CN111851608A - 一种循环荷载下的桩基模型加载装置 - Google Patents

一种循环荷载下的桩基模型加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种循环荷载下的桩基模型加载装置，包括一个主体框架、主体框架顶部的反力架、反力架顶部的带定滑轮的水平钢架、反力架侧部的水平横梁、主体结构左侧的竖向循环加载系统、右侧的水平循环加载系统、第一配重砝及第二配重砝码、测力计、位移传感器；测力计用于测量竖向循环荷载值及水平循环荷载值，位移传感器可检测桩基础的水平位移与竖向位移，模型槽左侧还设置可控排水隔板，便于孔隙水的排出，在主槽体底部设置滑轮，便于模型箱的整体移动；本发明装置解决了单一静力加载的局限性，能够更有效的模拟出真实情况下桩基础的受荷状态，且装置简单，易于操作。

Description

一种循环荷载下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，特别是一种循环荷载下的桩基模型加载装置。
背景技术
现阶段桥梁建设不断由内陆延伸至近海，改变了江河两岸互通困难的格局，促进了江河两岸经济的发展。跨海大桥工程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，因此，桩基础复杂受荷状态成了现阶段重点的研究目标。
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，而关于竖向循环荷载及水平循环荷载作用下桩基础的受力特性的研究尚缺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种循环荷载下的桩基模型加载装置，以实现桩基模型的水平循环受荷、竖向循环受荷试验。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种循环荷载下的桩基模型加载装置，包括模型箱、反力架、水平钢架、水平加载系统和/或竖向加载系统、测量单元；
所述反力架固定在模型箱1上端中间；反力架上固定有水平钢架；所述模型箱左右两侧分别固定有悬臂梁；所述模型箱内设有模型桩；
所述水平加载系统包括水平循环驱动装置、第一钢丝绳、第一定滑轮组、第一配重砝码；所述悬臂梁上设有第一定滑轮组；所述第一钢丝绳一端与水平循环驱动装置连接，另一端绕过第一定滑轮组并与模型桩连接，另一端与第一配重砝码相连；
所述竖向加载系统包括竖向循环驱动装置、第二钢丝绳、第二定滑轮组、第三定滑轮组、竖向加载连接装置；
所述第二钢丝绳一端与竖向循环驱动装置相连，另一端绕过第二定滑轮组和第三定滑轮组并穿过竖向加载连接装置，再与第二配重砝码相连；所述竖向加载连接装置与模型桩相连，用于将第二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。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明装置在受荷方面可以模拟竖向循环受荷及水平循环受荷的状态，更加贴合现实中桩基础实际受力至破坏的状况；
(2)除了可以进行软弱土质桩基础受力特性研究，还可以进行砂土，粉土等土质桩基础循环加载试验，能有效模拟风、浪等水平循环荷载及往来车辆作用的竖向循环荷载，易于操作、试验成本低、安全可靠，能有效开展平行对比试验。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为水平循环加载系统结构示意图。
图3为竖向循环加载系统结构示意图。
图4为竖向循环加载系统局部放大图。
图5为竖向加载连接装置结构示意图。
图6为桩帽结构示意图。
图7为水平循环记载装置和竖向循环加载装置结构示意图。
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，本发明的一种循环荷载下的桩基模型加载装置，包括模型箱1、反力架2、水平加载系统和竖向加载系统；
所述反力架2固定在模型箱1上端中间；反力架2上固定有水平钢架9；所述模型箱1左右两侧分别固定有悬臂梁；所述模型箱1内设有模型桩48；
结合图2，所述水平加载系统包括水平循环驱动装置10、第一钢丝绳39、第一定滑轮组、第一配重砝码M144；所述悬臂梁上设有第一定滑轮组(包括设置在左侧悬臂梁上的第一定滑轮43、第二定滑轮42，设置在右侧悬臂梁上的第三定滑轮41、第四定滑轮40)；所述第一钢丝绳39一端与水平循环驱动装置连接，另一端绕过第四定滑轮40、第三定滑轮41，再与模型桩48连接，再绕过第二定滑轮42、第一定滑轮43并与第一配重砝码M114相连。所述第一钢丝绳39上设有第一测力计45和第二测力计45，用于测量水平循环荷载值；所述模型桩48侧壁设有位第一位移传感器46，第一位移传感器46连接在模型桩48和反力架2之间，用于测量模型桩38在水平循环荷载作用下的水平位移。
