CN111851605B

CN111851605B - 一种用于竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置

Info

Publication number: CN111851605B
Application number: CN202010619078.7A
Authority: CN
Inventors: 朱小军; 贾晓敏; 顾维扬; 胡顺洋
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: CN111851605A

Abstract

本发明公开了一种用于竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，包括模型箱、模型箱上的反力架、顶部反力架中间焊接的带定滑轮的水平刚架、水平加载系统、竖向加载系统、模型箱底部的滑轮、在竖向与水平加载装置上安装的测力计及位移传感器，试验时通过控制调速电机转动竖向刚性转轴，从而带动配重砝码做水平圆周运动，实现不同循环幅值下的竖向循环加载与水平循环加载。与现有技术相比，本发明弥补了现有加载装置只能进行单一加载的缺陷，能够有效的模拟桥梁桩基础中往来车辆产生的竖向循环荷载以及风、波浪等水平循环荷载，且适用范围广、操作便捷。

Description

一种用于竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置

技术领域

本发明属于桥梁桩基工程领域，特别是一种用于竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置。

背景技术

随着城市建设的不断推进，近年来桥梁工程的发展尤为迅速，在跨海大桥工程基础建设中，需考虑桥面往来车辆的竖向循环荷载以及风、波浪、地震等周期性水平循环荷载作用下桩基础产生的累积沉降变形，造成土体强度降低进而对结构产生的不利影响。

目前，对于桥梁桩基础的研究有现场试验、室内模型试验、数值模拟等方面。相对于现场试验而言，室内模型试验具有低成本、易操作的优势，也能准确的模拟出桩基础及土体的受力特性，为实际工程提供理论依据。然而现阶段关于静力荷载、水平循环荷载作用下的桩基础的模型实验研究颇多，而关于竖向/水平循环荷载作用下桩基础的受力特性及桩周土体的破坏规律的研究尚缺。因此，为了能更好地贴合实际受力情况，在室内模型试验中开展竖向/水平循环加载试验是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，以单独的竖向循环加载、水平循环加载，也可进行竖向/水平循环荷载的耦合加载。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，包括模型箱、反力架、水平钢架、循环加载系统、水平加载系统和/或竖向加载系统、测量单元；

所述模型箱内设有模型桩；所述模型箱上固定有反力架；所述反力架上固定有水平钢架；所述模型箱上左右两侧各固定有悬臂梁；

所述循环加载系统包括循环驱动装置、杠杆、第一钢丝绳、第一定滑轮组、第一配重砝码、第四配重砝码；所述水平钢架上设有第一定滑轮组；所述杠杆一端与模型箱侧壁铰接，另一端设有循环驱动装置；所述循环驱动装置连接有第四配重砝码，用于驱动并改变第四配重砝码相对杠杆铰接点的位置；所述第一钢丝绳一端与杠杆相连，另一端绕过第一定滑轮组并与第一配重砝码连接；

所述水平加载系统包括第二钢丝绳、第二定滑轮组、第二配重砝码；所述悬臂梁上设有第二定滑轮组；所述第二钢丝绳一端与杠杆相连，另一端绕过第二定滑轮组并连接模型桩后与第二配重砝码相连；

所述竖向加载系统包括第三钢丝绳、第三定滑轮组、第四定滑轮组第三配重砝码；所述第三钢丝绳一端与杠杆相连，另一端绕过第三定滑轮组、第四定滑轮组以及穿过竖向加载连接装置，并与第三配重砝码相连；所述竖向加载连接装置与模型桩相连，用于将第三钢丝绳的水平牵引力转换成对模型桩的竖向加载力；

所述测量单元用于测量水平循环荷载作用下的水平循环荷载值、模型桩的水平位移，或竖向循环荷载作用下的竖向循环荷载值、模型桩的竖向位移，以及模型桩的桩身应变。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

（1）本发明的桩基模型加载装置，设有水平加载系统和/或竖向加载系统，能够较好的实现竖向循环加载或水平循环加载，也能进行竖向、水平循环耦合加载，以模拟出风、波浪、往来车辆等荷载作用状态。

