CN206591549U - 一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及桩基工程研究技术领域，具体地指一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置。包括插打在钢管桩施工水域附近的陆地上的试桩和反力桩，两根钢管桩位于土体之上的桩身之间设置有对两根试桩施加水平荷载的施力装置；所述的钢管桩的桩身上安装有位移传感装置和压力传感装置。本实用新型通过对地层结构与钢管桩插打水域地层结构相同的附近陆地上的两根试桩进行水平荷载实验，以实验数据分析对钢管桩插打工作进行指导，提高了水平荷载实验的准确性，且本实验装置结构简单，操作方便，具有极大的推广价值。

Description

一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置

技术领域

本实用新型涉及桩基工程研究技术领域，具体地指一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置。

背景技术

作为跨海大桥和海上平台的基础，钢管桩往往会承受波浪等多种水平荷载，这些动力循环荷载通过桩基作用于桩侧土中，导致桩侧摩阻力降低，另外在波浪冲击桩基础时，桩身对土体会产生相应的挤压作用，同时土体也会反作用在桩体上造成桩体自身结构的变形。尤其在施工阶段，海洋深水环境中的钢管桩处于单桩状态，在波浪及水流作用下，桩顶很容易发生较大的位移，水深大，自由端悬臂时间长，在长期循环荷载作用下，由于振动效应的重复累加，钢管桩又容易产生疲劳破坏，不仅造成安全事故及经济损失，甚至会极大的破坏海洋环境。

波浪荷载作用下的桩-土系统与短期静载有明显不同的作用效应: ①在波浪荷载作用下，桩的水平位移会有较大的增大，土的水平地基反力系数减小，水平承载力降低；②当水平位移达到一定程度后，随着位移的增大土抗力逐渐减小，桩土系统会发生软化现象。③对于承受波浪等循环荷载的桩，由于荷载循环次数的增加而累积残余变形，会产生桩的“震荡”破坏。

基桩水平承载实验目前国内主要参照两本规范《港口工程基桩静载荷实验规程》JTJ255-2002，《建筑基桩检测技术规范》 (JGJ106-2014)，无论是单向单循环还是单向多循环，规范仅对荷载分级、维持时间、读数间隔时间等有固定要求。而在波浪荷载作用下桩与土之间的关系错综复杂，其作用关系还受到循环次数、加载方式、荷载水平等影响，数据稳定标准也需现场灵活掌握。

虽然国内外大量学者针对水平单调和循环荷载作用下桩基的受力变形分析开展了相应的研究，然而由于开展工程现场实验的困难，受到侧向加荷设备条件的限制，以及问题本身的复杂性，迄今关于水平荷载作用下海洋高桩基础的现场实测数据仍非常有限。

有人提出了在室内设计实验结构进行模拟测试，如专利号为“CN105002938A”的名为“一种一维水平循环荷载加载装置及其实验方法”的中国实用新型专利，该专利介绍了一种室内的水平循环荷载加载实验装置，该装置包括水平反力架和竖向反力架，通过设置在竖向反力架上的竖向千斤顶将实验桩压入到模型槽中，通过设置在水平反力架上的液压伺服对实验桩施加水平荷载，然后通过检测液压伺服施加的荷载力对实验桩荷载情况进行分析，通过该实验结构模拟钢管桩受到水平荷载的作用情况，以此来推断实际情况下的钢管桩的水平荷载情况。该装置操作方便，能够在一定程度上反映实际钢管桩的水平荷载情况，但是由于该实验装置属于实验室内的缩尺模型实验，实验桩是放置于实验槽内的软土层内的，软土层只能在一定程度上模拟实际钢管桩的插入地层，但是并不能完全代替，使用人工配制的软土层作为实验土层，只能在一定程度上反映钢管桩的受力情况，并不能准确地反映钢管桩在原状土荷载情况。

实用新型内容

本实用新型的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置。

本实用新型的技术方案为：一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：包括插打在钢管桩施工水域附近的陆地上的试桩和反力桩，两根钢管桩位于土体之上的桩身之间设置有对两根钢管桩施加水平荷载的施力装置；所述的试桩的桩身上安装有位移传感装置和压力传感装置；所述的位移传感装置包括基准梁；所述的基准梁上设置有多个位移传感器，多个位移传感器沿竖直方向相对间隔布置于试桩相对于千斤顶一侧的管壁上，多个位移传感器中至少有一个位移传感器与施力装置对试桩的施力点处于同一水平面。

