CN112942451A - 一种用于斜桩安装控制的离心试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，该装置包括模型桩、加载贯入系统、垂直度控制系统和离心机模型箱；所述垂直度控制系统的上导向杆和下导向杆可分别在其所在的导向槽内沿径向运动；固定上板与固定下板上的导向槽处还设有导向杆固定螺栓，用于限制上导向杆和下导向杆的运动，从而控制斜桩的倾斜程度。通过该装置可以将桩基贯入海床土体，并且可以通过改变导向板的间距进而适合不同桩径的压桩入土，并在贯入过程中保证压桩的垂直度，以满足后期的试验测试要求。

Description

一种用于斜桩安装控制的离心试验装置
技术领域
本发明属于离心试验技术领域，涉及一种用于斜桩安装控制的离心试验装置。通过该装置可以控制斜桩以特定的角度贯入海床土体，并且可以通过改变导向杆的间距进而适合不同桩径的压桩入土，以满足斜桩的试验测试的要求。
背景技术
海上高桩承台是一种重要的基础类型，它一般包括承台和支撑承台的斜桩，一般布置6根斜桩。对高桩承台而言，斜桩的承载力对平台的稳定性起着至关重要的作用。目前斜桩是一种通过打入贯入或者静压贯入的方式安装在海床表面，用来支撑上部结构，如海上风机、固定式海上油气平台等。
为探究斜桩的承载力，一般都会采取模型试验的方式确定桩基础的承载力，若采用常重力条件下进行测试，则与实际结果相差较大，因为土是一种自重相关的材料。在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，而土的力学特性随应力水平而变化，常规小比尺模型由于其自重应力远低于原型，因而不能再现原型的特性。超重力离心模型试验通过让模型承受大于重力加速度的离心加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物的自重损失，从而再现原型岩土体和结构特性。超重力模拟中的土体材料已能较好地反映原型土体的散粒性、应力相关性、摩擦特性、强非线性、剪胀性、多相性、应力历史相关性等特性。超重力离心模型试验对模拟以自重为主要荷载的岩土结构物性状的研究特别有效，因此获得了广泛的应用。
然而在离心模型试验中，首先需要将斜桩静压安装至海床土体中，与直桩不同，斜桩在安装过程中由于斜向安装，桩的位置不易控制，可能会出现安装精度达不到预定要求，从而造成后续试验的无法开展。而目前对于该种试验控制装置尚未见报道。
发明内容
本发明提出一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，通过该装置可以控制斜桩以特定的角度贯入海床土体，并且可以通过改变导向板的间距进而适合不同桩径的压桩入土，以满足斜桩的试验测试的要求。
本发明采取以下技术方案：
一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，包括模型桩、加载贯入系统、垂直度控制系统和离心机模型箱；所述离心机模型箱内部装有土，顶部设有顶板；
所述模型桩为被测试刚性桩管桩，其具体尺寸由测试要求而定，在确定安装的倾斜角度后，在管桩顶端截面切出相同的倾角，保证在斜桩压入时顶部受力的均匀，模型桩设于离心机模型箱中，且部分埋入土中；
加载贯入系统包括液压千斤顶、千斤顶固定装置、千斤顶导杆和桩缓冲板；所述液压千斤顶通过千斤顶固定装置固定在顶板上，液压千斤顶垂直向下；千斤顶导杆上端连接千斤顶，下端连接桩缓冲板进而接触模型桩的顶端，桩缓冲板用于缓冲千斤顶荷载，防止桩端应力太大导致屈曲破坏；
所述的垂直度控制系统包括支架固定装置、导向杆固定螺栓、导向槽、固定下板、固定上板、上下板连接杆、支架杆、上导向杆、下导向杆；支架固定装置固定在顶板上，与支架杆固定连接，用于支撑垂直度控制系统；支架杆沿模型桩环向布置4根，其底部与固定上板固定连接；固定上板与固定下板平行设置，通过上下板连接杆固定连接，二者均为圆环状板且圆心重叠，模型桩位于圆环状板的圆心处；固定上板通过根上下板连接杆与固定下板固定连接；固定上板上沿径向开有道导向槽，固定下板与上板对应位置也开有相同的导向槽，用于为上导向杆和下导向杆提供约束；所述上导向杆和下导向杆平行设置，其一端贴紧模型桩侧壁，另一端位于导向槽内，上导向杆和下导向杆可分别在其所在的导向槽内沿径向运动；固定上板与固定下板上的导向槽处还设有导向杆固定螺栓，用于限制上导向杆和下导向杆的运动，从而控制斜桩的倾斜程度；在装置安装完毕后，在上导向杆和下导向杆之间增加竖向支撑板以增加上下导向杆的刚度，竖向支撑板的高度等于上导向杆和下导向杆之间的间距。
