CN117723378A - 一种地基基础模型水平循环荷载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基基础模型水平循环荷载试验装置及方法，所述水平循环荷载试验装置包括模型箱，模型箱顶部设置有反力架，反力架上安装有伺服电缸，伺服电缸导杆端部连接有荷载传感器，模型桩上端固定有活动铰，荷载传感器与活动铰通过弹簧相连；活动铰上相对弹簧的另一侧连接有钢绞线，钢绞线绕过设置于模型箱顶部边缘位置的滑轮，钢绞线末端连接有砝码盘；弹簧轴线、活动铰水平中心线以及钢绞线水平段在同一水平面上；模型桩上还连接有位移传感器，用于试验时的位移监测。本发明能够有效提升水平循环加载试验结果的稳定性与可靠性，提高试验数据的可用性，并具有低成本的优点。

Description

一种地基基础模型水平循环荷载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地基基础模型承载性能试验，具体涉及一种地基基础模型水平循环荷载试验装置及方法。

背景技术

地基基础模型水平循环荷载试验普遍采用伺服电缸进行循环加载，伺服电缸为集成步进电机和丝杠的一体化结构，而步进电机为位移输出方式，无法直接获取力，为此需配置一个荷载传感器以实现力的反馈。现有的地基基础模型水平循环荷载试验装置，伺服电缸、荷载传感器、模型桩三者直接刚性连接，循环加载时，由于传感器反馈问题，容易出现过载或欠载等伺服电缸荷载输出不稳定情况，尤其地，当循环荷载比为零时，会出现荷载跳跃引发位移响应不稳定，这会影响试验结果的可靠性，降低试验数据的可用性。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种能够保证伺服电缸荷载稳定输出、保证试验数据可用性的地基基础模型水平循环荷载试验装置；本发明的第二目的是提供一种地基基础模型水平循环荷载试验方法。

技术方案：本发明所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，包括模型箱，模型箱顶部设置有反力架，反力架上安装有伺服电缸，伺服电缸导杆端部连接有荷载传感器，模型桩上端固定有活动铰，荷载传感器与活动铰通过弹簧相连；活动铰上相对弹簧的另一侧连接有钢绞线，钢绞线绕过设置于模型箱顶部边缘位置的滑轮，钢绞线末端连接有砝码盘；弹簧轴线、活动铰水平中心线以及钢绞线水平段在同一水平面上；模型桩上还连接有位移传感器，用于试验时的位移监测。

进一步地，活动铰具有一侧开口的套环，且开口侧具有一对柄部，所述一对柄部通过螺栓连接使得所述套环能够套接并固定在模型桩上；所述套环另一侧设有用于连接钢绞线的圆扣。

进一步地，荷载传感器连接有带圆环的拉杆；弹簧两端分别连接所述螺栓与圆环。

进一步地，弹簧的极限拉力大于伺服电缸的最大允许荷载。

进一步地，模型箱顶部固定有横向的底座平台，底座平台上固定有支撑钢架，反力架可转动地设置在所述支撑钢架上，使得伺服电缸能够在竖直平面内调整加载角度；所述底座平台上沿长度方向设置若干孔洞，支撑钢架通过底座平台上不同的孔洞实现位置的调整及固定。

进一步地，反力架上具有一对对称布置的半圆弧孔，对称布置的半圆弧孔的圆心处设置一个螺栓孔；反力架通过所述螺栓孔和一对半圆弧孔配合螺栓实现与支撑钢架的转动配合及固定。

进一步地，模型箱顶部边缘位置固定有前垫板，滑轮通过一对横向垫板固定在后垫板上；后垫板上具有竖向腰型孔，其与前垫板通过螺栓连接并能够上下移动调节滑轮的高度。

本发明所述的地基基础模型水平循环荷载试验方法，采用所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，包括：在模型箱中铺填试验土样至指定高度，通过埋入或压入方式将模型桩设置在土体中；安装弹簧、活动铰、位移传感器及钢绞线，保证弹簧轴线、活动铰水平中心线以及钢绞线水平段在同一水平面上；开始循环加载，过程中在砝码盘中添加砝码，砝码盘中添加的砝码总重量不超过伺服电缸允许施加最大荷载与模型桩最大受力荷载的差值。

进一步地，砝码根据荷载反馈值分级添加，包括：将需要添加的砝码总重量等分为若干份，伺服电缸开始施加荷载，当荷载反馈值达到一份砝码的重量时，开始缓慢放置一份砝码；按此继续分级添加剩余砝码，直到砝码添加完毕。

进一步地，分级添加砝码需在循环加载试验第一次循环卸载荷载之前全部完成。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

