适用于室内桩基模型试验的竖向加载装置的制作方法

本实用新型属于室内模型试验用设备技术领域，具体涉及一种适用于室内桩基模型试验的竖向加载装置。

背景技术：

由于受试验规模、试验场所、设备容量和试验经费等各种条件的限制，结构试验较多采用缩小比例的模型试验。桩基模型试验作为科研人员用于研究桩基作用机理的一个有效方法，可以根据需要较准确的设定和控制边界条件、桩土材料特性，在研究桩—土相互作用时具有较强的针对性和目的性。按照相似理论制作模型桩，通过加载装置对模型桩进行加载，预先埋设量测装置，从而研究桩身在受荷情况下的作用机理。桩基模型试验的加载装置能否合理准确的对模型桩进行加载是实现桩基研究目的的一个重要前提。

室内模型试验装置现有竖向加载装置一般有堆配重加载、杠杆加载、千斤顶加载、油缸加载、伺服电机加载等。

1.堆配重加载，是一种将重物直接堆载至模型桩上部的静载堆载式试验装置。这种装置的优点是操作简单，实用方便；缺点是配重需堆放在模型桩上方，所需空间大。

2.杠杆加载，是一种将杠杆一端固定，中部设置有传力杆，另一端悬挂加载重物的试验装置。这种装置的优点是较小的模拟重物荷载就可以在桩顶达到较大的荷载；缺点是随着载荷和模型桩沉降的逐渐增大，杠杆与水平面夹角逐渐变化，实际施加在桩顶的荷载值大于或小于计算值，导致桩顶荷载不精确。

3.千斤顶加载、油缸加载和伺服电机加载，是一种在模型箱四周或模型箱上安装反力架，反力架下部安装千斤顶、油缸或是伺服电机对模型桩进行加载的试验装置。专利申请号201310689235.1，采用模型箱侧壁焊接立柱，立柱与反力盖板焊接，反力盖板下安装千斤顶加载模型桩。专利申请号201410107849.9，采用加载横梁、并联油缸和油缸底架组成反力架，加载横梁下安装有压力传感器和传力基座。通过两套并联油缸，采用液压方式对垂直放置于模型箱土中的空心管桩加载。通过调节油压控制压桩速度，保证桩身的匀速下沉。专利申请号201410328079.0，采用定位装置根据模型桩的位置确定加载位置，竖向加载装置连接电动缸对模型桩施加载荷，可控制加载速度和加载载荷的大小。这些装置的优点是机械设备操作简单，精度较高；缺点是缺少桩基定位装置或桩基定位装置移动不便，均需在模型桩桩顶安装有力传感器，传感器率定值对实际施加在桩顶的荷载值有较大影响，持续施加恒载存在困难，且需给千斤顶和油缸提供反力，装置复杂。

综上，现有的竖向加载装置存在许多不足：

1.所需模拟重物重量较大，模拟重物所需空间较大。

2.大多采用千斤顶、油缸等设备给模型桩施加载荷，随着载荷和模型桩沉降的增大，这些设备施加恒载存在困难。

3.缺少桩基定位装置或桩基定位装置移动不便，对模型试验中不同位置的模型桩进行加载存在困难。

4.反力架需提供较大的反力，装拆不易，安装位移传感器不方便。

5.传感器率定值对实际施加在模型桩桩顶的荷载值有较大影响，加载过程中存在精度较低的问题。

6.加载过程中缺少加载导向装置，存在稳定性不足的问题。

技术实现要素：

为克服现有加载技术上的不足，本实用新型将上述加载装置的优点结合在一起，提供了一种适用于室内桩基模型试验的竖向加载装置。

本实用新型采用如下技术方案：一种适用于室内桩基模型试验的竖向加载装置，包括内装有土的模型箱，在模型箱中插入模型桩，在模型箱顶部设置有四根立柱，在立柱之间设置有加载横梁；在每根立柱的底部固定设置有两块缀板，缀板向下延伸出立柱的部分设置有供对穿螺杆穿过的通孔；在模型箱左右两侧顶部设置有纵向导槽，前后移动深沟球轴承外圈与纵向导槽滑配；对穿螺杆穿过缀板上的通孔与两个前后移动深沟球轴承的内圈焊接在一起，使立柱沿纵向导槽前后滚动；带有口字型通道的横向定位箱套装在加载横梁上，横向定位箱沿加载横梁横向移动；在加载横梁两端固定设置有横梁定滑轮，在模型箱上设置有三角架，钢索一端固定在三脚架上，钢索另一端绕过横梁定滑轮固定在加载箱上。