进一步的所述的多个位移传感器中至少有一个位移传感器与泥面平行、至少有一个位移传感器与施力装置对试桩的施力点处于同一水平面、至少有一个位移传感器位于施力装置对试桩的施力点的正上方。

进一步的所述的施力装置包括千斤顶和传力柱；所述的传力柱为沿水平方向布置的工字钢，传力柱一端固定在反力桩位于土体上方的桩身外侧管壁上；所述的千斤顶的壳体固定在传力柱的另一端，千斤顶的顶推端沿水平方向固定在试桩位于土体上方的桩身外侧管壁上。

进一步的所述的施力装置还包括位于试桩和千斤顶之间的支座；所述的支座朝向试桩的一侧设置有贴合试桩管壁的圆弧形端面，支座另一侧固定在千斤顶的顶推端上。

进一步的所述的压力传感装置包括位于试桩深入到土体内部的桩身外侧管壁上的一组土压力传感器组，土压力传感器组位于试桩上施力装置对试桩的作用力的相对一侧，土压力传感器组包括多个沿竖直方向间隔布置的土压力传感器。

进一步的所述的压力传感装置包括位于试桩内侧管壁上的两组桩身传感器组，两组桩身传感器分置于试桩的直径的两侧，两组压力传感器组的水平连线与施力装置的施力方向重合，每组桩身传感器组包括多个沿竖直方向间隔布置的桩身传感器。

进一步的所述的试桩位于土体内的桩身内侧管壁上焊接有起保护作用的角钢；所述的角钢为沿竖直方向布置的三角形角钢，角钢的尖锐端部朝向试桩的轴向；所述的桩身传感器组位于角钢与管壁之间的空腔内。

一种进行模拟波浪荷载钢管桩水平循环的实验方法，用于通过对试桩施加水平荷载并实时监测，研究试桩在水平荷载作用下的工作特性、承载力弱化情况及对周边土体的影响范围，其特征在于：在实际钢管桩施工水域附近的陆地上插打试桩和反力桩，在两根试桩之间安装对两根试桩施加水平荷载的施力装置，对试桩1沿施力方向的位移和受力情况进行实时监测，对监测数据进行数据分析。

进一步的包括以下步骤：

1、在试桩的管壁外侧安装土压力传感器、在其管壁内侧安装桩身传感器，在桩身传感器的外侧焊接保护角钢；

2、在实际钢管桩施工水域附近的陆地上插打试桩和反力桩，两根试桩间隔布置；

3、根据该水域近两年的波浪高度情况计算模拟实验需要对试桩施加作用力的大小和对试桩施加作用力的位置，依照施加作用力位置的计算结果在两根试桩之间安装水平千斤顶，将千斤顶一端通过支座固定在试桩的外侧管壁上，另一端沿水平方向通过传力柱固定在反力桩上；

4、在试桩相对于反力桩的一侧安装位移传感器，然后驱动千斤顶依照施加作用力大小的计算结果对两根试桩施加沿水平方向的荷载；

5、通过位移传感器和压力传感器监测试桩的位移变化和受力情况，对获得的数据进行分析。

进一步的所述的步骤3中根据该水域近两年的波浪高度情况计算水平千斤顶对试桩施加作用力大小的计算方法为：

其中：P_Imax—作用于柱体计算高度上的最大惯性力(kN)；

C_M—惯性力系数；

γ—水的重度(kN/m3)；

A—柱体的横断面面积(m²)；

H—钢管桩所在处进行波波高(m)；

Z—在该水域最高波浪对钢管桩施加的最大惯性力的作用点在水面上的高度(m)。

进一步的所述的步骤3中根据该水域近两年的波浪高度情况计算水平千斤顶对试桩施加作用力的位置的计算方法为：

其中：h—千斤顶对试桩的施力点距离地面的高度(m)；

L—钢管桩的长度(m)；

Z—在该水域最高波浪对钢管桩施加的最大惯性力的作用点在水面上的高度(m)。

本实用新型的优点有：1、本实用新型结构简单，操作方便，能够快速的测量出该水域波浪对钢管桩最大的影响作用情况，为钢管桩在该水域实际工作情况提供详尽的参考资料，有利于钢管桩以及上部结构的施工运营；