上述技术方案中，进一步地，所述的上导向杆和下导向杆在贴近模型桩的一侧布置有导向轴承，导向轴承用于减小贯入过程中的阻力，并对斜桩的位置进行限制；在上导向杆的上端两侧和下导向杆的下端两侧均布置有滚珠，用于减小上导向杆和下导向杆与导向槽之间的摩擦。
进一步地，所述导向槽包括两部分，两部分共同贯穿固定上板和固定下板：第一部分为上导向杆和下导向杆所在区域，其槽深为固定上板和固定下板厚度的1/3；第二部分用于固定导向杆固定螺栓，导向杆固定螺栓穿过导向槽的两部分从而对上导向杆和下导向杆进行限位，第二部分的槽宽小于第一部分。导向杆固定螺栓的螺帽尺寸大于第一部分槽的宽度。
进一步地，任意两个相邻的导向槽之间的角度为90°。
进一步地，所述千斤顶固定装置由四根螺栓螺钉固定在顶板上，整个结构应保持足够的刚度，以防止应力过大而出现的变形。
本发明具有以下优点：
本发明提出一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，通过该装置可以控制斜桩以特定的角度贯入海床土体，并且可以通过改变导向杆的间距进而适合不同桩径的压桩入土，以满足斜桩的试验测试的要求。
附图说明
图1本发明的分模块示意图；
图2本发明的主视图(直桩为例、倾斜角度为0°)；
图3本发明的断面AA俯视图；
图4本发明的断面BB俯视图；
图5本发明的导向杆主视图；
图6本发明的导向杆俯视图；
图7本发明的主视图(斜桩为例、倾斜角度为5°)；
其中，模型桩1、加载贯入系统2、垂直度控制系统3、离心机模型箱4、液压千斤顶5、千斤顶固定装置6、千斤顶导杆7、桩缓冲板8、顶板9、支架固定装置10、导向杆固定螺栓11、导向槽12、固定下板13、固定上板14、上下板连接杆15、支架杆16、上导向杆17、下导向杆18、竖向支撑板19、导向轴承20、滚珠21、螺栓通道22。
具体实施方式
如图1-2为本发明的一种用于斜桩安装控制的离心试验装置(以直桩为例)，该装置包括模型桩1、加载贯入系统2、垂直度控制系统3和离心机模型箱4；所述离心机模型箱4内部装有土，顶部设有顶板9；
所述模型桩1为被测试刚性桩管桩，其具体尺寸由测试要求而定，在确定安装的倾斜角度后，在管桩顶端截面切出相同的倾角，保证在斜桩压入时顶部受力的均匀，模型桩1设于离心机模型箱4中，且部分埋入土中；
加载贯入系统2包括液压千斤顶5、千斤顶固定装置6、千斤顶导杆7和桩缓冲板8；所述液压千斤顶5通过千斤顶固定装置6固定在顶板9上，液压千斤顶5垂直向下；千斤顶导杆7上端连接千斤顶5，下端连接桩缓冲板8进而接触模型桩1的顶端，桩缓冲板8用于缓冲千斤顶荷载，防止桩端应力太大导致屈曲破坏；
所述的垂直度控制系统3包括支架固定装置10、导向杆固定螺栓11、导向槽12、固定下板13、固定上板14、上下板连接杆15、支架杆16、上导向杆17、下导向杆18；支架固定装置10固定在顶板9上，与支架杆16固定连接，用于支撑垂直度控制系统3；支架杆16沿模型桩1环向布置4根，其底部与固定上板14固定连接；固定上板14与固定下板13平行设置，通过上下板连接杆15固定连接，二者均为圆环状板且圆心重叠，模型桩1位于圆环状板的圆心处；固定上板14通过4根上下板连接杆15与固定下板13固定连接；固定上板14上沿径向开有4道导向槽12，固定下板13与上板对应位置也开有相同的导向槽12，用于为上导向杆17和下导向杆18提供约束；所述上导向杆17和下导向杆18平行设置，其一端贴紧模型桩1侧壁，另一端位于导向槽12内，上导向杆17和下导向杆18可分别在其所在的导向槽内沿径向运动；固定上板14与固定下板13上的导向槽12处还设有导向杆固定螺栓11，用于限制上导向杆17和下导向杆18的运动，从而控制斜桩的倾斜程度；在装置安装完毕后，在上导向杆17和下导向杆18之间增加竖向支撑板19以增加上下导向杆17，18的刚度，竖向支撑板19的高度等于上导向杆17和下导向杆18之间的间距。
所述的上导向杆17和下导向杆18在贴近模型桩的一侧布置有导向轴承20，导向轴承20用于减小贯入过程中的阻力，并对斜桩的位置进行限制；在上导向杆17的上端两侧和下导向杆18的下端两侧均布置有滚珠21，用于减小上导向杆17和下导向杆18与导向槽12之间的摩擦。
