包括信号传输系统1、离心模拟系统3、驱动系统5和冷却系统6，所述冷却系统6与驱动系统5连接，所述驱动系统5与离心模拟系统3连接，所述信号传输系统1设置于第一层实验区7内，所述离心模拟系统3设置于第二层实验区8内，所述驱动系统5和冷却系统6设置于所述第三层实验区4内，所述第一层实验区7位于第二层实验区8的上方，所述第二层实验区8设置于第三层实验区4的上方。
本发明实施例5：一种煤场堆载模拟实验系统，包括信号传输系统1、离心模拟系统3、驱动系统5和冷却系统6，所述冷却系统6与驱动系统5连接，所述驱动系统5与离心模拟系统3连接，所述信号传输系统1设置于第一层实验区7内，所述离心模拟系统3设置于第二层实验区8内，所述驱动系统5和冷却系统6设置于所述第三层实验区4内，所述第一层实验区7位于第二层实验区8的上方，所述第二层实验区8设置于第三层实验区4的上方。具体的，信号传输系统1包括上仪器舱101、集流环装置102、计算机控制装置103、数据采集装置104、和视频监控装置105，所述集流环装置102设置于上仪器舱3的仓顶上，所述集流环装置102分别与计算机控制装置103、数据采集装置104及视频监控装置105连接。具体的，离心模拟系统3包括离心机，所述离心机包括下仪器舱301、转动臂302、基座303和设置在转动臂302上的吊篮304，所述转动臂302设置在下仪仓301的下方，基座303设置在转动臂302的下方，所述转动臂302与驱动系统5连接。具体的，驱动系统5包括电机501、电机驱动器502和减速机503，所述减速机503与转动臂302连接，所述减速机503还与冷却系统6连接，所述减速机503还与电机501连接，所述电机501与电机驱动器502连接。具体的，冷却系统6包括稀油站，所述稀油站通过输油管与减速机503连接。
本发明实施例8：一种煤场堆载模拟实验系统，包括信号传输系统1、离心模拟系统3、驱动系统5和冷却系统6，所述冷却系统6与驱动系统5连接，所述驱动系统5与离心模拟系统3连接，所述信号传输系统1设置于第一层实验区7内，所述离心模拟系统3设置于第二层实验区8内，所述驱动系统5和冷却系统6设置于所述第三层实验区4内，所述第一层实验区7位于第二层实验区8的上方，所述第二层实验区8设置于第三层实验区4的上方。具体的，信号传输系统1包括上仪器舱101、集流环装置102、计算机控制装置103、数据采集装置104和视频监控装置105，所述集流环装置102设置于上仪器舱3的仓顶上，所述集流环装置102分别与计算机控制装置103、数据采集装置104及视频监控装置105连接。具体的，离心模拟系统3包括离心机，所述离心机包括下仪器舱301、转动臂302、基座303和设置在转动臂302上的吊篮304，所述转动臂302设置在下仪仓301的下方，基座303设置在转动臂302的下方，所述转动臂302与驱动系统5连接。具体的，驱动系统5包括电机501、电机驱动器502和减速机503，所述减速机503与转动臂302连接，所述减速机503还与冷却系统6连接，所述减速机503还与电机501连接，所述电机501与电机驱动器502连接。具体的，冷却系统6包括稀油站，所述稀油站通过输油管与减速机503连接。此外，本例中煤场堆载模拟实验系统还包括模型箱2，所述模型箱2内设置有第一组模拟桩组件201、第二组模拟桩组件202、液压缸203、荷载板204、第一监测装置205、第二监测装置206，所述第一组模拟桩组件201设置在模型箱2的左侧，所述第二组模拟桩组件202设置在模型箱2 的右侧，所述液压缸203设置在第一组模拟桩组件201和第二组模拟桩组件202之间，所述荷载板204设置在液压缸203的下方；所述第一组模拟桩组件201和第二组模拟桩组件202 堆成设置于所述模型箱2内。模拟时，模型箱2固定在离心机的吊篮上。其中的第一组模拟桩组件201和第二组模拟桩组件202均包括模型管9和模型板10，具体的模型管9的材质为铝合金，模型板10的材质为ABS树脂；该模型板10为王字型结构。本例中，模型箱性能参数图下表1所示，
表1
Figure BDA0002553085370000091
