本发明涉及一种多功能桩基模型试验系统及其组装和试验方法。
背景技术：
桩基础的作用是将上部荷载传递到下部坚硬的岩层中，因其具有承载力高，沉降小的优良特性，使得桩基础在城市高层建筑、港口码头和抗震工程中得到越来越广泛的使用。因此通过试验进一步研究桩基承载力特性，具有重要意义。
工程现场的原型桩静载试验是设计和确定桩基承载力、研究桩基承载变形性能的最直接、最可靠的方法，但由于试验周期长、成本高、边界条件复杂、影响因素多且易受到场地和工期等因素限制，仅应用于较少重要工程中。因此模型试验作为重要的科学研究手段被广泛应用，其试件按原型以一定比例缩小，所需空间场地较小，对加载等试验设备的要求也相对较低，可重复进行试验以消除试验误差，是测试结果更准确。同时可根据需要精确设定和控制边界条件、桩土材料特性，在研究桩土作用时具有很强的针对性和目的性，所获信息远比原型观测和静载试验多，具有省时省力、经济、易操作、针对性强、主要指标可控性好、测试准确等诸多优点，这使其成为桩基承载性能研究过程中不可或缺的一种科研方法。
目前国内外关于桩基承载特的模型试验等方面的研究取得了较为丰硕的成果，对理论研究和工程实践具有重要的指导作用。但是仍然存在一定的不足之处：桩基的边界条件、土层的力学特性等因素，不易控制；在使用原型材料制造模型时，反映桩基的桩土相互作用、受力特性及变形特性等不相似，其试验结果亦不能反映原型形态；在模型试验中仅施加一个方向的荷载；模型试验一般只能进行有限的次数，不能实现反复循环，因此急需设计一种功能丰富、操作简单、绿色循环的桩基模型试验系统。
技术实现要素：
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供了一种操作简单、功能丰富、能直接够观察到土体变形情况、能够重复试验实现不同目的、测量精确、能够实时显示试验数据和相应曲线的多功能桩基模型试验系统及其组装和试验方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多功能桩基模型试验系统，包括底座；在所述的底座上安装有导轨，在所述的导轨上安装有能沿其回来滑动的水箱和土箱，所述的土箱安装在所述的水箱内,所述的水箱外部和顶部安装有加载系统，所述的加载系统能根据加载的要求设定荷载的大小和加载时间，进而对土箱内填筑的试验土体，并在试验土体内埋设有监测元件，所述的监测元件与数据采集装置相连，所述的数据采集装置与数显系统相连。
进一步的，在所述的底座顶部还有安装有四个竖直的立柱，用于支撑加载系统。
进一步的，所述的加载系统包括水平加载装置和竖直加载装置，所述的水平加载装置包括一个水平梁和水平千斤顶；所述的水平梁安装在竖直的立柱上；所述的竖直加载装置包括一个反力架，在所述的反力架安装在竖直立柱的顶部，在所述的反力架的底部安装在竖直千斤顶。
进一步的，所述的反力架由四根主梁和一根次梁组成，所述的四根主梁组成一个矩形结构，所述的次梁位于矩形结构的中部，可自由滑动，所述的竖直千斤顶在次梁上自由滑动，以便实现不同位置的加载，试验加载时千斤顶直接作用于次梁上。反力架刚度足够大，能够保证整体稳定性。
进一步的，所述的监测元件包括土压力盒、传感器和应变片。
进一步的，所述的数显系统能够显示数据表格和自动绘制曲线。
进一步的，所述底座，满足强度要求，能够支撑上部结构的自重以及反力；导轨的作用是能够将主体水箱和土箱自由移动出来，方便后期重复填土，以实现不同功能，从而来研究不同情况下桩基的承载特性。
进一步的，为了研究地下水对桩基承载力的影响以及海洋桩基承载特性，增设了水箱这一结构，所述的水箱由透明玻璃构成，目的是能够观察后期试验水位的变化，水箱的三面是练成一体，另一面可以拆卸，能够自由组合，以便后期重复填砂，实现不同研究目的。需要保证整个水箱的密封性，不至漏水。
进一步的，所述的土箱是填筑试验土体的装置，土箱的三面由钢板组成，钢板分块组装，能够自由拆卸，以便后期研究基坑开挖和盾构施工对桩基承载力的影响；另一面采用透明玻璃组成，以便对试验土料填筑情况以及后续土体变形情况进行直接观察，玻璃可以进行更换，后期可替换成含有孔洞的玻璃，来研究地下水对桩基承载力的影响。
