CN220789884U - 一种用于桩基工程的多功能模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于桩基工程的多功能模型试验装置，一种用于桩基工程的多功能模型试验装置包括底座、外保护壳、主梁、抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件加载装置、模型箱和数据采集设备；本实用新型可以在模型箱内不同位置进行沉桩、抗压、抗拔等多类型模型试验，试验装置部件拆卸性好，易于搬运且空间利用率高，可模拟多种工况，有利于提高试验效率。

Description

一种用于桩基工程的多功能模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及地基基础工程技术领域，具体涉及一种用于桩基工程的多功能模型试验装置及使用方法。

背景技术

桩基工程属岩土工程领域一重要组成部分，桩基础广泛应用于建筑工程与桥梁工程之中，不同的应用场景需要进行针对性的研究。由于岩土工程具有很强的地域性与复杂性，因此原位试验最能反映其实际情况，但其具有材料耗量多、试验周期长以及消耗大量人力和财力等缺点，而模型试验可操作性强、方便控制试验进度、可大幅缩短周期、节省时间、财力物力等优点，从而在科学研究和工程实践中被广泛应用。在桩基础的试验研究领域中，按照一定比例设置模型的大小，选择一定强度的材料做桩体，改变桩型、桩径、沉桩方式、土体力学指标等试验条件，从而获得模型中各个构件的受力情况和破坏特征或土体的应力变化情况，在较短的时间内为试验者提供真实有效的试验数据。

当前针对桩基工程竖向加载的试验研究主要为沉桩试验、单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验。然而现有桩基模型试验装置多只应用于单一使用场景，且只能在固定位置进行试验，大量浪费了试验成本和试验场地，增加了多种试验装置的使用学习成本，例如授权公告号为CN104515734B的中国专利公开了一种管桩竖向静载试验可视化模拟装置及模拟方法，加载系统用螺栓固定在反力架上推拉电动机固定在反力架上，推拉杆连接在推拉电动机上，在推拉杆中间部位通过内置螺纹将拉压传感器和推拉杆连接，拉压传感器导线连接在加载数据控制设备上；推拉杆通过反力架上的预留孔与加载系统连接，模型桩上端通过连接套管连接在推拉杆的吸风，模型桩穿过定位板上的预留孔，定位板通过连接纽扣固定在支架上，固定在模型桩桩顶通过连接套管连接在推拉杆的下方，反力架上的预留孔与穿过定位板上的预留孔在同一铅垂线上，模型桩下端穿过定位板上的预留孔伸入模型箱内。该专利应用于单一使用场景，且只能在固定位置进行试验，大量浪费了试验成本和试验场地，增加了多种试验装置的使用学习成本。

因此，亟需一种应用场景广泛、科学可靠、以便于更加高效、科学和深入地针对桩基工程的具体问题进行研究分析的用于桩基工程的多功能模型试验装置，已是一个值得研究的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种应用场景广泛、科学可靠、以便于更加高效、科学和深入地针对桩基工程的具体问题进行研究分析的用于桩基工程的多功能模型试验装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种用于桩基工程的多功能模型试验装置，包括底座、与底座通过滑动机构连接的外保护壳、两端与外保护壳通过滚动组件连接的主梁、位于主梁上的抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件、位于外保护壳内的加载装置、模型箱、位于模型箱内的模型桩、布设于模型桩侧壁上的应变片、与应变片和拉压传感器连接的数据采集设备，数据采集设备采集应变片和拉压传感器的数据并将采集数据传递给计算机进行处理。

所述抗拔试验装配组件包括沿主梁的长度方向移动的第一滑块、与第一滑块的底部连接的第一滑块轴承、与第一滑块轴承的底部连接的下底板、与下底板固定连接的拉压传感器、与拉压传感器的底部固定连接的吊环、与吊环连接的钢绞线，钢绞线与模型桩固定连接，下底板位于主梁的下方，第一滑块轴承的底部穿过主梁位于主梁的下方，拉压传感器与数据采集设备连接。

所述沉桩试验装配组件包括沿主梁的长度方向移动的第一滑块、与第一滑块的底部连接的第一滑块轴承、与第一滑块轴承的底部连接的下底板、与下底板固定连接的拉压传感器、与拉压传感器的底部固定连接限位器，限位器用于使模型桩定位，拉压传感器与数据采集设备连接。

所述限位器包括位于水平方向的圆盘、与圆盘的左右两侧固定连接的连接杆、与连接杆连接的半圆形抱箍，两个半圆形抱箍分别与两个连接杆固定，两个半圆形抱箍的直径与模型桩的外径尺寸相同，模型桩位于两个半圆形抱箍内。

