一种斜桩动力p‑y曲线的测量装置及测量方法与流程
本发明涉及一种斜桩动力p-y曲线的测量装置及测量方法，属于桩基工程技术领域。
背景技术：
由于斜桩具有良好的水平承载性能，在码头、海洋结构、大型输电线路等工程中得到了广泛的应用，但其抗震性能方面却仍存在一些争议。当地震作用较强时，斜桩容易发生破坏，一方面失去了水平承载力，另一方面会引起较大残余位移，不便于修复，桩身倾斜使斜桩的地震反应更为复杂。而动力p-y曲线作为桩土相互作用力与相对位移之间的关系曲线，因其考虑了土体的非线性、避免本构关系的选取，适用于小位移、大位移等情况，近年来被广泛应用于桩基础的抗震分析。尤其是液化土地基，动力p-y曲线法可为基于“变形”的桩基抗震设计提供一种有效的途径。
目前，有关斜桩动力p-y曲线的试验测试方法，主要通过对桩身动应变、不同深度土体加速度和孔压比等进行测试，依此计算出桩身动曲率，并进行微分和积分运算，分别求得桩侧土反力p和桩身动位移yp，同时，根据土体加速度求得基底动位移yb和各深度土体动位移ys，进而求出桩土相对位移y＝yp-(ys-yb)，最终建立桩土动力p-y曲线。由于试验中应变片和加速度计数量往往有限，导致上述方法中微分、积分以及多项式拟合等计算存在较大误差，p-y曲线精度难以保证。中国发明专利“桩土相互作用拟静力试验的p-y曲线测量装置(cn201410502160.6)”和“桩土相互作用振动台试验中p-y曲线测量装置(cn201410502156.x)”分别公开了一种基于拟静力试验和振动台试验，通过在承载桩身各测试截面处，设置与桩身轴线垂直的光圆钢筋来测定桩身位移的方法，具有一定的工程应用价值。但该装置中pvc内管和桩周土之间存在摩阻力，在模型桩受力变形过程中势必会影响桩身位移的测定，且存在测试断面数量有限等缺陷。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种斜桩动力p-y曲线的测量装置及测量方法，为不同土层深度处的斜桩提供真实的应力环境，并通过转动控角装置精确控制斜桩的倾斜角度，且利用光纤光栅传感器装置实现动应变与应力的同步测试，克服了以往室内模型试验无法获取斜桩任意深度桩身动力p-y曲线及误差较大的缺陷。
本发明提供了一种斜桩动力p-y曲线的测量装置，包括模型箱、气压装置、模型桩、转动控角装置和数据采集装置；
所述模型箱为圆形筒体结构，由筒身和顶盖组成，筒高1m，其中侧壁采用钢化玻璃制作，顶盖为薄壁钢板；筒顶沿环向设置若干螺孔，通过螺栓与顶盖连接；
所述气压装置包括加载气囊、进气孔和隔板，进气孔设置在模型箱的顶盖上，进气孔与加载气囊连接，加载气囊设有两个；顶盖的底面设置两块沿径向对称布置的隔板，隔板方向垂直于振动方向；两个气囊被顶盖、隔板隔离，通过控制气囊压力大小模拟桩周土上部土体自重应力；
若模型桩为管桩，在桩芯土表面加设一气囊；
所述模型桩为现场全比例实心桩或管桩桩段，外径或内径与现场桩径一致，高为40～50cm；根据倾斜角度选定桩身一水平面，沿水平面在模型桩桩身外壁及管桩内壁粘结光纤串，或者，也可在桩身开设环形浅槽来粘结光纤串；模型桩顶部与顶盖下部的空间内设有土工袋，土工袋粘结在模型桩顶部，并向上延伸至顶盖；模型桩外侧与模型筒形成的环形空间内为桩周土；
所述转动控角装置放置在模型箱底部的滚珠上，滚珠直接铺置在模型筒底板上；底部托盘与模型筒的底板之间填充滚珠：滚珠不用固定，直接铺置在模型筒底板上，试验时，滚珠与模型桩一起运动，减少底部托盘与模型筒间的摩擦，使其可随模型桩运动；
