CN111877413A - 一种桩基础可视化模型试验限位装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种桩基础可视化模型试验限位装置，滑槽的上设有模型夹；模型夹内设置桩基础模型；滑槽底部的卡槽内设有轮轴；轮轴两端设有轮；轮轴中部与内螺纹管相连；内螺纹管与螺纹柱连接；内螺纹管下端的隔板上设有微型压力传感器和信号线；微型压力传感器与弹簧相连；弹簧与抵板相连；抵板底部设有防滑胶垫；使用方法的步骤是：组装限位装置；调节模型夹位置，夹紧桩基础模型；将桩基础模型放至试验模型箱土体中；旋转内螺纹管，直到抵板与防滑胶垫抵于试验模型箱内壁；微调旋转内螺纹管，观测水平支撑力大小，到设计荷载值时停止旋转；试验模型箱内填筑模型土；对桩基础施加荷载，完成数据采集；可有效阻止土颗粒进入基础与透明模型箱壁的细微间隙中。

Description

一种桩基础可视化模型试验限位装置及使用方法

技术领域

本发明隶属于基础工程建设的限位装置技术领域，具体涉及一种桩基础可视化模型试验限位装置及使用方法。

背景技术

随着我国基础设施建设的蓬勃发展，铁路、公路、桥梁及码头建设工程越来越多，并且不断向偏远地区、困难地区开展。桩基础能将上部结构的荷载传到桩周围的土体和深层地基中，结构形式可靠，大大减少了基础沉降。实践证明，桩基础一种安全可靠的基础形式，在我国穿越江、河、湖、泊的桥梁结构及临水码头中已得到普遍应用。

模型试验法是研究基础工程的重要方法之一。近年来随着科学技术的不断发展，在基础工程研究中，可视化模型试验结合数字图像相关技术 (Digital ImageCorrelation,DIC)的研究方法得到了大量应用。其通过对桩基础及基础周围的土颗粒连续拍摄捕捉，分析相邻图像特征点间的位移变化，具有直观揭示桩基础与土体的相互作用机理、加载过程中桩基础承载性能的作用。

在现有的可视化模型试验中，由于考虑到不能遮挡基础的正常拍摄，亦不能阻碍其正常移动，桩基础常常直接贴紧模型箱侧壁放入模型土中，基础周围细小的土颗粒极其容易进入其与透明模型箱壁的细微间隙中，并且这些土颗粒无法清除，给试验带来极大的困难。此外，由于缺少模型限位装置，桩基础模型在加载过程中很容易发生倾斜，造成试验偏差，使试验准确性大大降低。因此，发明一种桩基础可视化模型试验限位装置，对基础工程的发展及桩基础试验研究具有重要意义。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种桩基础可视化模型试验限位装置及使用方法，在桩基础可视化模型试验中，使用本发明提供的限位装置及使用方法，可以有效阻止基础周围的土颗粒进入基础与透明模型箱壁的细微间隙中，防止加载过程中桩基础歪斜，并可测得水平支撑力，简洁有效的保证试验的科学开展，解决了现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种桩基础可视化模型试验限位装置，包括有滑槽，滑槽的上部设有模型夹；模型夹内设置桩基础模型；滑槽底部设有卡槽；卡槽内设有轮轴；轮轴两端分别设有一轮；轮轴中部与内螺纹管的上端相连；内螺纹管与螺纹柱螺纹连接；内螺纹管的下端设有隔板；隔板上设有微型压力传感器和信号线；微型压力传感器与弹簧的上端相连；弹簧的下端与抵板相连；抵板底部设有防滑胶垫。

所述的弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧，一端固定连接于抵板，一端嵌于内螺纹管内部并且固定连接于微型压力传感器。

所述的隔板采用圆形金属板，嵌于内螺纹管内部。

所述的内螺纹管采用金属材料制成。

所述的卡槽为两块对称设置的L形板

所述的模型夹通过螺丝与螺栓板固定。

一种桩基础可视化模型试验限位装置的使用方法，步骤如下：

1)根据桩基础及试验模型箱尺寸设计本限位装置各构件的尺寸，并完成加工制作，组装限位装置如下：滑槽的上部设有模型夹；模型夹内设置桩基础模型；滑槽底部设有卡槽；卡槽内设有轮轴；轮轴两端分别设有一轮；轮轴中部与内螺纹管的上端相连；内螺纹管与螺纹柱螺纹连接；内螺纹管的下端设有隔板；隔板上设有微型压力传感器和信号线；微型压力传感器与弹簧的上端相连；弹簧的下端与抵板相连；抵板底部设有防滑胶垫；