抗压试验装配组件包括沿主梁的长度方向移动的第一滑块、与第一滑块的底部连接的第一滑块轴承、与第一滑块轴承的底部连接的下底板、与下底板固定连接的拉压传感器、与拉压传感器的底部固定连接的受压顶板。

所述滑动机构包括与底座的上表面固定连接的滑轨、与外保护壳底部固定连接的外保护壳底座、与外保护壳底座的底部固定连接的第二滑块焊接托板、与第二滑块焊接托板的下表面固定连接的第二滑块，第二滑块与滑轨滑动配合。

所述滚动组件包括位于外保护壳上的导轨、与导轨滑动配合且位于主梁左右两端的滑轮，滑轮通过连接块与主梁的左右两端固定连接。

所述滑轮上设有滑轮内槽，导轨底部距模型箱的箱顶20cm以上时，所述导轨的轨道间距比同侧两个滑轮内槽的直径与滑轮内槽的轴心距之和大2-5mm，导轨底部距模型箱的箱顶20cm以内时，所述导轨的轨道间距比滑轮直径与两个滑轮轴心距之和大5-10mm。沉桩试验对于桩身垂直度要求较高，在20cm以上较窄，滑轮内槽贴合导轨可以充分限制沉桩过程中主梁晃动，避免模型桩沉歪；20cm以下时较宽，略大于滑轮直径与两个滑轮轴心距之和，使得滑轮损坏时可以卸下更换。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的桩基模型试验装置结构简单、装配方便，可进行沉桩试验、竖向抗压静载试验、竖向抗拔静载试验，集成化程度较高，节省了机械设备和其他人力物力，且滑轮和导轨的作用使得加载方向保持垂直，延长了加载装置的使用寿命，并利用主梁上的可移动滑块与底座上的导轨，使得可以在模型箱内进行全方位的试验。利用本试验装置，可针对某一具体工程实例进行多种使用场景下的试验，以更好地针对该工程实例进行全方位的深入研究。

附图说明

图1为本实用新型的试验装置总体结构示意图；

图2为本实用新型的加载装置竖向导轨示意图；

图3为本实用新型的抗拔试验装配式组件示意图；

图4为本实用新型的沉桩试验装配式组件示意图；

图5为本实用新型的抗压试验装配式组件示意图；

图6为本实用新型的滑轮及竖向导轨结构示意图；

图7为本实用新型的底座及水平滑轨结构示意图；

图中为：模型箱1、加载装置2、主梁3、拉压传感器4、第一滑块5、滑轮6、吊环7、限位器8、受压顶板9、钢绞线10、模型桩11、外保护壳12、导轨13、底座14、第二滑块15、滑轨16、数据采集装置17、计算机18、箱门19、把手20、油缸前法兰21、钢板31、下底板51、第一滑块轴承52、连接块61、滑轮内槽62、半圆抱箍81、连接杆82、外保护壳底座111、第二滑块焊接托板151。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，一种用于桩基工程的多功能模型试验装置，包括底座14、与底座14通过滑动机构连接的外保护壳12、两端与外保护壳12通过滚动组件连接的主梁2、位于主梁2上的抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件、位于外保护壳12内的加载装置2、模型箱1、位于模型箱1内的模型桩11、布设于模型桩侧壁上的应变片、与应变片和拉压传感器4连接的数据采集设备，数据采集设备采集应变片和拉压传感器4的数据并将采集数据传递给计算机进行处理。

抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件可通过螺栓组件与主梁3连接，便于根据实际情况进行更换。本实用新型抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件解决了现有模型试验装置多只应用于单一使用场景，且只能在固定位置进行试验的问题。通过试验用土中埋设的测量元件和模型桩11布设的应变片，可以监测试验过程中土体和桩体的受力及位移，且通过有机玻璃板侧壁，可直接观察填土厚度和桩体状态，箱门通过合页开闭，极大地加快了试验人员的工作进度和减小了装置的使用学习成本。

主梁3由两个工字钢通过布置在边缘和中部的钢板31焊接而成，两个工字钢的间距大于第一滑块轴承52直径2-5mm，主梁3两端通过螺栓与加载装置2的液压油缸前的法兰21连接，保证法兰盘和主梁3的水平度。

模型箱1用于装填试验用土，土中可设置土压力盒、孔隙水压力传感器等测量元件；模型箱1四个侧面均为有机玻璃板，厚度为15mm，其中一个侧面为三个合页箱门，每个箱门通过两侧的螺栓与箱体密封连接，箱门19布置有把手20，便于装卸试验用土时开闭箱门19，箱体沿竖直方向上均匀布置由角钢构成的三道加劲肋。有机玻璃板可以实现在填土过程中控制土层厚度，也可实现在试验过程中观察土体的变形和模型桩11的状态。