转动控角装置包括上托盘、蜗轮蜗杆机构、底部托盘和隔离气囊；其中，上托盘为钢制圆盘，用于放置模型桩，托盘的上下表面均设有挡环，挡环高度为5～10cm；两个蜗轮蜗杆机构在垂直于振动方向上对称布置在底部托盘内；底部托盘为一钢制且上部设有挡环的圆盘，挡环高度在振动方向上成线性变化，且挡环外侧设置宽15～20cm的环形襟边，用于放置隔离气囊，防止桩周土进入蜗轮蜗杆机构；左右隔离气囊随模型箱的转动而充气膨胀，使完全填充上托盘与底部托盘间挡环的间隙；
所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、传力杆、蜗杆、蜗轮固定板、蜗杆固定板和手轮；其中，蜗轮为一中心带有圆孔的钢制圆盘，外圈轮缘下端加工成与蜗杆螺旋齿相啮合的轮齿，上端焊接一t型板，并与上托盘通过螺栓连接；蜗杆为一具有若干螺旋齿的钢制圆柱体，与手轮连接处标有角度刻度，用于指示旋转角度；蜗轮与蜗杆均通过l型钢板固定在底部托盘上，可将桩体自重传递给模型筒底部；其中，传力杆通过蜗轮中心圆孔，将蜗轮与蜗轮固定板相连接并固定，在蜗轮中心圆孔处标有角度刻度盘，并在传力杆上设有指针，用于指示倾斜角度；试验时，通过手轮旋转蜗杆带动蜗轮转动，使蜗轮与底部托盘之间形成一定的角度；由于蜗轮蜗杆机构本身具有自锁性，蜗轮无法带动蜗杆发生反转，使上托盘在振动过程中倾角能始终保持恒定。
试验前，先将蜗轮蜗杆机构通过螺栓固定在底部托盘上，隔离气囊放置在底部托盘外侧的环形襟边上，接着将蜗轮与上托盘通过螺栓连接，并对隔离气囊充气膨胀，填充上托盘与底部托盘间挡环的空隙。
试验时，将模型桩放置在上托盘上，用细砂填充模型桩与上托盘之间的间隙，并在模型桩与顶盖间的土工袋内填充滚珠，利用滚珠摩阻力小的特性使桩在振动过程中可与顶盖产生相对运动；土工袋粘结在桩顶，并向上延伸一定高度，使放置在其中的滚珠能充分填充模型桩与顶盖之间的空隙，且土工布袋上端为敞口状，不与顶盖连接，使滚珠与顶盖直接接触；
若模型桩为管桩，将土工袋加工缝合为环形袋后粘结在桩顶。
所述数据采集装置包括加速度计、孔隙水压力计、光纤串和土压力盒；模型桩顶部粘结一个加速度计；在光纤串同一高度及以下10～20cm的两个土体深度处，分别沿圆周均匀埋置若干孔隙水压力计和加速度计，用于测定土体孔隙水压力和加速度；光纤光栅传感器装置包括光纤光栅传感协调仪、光栅和传导光纤，光栅和传导光纤组成光纤串，环绕粘结在模型桩上或预留的环形浅槽内，通过模型筒外部的光纤光栅传感协调仪记录振动过程中的动应变及剪切应力；土压力盒粘结在光纤串上方10-20mm处的模型桩桩身周围，沿圆周均匀布置4～8个，用于测量桩侧土体的径向应力。
所述底部托盘与模型筒的底板之间填充滚珠，滚珠面积略大于底部托盘的面积，以减小与模型筒底部的摩擦。
所述光纤串中光栅测点的个数由光源谱宽和每个光栅检测的动态范围决定，并根据不同波长对位置进行编码，实现准分布测量。
本发明提供了一种斜桩动力p-y曲线的测量方法，采用上述测量装置进行测量，包括以下步骤：
①确定实验参数：根据原型桩情况，确定桩身倾角θ、加载气囊压力大小、土层性质和振动台输入的波形参数；确定光纤光栅传感器装置中光栅测点数，并用传导光纤将其连接组成光纤串，环绕粘贴于模型桩上或预留的环形浅槽内；确定蜗轮、蜗杆的具体参数，并计算手轮转动角度；
②安装转动控角装置：将蜗轮蜗杆机构组装后，通过螺栓将其固定在底部托盘上，转动手轮并控制角度，使蜗轮与底部托盘成角度θ，再将气囊放置在底部托盘的外伸襟边上，最后用螺栓将蜗轮与上托盘连接；将模型箱固定在振动台上，在模型箱底部中心区域铺设5～10cm厚的滚珠，将整个转动控角装置置于其上，底部托盘中心与模型箱中央重合；