2、本实用新型选取水文地质与工程现场水文地质一致的陆地作为实验用地，得出的实验结果更为接近钢管桩的实际受力情况，对实际工作情况具有更好的指导意义；

3、本实用新型通过在两根试桩之间设置千斤顶作为水平荷载的施力装置，能够长期稳定的对试桩施加稳定的作用力，无需引入大型的液压动力设备，结构更为简单，操作更为方便；

4、本实用新型通过在千斤顶与试桩时间设置球铰支座，增加了千斤顶与试桩外侧壁体之间的接触面积，使千斤顶对试桩的作用力更加稳定，能够更加清晰的模拟波浪对试桩的作用力；

5、本实用新型通过在试桩上安装位移传感器和压力传感器实时监测实验过程中试桩的工作情况，记录试桩在实验过程中的各种变化数据，通过该数据能够快速的分析出试桩在水平荷载作用下的工作特性、承载力弱化情况及对周边土体的影响范围；

6、本实用新型通过在试桩桩身安装测斜管，关注试桩泥面以下深层水平位移情况的变化，检测试桩的实验情况，通过另一方向佐证位移传感器的检测数据，提高了检测的安全性和准确性。

本实用新型通过对水文地质与钢管桩插打水域地层结构相同的附近陆地上的两根试桩进行水平荷载实验，以实验数据分析对钢管桩插打工作进行指导，提高了水平荷载实验的准确性，且本实验装置结构简单，操作方便，具有极大的推广价值。

附图说明

图1：本实用新型的结构示意图；

图2：本实用新型的支座的结构示意图；

图3：本实用新型的压力传感器布置结构示意图(主视图)；

图4：本实用新型的压力传感器布置结构示意图(截面视图)；

其中：1—试桩；2—反力桩；3—千斤顶；4—传力柱；5—支座； 6—基准梁；7—位移传感器；8—土压力传感器；9—桩身传感器；10 —角钢；11—测斜管；12—垫板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，本实施例通过在钢管桩施工水域附近的陆地上插打试桩，通过对试桩施加水平荷载并实时监测，研究试桩在水平荷载作用下的工作特性、承载力弱化情况及对周边土体的影响范围，从而做出对钢管桩的实际插打和工作情况做出指导作用。

如图1所示，本实施例包括两根试桩，试桩1，作为实验用桩，反力桩2，作为反作用力桩。两根试桩插打在钢管桩施工水域附近的陆地上，相对间隔布置，两根试桩之间安装有施力装置。

如图1所示，施力装置包括千斤顶3和传力柱4，传力柱4为沿水平方向布置的工字钢，传力柱4一端固定在反力桩2位于土体上方的桩身外侧管壁上，千斤顶3的壳体固定在传力柱4的另一端，千斤顶3的顶推端沿水平方向固定在试桩1位于土体上方的桩身外侧管壁上。

施力装置还包括位于试桩1和千斤顶3之间的支座5，支座5朝向试桩1的一侧设置有贴合试桩管壁的圆弧形端面，支座5另一侧固定在千斤顶3的顶推端上。

其中，传力柱4与反力桩2之间以及千斤顶3与传力柱4之间均设置有垫板12。垫板12用于增大接触面积，避免在千斤顶3水平顶升过程中与传力柱4滑脱。

在实验过程中需要对试桩1的实验情况进行检测获得试桩1的位移和受力数据，本实施例在试桩1上设置有位移传感装置和压力传感装置。

如图1所示，位移传感装置包括基准梁6，基准梁6上设置有不少于三个的多个位移传感器7，通过桩身3个不同标高处的水平位移测试，可计算分析得出m值(水平地基反力系数随深度增长的比例系数)的衰减、桩身自由端倾角的增大以及承载力的降低，三个位移传感器包括一个用于监测试桩泥面位移、一个监测荷载作用点位移、一个用于监测自由端偏转角度。

多个位移传感7沿竖直方向相对间隔布置于试桩1相对于千斤顶 3一侧的管壁上。位移传感器7位于试桩1的最大压应力侧用于检测试桩1沿施力方向出现的位移，设置多个位移传感器7是因为实际试验过程中试桩1位于土体上方的桩身因高度不同出现的横向位移也是不同的，即由于千斤顶3对试桩1的顶推，可能会出现试桩1出现倾斜，通过多个位移传感器7能够更加准确地测量出这种倾斜的状态，判断试桩的工作情况。