如图3所示，所述抗拔试验装配组件包括沿主梁3的长度方向移动的第一滑块5、与第一滑块5的底部连接的第一滑块轴承52、与第一滑块轴承52的底部连接的下底板51、与下底板51固定连接的拉压传感器4、与拉压传感器4的底部固定连接的吊环7、与吊环7连接的钢绞线10，钢绞线10与模型桩11固定连接，下底板51位于主梁3的下方，第一滑块轴承52的底部穿过主梁3位于主梁3的下方，拉压传感器4与数据采集设备17连接。吊环7上部圆柱部分套丝，直径等于拉压传感器4螺栓孔径，下部圆环位置开口，便于钢绞线10直接套进吊环7。

如图7所示，所述滑动机构包括与底座14的上表面固定连接的滑轨15、与外保护壳12底部固定连接的外保护壳底座111、与外保护壳底座111的底部固定连接的第二滑块焊接托板151、与第二滑块焊接托板151的下表面固定连接的第二滑块15，第二滑块15与滑轨16滑动配合。且滑轮6和导轨13的作用使得加载方向保持垂直，延长了加载装置2的使用寿命，并利用主梁3上的可移动第二滑块15与底座14上的导轨16，使得可以在模型箱1内进行全方位的试验。

如图6所示，所述滚动组件包括位于外保护壳12上的导轨13、与导轨13滑动配合且位于主梁3左右两端的滑轮6，滑轮6通过连接块61与主梁3的左右两端固定连接。所述滑轮6上设有滑轮内槽62，导轨13底部距模型箱1的箱顶20cm以上时，所述导轨13的轨道间距比同侧两个滑轮内槽62的直径与滑轮内槽62的轴心距之和大2-5mm，导轨13底部距模型箱1的箱顶20cm以内时，所述导轨13的轨道间距比滑轮6直径与两个滑轮6轴心距之和大5-10mm。沉桩试验对于桩身垂直度要求较高，在20cm以上较窄，滑轮内槽贴合导轨可以充分限制沉桩过程中主梁晃动，避免模型桩沉歪；20cm以下时较宽，略大于滑轮直径与两个滑轮轴心距之和，使得滑轮损坏时可以卸下更换，在组装试验设备时，可在该位置将滑轮6安装和取下，便于组装时安装及损坏时更换。

实施例2：

如图1和图2所示，一种用于桩基工程的多功能模型试验装置，包括底座14、与底座14通过滑动机构连接的外保护壳12、两端与外保护壳12通过滚动组件连接的主梁2、位于主梁2上的抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件、位于外保护壳12内的加载装置2、模型箱1、位于模型箱1内的模型桩11、布设于模型桩侧壁上的应变片、与应变片和拉压传感器4连接的数据采集设备，数据采集设备采集应变片和拉压传感器4的数据并将采集数据传递给计算机进行处理。

抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件可通过螺栓组件与主梁3连接，便于根据实际情况进行更换。本实用新型抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件解决了现有模型试验装置多只应用于单一使用场景，且只能在固定位置进行试验的问题。通过试验用土中埋设的测量元件和模型桩11布设的应变片，可以监测试验过程中土体和桩体的受力及位移，且通过有机玻璃板侧壁，可直接观察填土厚度和桩体状态，箱门通过合页开闭，极大地加快了试验人员的工作进度和减小了装置的使用学习成本。

主梁3由两个工字钢通过布置在边缘和中部的钢板31焊接而成，两个工字钢的间距大于第一滑块轴承52直径2-5mm，主梁3两端通过螺栓与加载装置2的液压油缸前的法兰21连接，保证法兰盘和主梁3的水平度。

模型箱1用于装填试验用土，土中可设置土压力盒、孔隙水压力传感器等测量元件；模型箱1四个侧面均为有机玻璃板，厚度为15mm，其中一个侧面为三个合页箱门，每个箱门通过两侧的螺栓与箱体密封连接，箱门19布置有把手20，便于装卸试验用土时开闭箱门19，箱体沿竖直方向上均匀布置由角钢构成的三道加劲肋。有机玻璃板可以实现在填土过程中控制土层厚度，也可实现在试验过程中观察土体的变形和模型桩11的状态。