本方案的具体特点还有，立柱包括在模型箱顶部左端设置前后布置的左前立柱和左后立柱，在模型箱顶部右端设置有前后布置的右前立柱和右后立柱，在左前立柱和左后立柱之间以及右前立柱和右后立柱之间设置有加载横梁；在左前立柱和左后立柱以及右前立柱和右后立柱上分别设置有用以容纳竖向移动深沟球轴承外圈的立柱左竖向凹槽和立柱右竖向凹槽。竖向移动深沟球轴承内圈与轴是紧配合，然后将轴固定在加载横梁上，4个竖向移动深沟球轴承轴的轴向垂直于立柱，可沿立柱左竖向凹槽竖向滚动，4个竖向移动深沟球轴承的轴向水平且平行于立柱，可沿立柱右竖向凹槽竖向滚动。

在加载横梁上设置有用以容纳上横向移动深沟球轴承外圈的加载横梁横向凹槽，上横向移动深沟球轴承内圈与轴是紧配合，然后将轴固定在横向定位箱口字型通道顶部，4个上横向深沟球轴承21可沿加载横梁凹槽横向滚动。下横向移动深沟球轴承内圈与轴是紧配合，然后将轴固定在横向定位箱口字型通道底部，4个下横向深沟球轴承22可沿加载横梁凹槽横向滚动。

在横向定位箱两侧顶部安装有横向制动螺栓，通过横向制动螺栓顶持加载横梁进而锁死横向定位箱；在左前立柱和右前立柱，左后立柱和右后立柱上分别固定安装有纵向移动滑块，纵向移动滑块可沿纵向导槽滑动，在纵向移动滑块上安装有纵向制动螺栓，通过旋紧纵向制动螺栓顶持模型箱进而锁死左前立柱、左后立柱、右前立柱，右后立柱。根据模型桩的位置，横向定位箱，左前立柱和左后立柱以及右前立柱和右后立柱移动到合适位置后，拧紧4个横向制动螺栓和4个纵向制动螺栓使横向定位箱和立柱定位。

所述三角架定滑轮为单轮式不锈钢旋转滑轮，在加载箱中设置有模拟重物。

横梁定滑轮为双轮式不锈钢旋转滑轮，在三脚架上设置有三脚架定滑轮，三角架定滑轮为单轮，钢索一端固定在三脚架上，另一端依次绕过横梁定滑轮、三脚架定滑轮和横梁定滑轮后固定在加载箱上。