③放置模型桩并填筑土体：将土压力盒、加速度计粘结在模型桩上，并将土工袋粘结在桩顶，使其能向上延伸至顶盖，然后将模型桩放置在上托盘上，用细砂填充间隙；填筑桩周土和桩芯土，并将若干孔隙水压力计和加速度计沿圆周均匀埋置在桩周土中；数据采集装置的数据线沿筒壁向上伸出，连接计算机及光纤光栅传感协调仪等设备；在土工袋中放置滚珠，使其填充模型桩与顶盖间的空隙；
④连接气压装置及顶盖：将顶盖与筒身用螺栓连接；若模型桩为管桩，桩芯土表面加设一气囊，模拟桩芯土上覆土层应力；按照计算确定的气压大小，对气囊进行充气加压；
⑤振动测试：对各传感器进行调试、清零，在振动台台面上输入简谐波或经处理后的不规则地震波；若桩周土为可液化土，为得到渐增的孔压积累过程中桩基响应时程，振动试验时输入系列幅值渐增的简谐波，实时记录运动过程中桩-土系统参数变化；
⑥数据分析：对桩顶加速度计数据进行积分求得桩身动位移yp，对桩周土内加速度进行积分获得土体动位移ys、yb，则桩土相对位移为y＝yp-(ys-yb)；根据光纤光栅传感器装置中波长漂移与应变关系(δλb＝kεε)求出桩身动应变ε，同时，根据虎克定律，由桩身动应变ε求出剪应力τ，并根据桩身环向各点的径向应力σ和孔隙压力q，代入公式
式中
本发明的有益效果：
(1)采用蜗轮蜗杆机构精确控制斜桩的倾斜角度，且连续可调，实现了模型桩的重复使用；
(2)引入光纤光栅传感器装置测定动应变与应力，减小了以往试验中由于应变片和加速度计数量有限所带来的数据计算误差，提高了p-y曲线的测试精度；
(3)通过控制气囊压力大小模拟上覆土层应力，为模型桩提供了真实的应力环境，突破了传统模型试验中土层只能从地表开始模拟的限制，为研究任意深度处的斜桩提供了可能；
(4)通过对桩周多点应力进行数值积分，提高了土体总侧向抗力p的计算精度，数据处理方法更为直接、简便。
附图说明
图1是本装置采用实心桩时的主视图；
图2是图1的左视图；
图3是本装置采用管桩时的主视图；
图4是图3的左视图；
图5是图1中气压装置的俯视图；
图6是图1中转动控角装置的俯视图；
图7是图1中蜗轮蜗杆机构的结构图；
图8是蜗轮蜗杆机构中蜗轮、蜗杆连接示意图；
图9是图7的左视图；
图10是图7的右视图；
图11是桩侧径向应力分布简图。
图中：1—模型筒；2—顶盖；3—进气孔；4—加载气囊；5—隔板；6—滚珠；7—土工袋；8—加速度计；9—模型桩；10—土压力盒；11—光纤串；12—桩周土；13—桩芯土；14—孔隙水压力计；15—细砂；16—上托盘；17—蜗轮；18—传力杆；19—蜗轮固定板；20—蜗杆；21—手轮；22—蜗杆固定板；23—隔离气囊；24—底部托盘。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
如图1～4，一种斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：包括模型箱、气压装置、模型桩、转动控角装置和数据采集装置，模型桩设置在模型箱的中部；
模型箱为圆形筒体结构，包括模型筒1和顶盖2，顶盖2上设置进气孔3，底面设置两块沿径向对称布置的隔板5，隔板方向垂直于振动方向；加载气囊4位于桩周土12及桩芯土13上部；模型桩9为现场全比例实心桩或管桩桩段，放置在上托盘16上且用细砂15填充间隙，并在桩顶的土工袋7内填充滚珠6，使滚珠与顶盖直接接触；模型桩9顶部粘结一个加速度计8；光纤串11粘结在模型桩上或者预留的环形浅槽内，土压力盒10粘结在桩侧光纤串11上方10-20mm处；桩周土12内与光纤串11同一水平面处，及该水平面的桩周土下部10～20cm处，沿圆周均匀埋置若干孔隙水压力计14和加速度计8；转动控角装置包括上托盘16、蜗轮蜗杆机构、底部托盘24和隔离气囊23，上托盘16通过螺栓与蜗轮17连接，蜗轮蜗杆机构通过螺栓固定在底部托盘24上，隔离气囊23放置在底部托盘外伸襟边上，底部托盘24与模型筒1的底板之间填充滚珠6，滚珠直接铺置在模型筒底板上。