2)调节模型夹位置，在适宜位置夹紧桩基础模型，并通过旋转螺丝锁定固定；

3)清理试验模型箱内壁，将桩基础模型放至试验模型箱土体中，并使桩基础模型一侧贴紧试验模型箱内壁；

4)旋转内螺纹管，使水平支撑体系不断加长，直到抵板与防滑胶垫抵于试验模型箱内壁；

5)继续微调旋转内螺纹管，使弹簧逐渐压缩，水平支撑力逐渐增加，同时通过采集仪观测水平支撑力大小，到设计荷载值时停止旋转；

6)向试验模型箱内填筑模型土，根据测试需求布设测试工具土压力盒、位移计，直至完成试验制作过程；

7)对桩基础施加荷载，同时通过摄像系统对桩基础及周围土体连续拍摄，完成数据采集。

本发明的有益效果是：

由于本发明采用了限位槽(滑槽12)与支撑杆(螺纹柱8)之间通过滑轮连接的间接连接的设计，当桩基础模型向下移动时，滑轮将原位转动，避免了支撑杆受连带发生倾斜，支撑力发生改变，具有低干扰的优点；

由于本发明采用了内螺纹管7与螺纹柱8螺纹咬合连接及弹簧3作为支撑，避免了使用时支撑较紧，撑坏模型箱；支撑较松，达不到预期效果，所以具有可调节长度、到达使用长度有缓冲的优点。

由于本发明采用了微型压力传感器，所以具有可实时监测支撑力的优点；

由于本发明采用了抵板及防滑胶垫，所以具有分散支撑力，防止支撑端滑动的优点；

由于本发明采用了单元式设计，在使用过程中可根据桩基础模型长度及使用需求，使用一个或多个限位装置进行支撑，所以具有使用灵活的优点。

在桩基础可视化模型试验中采用本发明，可有效防止试验过程中基础周围土颗粒进入基础与透明模型箱壁的细微间隙中，保证试验的顺利开展。并且有效的阻止桩基础模型在加载过程中的偏离、歪斜现象，同时可以实时采集桩基础背后施加的附加支撑力，保证了试验的科学性。

附图说明

图1是本发明一种桩基础可视化模型试验限位装置主视中间剖面图。

图2是本发明一种桩基础可视化模型试验限位装置侧视中间剖面图。

图3是本发明一种桩基础可视化模型试验限位装置侧视图。

图4是本发明一种桩基础可视化模型试验限位装置俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种桩基础可视化模型试验限位装置，包括有滑槽12，滑槽12的上部设有模型夹15；模型夹15内设置桩基础模型16；滑槽12底部设有卡槽9；卡槽 9内设有轮轴10；轮轴10两端分别设有一轮11；轮轴10中部与内螺纹管7 的上端相连；内螺纹管7与螺纹柱8通过对应的螺纹咬合相连接；内螺纹管 7的下端设有隔板6；隔板6上设有微型压力传感器4和信号线5；微型压力传感器4的另一端与弹簧3的上端相连；弹簧3的下端与抵板1相连；抵板1底部设有防滑胶垫2。

所述的弹簧3采用圆柱螺旋压缩弹簧，一端固定连接于抵板1，一端嵌于内螺纹管7内部并且固定连接于微型压力传感器4。

所述的隔板6采用圆形金属板，嵌于内螺纹管7内部。

所述的内螺纹管7采用金属材料制成。

所述的卡槽9为两块对称设置的L形板

所述的模型夹15通过螺丝14与螺栓板13固定。

本发明的工作原理是：

通过模型夹15夹紧桩基础模型16，并拧紧螺丝14进行固定；将本发明的限位装置及桩基础模型16放入模型箱中，旋转内螺纹杆7至桩基础模型 16可以贴紧模型箱侧壁。当试验其他准备工作完成后，读取微型压力传感器 4输出的压力值，开始试验。桩基础模型16受力的作用向下移动，此时小轮 11随之转动，二者发生相对位移。卡槽9保证了小轮11不偏离移动方向。调节内螺纹管7与螺纹柱8的连接长度、弹簧3的伸缩量保证了足够的支撑力使砂粒不进入桩基础模型16与模型箱壁的间隙，并控制整体不发生偏移。抵板1与防滑胶垫2保证了支撑端的固定效果，避免发生滑动。

第一部分：

一、一种桩基础可视化模型试验限位装置及细部描述

本桩基础模型限位装置由抵板1，防滑胶垫2，弹簧3，微型压力传感器 4，信号线5，隔板6，内螺纹管7，螺纹柱8，卡槽9，轮轴10，小轮11，滑槽12，螺栓板13，螺丝14，模型夹15及桩基础模型16组成。