另外，在反力桩2相对于试桩1的一侧也是设置有用于监测位移的传感器，该传感器主要是出于安装实验的目的，避免因为施力过大导致反力桩2横向偏移过量。

如图3～4所示(箭头指示方向为千斤顶的施力方向)，本实施例的压力传感装置包括位于试桩1深入到土体内部的桩身外侧管壁上的一组土压力传感器组，土压力传感器组位于试桩1上施力装置对试桩1的作用力一侧，土压力传感器组包括多个沿竖直方向间隔布置的土压力传感器8。土压力传感器8用于监测试桩1外侧管壁受到的桩周土体抗力。

压力传感装置包括位于试桩1内侧管壁上的两组桩身传感器组，两组桩身传感器组分置于试桩1轴线的两侧，即施力装置的作用力一侧，和相对于该侧的另一侧，每组桩身传感器组包括多个沿竖直方向间隔布置的桩身传感器9。两组桩身传感器9用于监测试桩1的弯矩。

桩身传感器以不小于1m的间隔布设，更加精确的拟合出水平荷载作用下的桩身弯矩曲线。桩侧的土压力传感器每个土层至少布设1 个，对应于同一标高位置的水平位移绘制出P-Y曲线，可反算得出每个土层的水平地基抗力系数。

试桩1位于土体内的桩身内侧管壁上焊接有起保护作用的角钢 10，角钢10为沿竖直方向布置的三角形角钢，角钢10的尖锐端部朝向试桩1的轴线，桩身传感器组位于角钢10与管壁之间的空腔内。桩身传感器9位于试桩1内侧管壁上，在插打过程中，为了保护桩身传感器9不至于受到损坏，本实施例通过在桩身传感器9外侧安装角钢10对其进行保护。

如图3～4所示，为桩身传感器9的布置结构示意图，桩身传感器 9布置于试桩内侧的管壁上，用于监测试桩的弯矩。其中越接近土层表面，桩身传感器9布置的越密集。

本实施例还在角钢10与内侧管壁形成的空间内设置测斜管11，用于观测试桩1在实验过程中的深层水平位移变化情况。

实际施工步骤为：1、在试桩1的管壁外侧安装土压力传感器8、在其管壁内侧安装桩身传感器9，根据实际设计值布置土压力传感器 8和桩身传感器9，在桩身传感器组的外侧焊接保护角钢10，角钢10 的端部与试桩1的内侧管壁满焊，并在角钢10与管壁形成的空间内设置测斜管11；

2、在实际钢管桩施工水域附近的陆地上插打试桩1和反力桩2，两根试桩间隔布置；

3、根据近两年的该水域的波浪要素计算千斤顶3需要对试桩1 施加作用力的大小和施加作用力的位置(指施力点距离地面的高度)，主要是根据近两年的波浪情况来分析计算，然后根据该计算结构选取合适的千斤顶3，根据计算出的施力点位置在两根试桩之间安装水平千斤顶3，将千斤顶3一端通过支座5固定在试桩1的外侧管壁上，另一端沿水平方向通过传力柱4固定在反力桩2上；

4、在试桩1相对于反力桩2的一侧安装位移传感器7，确保至少有三个位移传感器7能够分别监测到试桩的泥面位移、荷载作用点位移以及自由端偏转角度，然后驱动千斤顶3根据计算出的施加作用力的大小对两根试桩施加沿水平方向的荷载；

5、通过位移传感器7、桩身传感器和土压力传感器监测试桩1 的位移、弯矩和受力情况，对获得的数据进行分析。通过对试桩1施加水平荷载并实时监测，研究试桩1在水平荷载作用下的工作特性、承载力弱化情况及对周边土体的影响范围，从而得到该地区地层情况的经验值，以此对该水域的钢管桩施工进行指导。

钢管桩沉桩前提前预埋观测通道、位移传感器、桩身传感器和土压力传感器，试验过程中可实测获得泥面以下桩身深层水平位移、弯矩以及桩周土体抗力，从而计算出循环试验过程中桩身弯矩的递增以及P-Y曲线的变化趋势，进而分析桩侧土体抗力的减小及承载力的降低。对于提高桥梁结构物的设计水平，延长结构物的使用寿命具有十分重要的理论价值和现实意义。