结合图3-图6，所述竖向加载系统包括竖向循环驱动装置11、第二钢丝绳17、第二定滑轮组(包括固定在左侧悬臂梁上的第五定滑轮18、固定在水平钢架9左侧的第六定滑轮19、固定在水平钢架9右侧的第七定滑轮23、固定在右侧悬臂梁上的第八定滑轮214)、第三定滑轮组(固定在水平钢架9中间的三个定滑轮20、21、22)、竖向加载连接装置；
所述第二钢丝绳17一端与竖向循环驱动装置11相连，另一端绕过第五定滑轮18、第六定滑轮19、第三定滑轮组、穿过竖向加载连接装置，并绕过第七定滑轮23、第八定滑轮214，并与第二配重砝码M225相连。所述竖向加载连接装置与模型桩48相连，用于将第二钢丝绳17的水平牵引力转换成对模型桩48的竖向加载力。第二钢丝绳17作用两侧均设有第三测力计32，用于测量竖向循环荷载值；所述模型桩48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48的竖向位移。
进一步的，所述竖向加载连接装置包括两个竖向杆26、转轴27、两个连接件28、水平限位杆30、连接板31；
所述竖向杆26焊接固定在连接件28的上部，连接件28呈“Π”形结构；在两根竖向杆26附近的水平钢架9上焊接三个定滑轮20～22，目的在于通过三个定滑轮来转变力的方向，第二钢丝绳17穿过左侧竖向杆26绕到定滑轮20，再穿过定滑轮22，通过右侧竖向杆26，最后绕过定滑轮21(定滑轮21高于定滑轮20和定滑轮22，起到偏心作用)，以确保在第二钢丝绳17的牵引下左侧竖向杆26向右运动时右侧竖向杆26向左运动。所述的转轴27一端穿过在连接件28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29上，水平横梁29可相对反力架2上下移动。所述水平限位杆30连接在两个连接件28之间，用来控制连接件28连接模型桩48的竖向结构部分不产生水平位移，在所述的连接件28下部焊接一块连接板31，在连接板31的不同位置预留螺栓孔，以便适用于安装不同的模型桩48的桩帽，试验时将连接板31与模型桩48通过高强螺栓连接。在三个定滑轮20～22作用下，第二钢丝绳17带动两个连接件28绕转轴27同向转动，水平限位杆30保证两个连接件28转动的同步性。
进一步的，结合图7，所述水平循环驱动装置10、竖向循环驱动装置11结构相同，均包括转轮35、刚性杆38、吊钩36、水平轴37、调速电机34；
所述调速电机34固定在机架或模型箱1侧端；所述调速电机34与转轮35水平轴37相连；所述转轮35上设有刚性杆38，刚性杆38上设有吊钩36，用于固定钢丝绳。过调速电机34来控制转轮35带动刚性杆38做圆周运动，使得施加的力呈正弦变化，所述的调速电机34可以设置不同转速来满足试验所需的荷载值。在进行竖向循环加载时，按试验设计的循环荷载幅值调整配重砝码重量并保证在试验开始前的初始状态下保持平衡，再开启调速电机进行竖向循环加载试验。用于测量水平循环加载时的荷载值，按照设计的循环荷载幅值设置调速电机的转速，并调整第一配重砝码M144，电机转动时会带动第一钢丝绳39向左或向右移动，从而实现模型桩48水平循环荷载的施加。
所述模型箱1正面为钢化玻璃7，其余三面为钢板，模型箱1赌博设置多个支撑滚轮8，便于移动。所述模型箱1包括四根中柱3、四根角柱4、十二根水平支撑5、底部加强筋焊接而成。模型箱1前部采用透明玻璃面板7，可以保证整个剪切过程被清晰观察。模型箱1主槽体一侧设有排水隔板6，以便深层土体孔隙水压力消散。模型箱1主槽体配套设有变形传感器，所述的变形传感器根据试验需要固定在模型结构的四周，分别测量土体垂向和水平向的变形。
上述循环荷载下的桩基模型加载装置侧测试方法，包括以下步骤：
水平循环加载试验的操作过程：
(1)模型箱内砂土填至模型桩48设计深度以下位置并压实，完成后埋入模型桩48，并分层填土压实；
(2)将模型箱内砂土静置12h以上；
(3)将第一钢丝绳39的一端用锁扣与水平循环驱动装置10的吊钩14相连，绕过第四定滑轮40、第三定滑轮41，与桩基础(48)右侧预留的焊钩连接，另一端与模型桩48左侧预留的焊钩连接，并绕过第二定滑轮42、第一定滑轮43与第一配重砝码M114相连；
(4)开启调速电机，进行水平循环加载；
(5)通过采集试验数据，绘制荷载沉降曲线
竖向循环加载试验的操作过程：
(1)将模型桩48的桩帽47与连接件28下的连接板31用螺栓连接，并将模型桩48与桩帽47通过螺栓连接形成整体；
(2)模型箱内填入砂土并分层压实至模型桩48设计埋深底部，再埋入桩模型桩48并分层填入砂土进行压实；
(3)将模型箱内砂土静置12h以上；
(4)将第二钢丝绳17的一端用锁扣与竖向循环驱动装置11的吊钩14相连，依次穿过第五定滑轮18、第六定滑轮19、
第八定滑轮214、水平钢架9中间的三个定滑轮20、21、22、两个竖向杆26、第七定滑轮23、第八定滑轮24、另一端与第二配重砝码M225连接，并按试验设计要求施加配重；
(5)开启调速电机，进行竖向循环加载；
(6)采集试验数据，绘制荷载沉降曲线。