一种多功能桩基模型试验系统的组装及使用方法，包括以下步骤：
a.按照设计要求和研究目的来加工试验水箱、土箱、反力架、导轨和底座。
b.预制模型桩，具体数量根据试验研究决定。
c.安装导轨和底座，焊接成为一体，将试验水箱和土箱组拼好，土箱在水箱的内侧，焊接好之后，能够在导轨上固定和移动。由于水箱由透明玻璃组成，为了避免水箱承受水压后变形，在水箱的外侧设定足够多的肋板；
d.在土箱内填筑试验土体，并埋设测量系统即监测元件，将特定数量的预制桩体根据研究需求埋设在特定位置。
e.安装钢柱、主梁、次梁和水平梁，并将一液压千斤顶竖向连接在次梁上，另一液压千斤顶横向连接在水平梁上，保证千斤顶能够在次梁和水平梁上自由移动，次梁和水平梁也能自动移动。
f.引出数据线，连接采集装置，采集装置能够自动采集，并与数显系统相连，数显系统含有软件能够提供数据表格和自动绘制曲线。
g.进行试验，得出相应数据和曲线，总结规律，给出结论。
h.试验结束后，可将试验水箱和土箱通过导轨移动出来，更换土体、钢板或者玻璃，可根据需要，进行不同情况下桩基承载特性测试的室内研究。
本发明研究了模型试验中桩基承载特性，解决了现实过程中桩基承载力难以测试的问题，采用导轨的独特设计，能够反复利用该模型架，有助于全面了解各种条件下的桩基承载特性，与前人研究相比，与工程实践更接近，所得出的研究成果对于指导桩基设计有重要意义。
本发明试验装置的主体部分可拆离，方便填料，有利于重复利用试验装置，整个装置结构紧凑、强度高、刚度大，不会发生变形，室内尺寸2m×2m×2m。
本发明与国内外同类装置相比，具有以下优点：
1.能够成功的模拟现实过程中桩基的承载特性发挥过程，为指导桩基设计和桩基承载特性理论研究提供有效参考依据；
2.采用透明钢化玻璃，能够对试验土料填筑情况以及后续土体变形情况进行直接观察；
3.整个装置密封性好，强度和刚度大，不会变形，保证试验台架的稳定性；
4.采集装置可以实现自动采集，与数显系统连接，数显系统含有软件能够提供数据表格和自动绘制曲线；
5.功能丰富，可以研究包括水平荷载、竖向荷载、不同型式桩、不同土层、基坑开挖、盾构施工、地下水、海洋桩基、单桩、群桩等不同条件；
6.整个装置结构简单，易于组装操作，采用导轨设计，便于重复试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是多功能桩基模型试验系统示意图。
其中：1.钢板底座；2.导轨；3.试验水箱；4.试验土箱；5.反力架；6.竖向千斤顶；7.水平向千斤顶；8.次梁；9.水平梁；10.主梁；11.立柱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在桩基的边界条件、土层的力学特性等因素，不易控制；在使用原型材料制造模型时，反映桩基的桩土相互作用、受力特性及变形特性等不相似，其试验结果亦不能反映原型形态；在模型试验中仅施加一个方向的荷载；模型试验一般只能进行有限的次数，不能实现反复循环，因此急需设计一种功能丰富、操作简单、绿色循环的桩基模型试验系统，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多功能桩基模型试验系统及其组装和试验方法。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是一种多功能桩基模型试验系统示意图，包括钢板底座1、导轨2、试验水箱3、试验土箱4，反力架5，加载系统、测量系统、采集装置和预制桩体。
在所述的钢板底座1上安装有导轨2，在所述的导轨2上安装有能沿其回来滑动的试验水箱3和试验土箱4，所述的土箱安装在所述的水箱内,所述的水箱外部和顶部安装有加载系统。加载系统包括加载装置和反力架5，能够自动控制，可以自主设定荷载大小和加载时间。测量系统由各种不同的测量设备组成，如土压力盒、传感器、应变片等。采集装置可以实现自动采集，与数显系统连接，数显系统含有软件能够提供数据表格和自动绘制曲线。
