一种多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置

1.本发明涉及桩基承载力试验技术领域，具体公开了一种多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置。


背景技术：

2.近年来，斜桩被广泛应用于主要承受风、波浪等水平荷载的建筑物中，如输电线塔架基础、桥梁码头基础等。而这些建筑物桩基础往往还受到海水浮托力等上拔荷载，此时斜桩力学性能较直桩更为复杂，主要体现在桩身倾角、桩长等各种参数与水平荷载、上拔荷载等多种荷载及其耦合作用对斜桩工作性质产生的影响。传统室内试验对于倾斜桩基模型基础的试验研究较少，对于斜桩模型在水平、竖直荷载耦合作用下的荷载传递规律和承载特性缺少室内试验研究。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明为了解决传统室内试验无法模拟水平、竖直荷载耦合作用下斜桩的荷载传递规律和承载特性，无法精确地模拟均布载荷对斜桩所产生影响的问题，提供一种多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置，该试验装置能够对斜桩同时独立施加水平荷载、下压荷载和上拔荷载，改善了现有抗拔桩组合荷载加载装置，精确地模拟均布载荷对斜桩所产生的影响，让实验模拟更具有真实性。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置，包括模型箱、设置在模型箱上端的斜桩水平荷载施加装置以及设置在模型箱外侧的斜桩竖直荷载施加装置、斜桩角度测量装置；模型箱内设置有四根斜桩；
6.斜桩竖直荷载施加装置包括上拔荷载施加装置和下压荷载施加装置，上拔荷载施加装置包括设置在模型箱一侧的固定台和固定安装在固定台上的磁感线圈；下压荷载施加装置包括固定安装在套筒上用于稳压斜桩的重物，重物的上表面安装有磁感应面；
7.斜桩角度测量装置包括立柱以及固定在立柱上的两个可移动平台，可移动平台可以沿着立柱上下调节位置，两个可移动平台的圆盘平面上分别配有激光位移传感器ⅰ和激光位移传感器ⅱ。
8.进一步，斜桩水平荷载施加装置包括设置在模型箱开口端斜桩之间的轨道滑移槽，轨道滑移槽上滑动安装有斜桩推力装置，斜桩推力装置包括两组推力电机、设置在每组推力电机外的推力器外壳和推力板，每组推力电机包括两个推力电机，推力板固定安装在每个推力电机的输出端，推力板在推力电机的作用下自由旋转。
9.进一步，推力器外壳设置在与推力板相邻的推力电机外侧，推力器外壳带动推力电机以及设置在推力电机输出端的推力板沿着轨道滑移槽横向移动。
10.进一步，斜桩上套装有套筒，推力板与套筒侧面重合，套筒相对一侧的截面大于其相对一侧的截面，套筒的侧面呈梯形状。
11.进一步，斜桩角度测量装置放置于模型箱外侧，斜桩水平荷载施加装置放置于模型箱的开口处正中央，斜桩竖直荷载施加装置与斜桩水平荷载施加装置相垂直。
12.进一步，固定台纵向开设有滑槽，轨道滑移槽端部固定安装有与固定台上滑槽相适配的轨道滑移块。
13.进一步，斜桩角度测量装置还包括底盘、固定安装在底盘四角位置的万向轮。
14.进一步，万向轮上安装有双向刹车片，便于斜桩角度测量装置移动至合适位置后进行固定。
15.进一步，模型箱的材质是可见的有机玻璃。
16.本发明所公开的多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置，位于斜桩之间的推力电机可以对斜桩施加水平荷载，推力板的旋转角度通过推力电机进行调整，使得推力板与套筒侧面相重合，精确地模拟斜桩水平载荷对斜桩角度的影响；套筒上的重物对斜桩施加下压荷载，模型箱上方的磁感线圈对重物上表面的磁感应面施加均匀磁场，得磁感应面在磁场中产生向上的磁场力，对斜桩产生向上的磁场力，向上磁场力与重力的配合对斜桩精确施加竖直荷载；斜桩在水平荷载和竖直荷载的合力作用下产生倾斜，通过斜桩角度测量装置中测量对应激光位移传感器与对应斜桩的水平距离，根据三角函数关系计算对应斜桩的倾斜角度θ，多次调节可移动平台与万向轮的位置可获得多个斜桩倾斜的角度θ，达到精准地测量斜桩倾斜角度的效果，该多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置能够对斜桩同时独立施加水平荷载、下压荷载和上拔荷载，能够精确地模拟均布载荷对斜桩所产生的影响。
附图说明
17.图1为本发明多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置结构示意图一；
18.图2为本发明多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置结构示意图二；
19.图3为图2中a处局部放大图；
20.图4为图1中斜桩角度测量装置结构示意图；
21.图5为图1中斜桩水平荷载施加装置结构示意图；
22.图6为图1中斜桩受力模型箱装置结构示意图；
23.图7为本发明多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置的原理图。
24.附图中标记如下：万向轮11、立柱12、可移动平台13、激光位移传感器ⅰ14、激光位移传感器ⅱ15、底盘16、轨道滑移块21、轨道滑移槽22、推力器外壳23、推力板24、推力电机25、重物30、磁感应面31、磁感线圈32、固定台33、模型箱41、斜桩42、套筒43。