如图4所示，所述沉桩试验装配组件包括沿主梁3的长度方向移动的第一滑块5、与第一滑块5的底部连接的第一滑块轴承52、与第一滑块轴承52的底部连接的下底板51、与下底板51固定连接的拉压传感器4、与拉压传感器4的底部固定连接的限位器8，限位器8用于使模型桩11定位，拉压传感器4与数据采集设备17连接。所述限位器8包括位于水平方向的圆盘、与圆盘的左右两侧固定连接的连接杆81、与连接杆81连接的半圆形抱箍82，两个半圆形抱箍82分别与两个连接杆81固定，两个半圆形抱箍82的直径与模型桩11的外径尺寸相同，模型桩11位于两个半圆形抱箍82内。限位器8上部的圆柱部分套丝，直径等于拉压传感器4螺栓孔径，下部两个半圆形抱箍81通过螺栓安装在与圆盘相连的连接杆82上。

如图7所示，所述滑动机构包括与底座14的上表面固定连接的滑轨15、与外保护壳12底部固定连接的外保护壳底座111、与外保护壳底座111的底部固定连接的第二滑块焊接托板151、与第二滑块焊接托板151的下表面固定连接的第二滑块15，第二滑块15与滑轨16滑动配合。且滑轮6和导轨13的作用使得加载方向保持垂直，延长了加载装置2的使用寿命，并利用主梁3上的可移动第二滑块15与底座14上的导轨16，使得可以在模型箱1内进行全方位的试验。

如图6所示，所述滚动组件包括位于外保护壳12上的导轨13、与导轨13滑动配合且位于主梁3左右两端的滑轮6，滑轮6通过连接块61与主梁3的左右两端固定连接。所述滑轮6上设有滑轮内槽62，导轨13底部距模型箱1的箱顶20cm以上时，所述导轨13的轨道间距比同侧两个滑轮内槽62的直径与滑轮内槽62的轴心距之和大2-5mm，导轨13底部距模型箱1的箱顶20cm以内时，所述导轨13的轨道间距比滑轮6直径与两个滑轮6轴心距之和大5-10mm。沉桩试验对于桩身垂直度要求较高，在20cm以上较窄，滑轮内槽贴合导轨可以充分限制沉桩过程中主梁晃动，避免模型桩沉歪；20cm以下时较宽，略大于滑轮直径与两个滑轮轴心距之和，使得滑轮损坏时可以卸下更换，在组装试验设备时，可在该位置将滑轮6安装和取下，便于组装时安装及损坏时更换。

实施例3：

如图1和图2所示，一种用于桩基工程的多功能模型试验装置，包括底座14、与底座14通过滑动机构连接的外保护壳12、两端与外保护壳12通过滚动组件连接的主梁2、位于主梁2上的抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件、位于外保护壳12内的加载装置2、模型箱1、位于模型箱1内的模型桩11、布设于模型桩侧壁上的应变片、与应变片和拉压传感器4连接的数据采集设备，数据采集设备采集应变片和拉压传感器4的数据并将采集数据传递给计算机进行处理。

抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件可通过螺栓组件与主梁3连接，便于根据实际情况进行更换。本实用新型抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件解决了现有模型试验装置多只应用于单一使用场景，且只能在固定位置进行试验的问题。通过试验用土中埋设的测量元件和模型桩11布设的应变片，可以监测试验过程中土体和桩体的受力及位移，且通过有机玻璃板侧壁，可直接观察填土厚度和桩体状态，箱门通过合页开闭，极大地加快了试验人员的工作进度和减小了装置的使用学习成本。

主梁3由两个工字钢通过布置在边缘和中部的钢板31焊接而成，两个工字钢的间距大于第一滑块轴承52直径2-5mm，主梁3两端通过螺栓与加载装置2的液压油缸前的法兰21连接，保证法兰盘和主梁3的水平度。

模型箱1用于装填试验用土，土中可设置土压力盒、孔隙水压力传感器等测量元件；模型箱1四个侧面均为有机玻璃板，厚度为15mm，其中一个侧面为三个合页箱门，每个箱门通过两侧的螺栓与箱体密封连接，箱门19布置有把手20，便于装卸试验用土时开闭箱门19，箱体沿竖直方向上均匀布置由角钢构成的三道加劲肋。有机玻璃板可以实现在填土过程中控制土层厚度，也可实现在试验过程中观察土体的变形和模型桩11的状态。

如图5所示，抗压试验装配组件包括沿主梁3的长度方向移动的第一滑块5、与第一滑块5的底部连接的第一滑块轴承52、与第一滑块轴承52的底部连接的下底板51、与下底板51固定连接的拉压传感器4、与拉压传感器4的底部固定连接的受压顶板9。受压顶板9上部圆柱部分套丝，直径等于拉压传感器4螺栓孔径，圆柱高度与拉压传感器4高度之和与大于抗压静载试验所用百分表的高度。