（2）本发明的桩基模型加载装置，水平加载系统、竖向加载系统均通过循环加载系统工作，公用一套加载系统，集成化高，可实现桩基础、沉箱基础、沉井基础等各类基础的循环加载试验，便于安装使用。

附图说明

图1为整体模型结构示意图。

图2为水平循环加载试验图。

图3为水平循环力矩加载示意图。

图4为竖向循环加载试验图。

图5为竖向循环加载系统细节图。

图6为竖向循环加载装置细节图。

图7为连接板结构示意图。

图8为桩帽结构示意图。

图9为竖向循环力矩加载示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1-图9，本发明的一种竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，包括模型箱1、反力架2、水平钢架3、循环加载系统、水平加载系统和/或竖向加载系统；

所述模型箱1正面为钢化玻璃，其余三面为钢板，模型箱四周用角钢4加固，模型箱1底部设置两根交叉加强筋，模型箱1底座安装四个支撑滚轮6，便于模型箱1整体移动。所述模型箱1内设有模型桩38；所述模型箱1上固定有反力架2；所述反力架2上固定有水平钢架3。所述模型箱1上左右两侧各固定有悬臂梁5。所述模型箱1主槽一侧设有排水隔板，便于孔隙水压力的消散。

所述循环加载系统包括循环驱动装置7、杠杆12、第一钢丝绳14、第一定滑轮组、第一配重砝码M₁17、第四配重砝码M₄13；

所述水平钢架3上设有第一定滑轮组（包括设置在水平钢架3右侧的第一定滑轮15、设置在水平钢架3左侧的第二定滑轮16），所述杠杆12一端与模型箱1侧壁铰接，可向上或向下转动；所述杠杆12另一端设有循环驱动装置7，所述循环驱动装置7连接有第四配重砝码M₄13，用于驱动并改变第四配重砝码M₄13相对杠杆12铰接点的位置；所述第一钢丝绳14一端与杠杆12相连，另一端绕过第一定滑轮组并与第一配重砝码M₁17连接。

所述水平加载系统包括第二钢丝绳18、第二定滑轮组、第二配重砝码M₂23；所述悬臂梁5上设有第二定滑轮组（包括装置在右侧悬臂梁上的第三定滑轮19、第四定滑轮20，设置在左侧悬臂梁上的第五定滑轮21、第六定滑轮22）；所述第二钢丝绳18一端与杠杆12相连，另一端绕过右侧悬臂梁上的第三定滑轮19、第四定滑轮20，与模型桩38连接，再绕过左侧悬臂梁上的第五定滑轮21、第六定滑轮22，并与第二配重砝码M₂23相连。所述第二钢丝绳18上设有第一测力计39和第二测力计41，用于测量水平循环荷载值；所述模型桩38侧壁设有位第一位移传感器40，用于测量模型桩38在水平循环荷载作用下的水平位移。

所述竖向加载系统包括第三钢丝绳29、第三定滑轮组（包括固定在右侧悬臂梁端部的第七定滑轮30、固定在左侧悬臂梁端部的第八定滑轮36）、第四定滑轮组（包括固定在水平钢架3内右侧的第九定滑轮31、左侧第十定滑轮35、中间的三个定滑轮32-34）、第三配重砝码M₃ 37；所述第三钢丝绳29一端与杠杆12相连，另一端绕过第七定滑轮30、再绕过第九定滑轮31、水平钢架3中间的三个定滑轮32-34以及穿过竖向加载连接装置8、第十定滑轮35、第八定滑轮36，并与第三配重砝码M₃ 37相连。所述竖向加载连接装置8与模型桩38相连，用于将第三钢丝绳29的水平牵引力转换成对模型桩38的竖向加载力。所述第三钢丝绳29设有第三测力计42和第四测力计44，用于测量竖向循环荷载值；所述模型桩38上端设有第二位移传感器，用于测量竖向循环荷载作用下模型桩38的竖向位移。

