基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置的制作方法

本实用新型是关于海洋桩基工程研究领域，涉及一种基于模型箱试验的二维水平双向循环荷载加载装置。

背景技术：

随着海洋开发建设的不断拓展，以桩为基础的海洋工程建设越来越多，如海上风力发电机、海洋石油钻井平台、输电塔等。在海上的特殊环境下，如风浪的长期循环荷载作用，给桩基础的设计带来了很大挑战。循环荷载作用会导致桩周土体累积变形和塑性应变增加，使得上部结构倾斜过大，桩周土体刚度下降，桩基承载力降低。

由于海上自然状况的复杂，作用于桩基水平方向的波浪荷载、风荷载等方向具有不可确定性，海上平台桩基有很大一部分情况下承受着水平双向的循环荷载，相对于以往的一维水平循环加载研究，施加双向水平循环荷载对于海洋桩基循环弱化规律的研究更具真实性和准确性。双向加载作用使得桩的承载力较单向荷载作用下有明显改变。在双向循环荷载作用下，桩的强度和刚度较单向循环荷载作用有较大的区别。

然而目前对于受双向水平循环荷载的桩的研究非常有限，在实际工程中为了确保安全，采取放大安全系数的办法，从而产生了较大的浪费。因此，研究桩基在双向水平循环荷载作用下的性状改变，对于提高社会效益和经济利益都有较大的益处。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置，包括模型箱、加载系统和监测系统，各系统的具体结构和连接关系为：

所述模型箱为顶部开口的立方体箱型结构，其内部下侧装填土层，土层表面与箱体上缘之间的空间装水；在模型箱相邻的两条边缘上分别装有一个第一定滑轮；模型箱的中央设有一根模型桩，其下半部分竖直插入土层中；

所述加载系统包括两套完全相同的加载组件：加载组件中有一个力循环控制加载装置，力循环控制加载装置包括固定的底座，底座上设置两个与转轴相连的支架；该转轴贯穿设于长方形平衡双梁上的通孔，使平衡双梁能以转轴为中心进行摆动；转轴两侧的平衡双梁是不对称的，其中稍短一侧平衡双梁的端部装有平衡砝码；稍长一侧平衡双梁的端部上方装有电机，电机轴竖直向下穿过平衡双梁的端部；一根水平方向的转杆，其一端固定在电机轴的端部，另一端固定装有一个砝码；在电机与平衡双梁的转轴之间，固定设有一个与转轴平行的横杆，横杆上装有第二定滑轮；平衡双梁上装有电机的一端远离模型桩，装有平衡砝码的一端靠近模型桩；第一钢绞线的一端通过第二定滑轮固定在底座上，另一端固定在模型桩顶部的拉环上；第二钢绞线的一端固定在模型桩顶部的拉环上，另一端通过第一定滑轮后连接配重砝码；第一钢绞线与第二定滑轮、模型桩、第二钢绞线、第一定滑轮所形成的连线是一条垂直于模型箱边缘的直线，且两套加载组件中的该连线也是相互垂直的；

所述监测系统包括数据收集器，数据收集器通过电缆分别连接至测力计、应变片和位移传感器；其中，测力计有两个，分别装在两套加载组件中的第一钢绞线上；应变片有多个，粘贴在位于土层内的模型桩外侧的受荷载轴线上，并且在桩长方向均匀排列，在桩径方向上的排列与水平双向受荷方向相同；位移传感器装在模型桩与模型箱内壁之间的线缆上，该线缆位于第二钢绞线的下方。

本实用新型中，在模型箱相邻的两条垂直边缘上各装有一根水平方向的长杆，所述第一定滑轮装在长杆的中间。

本实用新型中，所述用于安装位移传感器的连线有多根，每根线缆上各装有一个位移传感器；所述线缆位于模型桩露出土层的部分，上下相邻两根线缆之间间隔10cm。

本实用新型中，所述模型箱的四个侧面和底部均为钢板；四个侧面的底部设有均匀布置的排水孔，排水孔中装有滤网。

本实用新型中，所述模型桩为空心钢管，与各应变片相接的电缆在穿过模型桩的内腔后与数据收集器相接。

本实用新型中，所述模型桩顶部的拉环包括扣于模型桩顶部的钢制帽状本体，其外侧连接有相互垂直四个方向的圆形拉环。

本实用新型中，所述数据收集器是计算机。

利用本实用新型所述装置进行波浪荷载加载试验的方法，包括以下步骤：

(1)填土

土层分为下层的砂砾层与上层的黏土层；先在模型箱中铺设厚度10cm的砂砾层，然后在砂砾层上铺设透水土工布，再装填黏土；黏土的装填按层进行，每填土15～20cm压实并注水，使土体充分饱和；静置后再填下一层黏土，每层土装填完成后，保证土层的表面水平，且在继续装填之前进行刮毛处理，避免人为分层；土层最终的上表面低于模型箱的上缘至少10cm以上；