本桩基础模型限位装置使用的抵板1为正方形，具有一定刚度，不易变形，由螺纹柱8传递支撑力通过抵板1分散至试验模型箱侧壁。优选的抵板1由铝材制成，尺寸为30×30mm。

防滑胶垫2与抵板1尺寸一致，一侧粘接连接于抵板1，另一侧抵于模型箱侧壁，与模型箱壁之间有较强的防滑效果。优选的防滑胶垫2由橡胶材料制成。

所述的弹簧3采用小型圆柱螺旋压缩弹簧，一端固定连接于抵板1，一端嵌于内螺纹管7内部并且固定连接于微型压力传感器4，可通过自身的压缩特性调节控制限位装置支撑于模型箱两侧的松紧情况。优选的弹簧采用不锈钢材料，外径为6mm，自由长度为15-25mm，荷重在5-30N之间。

微型压力传感器4采用高精度微型压力传感器，传感器量程应略大于弹簧荷重，以防荷载过大造成传感器损坏或荷载过小无法采集。微型压力传感器4嵌于内螺纹管7内部，一端固定连接于挡板6，一端固定连接于弹簧3。优选的微型压力传感器4外径为6mm，厚度为5mm。

信号线5采用屏蔽导线，以防杂散电流对信号的干扰，连接于微型压力传感器4，将测量的荷载数据稳定输入采集仪。

隔板6采用圆形金属板，嵌于内螺纹管7内部，起到限制弹簧位移的作用。优选的隔板6采用铝板。

内螺纹管7采用金属材料制成，内部带有螺纹，可与螺纹柱8相互咬合。通过转动内螺纹管7，使其绕螺纹旋转前进或后退，进而伸长或缩短限位装置长度，达到调节支撑间距及支撑力的目的。优选的内螺纹管7采用铝管，内径为6mm，总长度为10mm，内螺纹长度为5-10mm。

螺纹柱8采用金属材料制成，外部带有螺纹，可与内螺纹管7相互咬合，一端固定连接于轮轴10。优选的螺纹柱8采用铝柱，外径为6mm，总长度为10mm，外螺纹长度为5-10mm。

卡槽9为两块对称设置的L形板，两板间留有一定缝隙，长边一端固定连接于滑槽12，与滑槽12共同形成一带缝隙口形滑槽，缝隙处可供螺纹柱 8伸出，口形滑槽可使轮11在槽内定向移动，而不沿支撑方向脱出。优选的卡槽9采用铝板，长边为13mm，短边为9mm，板厚为3mm。

轮轴10采用金属材料制成，两侧连接小轮11，中部固定连接螺纹柱8。优选的轮轴10采用铝材制成，直径为4mm，长度为18mm。

轮11采用金属材料制成，分别连接于轮轴10两端，可进行转动。当竖向荷载作用于桩基础时，桩基础及滑槽12将向下移动，而轮11同时随之转动，保持螺纹柱8不随桩基础向下移动，保证水平支撑力不变。优选的轮11 采用铝材制成，直径为8mm，宽度为5mm。

滑槽12为内置倒T形槽的长方形板，卡位板13可在水平槽内沿槽方向前后移动，调动位置，而由于空间限制不能转动。螺丝14可在竖向槽内跟随卡位板13沿槽方向前后移动。优选的滑槽12厚度为8mm，长度为50mm。

卡位板13为内置螺纹的长方形板，可以在滑槽12的水平槽内前后移动，而由于空间限制不能转动，旋转螺丝14使其自身螺纹咬合卡位板13内置螺纹，使卡位板13不断提升锁紧。优选的卡位板13为钢板，中间设有直径3mm 的螺栓孔，厚度为2mm，长度与宽度均为11mm。

螺丝14采用金属材料制成，依次穿过模型夹15、滑槽12及卡位板13。旋转螺丝14通过螺纹间咬合可拉紧卡位板13，起到固定模型夹15的作用。优选的螺丝14为不锈钢材料，直径为3mm，高度8mm。

模型夹15采用金属材料制成，为两块对称背对设置的L形板，短边中部设置螺栓孔。移动卡位板13、螺丝14及模型夹15位置，从而实现夹紧桩基础模型16。优选的模型夹15为L形钢板，长边长度为15mm，短边长度为7mm，纵向长度为30mm。