进一步的，所述竖向加载连接装置8包括两个竖向杆24、转轴25、两个连接件26、水平限位杆27、连接板46；

所述竖向杆24焊接固定在连接件26的上部，连接件26呈“Π”形结构；在两根竖向杆24附近的水平钢架3上焊接三个定滑轮32~34，目的在于通过三个定滑轮来转变力的方向，第三钢丝绳29穿过右侧竖向杆24绕到定滑轮32，再穿过定滑轮34，通过左侧竖向杆24，最后绕过定滑轮33（定滑轮33高于定滑轮32和定滑轮34，起到偏心作用），以确保在第三钢丝绳29的牵引下右侧竖向杆24向左运动时左侧竖向杆24向右运动。所述的转轴25一端穿过在连接件26的中部的预留孔洞，另一端焊接在反力架2后侧中间的水平横梁28上，水平横梁28可相对反力架2上下移动。所述水平限位杆27连接在两个连接件26之间，用来控制连接件26连接模型桩38的竖向结构部分不产生水平位移，在所述的连接件26下部焊接一块连接板46，在连接板46的不同位置预留螺栓孔，以便适用于安装不同的模型桩38的桩帽，试验时将连接板46与模型桩38通过高强螺栓连接。在三个定滑轮32~34作用下，第三钢丝绳29带动两个连接件26绕转轴25同向转动，水平限位杆27保证两个连接件26转动的同步性。

进一步的，所述循环驱动装置7包括调速电机9、竖向刚性转轴10、水平转臂11；所述调速电机9固定在杠杆12的另一端，所述调速电机9转轴与竖向刚性转轴10连接，竖向刚性转轴10穿过杠杆12与水平转臂11相连，所述第四配重砝码M₄13连接在水平转臂11末端。

进一步的，所述反力架2由竖向四根工字钢、水平四根工字钢焊接而成，在反力架顶部中间焊接水平钢架3，在回形反力架后侧设置可上下移动的水平横梁28。

水平循环加载时，第一钢丝绳14一端连接杠杆12上，再绕过水平钢架3上的第一定滑轮15、第二定滑轮16，另一端与第一配重砝码M₁17连接，目的在于平衡调速电机9和杠杆12的重量；第二钢丝绳18一端连接杠杆12，再绕过第二定滑轮组（定滑轮19～22），另一端连接第二配重砝码M₂23，第二配重砝码M₂23与水平转臂11下的第四配重砝码M₄13平衡，使系统在试验初始状态下保持平衡；试验时，根据水平循环加载幅值设计调速电机9转速，开启调速电机9后，第四配重砝码M₄13在竖向刚性转轴10带动下做水平圆周运动，同时杠杆12会向上或向下运动，带动第二钢丝绳18向左或向右牵引模型桩38，实现水平循环荷载的施加，第二钢丝绳18的测力计39、41记录施加的水平循环荷载值，模型桩38侧壁的位移传感器40能监测模型桩38在水平循环荷载下的水平位移。

竖向循环加载时，将第一钢丝绳14的一端连接杠杆12，绕过水平钢架3上的第一定滑轮15、第二定滑轮16，另一端与配重砝码M₁17相连，用以平衡调速电机9和杠杆12的重量；将第三钢丝绳29的一端连接杠杆12，第三钢丝绳29在水平钢架3中依次绕过第九定滑轮31、定滑轮32、右侧竖向杆24、定滑轮34、左侧竖向杆24、定滑轮33、第十定滑轮35，通过定滑轮转变第三钢丝绳29力的方向，使得在第三钢丝绳29的牵引下两侧竖向杆24的运动方向相反，从而使得连接件26与模型桩38连接的部分同时向上或向下运动，第三钢丝绳29的另一端则绕过第八定滑轮36与第三配重砝码M₃37相连，第三配重砝码M₃37与电机下的第四配重砝码M₄13相平衡，保证在试验开始时系统保持平衡。试验时，开启调速电机9，使得第四配重砝码M₄13做水平圆周运动，同时杠杆12向上或向下运动，带动第三钢丝绳29向左或向右运动，在第三钢丝绳29的牵引下，竖向杆24向左或向右运动，同时，连接件26会随着第三钢丝绳29的牵引而绕着转轴25转动，使得连接件26与模型桩38相连的端部向上或向下运动，实现竖向循环荷载的施加。在第三钢丝绳29上的测力计42、44用以测量竖向循环荷载值，模型桩38上的位移传感器43可以监测模型桩38的竖向位移。