(2)固结

土层装填完成后，在其表面满布堆载进行固结；记录固结时间并测试固结程度，采用针入度试验进行固结度判定，控制固结度在85％～93％的范围内；固结过程中，根据试验需要打开或关闭模型箱底部的排水孔，用于模拟饱和不排水或者饱和排水的过程；固结完成后，在模型箱土层表面铺设透水型土工布；

(3)装入模型桩

根据试验需要选择不同桩径和长度的钢管作为模型桩，在模型桩与黏土接触的外表面粘贴应变片，在桩长方向均匀排列，桩径方向排列与水平双向受荷方向相同，应变片的外侧涂环氧树脂加以保护，应变片导线从模型桩内穿出；将模型桩压入指定位置的固结土内，根据不同试验类型和桩径大小确定模型桩入土深度，从而确定装土高度。在模型桩露出土层的部分与模型箱内壁之间的线缆上安装位移传感器；

(4)仪器设备安装

a、在底座上安装支架，将平衡双梁、转轴和支架连接在一起，在平衡双梁一端依次安装电机、转杆和砝码，暂时固定转杆使之垂直于平衡梁；在平衡双梁另一端安装平衡砝码，保证整个力循环控制加载装置在循环加载前的平衡；

b、固定模型桩，对模型桩出露于土层的上部分用水平方向的支撑以暂时固定，保证模型桩在受循环荷载之前不发生位移；

c、连接钢绞线，首先将第二钢绞线与桩端拉环连接起来，然后增加配重砝码；然后连接第一钢绞线；

d、调整整个加载装置平衡，去掉固定模型桩的水平支撑，调整平衡砝码在平衡双梁一端的位置，直到测力计读数与配重砝码的值一致，保证循环加载系统在启动之前的系统平衡；

e、整理测力计连线，将其与数据收集器连接起来；

f、重复以上a-e的步骤，安装另一水平垂直方向的加载组件；

(5)注水

向土层上方空间注入水，使最终水面的高度保持在10cm；

(6)进行测试

设定电机的循环荷载频率和数据收集器的采集频率，测力计、应变片和位移传感器收集监测到的数据并传送至数据收集器，实时显示并记录测试数据；当达到试验前设定的循环荷载加载次数，或桩顶累计水平位移超过设定值使桩身发生失稳破坏时，试验结束，所得试验数据用于后期处理。

在将模型桩压入指定位置的固结土内时，为保护模型桩内部的电缆，在模型桩的底部加装圆锥形套头。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型能在模型箱中模拟海上桩基础受风暴荷载、波浪荷载等循环荷载效应。相比于其他循环荷载加载装置，该装置实现了两个相互垂直的水平方向的循环加载，实现了真实模拟。通过改变荷载幅值、循环频率、循环次数等条件而输出不同的二维水平循环荷载，模拟多种自然条件下荷载的叠加。

附图说明

图1为力循环控制加载装置示意图。

图2为一个方向的循环加载系统纵截面图。

图3为加载系统俯视图。

图中标记为：模型箱1，砂砾层2，黏土层3，力循环控制加载装置4，底座5，平衡双梁6，转轴7，电机8，转杆9，砝码10，平衡砝码11，配重砝码12，第一定滑轮13，第一钢绞线14，测力计15、数据收集器16，应变片17，位移传感器18，模型桩19，支架20，长杆21，第二定滑轮22。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明：

基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置，包括模型箱1、加载系统和监测系统，各系统的具体结构和连接关系为：

模型箱1为顶部开口的立方体箱型结构，其内部下侧装填土层，土层表面与箱体上缘之间的空间装水；模型箱1的四个侧面和底部均为钢板；四个侧面的底部设有均匀布置的排水孔，排水孔中装有滤网。土层分为下层的砂砾层2与上层的黏土层3，砂砾层2厚度为10cm，黏土层3的表面与箱体上缘之间距离为至少10cm；在模型箱1相邻的两条垂直边缘上各装有一根水平方向的长杆21，长杆21的中间分别装有一个第一定滑轮13；模型箱1的中央设有一根模型桩19，其下半部分竖直插入土层中。

所述加载系统包括两套完全相同的加载组件：加载组件中有一个力循环控制加载装置4，力循环控制加载装置包括固定的底座5，底座5上设置两个与转轴7相连的支架20；该转轴7贯穿设于平衡双梁6上的通孔，使平衡双梁6能以转轴7为中心进行摆动；转轴7两侧的平衡双梁6是不对称的，其中稍短一侧平衡双梁6的端部装有平衡砝码11；稍长一侧平衡双梁6的端部上方装有电机8，电机轴竖直向下穿过平衡双梁6的端部；一根水平方向的转杆9，其一端固定在电机轴的端部，另一端固定装有一个砝码10；在电机8与平衡双梁6的转轴7之间，固定设有一个与转轴7平行的横杆，横杆上装有第二定滑轮22；平衡双梁6上装有电机8的一端远离模型桩19，装有平衡砝码11的一端靠近模型桩19；第一钢绞线14的一端通过第二定滑轮22固定在底座5上，另一端固定在模型桩19顶部的拉环上；第二钢绞线22的一端固定在模型桩19顶部的拉环上，另一端通过第一定滑轮13后连接配重砝码12；模型桩19顶部的拉环包括扣于模型桩19顶部的钢制帽状本体，其外侧连接有相互垂直四个方向的圆形拉环。第一钢绞线14与第二定滑轮22、模型桩19、第二钢绞线、第一定滑轮13所形成的连线是一条垂直于模型箱1边缘的直线，且两套加载组件中的该连线也是相互垂直的；