该模型箱2包括有前面板、外框、侧板和底板，其前面板采用110mm厚的有机玻璃板和 110mm厚的合金铝外框构成，侧板及底板采用75mm的合金铝板构成，弹性模量为70GPa，并进行局部铣孔减重处理。经多次试验验证，在离心环境下，模型箱2的箱体未发生明显的挠曲变形，在200g加速度条件下，玻璃面挠曲变形小于1mm，符合平面应变条件。
本发明装置的工作原理：
通过信号传输系统1的数据采集装置104获取模拟数据；数据采集装置104包括各类反馈传感器，如差动位移传感器、激光位移传感器等。通过集流环装置102将为计算机控制装置103、数据采集装置104及视频监控装置105供电的电缆集中到上仪器舱中，以保证在离心机转动状态下，与各个装置连接的电缆的缆芯与各个装置保持良好连通。计算机控制装置 103用以控制本发明煤场堆载模拟实验系统的整体运行状态。可通过计算机控制装置103控制电机驱动器502启动电机501。控制装置103控制电机驱动器502启动电机501。通过视频监控装置以监视离心机运行和实验情况。将模型箱2固定在吊篮304上，通过启动运行离心机一定时间，来模拟煤场原型满载一定时间的工况。在模型箱2内所设置第一组模拟桩组件 201和第二组模拟桩组件202的模型管9用以模拟煤场原型所使用的PHC桩基，模型板用以模拟煤场原型中所使用的CDM桩基。第一监测装置205和第二监测装置206用以获取模型箱 2内第一组模拟桩组件201和第二组模拟桩组件202的模拟数据。液压缸203用以作为加载系统的动力源，该加载系统由模型箱上部的框架、加载横梁、置于横梁上的荷载板204和加载控制器组成。通过荷载板204向模型箱内第一组模拟桩组件201和第二组模拟桩组件202 施加竖向轴力。下仪器舱内置有使转动臂302得以旋转的转轴。通过驱动系统5的转动臂302 使吊篮旋转一定时间，从而模拟煤场原型满载一定时间的工况。驱动系统5通过电机驱动器502启动电机501，从而带动与电机501连接的减速机503，进而带动与减速机503连接的转动臂302，从而使得转动臂302旋转，进而使固定在吊篮304上的模型箱2旋转，从而使模型箱2内的第一组模拟桩组件201和第二组模拟桩组件202产生形变，以模拟煤场原型运行一定时间的工况(主要为煤场原型中所使用桩基的形变)。通过冷却系统6的稀油站为减速机503提供冷却油。

Claims (10)

1.一种煤场堆载模拟实验方法，其特征在于，包括选择模型管和模型板，所述模型管和模型板用以模拟煤场原型中所使用的桩基；
布置模型箱，根据煤场原型设计结果布置模型箱；所述煤场原型设计结果包括煤场原型中所使用桩基的材质和桩基截面尺寸；
吊装模型箱到离心机上，将布置完毕的模型箱吊装到离心机的吊篮上；
启动离心机并运行离心机一定的时间，运行离心机一定的时间以模拟煤场原型满载一定年限的工况；
获取模拟数据，根据模拟数据验证煤场原型设计结果；
所述模拟数据包括地基沉降值、桩身弯矩、桩轴力等值；
所述根据煤场原型设计结果布置模型箱包括在模型箱内布置两组模拟桩组件，
所述两组模拟桩组件中均包括模型管和模型板，每组模拟桩组件分别靠近于模型箱的内箱壁设置；
所述煤场原型中所使用的桩基包括干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基，干煤棚桩基和设置在斗轮机下方的桩基包括有PHC桩和CDM桩，两组模拟桩组件中的两个模型管用以模拟煤场原型中的PHC桩、两个模型板用以模拟煤场原型中的CDM桩。
2.根据权利要求1所述的一种煤场堆载模拟实验方法，其特征在于，所述模型管或模型板的选型方法包括如下步骤：
步骤S01:选取模型管或模型板的E值：当处理结构物模型时，采用原型混凝土材料将导致结构过于薄弱，因此选取与原型钢筋混凝土密度、泊松比相近、结构更为紧密、性质更均匀的铝合金材料进行替代，以选取模型管对应材质的E值；
而煤场原型中CDM桩为设计搭接设计且呈花生状，试验中需对CDM桩进行必要的简化，采用弹性模量约200MPa的塑料板进行模拟，以选取模型板对应材质的E值；
步骤S02:获取模型管或模型板的截面积A：
根据等效刚度相近似原则，计算模型EA＝E1A1+E2A2来获取模型管或模型板的截面积A，E为模型管或模型板的等效弹性模量、E1为煤场原型中所使用桩基的钢筋模量、A1为煤场原型中所使用桩基中钢筋的面积、E2为煤场原型中所使用桩基的混凝土模量、A2为煤场原型中所使用桩基的混凝土截面积；