(1)将原先的“伺服电缸-模型桩”硬接触，改为“伺服电缸-弹簧-模型桩”软接触，利用弹簧的延展作用，使荷载输出得以更加稳定；

(2)通过反向设置的砝码盘，使得伺服电缸需要输出更大的力，降低了荷载传感器的精度要求，能够节约荷载传感器成本(高精度荷载传感器极其昂贵)；

(3)软接触联合反向砝码盘，解决了循环荷载比为零时出现的荷载跳跃引发位移响应不稳定的问题，使得循环加载试验曲线更加光滑，能够有效提升水平循环加载试验结果的稳定性与可靠性，提高试验数据的可用性。

附图说明

图1是本申请实施例提供的地基基础模型水平循环荷载试验装置的结构示意图；

图2是本申请实施例中模型桩、活动铰、弹簧及钢绞线之间的配合结构示意图；

图3是本申请实施例中滑轮的结构示意图；

图4是本申请实施例中试验获取的水平循环加载试验曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

附图1至4中的附图标记如下：

1，模型箱；2，试验土样；3，模型桩；31，位移传感器；4，反力架；5，伺服电缸；51，荷载传感器；6，弹簧；7，活动铰；8，滑轮；81，前垫板；82，后垫板；83横向垫板；9，钢绞线；10，砝码盘。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种地基基础模型水平循环荷载试验装置，该水平循环荷载试验装置包括模型箱1、位移传感器31、伺服电缸5、弹簧6、活动铰7、滑轮8、钢绞线9和砝码盘10。

模型箱1顶部固定有横向的底座平台，底座平台上固定有支撑钢架，支撑钢架上可转动地设置有反力架4，底座平台上沿长度方向设置若干孔洞，支撑钢架通过底座平台上不同的孔洞实现位置的调整及固定。具体地，反力架4上具有一对对称布置的半圆弧孔，对称布置的半圆弧孔的圆心处设置一个螺栓孔，反力架4通过螺栓孔和一对半圆弧孔配合螺栓实现与支撑钢架的转动配合及固定。关于底座平台、支撑钢架及反力架4的具体结构，为现有技术，可参照发明人提出的在先申请CN115977174B，在此不再赘述。伺服电缸5安装在反力架4上，基于底座平台、支撑钢架及反力架4，伺服电缸5能够实现在模型箱1上横向位置的调整以及在竖直平面内加载角度的调整。

结合图2，活动铰7具有一侧开口的套环，且开口侧具有一对柄部，该一对柄部通过螺栓连接，使得套环能够套接并固定在模型桩3上端。套环另一侧一体设有圆扣。

结合图3，模型箱1顶部边缘位置焊接固定有前垫板81，滑轮8转动设置在一对横向垫板83上，该一对横向垫板83焊接固定在后垫板82上。后垫板82上具有竖向腰型孔，其与前垫板81通过螺栓连接，滑轮8的高度可以根据实际需要进行调整。

伺服电缸5导杆端部螺纹连接有荷载传感器51，荷载传感器51另一端螺纹连接有带圆环的拉杆，荷载传感器51用于实现试验过程中荷载监测。弹簧6两端分别连接圆环与活动铰7上的螺栓。弹簧6的极限拉力大于伺服电缸5的最大允许荷载。钢绞线9一端与套环另一侧的圆扣相连，另一端绕过滑轮8并连接砝码盘10。弹簧6轴线、活动铰7水平中心线以及钢绞线9水平段在同一水平面上。

位移传感器31与模型桩3上的连接点相连接，用于试验时的位移监测。位移传感器31的数量为两个，即测量两个点的位移，以便后期通过三角形相似的原理获取模型桩3桩身转角。对于位移传感器31的固定方式，本申请中不做具体限定，例如可以用设置在模型箱1四周边缘的磁力表座进行固定，当磁力表座无法满足使位移传感器31前端标尺顶在模型桩3的表面时，还可以在模型箱1顶部跨设垫板，将位移传感器31固定在垫板上。

本申请实施例还提供一种地基基础模型水平循环荷载试验方法，采用本申请实施例所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，包括：

在模型箱1中铺填试验土样2至指定高度，通过埋入或压入方式将模型桩3设置在土体中；

安装弹簧6、活动铰7、位移传感器31及钢绞线9，保证弹簧6轴线、活动铰7水平中心线以及钢绞线9水平段在同一水平面上；

开始循环加载，过程中在砝码盘10中添加砝码，砝码盘10中添加的砝码总重量不超过伺服电缸5允许施加最大荷载与模型桩3最大受力荷载的差值；由于伺服电缸5采用的是位移变化方式，其运动控制相对较慢，添加的砝码总重量可根据荷载反馈值，采用分级添加砝码的方式，具体实施方法如下：