本发明桩基模型加载装置测试方法包括以下步骤：

步骤1、将模型箱1正面玻璃上贴透明刻度纸，砂土分层填入模型箱1中模型桩38的底部位置并压实；

步骤2、将模型桩38上按需贴好应变片45，在水平加载时用于测量水平循环荷载下桩身应变，在竖向循环加载时用于测量竖向循环荷载下的桩身应变，模型桩38垂直固定在模型箱1中央，再分层填入砂土至设计标高，并沿模型桩38深度范围在其周边对称放置土压力盒，将土体静置12h以上；

步骤3、将竖向加载连接装置8安装在模型桩38上部，并将带电机的循环驱动装置7安装在模型箱1右侧壁上；

步骤4、连接第一钢丝绳14，将第一钢丝绳14一端与循环驱动装置7连接，另一端与配重砝码M₁17连接；

步骤5、连接第二钢丝绳18，将第二钢丝绳18一端与循环驱动装置7连接，绕过水平定滑轮19~22连接模型桩38，另一端与配重砝码M₂23连接，以实现水平循环加载；

步骤6、连接第三钢丝绳29，将第三钢丝绳29一端与循环驱动装置7连接，绕过顶部水平钢架3上的定滑轮32~34与竖向加载连接装置8上的竖向杆24相连，另一端与配重砝码M₃37连接，以实现竖向循环加载；

步骤7、按照试验需求调节M₂23与M₄13、M₃37与M₄13，使得整个装置在实验开始前保持平衡状态；

步骤8、开启调速电机9，在数据接收系统中监控实测数据，并生成Q-S曲线、桩身轴力图、桩身弯矩―深度图等。

如图2所示，水平循环加载时，在第二钢丝绳18的左右两侧上有测力计39、41，在模型桩38侧部放置位移传感器40，可通过数据采集系统监测水平荷载值与水平位移值。

如图3所示，假定第四配重砝码M₄13在1位置处杠杆保持水平，1位置为第四配重砝码M₄13在垂直于杠杆12方向的下端，根据力矩平衡原理：

当第四配重砝码M₄13位于2位置时，2位置为第四配重砝码M₄13平行杠杆12的左端，根据力矩平衡原理：

当第四配重砝码M₄13位于4位置时，4位置为配重砝码M₄13平行杠杆12的右端，根据力矩平衡原理：

则水平循环荷载值为F ₁ =F _L -F ₃；其中：F _M1为配重砝码M₁的重力，F _M2为配重砝码M₂的重力，F _M4为配重砝码M₄的重力，F _rotor为调速电机的重力，F _L为第二钢丝绳的牵引力。F ₃为测力计41的读数，L ₀为F_rotor作用点到O点的距离，L ₁为力F_M1作用点到O点的距离，L ₂为力F _L作用点到O点的距离，L ₃为F _M4运动在2位置时到O点的距离，L ₄为F _M4运动在4位置时到O点的距离。

如图4、图5、图6所示，在模型桩上表面有位移传感器40，在第三钢丝绳29上设有测力计39、41，测力计39、41与位移传感器40的读数可在数据采集系统中显示。

如图9所示，与水平循环类似假定配重砝码M₄13在1位置处杠杆保持水平，

当配重砝码M₄13位于2位置时，根据力矩平衡原理：

当配重砝码M₄13位于4位置时，根据力矩平衡原理：

则竖向循环荷载值F ₂ =F _V -F ₄；其中：F _V为第三钢丝绳对模型桩的作用力，F ₄为测力计44读数,L ₅为力F _V作用点到O点的距离。

本发明可以单独进行竖向循环加载试验、水平循环加载试验，亦能适用于各类基础的荷载耦合加载试验，能够较好的模拟风、波浪、地震等周期性水平循环荷载及往来车辆产生的竖向循环荷载。

Claims

1.一种竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，其特征在于，包括模型箱（1）、反力架（2）、水平钢架（3）、循环加载系统、水平加载系统和竖向加载系统、测量单元；