本发明提供了一种操作简单、功能丰富、能够研究不同情况不同持力层不同型式单桩和群桩承载特性的试验装置。与前人研究相比，所得的结果更准确，能够有效测量沉降数据，实现不同功能，能够成功的模拟现实过程中桩基的承载特性发挥过程，为指导桩基设计和桩基承载特性理论研究提供有效参考依据，适用范围更广。
为了研究地下水对桩基承载力的影响以及海洋桩基承载特性，增设了水箱这一结构，水箱由透明玻璃构成，目的是能够观察后期试验水位的变化，水箱的三面是练成一体，另一面可以拆卸，能够自由组合，以便后期重复填砂，实现不同研究目的。需要保证整个水箱的密封性，不至漏水。
土箱是填筑试验土体的装置，土箱的三面由钢板组成，钢板分块组装，能够自由拆卸，以便后期研究基坑开挖和盾构施工对桩基承载力的影响；另一面采用透明玻璃组成，以便对试验土料填筑情况以及后续土体变形情况进行直接观察，玻璃可以进行更换，后期可替换成含有孔洞的玻璃，来研究地下水对桩基承载力的影响。
加载系统由液压千斤顶和反力架组成，液压千斤顶分水平向和竖向的，能够自主控制加载大小和加载时间。反力架由四根主梁和一根次梁组成，次梁位于主梁中部，可自由滑动，千斤顶也可以在次梁上自由滑动，以便实现不同位置的加载，试验加载时千斤顶直接作用于次梁上。反力架刚度足够大，能够保证整体稳定性。
钢板底座1高40cm，满足强度要求，能够支撑上部结构的自重以及反力。
导轨2的作用是能够将主体水箱和土箱自由移动出来，方便后期重复填土，以实现不同功能，从而来研究不同情况下桩基的承载特性。
所述的反力架5由四根主梁10和一根次梁8组成，所述的四根主梁10组成一个矩形结构，所述的次梁8位于矩形结构的中部，可自由滑动，所述的竖直千斤顶在次梁上自由滑动，以便实现不同位置的加载，试验加载时千斤顶直接作用于次梁上。反力架刚度足够大，能够保证整体稳定性。
本发明还提供了一种多功能桩基模型试验系统的组装及使用方法，包括以下步骤：
a.按照设计要求和研究目的来加工试验水箱3、土箱4、反力架5、导轨2和钢板底座1。
b.预制模型桩，具体数量根据试验研究决定。
c.安装导轨2和底座1，焊接成为一体，将试验水箱3和土箱4组拼好，土箱4在水箱3的内侧，焊接好之后，能够在导轨2上固定和移动。由于水箱3由透明玻璃组成，为了避免水箱承受水压后变形，在水箱3的外侧设定足够多的肋板。
d.在土箱4内填筑试验土体，并埋设测量系统即监测元件，将特定数量的预制桩体根据研究需求埋设在特定位置。
e.安装钢柱11、主梁10、次梁8和水平梁9，并将一液压千斤顶6竖向连接在次梁8上，另一液压千斤顶7横向连接在水平梁9上，保证千斤顶能够在次梁8和水平梁上9自由移动，次梁8和水平梁9也能自动移动。
f.引出数据线，连接采集装置，采集装置能够自动采集，并与数显系统相连，数显系统含有软件能够提供数据表格和自动绘制曲线。
g.进行试验，得出相应数据和曲线，总结规律，给出结论。
h.试验结束后，可将试验水箱3和土箱4通过导轨2移动出来，更换土体、钢板或玻璃，可根据需要进行不同情况下桩基承载特性测试的室内研究。
进一步的，本发明中使用的测量设备、采集装置和数显系统为现有仪器设备，在此不再赘述。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1.能够成功的模拟现实过程中桩基的承载特性发挥过程，为指导桩基设计和桩基承载特性理论研究提供有效参考依据；
2.采用透明钢化玻璃，能够对试验土料填筑情况以及后续土体变形情况进行直接观察；
3.整个装置密封性好，强度和刚度大，不会变形，保证试验台架的稳定性；
4.采集装置可以实现自动采集，与数显系统连接，数显系统含有软件能够提供数据表格和自动绘制曲线；
5.功能丰富，可以研究包括水平荷载、竖向荷载、不同型式桩、不同土层、基坑开挖、盾构施工、地下水、海洋桩基、单桩、群桩等不同条件；
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
6.整个装置结构简单，易于组装操作，采用导轨设计，便于重复试验。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。