图1和2为实心桩的实施情况：在桩身外壁粘结光纤串，或者在桩身开设环形浅槽来粘结光纤串。
图3和4为管桩的实施情况：在管桩内部桩芯土的表面加设一气囊；在桩身外壁及内壁粘结光纤串，或者在桩身开设环形浅槽来粘结光纤串；模型桩为管桩时，将土工袋加工缝合为环形袋后粘结在桩顶。
如图5，气压装置包括加载气囊4、进气孔3和隔板5，两个加载气囊4沿圆周布置并被顶盖隔板5隔离。
如图6，转动控角装置包括上托盘16、蜗轮蜗杆机构、底部托盘24和隔离气囊23，底部托盘24的中心位于模型筒的中央，两个蜗轮蜗杆机构在垂直于振动方向上对称布置在底部托盘24内；左右隔离气囊23充气体积以完全填充上托盘与底部托盘间挡环的间隙为准。
如图7～10，蜗轮蜗杆机构包括蜗轮17、传力杆18、蜗杆20、蜗轮固定板19、蜗杆固定板22和手轮21，其中，蜗轮17为一中心带有圆孔的钢制圆盘，外圈轮缘下端加工为与蜗杆螺旋齿相啮合的轮齿，上端焊接一t型板，并与上托盘16螺栓连接；蜗杆20为一具有若干螺旋齿的钢制圆柱体，与手轮21连接处标有角度刻度，用于指示旋转角度；蜗轮17与蜗杆20均通过l型钢板固定在底部托盘上，可将桩体自重传递给模型筒1底部；其中，传力杆18通过蜗轮17中心圆孔，将蜗轮17与蜗轮固定板19相连接并固定，在蜗轮中心圆孔处标有角度刻度，并在传力杆18上设有指针，用于指示倾斜角度。
本发明操作方法包括以下步骤：
①确定实验参数。根据原型桩情况，确定桩身倾角θ、加载气囊压力大小、土层性质和振动台输入的波形参数；确定光纤光栅传感器装置中光栅测点数，并用传导光纤将其连接组成光纤串，环绕粘贴于模型桩上或预留的环形浅槽内；确定蜗轮、蜗杆的具体参数，并计算手轮转动角度；
②安装转动控角装置。将蜗轮蜗杆机构组装后，通过螺栓将其固定在底部托盘上，转动手轮并控制角度，使蜗轮与底部托盘成角度θ，再将气囊放置在底部托盘的外伸襟边上，最后用螺栓将蜗轮与上托盘连接；将模型箱固定在振动台上，在模型箱底部中心区域铺设5～10cm厚的滚珠，将整个转动控角装置置于其上，底部托盘中心与模型箱中央重合；
③放置模型桩并填筑土体：将土压力盒、加速度计粘结在模型桩上，并将土工袋粘结在桩顶，使其能向上延伸至顶盖，然后将模型桩放置在上托盘上，用细砂填充间隙；填筑桩周土和桩芯土，并将若干孔隙水压力计和加速度计沿圆周均匀埋置在桩周土中；数据采集装置的数据线沿筒壁向上伸出，连接计算机及光纤光栅传感协调仪等设备；在土工袋中放置滚珠，使其填充模型桩与顶盖间的空隙；
④连接气压装置及顶盖：将顶盖与筒身用螺栓连接；若模型桩为管桩，桩芯土表面加设一气囊，模拟桩芯土上覆土层应力；按照计算确定的气压大小，对气囊进行充气加压；
⑤振动测试：对各传感器进行调试、清零，在振动台台面上输入简谐波或经处理后的不规则地震波；若桩周土为可液化土，为得到渐增的孔压积累过程中桩基响应时程，振动试验时输入系列幅值渐增的简谐波，实时记录运动过程中桩-土系统参数变化；
⑥数据分析：对桩顶加速度计数据进行积分求得桩身动位移yp，对桩周土内加速度进行积分获得土体动位移ys、yb，则桩土相对位移为y＝yp-(ys-yb)；根据光纤光栅传感器装置中波长漂移与应变关系(δλb＝kεε)求出桩身动应变ε，同时，根据虎克定律，由桩身动应变ε求出剪应力τ，并根据桩身环向各点的径向应力σ和孔隙压力q，代入公式，
式中
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！