如图7所示。所述滑动机构包括与底座14的上表面固定连接的滑轨15、与外保护壳12底部固定连接的外保护壳底座111、与外保护壳底座111的底部固定连接的第二滑块焊接托板151、与第二滑块焊接托板151的下表面固定连接的第二滑块15，第二滑块15与滑轨16滑动配合。且滑轮6和导轨13的作用使得加载方向保持垂直，延长了加载装置2的使用寿命，并利用主梁3上的可移动第二滑块15与底座14上的导轨16，使得可以在模型箱1内进行全方位的试验。

如图6所示，所述滚动组件包括位于外保护壳12上的导轨13、与导轨13滑动配合且位于主梁3左右两端的滑轮6，滑轮6通过连接块61与主梁3的左右两端固定连接。所述滑轮6上设有滑轮内槽62，导轨13底部距模型箱1的箱顶20cm以上时，所述导轨13的轨道间距比同侧两个滑轮内槽62的直径与滑轮内槽62的轴心距之和大2-5mm，导轨13底部距模型箱1的箱顶20cm以内时，所述导轨13的轨道间距比滑轮6直径与两个滑轮6轴心距之和大5-10mm。沉桩试验对于桩身垂直度要求较高，在20cm以上较窄，滑轮内槽贴合导轨可以充分限制沉桩过程中主梁晃动，避免模型桩沉歪；20cm以下时较宽，略大于滑轮直径与两个滑轮轴心距之和，使得滑轮损坏时可以卸下更换，在组装试验设备时，可在该位置将滑轮6安装和取下，便于组装时安装及损坏时更换。

Claims (8)

1.一种用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：包括底座、与底座通过滑动机构连接的外保护壳、两端与外保护壳通过滚动组件连接的主梁、位于主梁上的抗拔试验装配组件、沉桩试验装配组件和抗压试验装配组件、位于外保护壳内的加载装置、模型箱、位于模型箱内的模型桩、布设于模型桩侧壁上的应变片、与应变片和拉压传感器连接的数据采集设备，数据采集设备采集应变片和拉压传感器的数据并将采集数据传递给计算机进行处理。

2.根据权利要求1所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：所述抗拔试验装配组件包括沿主梁的长度方向移动的第一滑块、与第一滑块的底部连接的第一滑块轴承、与第一滑块轴承的底部连接的下底板、与下底板固定连接的拉压传感器、与拉压传感器的底部固定连接的吊环、与吊环连接的钢绞线，钢绞线与模型桩固定连接，下底板位于主梁的下方，第一滑块轴承的底部穿过主梁位于主梁的下方，拉压传感器与数据采集设备连接。

3.根据权利要求1所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：所述沉桩试验装配组件包括沿主梁的长度方向移动的第一滑块、与第一滑块的底部连接的第一滑块轴承、与第一滑块轴承的底部连接的下底板、与下底板固定连接的拉压传感器、与拉压传感器的底部固定连接限位器，限位器用于使模型桩定位，拉压传感器与数据采集设备连接。

4.根据权利要求3所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：所述限位器包括位于水平方向的圆盘、与圆盘的左右两侧固定连接的连接杆、与连接杆连接的半圆形抱箍，两个半圆形抱箍分别与两个连接杆固定，两个半圆形抱箍的直径与模型桩的外径尺寸相同，模型桩位于两个半圆形抱箍内。

5.根据权利要求1所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：抗压试验装配组件包括沿主梁的长度方向移动的第一滑块、与第一滑块的底部连接的第一滑块轴承、与第一滑块轴承的底部连接的下底板、与下底板固定连接的拉压传感器、与拉压传感器的底部固定连接的受压顶板。

6.根据权利要求1所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：所述滑动机构包括与底座的上表面固定连接的滑轨、与外保护壳底部固定连接的外保护壳底座、与外保护壳底座的底部固定连接的第二滑块焊接托板、与第二滑块焊接托板的下表面固定连接的第二滑块，第二滑块与滑轨滑动配合。

7.根据权利要求1所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：所述滚动组件包括位于外保护壳上的导轨、与导轨滑动配合且位于主梁左右两端的滑轮，滑轮通过连接块与主梁的左右两端固定连接。

8.根据权利要求7所述的用于桩基工程的多功能模型试验装置，其特征在于：所述滑轮上设有滑轮内槽，导轨底部距模型箱的箱顶20cm以上时，所述导轨的轨道间距比同侧两个滑

轮内槽的直径与滑轮内槽的轴心距之和大2-5mm，导轨底部距模型箱的箱顶20cm以内时，

所述导轨的轨道间距比滑轮直径与两个滑轮轴心距之和大5-10mm。