计算堆载模拟重物重量后，模型箱两侧的加载箱同时堆放模拟重物。

本实用新型的技术方案还可以这样实现的：圆形钢柱和立柱有不同长度的规格，和横向定位箱采用螺栓连接。

本实用新型的有益效果是：1.本实用新型的加载装置采用加载横梁两侧的滑轮悬挂加载箱，可实现施加较小的模拟重物载荷达到模型桩桩顶较大的载荷的目的，节省堆载空间；

2.本实用新型设置的竖向移动深沟球轴承，摩阻力小，能保证加载过程中的荷载的精确性和加载装置的稳定性；

3.本实用新型可通过移动横向定位箱和立柱，可对不同位置模型桩进行加载；

4.本实用新型采用模拟重物堆载模拟荷载，能保证加载过程中荷载的恒定性；

5.本实用新型加载箱悬挂在加载横梁下方，不占用桩基上方空间，避免了现有杠杆加载的缺点；

6.本实用新型各构件有较多的尺寸规格，适用于各种比例的桩基竖向加载模型试验；

7.本实用新型采用机械螺栓连接，装拆方便，可循环使用。

附图说明

图1为模型试验用竖向加载装置主视图，其中滑轮组采用不锈钢旋转滑轮·单轮结构。图2为模型试验用竖向加载装置主视图，其中滑轮组采用不锈钢旋转滑轮·双轮结构。图3为图1的右视图。图4为图1中横向定位箱与加载横梁局部结构示意图。图5为图1中A-A剖面横向定位箱侧视详图。图6为横梁定滑轮为双轮的结构示意图。图7为三角架滑轮结构示意图。图8为图1中缀板6处对穿螺杆连接关系局部结构示意图。图9为缀板结构示意图。图10为图3中竖向移动深沟球轴承连接关系和对穿螺杆连接关系结构示意图。图11为图1中B-B剖面图，即加载横梁横向凹槽结构示意图。图12为图1中右前立柱竖向凹槽俯视图。图13为图1中加载横梁横向凹槽俯视图。图14为竖向移动深沟球轴承右前立柱安装位置示意图。

图中：1-模型箱；2-模型桩；3-圆形钢柱；4-横向定位箱；5-加载横梁；6-缀板；7-加载箱；8-模拟重物；9-左前立柱；10-左后立柱；11-右前立柱；12-右后立柱；13-横梁定滑轮；14-三角架；15-三角架定滑轮；16-竖向移动深沟球轴承；17-纵向导槽；18-纵向制动螺栓；19-纵向移动滑块；20-对穿螺杆；21-上横向移动深沟球轴承；22-下横向移动深沟球轴承；23-横向制动螺栓；24-土；25-加载横梁横向凹槽；26-立柱左竖向凹槽；27-立柱右竖向凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。

竖向为图1和图2中所示垂直上下方向，横向为图1和图2中左右方向，纵向为前后方向。如图1，图2，图3所示，一种适用于室内桩基模型试验的竖向加载装置，包括内装有土20的模型箱1，在模型箱1中插入模型桩2，横向定位箱4下部设置圆形钢3柱用以模型桩2的加载，在模型箱顶部设置有四根立柱，立柱包括在模型箱顶部左端设置前后布置的左前立柱9和左后立柱10，在模型箱顶部右端设置有前后布置的右前立柱11和右后立柱12，在左前立柱9和左后立柱10之间以及右前立柱11和右后立柱12之间设置有加载横梁5；在每根立柱的底部固定设置有两块缀板6，缀板6向下延伸出立柱的部分设置有供对穿螺杆20穿过的通孔；在模型箱1左右两侧顶部设置有纵向导槽17，前后移动深沟球轴承外圈与纵向导槽17滑配；对穿螺杆20穿过缀板6上的通孔与2个前后移动深沟球轴承的内圈焊接在一起，使立柱可沿纵向导槽17前后移动。

如图12，图14所示，在左前立柱9和左后立柱10以及右前立柱11和右后立柱12上分别设置有用以容纳竖向移动深沟球轴承外圈的立柱左竖向凹槽26和立柱右竖向凹槽27。如图10，图14所示，竖向移动深沟球轴承内圈与轴是紧配合，然后将轴固定在加载横梁5上，4个竖向移动深沟球轴承轴16轴向垂直于立柱，可沿立柱左竖向凹槽26竖向滚动，4个竖向移动深沟球轴承16轴向水平且平行于立柱，可沿立柱右竖向凹槽27竖向滚动。

如图4，图5所示，带有口字型通道的横向定位箱4套装在加载横梁5上，横向定位箱4可沿加载横梁5横向移动；在加载横梁5上设置有用以容纳上横向移动深沟球轴承21外圈的加载横梁横向凹槽25，上横向移动深沟球轴承21内圈与轴是紧配合，然后将轴固定在横向定位箱4口字型通道顶部，4个上横向深沟球轴承21可沿加载横梁凹槽25横向滚动。下横向移动深沟球轴承22内圈与轴是紧配合，然后将轴固定在横向定位箱4口字型通道底部，4个下横向深沟球轴承22可沿加载横梁凹槽25横向滚动。