首先，根据具体试验确定需要添加的砝码总重量，将需要添加的砝码总重量等分为若干份；接下来，伺服电缸5开始施加荷载，当荷载反馈值达到一份砝码的重量时，开始缓慢放置一份砝码；按此方法，继续分级添加剩余砝码，直到砝码添加完毕。分级添加砝码需在循环加载试验第一次循环卸载荷载之前全部完成。

以下给出一个具体的示例。

模型箱1尺寸：长×宽×高为150×100×100cm，可保证模型桩3与模型箱1边界距离大于10倍桩径，以消除边界效应影响。

2个量程100mm的位移传感器31分别安装于泥面以上2.5cm和6cm处。

荷载传感器51量程为2kN，距泥面高度22cm，用于测定桩身加载点处水平荷载。

循环加载过程中的加载频率为0.1Hz，采样频率为10Hz。

图4所示为试验获取的水平循环加载试验曲线图，可见所获取的曲线非常光滑。这证明了本申请实施例提供的地基基础模型水平循环荷载试验装置能够有效解决循环荷载比为零时出现的荷载跳跃引发位移响应不稳定的问题，使得循环加载试验曲线更加光滑，有效提升了水平循环加载试验结果的稳定性与可靠性，提升了试验数据的可用性。

Claims (10)

1.一种地基基础模型水平循环荷载试验装置，包括模型箱(1)，模型箱(1)顶部设置有反力架(4)，反力架(4)上安装有伺服电缸(5)，伺服电缸(5)导杆端部连接有荷载传感器(51)，其特征在于，模型桩(3)上端固定有活动铰(7)，荷载传感器(51)与活动铰(7)通过弹簧(6)相连；活动铰(7)上相对弹簧(6)的另一侧连接有钢绞线(9)，钢绞线(9)绕过设置于模型箱(1)顶部边缘位置的滑轮(8)，钢绞线(9)末端连接有砝码盘(10)；弹簧(6)轴线、活动铰(7)水平中心线以及钢绞线(9)水平段在同一水平面上；模型桩(3)上还连接有位移传感器(31)，用于试验时的位移监测。

2.根据权利要求1所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，活动铰(7)具有一侧开口的套环，且开口侧具有一对柄部，所述一对柄部通过螺栓连接使得所述套环能够套接并固定在模型桩(3)上；所述套环另一侧设有用于连接钢绞线(9)的圆扣。

3.根据权利要求2所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，荷载传感器(51)连接有带圆环的拉杆；弹簧(6)两端分别连接所述螺栓与圆环。

4.根据权利要求1所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，弹簧(6)的极限拉力大于伺服电缸(5)的最大允许荷载。

5.根据权利要求1所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，模型箱(1)顶部固定有横向的底座平台，底座平台上固定有支撑钢架，反力架(4)可转动地设置在所述支撑钢架上，使得伺服电缸(5)能够在竖直平面内调整加载角度；所述底座平台上沿长度方向设置若干孔洞，支撑钢架通过底座平台上不同的孔洞实现位置的调整及固定。

6.根据权利要求5所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，反力架(4)上具有一对对称布置的半圆弧孔，对称布置的半圆弧孔的圆心处设置一个螺栓孔；反力架(4)通过所述螺栓孔和一对半圆弧孔配合螺栓实现与支撑钢架的转动配合及固定。

7.根据权利要求1所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，模型箱(1)顶部边缘位置固定有前垫板(81)，滑轮(8)通过一对横向垫板(83)固定在后垫板(82)上；后垫板(82)上具有竖向腰型孔，其与前垫板(81)通过螺栓连接并能够上下移动调节滑轮(8)的高度。

8.一种地基基础模型水平循环荷载试验方法，采用权利要求1至7中任一项所述的地基基础模型水平循环荷载试验装置，其特征在于，包括：在模型箱(1)中铺填试验土样(2)至指定高度，通过埋入或压入方式将模型桩(3)设置在土体中；安装弹簧(6)、活动铰(7)、位移传感器(31)及钢绞线(9)，保证弹簧(6)轴线、活动铰(7)水平中心线以及钢绞线(9)水平段在同一水平面上；开始循环加载，过程中在砝码盘(10)中添加砝码，砝码盘(10)中添加的砝码总重量不超过伺服电缸(5)允许施加最大荷载与模型桩(3)最大受力荷载的差值。

9.根据权利要求8所述的地基基础模型水平循环荷载试验方法，其特征在于，砝码根据荷载反馈值分级添加，包括：将需要添加的砝码总重量等分为若干份，伺服电缸(5)开始施加荷载，当荷载反馈值达到一份砝码的重量时，开始缓慢放置一份砝码；按此继续分级添加剩余砝码，直到砝码添加完毕。

10.根据权利要求9所述的地基基础模型水平循环荷载试验方法，其特征在于，分级添加砝码需在循环加载试验第一次循环卸载荷载之前全部完成。