本实施例主要针对小尺度桩，即d/L≤0.2时的钢管桩，千斤顶3 对试桩施加的水平荷载与该水域近两年内最高波浪对钢管桩最大水平惯性冲击力相等。该水域近两年内最高波浪对钢管桩最大水平惯性冲击力的计算公式为：

其中：P_Imax—作用于柱体计算高度上的最大惯性力(kN)；

C_M—惯性力系数；

γ—水的重度(kN/m³)；

A—柱体的横断面面积(m²)；

H—钢管桩所在处进行波波高(m)；

Z—在该水域最高波浪对钢管桩施加的最大惯性力的作用点在水面上的高度(m)。

本实施例的Z可以根据实际现场情况测量得到，也可以根据公式计算出来，可根据下列公式计算出来；

Z＝d+η_max-0.5H (2)

其中：d—钢管桩所处的水域的水深(m)；

η_max—最大波浪的波峰在水面以上的高度(m)；

H—钢管桩所在处进行波波高(m)。

本实施例计算千斤顶3对试桩1的施力点位置h的计算公式为：

其中：h—千斤顶对试桩的施力点距离地面的高度(m)；

L—钢管桩的长度(m)；

Z—在该水域最高波浪对钢管桩施加的最大惯性力的作用点在水面上的高度(m)。

施加作用力的位置h是根据实际波浪对钢管桩作用情况计算出来的，即实际钢管桩在受到最大波浪作用时产生的弯矩与最大惯性作用力的比值。

根据式1和式3计算出柱体上的最大惯性力以及作用力的位置，根据计算结果进行试验，根据该实验结果计算该水域波浪对钢管桩的作用影响。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：包括插打在钢管桩施工水域附近的陆地上的试桩(1)和反力桩(2)，两根钢管桩位于土体之上的桩身之间设置有对两根钢管桩施加水平荷载的施力装置；所述的试桩(1)的桩身上安装有位移传感装置和压力传感装置；所述的位移传感装置包括基准梁(6)；所述的基准梁(6)上设置有多个位移传感器(7)，多个位移传感器(7)沿竖直方向相对间隔布置于试桩(1)相对于千斤顶(3)一侧的管壁上，多个位移传感器(7)中至少有一个位移传感器(7)与施力装置对试桩(1)的施力点处于同一水平面。

2.如权利要求要求1所述的一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：所述的多个位移传感器(7)中至少有一个位移传感器(7)与泥面平行、至少有一个位移传感器(7)与施力装置对试桩(1)的施力点处于同一水平面、至少有一个位移传感器(7)位于施力装置对试桩(1)的施力点的正上方。

3.如权利要求要求1所述的一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：所述的施力装置包括千斤顶(3)、传力柱(4)和支座(5)；所述的传力柱(4)为沿水平方向布置的工字钢，传力柱(4)一端固定在反力桩(2)位于土体上方的桩身外侧管壁上；所述的千斤顶(3)的壳体固定在传力柱(4)的另一端，千斤顶(3)的顶推端沿水平方向固定在试桩(1)位于土体上方的桩身外侧管壁上；所述的支座(5)位于试桩(1)和千斤顶(3)之间，支座(5)朝向试桩(1)的一侧设置有贴合试桩管壁的圆弧形端面，支座(5)另一侧固定在千斤顶(3)的顶推端上。

4.如权利要求要求1所述的一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：所述的压力传感装置包括位于试桩(1)深入到土体内部的桩身外侧管壁上的一组土压力传感器组，土压力传感器组位于试桩(1)上施力装置对试桩(1)的作用力的相对一侧，土压力传感器组包括多个沿竖直方向间隔布置的土压力传感器(8)。

5.如权利要求要求1所述的一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：所述的压力传感装置包括位于试桩(1)内侧管壁上的两组桩身传感器组，两组桩身传感器分置于试桩(1)的直径的两侧，两组压力传感器组的水平连线与施力装置的施力方向重合，每组桩身传感器组包括多个沿竖直方向间隔布置的桩身传感器(9)。

6.如权利要求要求5所述的一种模拟波浪荷载的钢管桩水平循环实验装置，其特征在于：所述的试桩(1)位于土体内的桩身内侧管壁上焊接有起保护作用的角钢(10)；所述的角钢(10)为沿竖直方向布置的三角形角钢，角钢(10)的尖锐端部朝向试桩(1)的轴向；所述的桩身传感器组位于角钢(10)与管壁之间的空腔内。