Claims (8)

1.一种循环荷载下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(9)、水平加载系统和/或竖向加载系统、测量单元；
所述反力架(2)固定在模型箱(1)上端中间；反力架(2)上固定有水平钢架(9)；所述模型箱(1)左右两侧分别固定有悬臂梁；所述模型箱(1)内设有模型桩(48)；
所述水平加载系统包括水平循环驱动装置(10、)第一钢丝绳(39)、第一定滑轮组、第一配重砝码(44)；所述悬臂梁上设有第一定滑轮组；所述第一钢丝绳(39)一端与水平循环驱动装置连接，另一端绕过第一定滑轮组并与模型桩(48)连接，另一端与第一配重砝码(14)相连；
所述竖向加载系统包括竖向循环驱动装置(11)、第二钢丝绳(17)、第二定滑轮组、第三定滑轮组、竖向加载连接装置；
所述第二钢丝绳(17)一端与竖向循环驱动装置(11)相连，另一端绕过第二定滑轮组和第三定滑轮组并穿过竖向加载连接装置，再与第二配重砝码(25)相连；所述竖向加载连接装置与模型桩(48)相连，用于将第二钢丝绳(17)的水平牵引力转换成对模型桩(48)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。
2.根据权利要求1所述的循环荷载下的桩基模型加载装置，其特征在于，所述竖向加载连接装置包括两个竖向杆(26)、转轴(27)、两个连接件(28)、水平限位杆(30)、连接板(31)；
所述竖向杆(26)固定在连接件(28)的上部；所述的转轴(27)一端穿过在连接件(28)，另一端固定在可上下移动的水平横梁(29)上，所述水平限位杆(30)连接在两个连接件(28)之间；所述的连接件(28)下部设有连接板(31)，用于连接模型桩(48)。
3.根据权利要求2所述的循环荷载下的桩基模型加载装置，其特征在于，所述第三定滑轮组包括固定在水平钢架(9)中间的三个定滑轮；第二钢丝绳(17)穿过左侧竖向杆(26)绕到三个定滑轮的左侧定滑轮，再穿过右侧定滑轮，通过右侧竖向杆(26)，最后绕过中间定滑轮，中间定滑轮高于左侧定滑轮和右侧定滑轮。
4.根据权利要求1所述的循环荷载下的桩基模型加载装置，其特征在于，所述水平循环驱动装置(10)、竖向循环驱动装置(11)结构相同，均包括转轮(35)、刚性杆(38)、吊钩(36)、水平轴(37)、调速电机(34)；
所述调速电机(34)固定在机架或模型箱(1)侧端；所述调速电机(34)与转轮(35)水平轴(37)相连；所述转轮(35)上设有刚性杆(38)，刚性杆(38)上设有吊钩(36)，用于固定钢丝绳。
5.根据权利要求1所述的循环荷载下的桩基模型加载装置，其特征在于，所述测量单元包括测力计、位移传感器；所述测力计用于测量水平循环荷载值或竖直环荷载值；所述位移传感器用于测量模型桩在水平循环荷载作用下或竖直循环荷载作用下的位移。
6.根据权利要求1所述的循环荷载下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(8)。
7.根据权利要求1所述的循环荷载下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。
8.根据权利要求1所述的循环荷载下的桩基模型加载装置，其特征在于，所述模型箱(1)主槽体一侧设有排水隔板(6)。
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