如图4，图5所示，横在横向定位箱4两侧顶部安装有横向制动螺栓23，通过横向制动螺栓23顶持加载横梁5进而锁死横向定位箱4；如图10所示，在左前立柱9和右前立柱11，左后立柱10和右后立柱12上分别固定安装有纵向移动滑块19，纵向移动滑块19可沿纵向导槽17滑动，在纵向移动滑块19上安装有纵向制动螺栓18，通过旋紧纵向制动螺栓19顶持模型箱1进而锁死左前立柱9、左后立柱10、右前立柱11，右后立柱12。根据模型桩2的位置，横向定位箱4，左前立柱9和左后立柱10以及右前立柱11和右后立柱12移动到合适位置后，拧紧4个横向制动螺栓23和4个纵向制动螺栓18使横向定位箱4和立柱定位。

如图1，在加载横梁5两端固定设置有横梁定滑轮13，在模型箱1上设置有三角架14，钢索一端固定在三脚架14上，钢索另一端绕过横梁定滑轮13固定在加载箱7上，所述横梁定滑轮13为单轮，在加载箱7中设置有模拟重物8。在三脚架14上设置有三角架定滑轮15。所述三角架14采用圆钢，圆钢纵向长度同所述的模型箱1的纵向长度，焊接在模型箱1上。

如图2，横梁定滑轮13为双轮式不锈钢旋转滑轮，采用螺栓锚固于所述的加载横梁5上。在三脚架14上设置有三脚架定滑轮15，三角架定滑轮15为单轮，钢索一端固定在三脚架14上，另一端依次绕过横梁定滑轮13、三脚架定滑轮15和横梁定滑轮13后固定在加载箱7上。

计算堆载模拟重物重量8后，模型箱1两侧的加载箱7同时堆放模拟重物8。

下面就模拟重物重量及加载方式具体说明：

滑轮组采用不锈钢旋转滑轮·单轮：

如图1所示，加载横梁左侧滑轮中心距模型桩中心的水平距离为x₁，加载横梁右侧滑轮中心距模型桩中心的水平距离为x₂，左侧加载箱模拟重物重量为m₁，右侧加载箱模拟重物重量为m₂，若模型桩需分n级加载，桩顶荷载为F，则可根据以下方程组计算：

解之得 m₁=Fx₂/2n(x₁+x₂)，m₂=Fx₁/2n(x₁+x₂)

每级荷载施加时，需在模型箱左侧和右侧同时分别堆载重量为Fx₂/2n(x₁+x₂)和m₂=Fx₁/2n(x₁+x₂)的模拟重物，传统的堆配重加载方式每级荷载施加时所需模拟重物重量为F/n，采用本装置，若x₁=x₂，则m₁=F/4n，m₂=F/4n。易看出，与传统的堆配重加载方式相比，在桩顶施加相同的荷载，这种装置的模拟重物重量仅为传统方法的1/4。

滑轮组采用不锈钢旋转滑轮·双轮

如图2所示，加载横梁左侧滑轮中心距模型桩中心的水平距离为x₁，加载横梁右侧滑轮中心距模型桩中心的水平距离为x₂，左侧加载箱模拟重物重量为m₁，右侧加载箱模拟重物重量为m₂，若模型桩需分n级加载，桩顶荷载为F，则可根据以下方程组计算：

解之得 m₁=Fx₂/4n(x₁+x₂)，m₂=Fx₁/4n(x₁+x₂)

每级荷载施加时，需在模型箱左侧和右侧同时分别堆载重量为Fx₂/4n(x₁+x₂)和Fx₁/4n(x₁+x₂)的模拟重物。传统的堆配重加载方式每级荷载施加时所需模拟重物重量为F/n，采用本装置，若x₁=x₂，则m₁=F/8n，m₂=F/8n。易看出，与传统的堆配重加载相比，在桩顶施加相同的荷载，这种装置的模拟重物重量仅为传统方法的1/8。