一种桩基础可视化模型试验限位装置的使用方法，步骤如下：

1)根据桩基础及试验模型箱尺寸设计本限位装置各构件的尺寸，并完成加工制作，组装限位装置如下：滑槽12的上部设有模型夹15；模型夹15 内设置桩基础模型16；滑槽12底部设有卡槽9；卡槽9内设有轮轴10；轮轴10两端分别设有一轮11；轮轴10中部与内螺纹管7的上端相连；内螺纹管7与螺纹柱8螺纹连接；内螺纹管7的下端设有隔板6；隔板6上设有微型压力传感器4和信号线5；隔板6的微型压力传感器4的另一端与弹簧3 的上端相连；弹簧3的下端与抵板1相连；抵板1底部设有防滑胶垫2；

2)调节模型夹15位置，在适宜位置夹紧桩基础模型16，并通过旋转螺丝14锁定固定；

3)清理试验模型箱内壁，将桩基础模型16放至试验模型箱土体中，并使桩基础模型一侧贴紧试验模型箱内壁；

4)旋转内螺纹管7，使水平支撑体系不断加长，直到抵板1与防滑胶垫 2抵于试验模型箱内壁；

5)继续微调旋转内螺纹管7，使弹簧3逐渐压缩，水平支撑力逐渐增加，同时通过采集仪观测水平支撑力大小，到设计荷载值时停止旋转；

6)向试验模型箱内填筑模型土，根据测试需求布设测试工具土压力盒、位移计，直至完成试验制作过程；

7)对桩基础施加荷载，同时通过摄像系统对桩基础及周围土体连续拍摄，完成数据采集。

Claims (7)

1.一种桩基础可视化模型试验限位装置，其特征在于，包括有滑槽(12)，滑槽(12)的上部设有模型夹(15)；模型夹(15)内设置桩基础模型(16)；滑槽(12)底部设有卡槽(9)；卡槽(9)内设有轮轴(10)；轮轴(10)两端分别设有一轮(11)；轮轴(10)中部与内螺纹管(7)的上端相连；内螺纹管(7)与螺纹柱(8)螺纹连接；内螺纹管(7)的下端设有隔板(6)；隔板(6)上设有微型压力传感器(4)和信号线(5)；微型压力传感器(4)与弹簧(3)的上端相连；弹簧(3)的下端与抵板(1)相连；抵板(1)底部设有防滑胶垫(2)。

2.根据权利要求1所述的一种桩基础可视化模型试验限位装置，其特征在于，所述的弹簧(3)采用圆柱螺旋压缩弹簧，一端固定连接于抵板(1)，一端嵌于内螺纹管(7)内部并且固定连接于微型压力传感器(4)。

3.根据权利要求1所述的一种桩基础可视化模型试验限位装置，其特征在于，所述的隔板(6)采用圆形金属板，嵌于内螺纹管(7)内部。

4.根据权利要求1所述的一种桩基础可视化模型试验限位装置，其特征在于，所述的内螺纹管(7)采用金属材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种桩基础可视化模型试验限位装置，其特征在于，所述的卡槽(9)为两块对称设置的L形板。

6.根据权利要求1所述的一种桩基础可视化模型试验限位装置，其特征在于，所述的模型夹15通过螺丝14与螺栓板13固定。

7.一种桩基础可视化模型试验限位装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据桩基础及试验模型箱尺寸设计限位装置各部件的尺寸，并完成加工制作，组装限位装置如下：滑槽(12)的上部设有模型夹(15)；模型夹(15)内设置桩基础模型(16)；滑槽(12)底部设有卡槽(9)；卡槽(9)内设有轮轴(10)；轮轴(10)两端分别设有一轮(11)；轮轴(10)中部与内螺纹管(7)的上端相连；内螺纹管(7)与螺纹柱(8)螺纹连接；内螺纹管(7)的下端设有隔板(6)；隔板(6)上设有微型压力传感器(4)和信号线(5)；微型压力传感器(4)与弹簧(3)的上端相连；弹簧(3)的下端与抵板(1)相连；抵板(1)底部设有防滑胶垫(2)；

2)调节模型夹(15)位置，在适宜位置夹紧桩基础模型(16)，并通过旋转螺丝(14)锁定固定；

3)清理试验模型箱内壁，将桩基础模型(16)放至试验模型箱土体中，并使桩基础模型一侧贴紧试验模型箱内壁；

4)旋转内螺纹管(7)，使水平支撑体系不断加长，直到抵板(1)与防滑胶垫(2)抵于试验模型箱内壁；

5)继续微调旋转内螺纹管(7)，使弹簧(3)逐渐压缩，水平支撑力逐渐增加，同时通过采集仪观测水平支撑力大小，到设计荷载值时停止旋转；

6)向试验模型箱内填筑模型土，根据测试需求布设测试工具土压力盒、位移计，直至完成试验制作过程；

7)对桩基础施加荷载，同时通过摄像系统对桩基础及周围土体连续拍摄，完成数据采集。

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