所述模型箱（1）内设有模型桩（38）；所述模型箱（1）上固定有反力架（2）；所述反力架（2）上固定有水平钢架（3）；所述模型箱（1）上左右两侧各固定有悬臂梁（5）；

所述循环加载系统包括循环驱动装置（7）、杠杆（12）、第一钢丝绳（14）、第一定滑轮组、第一配重砝码（17）、第四配重砝码（13）；所述水平钢架（3）上设有第一定滑轮组；所述杠杆（12）一端与模型箱（1）侧壁铰接，另一端设有循环驱动装置（7）；所述循环驱动装置（7）连接有第四配重砝码（13），用于驱动并改变第四配重砝码（13）相对杠杆（12）铰接点的位置；所述第一钢丝绳（14）一端与杠杆（12）相连，另一端绕过第一定滑轮组并与第一配重砝码（17）连接；

所述水平加载系统包括第二钢丝绳（18）、第二定滑轮组、第二配重砝码（23）；所述悬臂梁（5）上设有第二定滑轮组；所述第二钢丝绳（18）一端与杠杆（12）相连，另一端绕过第二定滑轮组并连接模型桩（38）后与第二配重砝码（23）相连；

所述竖向加载系统包括第三钢丝绳（29）、第三定滑轮组、第四定滑轮组、第三配重砝码（37）；所述第三钢丝绳（29）一端与杠杆（12）相连，另一端绕过第三定滑轮组、第四定滑轮组以及穿过竖向加载连接装置（8），并与第三配重砝码（37）相连；所述竖向加载连接装置（8）与模型桩（38）相连，用于将第三钢丝绳（29）的水平牵引力转换成对模型桩（38）的竖向加载力；

所述测量单元用于测量水平循环荷载作用下的水平循环荷载值、模型桩（38）的水平位移，或竖向循环荷载作用下的竖向循环荷载值、模型桩（38）的竖向位移，以及模型桩（38）的桩身应变；

所述第三定滑轮组包括固定在右侧悬臂梁端部的一个定滑轮、固定在左悬臂梁端部的另一个定滑轮；

所述竖向加载连接装置（8）包括两个竖向杆（24）、两个转轴（25）、两个连接件（26）、水平限位杆（27）、连接板（46）；连接件（ 26）呈“Π”形结构；

所述竖向杆（24）固定在连接件（26）的上部；所述的转轴（25）一端穿过在连接件（26）的中部的预留孔洞，另一端固定在反力架（2）后侧中间的水平横梁上，水平横梁（28）可相对反力架（2）上下移动；所述水平限位杆（27）连接在两个连接件（26）之间；所述的连接件（26）下部设有连接板（46），用于连接模型桩（38）；

所述第四定滑轮组包括固定在水平钢架（3）内左右两侧的定滑轮和中间的三个定滑轮；中间三个定滑轮的中间滚轮高于两侧滚轮；所述第三钢丝绳（29）依次绕过水平钢架（3）内一端定滑轮，再绕过中间三个定滑轮以及两个竖向杆（24），通过中间三个定滑轮来转变力的方向，最后绕过水平钢架（3）内另一端定滑轮；

所述循环驱动装置（7）包括调速电机（9）、竖向刚性转轴（10）、水平转臂（11）；所述调速电机（9）固定在杠杆（12）的另一端，所述调速电机（9）转轴与竖向刚性转轴（10）连接，竖向刚性转轴（10）穿过杠杆（12）与水平转臂（11）相连，所述第四配重砝码（13）连接在水平转臂（11）末端。

2.根据权利要求1所述的竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，其特征在于，所述测量单元包括位移传感器、应变片、两个测力计；所述位移传感器用于测量模型桩的水平位移或竖向位移；所述应变片用于测量桩身应变；所述测力计用于测量水平循环荷载值或竖向循环荷载值。

3.根据权利要求1所述的竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，其特征在于，所述模型箱（1）底部安装有多个支撑滚轮（6）。

4.根据权利要求1所述的竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，其特征在于，所述模型箱（1）正面为钢化玻璃。

5.根据权利要求1所述的竖向/水平循环加载的桩基模型加载装置，其特征在于，所述反力架（2）由竖向四根工字钢、水平四根工字钢焊接而成。