所述导向槽12分为两部分，两部分共同贯穿固定上板14和固定下板13：第一部分为上导向杆17和下导向杆18所在区域，其槽深为固定上板14和固定下板13厚度的1/3；第二部分为螺栓通道22，用于固定导向杆固定螺栓11，导向杆固定螺栓11穿过导向槽12的两部分从而对上导向杆17和下导向杆18进行限位，第二部分的槽宽小于第一部分。导向杆固定螺栓11的螺帽尺寸大于第一部分槽的宽度。
任意两个相邻的导向槽12之间的角度为90°。
所述千斤顶固定装置6由四根螺栓螺钉固定在顶板9上，整个结构应保持足够的刚度，以防止应力过大而出现的变形。
如图7为本发明的一种用于斜桩安装控制的离心试验装置(倾斜角度为5°)，可根据桩的倾斜角度来调整上导向杆17和下导向杆18的位置。

Claims (4)

1.一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，其特征在于，包括模型桩(1)、加载贯入系统(2)、垂直度控制系统(3)和离心机模型箱(4)；所述离心机模型箱(4)内部装有土，顶部设有顶板(9)；
所述模型桩(1)为被测试刚性桩管桩，其具体尺寸由测试要求而定，在确定安装的倾斜角度后，在管桩顶端截面切出相同的倾角，保证在斜桩压入时顶部受力的均匀，模型桩(1)设于离心机模型箱(4)中，且部分埋入土中；加载贯入系统(2)包括液压千斤顶(5)、千斤顶固定装置(6)、千斤顶导杆(7)和桩缓冲板(8)；所述液压千斤顶(5)通过千斤顶固定装置(6)固定在顶板(9)上，液压千斤顶(5)垂直向下；千斤顶导杆(7)上端连接千斤顶(5)，下端连接桩缓冲板(8)进而接触模型桩(1)的顶端，桩缓冲板(8)用于缓冲千斤顶荷载，防止桩端应力太大导致屈曲破坏；
所述的垂直度控制系统(3)包括支架固定装置(10)、导向杆固定螺栓(11)、导向槽(12)、固定下板(13)、固定上板(14)、上下板连接杆(15)、支架杆(16)、上导向杆(17)、下导向杆(18)；支架固定装置(10)固定在顶板(9)上，与支架杆(16)固定连接，用于支撑垂直度控制系统(3)；支架杆(16)沿模型桩(1)环向布置4根，其底部与固定上板(14)固定连接；固定上板(14)与固定下板(13)平行设置，通过上下板连接杆(15)固定连接，二者均为圆环状板且圆心重叠，模型桩(1)位于圆环状板的圆心处；固定上板(14)通过4根上下板连接杆(15)与固定下板(13)固定连接；固定上板(14)上沿径向开有4道导向槽(12)，固定下板(13)与上板对应位置也开有相同的导向槽(12)，用于为上导向杆(17)和下导向杆(18)提供约束；所述上导向杆(17)和下导向杆(18)平行设置，其一端贴紧模型桩(1)侧壁，另一端位于导向槽(12)内，上导向杆(17)和下导向杆(18)可分别在其所在的导向槽内沿径向运动；固定上板(14)与固定下板(13)上的导向槽(12)处还设有导向杆固定螺栓(11)，用于限制上导向杆(17)和下导向杆(18)的运动，从而控制斜桩的倾斜程度；所述导向槽(12)分为两部分，两部分共同贯穿固定上板(14)和固定下板(13)：第一部分为上导向杆(17)和下导向杆(18)所在区域，其槽深为固定上板(14)和固定下板(13)厚度的1/3；第二部分用于固定导向杆固定螺栓(11)，导向杆固定螺栓(11)穿过导向槽(12)的两部分从而对上导向杆(17)和下导向杆(18)进行限位，第二部分的槽宽小于第一部分；在装置安装完毕后，在上导向杆(17)和下导向杆(18)之间增加竖向支撑板(19)以增加上下导向杆(17,18)的刚度，竖向支撑板(19)的高度等于上导向杆(17)和下导向杆(18)之间的间距。
2.根据权利要求1所述的一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，其特征在于，所述的上导向杆(17)和下导向杆(18)在贴近模型桩的一侧布置有导向轴承(20)，导向轴承(20)用于减小贯入过程中的阻力，并对斜桩的位置进行限制；在上导向杆(17)的上端两侧和下导向杆(18)的下端两侧均布置有滚珠(21)，用于减小上导向杆(17)和下导向杆(18)与导向槽(12)之间的摩擦。
3.根据权利要求1所述的一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，其特征在于，任意两个相邻的导向槽(12)之间的角度为90°。
4.根据权利要求1所述的一种用于斜桩安装控制的离心试验装置，其特征在于，所述千斤顶固定装置(6)由四根螺栓螺钉固定在顶板(9)上。
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