步骤S03：获取模型管或模型板的截面惯性矩IM；
步骤S04：获取相似比N：根据模型抗弯刚度等效公式
Figure FDA0002553085360000011
获取相似比N；式中EP为煤场原型中所使用桩基的等效弹性模量、IP为煤场原型中所使用桩基的截面惯性矩、EM为步骤S02中所确定的模型管或模型板的E值、IM为模型管或模型板的惯性矩；
步骤S05:根据相似比N获取模型管或模型板的长度。
3.根据权利要求2所述的一种煤场堆载模拟实验方法，其特征在于，所述运行离心机一定的时间为50～60小时，以模拟煤场原型满载30年的工况；所述模型箱内设置有荷载板，所述荷载板用以模拟煤场原型所使用桩基上的附加荷载。
4.根据权利要求2或3所述的一种煤场堆载模拟实验方法，其特征在于，所述每组模拟桩组件中模型管的长度大于模型板的长度。
5.一种实施如权利要求1～4中任一权利要求所述煤场堆载模拟实验方法的煤场堆载模拟实验系统，其特征在于，包括信号传输系统(1)、离心模拟系统(3)、驱动系统(5)和冷却系统(6)，所述冷却系统(6)与驱动系统(5)连接，所述驱动系统(5)与离心模拟系统(3)连接，所述信号传输系统(1)设置于第一层实验区(7)内，所述离心模拟系统(3)设置于第二层实验区(8)内，所述驱动系统(5)和冷却系统(6)设置于所述第三层实验区(4)内，所述第一层实验区(7)位于第二层实验区(8)的上方，所述第二层实验区(8)设置于第三层实验区(4)的上方。
6.根据权利要求5所述的一种煤场堆载模拟实验系统，其特征在于，所述信号传输系统(1)包括上仪器舱(101)、集流环装置(102)、计算机控制装置(103)、数据采集装置(104)和视频监控装置(105)，所述集流环装置(102)设置于上仪器舱(3)的仓顶上，所述集流环装置(102)分别与计算机控制装置(103)、数据采集装置(104)及视频监控装置(105)连接。
7.根据权利要求5所述的一种煤场堆载模拟实验系统，其特征在于，所述离心模拟系统(3)包括离心机，所述离心机包括下仪器舱(301)、转动臂(302)、基座(303)和设置在转动臂(302)上的吊篮(304)，所述转动臂(302)设置在下仪仓(301)的下方，基座(303)设置在转动臂(302)的下方，所述转动臂(302)与驱动系统(5)连接。
8.根据权利要求7所述的一种煤场堆载模拟实验系统，其特征在于，所述驱动系统(5)包括电机(501)、电机驱动器(502)和减速机(503)，所述减速机(503)与转动臂(302)连接，所述减速机(503)还与冷却系统(6)连接，所述减速机(503)还与电机(501)连接，所述电机(501)与电机驱动器(502)连接；冷却系统(6)包括稀油站，所述稀油站通过输油管与减速机(503)连接。
9.根据权利要求5～8中任一权利要求所述的一种煤场堆载模拟实验系统，其特征在于，还包括模型箱(2)，所述模型箱(2)内设置有第一组模拟桩组件(201)、第二组模拟桩组件(202)、液压缸(203)、荷载板(204)、第一监测装置(205)、第二监测装置(206)，所述第一组模拟桩组件(201)设置在模型箱(2)的左侧，所述第二组模拟桩组件(202)设置在模型箱(2)的右侧，所述液压缸(203)设置在第一组模拟桩组件(201)和第二组模拟桩组件(202)之间，所述荷载板(204)设置在液压缸(203)的下方；所述第一组模拟桩组件(201)和第二组模拟桩组件(202)堆成设置于所述模型箱(2)内。
10.根据权利要求9所述的一种煤场堆载模拟实验系统，其特征在于，所述第一组模拟桩组件(201)和第二组模拟桩组件(202)均包括模型管(9)和模型板(10)，所述模型管(9)的材质为铝合金，所述模型板(10)的材质为ABS树脂；所述模型板(10)为王字型结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112781519A (zh) * 2021-01-20 2021-05-11 南京大学 岩石圈构造变形物理模拟实验装置及实验方法

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