具体实施方式
25.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
26.如图1～7所示，本发明所述的多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置的较佳实施方式包括模型箱41、设置在模型箱上端的斜桩水平荷载施加装置以及设置在模型箱外侧的斜桩竖直荷载施加装置、斜桩角度测量装置。所述模型箱41内设置有四根斜桩42，斜桩上套装有套筒43，可与其他施力系统相连接，便于施加均匀荷载。套筒相对一侧的截面大于其相对一侧的截面，套筒的侧面呈梯形状。考虑到装置内部结构的可见性和精确地获取
实验数据，模型箱的材质是可见的有机玻璃，有机玻璃耐冲击，且强度高，不易变形。
27.斜桩角度测量装置放置于模型箱侧边，斜桩水平荷载施加装置放置于模型箱的开口处正中央，斜桩竖直荷载施加装置包括上拔荷载施加装置和下压荷载施加装置，斜桩竖直荷载施加装置的上拔荷载施加装置放置于斜桩受力模型箱系统的上方。
28.所述斜桩角度测量装置包括底盘16、固定安装在底盘四角位置的万向轮11、固定在底盘上的立柱12以及固定在立柱上的两个可移动平台13，可移动平台13可以沿着立柱12上下调节位置，两个可移动平台13的圆盘平面上分别配有激光位移传感器ⅰ14和激光位移传感器ⅱ15；激光位移传感器ⅰ和激光位移传感器ⅱ的三维方向自由度方便对斜桩倾斜角度的测量，具体对斜桩倾斜角度的测量可见图7。
29.当斜桩稳定时，通过上下滑动可移动平台13找到合适的垂直方位，当激光位移传感器ⅰ14和激光位移传感器ⅱ15固定后，此时可直接观察测得激光位移传感器ⅰ14和激光位移传感器ⅱ15之间的垂直高度差h，立柱上方的激光位移传感器ⅰ14可测得与斜桩的水平距离x，同理立柱下方的激光位移传感器ⅱ15可测得与斜桩的水平距离y，在图7的三角形中，由直角三角形的正切公式可得：tanθ＝h/(x-y)，由反正切函数可知θ＝arctan[h/(x-y)|，多次调节可移动平台13与万向轮11的位置可获得多个斜桩倾斜的角度θ，从而达到精准地测量斜桩倾斜角度的效果。
[0030]
所述万向轮11上安装有双向刹车片，便于斜桩角度测量装置移动至合适位置后进行固定。
[0031]
所述斜桩水平荷载施加装置包括设置在模型箱开口端斜桩之间的轨道滑移槽22，轨道滑移槽22上滑动安装有斜桩推力装置，斜桩推力装置包括两组推力电机25、设置在每组推力电机25外的推力器外壳23和推力板24，每组推力电机25包括两个推力电机，推力板固定安装在每个推力电机的输出端，推力板在推力电机的作用下自由旋转，让推力板的推力面与斜桩上的套筒侧面重合，通过套筒对斜桩施加推力，从而更加精确地模拟斜桩水平载荷对斜桩角度的影响。推力电机与电源设备连接，根据电压不同实现推力板对斜桩不同水平荷载施加的水平力。推力器外壳23设置在与推力板24相邻的推力电机外侧，推力器外壳23可以带动推力电机以及设置在推力电机输出端的推力板24沿着轨道滑移槽横向移动。
[0032]
所述斜桩竖直荷载施加装置包括上拔荷载施加装置和下压荷载施加装置，上拔荷载施加装置包括设置在模型箱一侧的固定台33和固定安装在固定台33上的磁感线圈32；由磁感应原理磁感线圈对下方的斜桩产生均匀磁场；下压荷载施加装置包括固定安装在套筒上用于稳压斜桩的重物，重物的上表面安装有可拆卸的磁感应面31，磁感应面31在磁场中产生向上的磁场力，通过改变通过磁感线圈32的电流，对斜桩产生的均匀磁场磁通量发生相应改变，从而均匀磁场的场强发生改变，实现对上拔荷载的控制，磁感应面可以产生不同的向上磁场力，从而达到模拟不同的上拔载荷的效果。
[0033]
所述下压荷载施加装置采用重物30对斜桩施压，施加在套筒43上方，达到模拟均布荷载施压的效果，重物的模拟可直接调节下压荷载，简单高效。
[0034]
固定台纵向开设有滑槽，轨道滑移槽22端部固定安装有与固定台上滑槽相适配的轨道滑移块21，为了方便对斜桩角度进行测量，轨道滑移块可以在固定台的滑槽自由二维竖直平面上移动，推力器外壳可在轨道滑移槽上左右移动。
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该多角度水平与上拔组合加载斜桩模型试验装置使用时，通过位于斜桩之间的推
力电机对斜桩施加水平荷载，推力板的旋转角度通过推力电机进行调整，使得推力板与套筒侧面相重合，进而更加精确地模拟斜桩水平载荷对斜桩角度的影响。
[0036]
通过套筒上的重物对斜桩施加下压荷载，通过模型箱上方的磁感线圈对重物上表面的磁感应面施加均匀磁场，进而使得磁感应面在磁场中产生向上的磁场力，对斜桩产生向上的磁场力，向上磁场力与重力的配合对斜桩精确施加竖直荷载。斜桩在水平荷载和竖直荷载的合力作用下产生倾斜，通过斜桩角度测量装置中可移动平台圆盘平面上的激光位移传感器ⅰ和激光位移传感器ⅱ分别测量对应激光位移传感器与对应斜桩的水平距离，分别记为x、y，然后测量两个可移动平台之间的垂直高度差h，根据三角函数关系计算对应斜桩的倾斜角度θ，多次调节可移动平台与万向轮的位置可获得多个斜桩倾斜的角度θ，达到精准地测量斜桩倾斜角度的效果。
[0037]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。