所述监测系统包括数据收集器16(计算机)，数据收集器16通过电缆分别连接至测力计15、应变片17和位移传感器18；其中，测力计15有两个，分别装在两套加载组件中的第一钢绞线14上；应变片17有多个，粘贴在位于土层内的模型桩19外侧的受荷载轴线上，并且在桩长方向均匀排列，在桩径方向上的排列与水平双向受荷方向相同；模型桩19为空心钢管，与各应变片17相接的电缆在穿过模型桩19的内腔后与数据收集器16相接。位移传感器18装在模型桩19与模型箱1内壁之间的线缆上，用于安装位移传感器18的线缆有多根，每根线缆上各装有一个位移传感器18；所述线缆位于模型桩19露出土层的部分，上下相邻两根线缆之间间隔10cm，所有线缆均位于第二钢绞线的下方。

利用本实用新型中所述装置进行波浪荷载加载试验的方法，包括以下步骤：

(1)填土

土层分为下层的砂砾层2与上层的黏土层3；先在模型箱1中铺设厚度10cm的砂砾层2，然后在砂砾层2上铺设透水土工布，再装填黏土3；黏土的装填按层进行，每填土15～20cm压实并注水，使土体充分饱和；静置后再填下一层黏土，每层土装填完成后，保证土层的表面水平，且在继续装填之前进行刮毛处理，避免人为分层；土层最终的上表面低于模型箱1的上缘至少10cm以上；

(2)固结

土层装填完成后，在其表面满布堆载进行固结；记录固结时间并测试固结程度，采用针入度试验进行固结度判定，控制固结度在85％～93％的范围内；固结过程中，根据试验需要打开或关闭模型箱1底部的排水孔，用于模拟饱和不排水或者饱和排水的过程；固结完成后，在模型箱1土层表面铺设透水型土工布；

(3)装入模型桩

根据试验需要选择不同桩径和长度的钢管作为模型桩19，在模型桩19与黏土接触的外表面粘贴应变片17，在桩长方向均匀排列，桩径方向排列与水平双向受荷方向相同，应变片17的外侧涂环氧树脂加以保护，应变片17导线从模型桩19内穿出；将模型桩19压入指定位置的固结土内，在模型桩19露出土层的部分与模型箱1内壁之间的线缆上安装位移传感器18；将模型桩19压入指定位置的固结土内时，为保护模型桩19内部的电缆，在模型桩19的底部加装圆锥形套头。

(4)仪器设备安装

a、在底座5上安装支架20，将平衡双梁6、转轴7和支架20连接在一起，在平衡双梁6一端依次安装电机8、转杆9和砝码10，暂时固定转杆9使之垂直于平衡双梁6；在平衡双梁6另一端安装平衡砝码11，保证整个力循环控制加载装置4在循环加载前的平衡；

b、固定模型桩19，对模型桩19出露于土层的上部分用水平方向的支撑以暂时固定，保证模型桩19在受循环荷载之前不发生位移；

c、连接钢绞线，首先将第二钢绞线与桩端拉环连接起来，然后增加配重砝码12；然后连接第一钢绞线14；

d、调整整个加载装置平衡，去掉固定模型桩19的水平支撑，调整平衡砝码11在平衡双梁6一端的位置，直到测力计15读数与配重砝码12的值一致，保证循环加载系统在启动之前的系统平衡；

e、整理测力计15连线，将其与数据收集器16连接起来；

f、重复以上a-e的步骤，安装另一水平垂直方向的加载组件；

(5)注水

向土层上方空间注入水，使最终水面的高度保持在10cm；

(6)进行测试

设定电机8的循环荷载频率和数据收集器16的采集频率，测力计15、应变片17和位移传感器18收集监测到的数据并传送至数据收集器16，实时显示并记录测试数据；当达到试验前设定的循环荷载加载次数，或桩顶累计水平位移超过设定值使桩身发生失稳破坏时，试验结束，所得试验数据用于后期处理。

在试验过程中，通过对模型桩施加双向水平循环荷载并实时监测，研究模型桩在双向水平循环荷载作用下的工作特性、承载力弱化情况及对周边土体的影响范围。两套加载组件中的力循环控制加载装置4成水平垂直方向布置，所能提供的循环荷载F，大小为：式中，L1为转杆9长，L2为底座5上转轴7和定滑轮13间距离，ma为砝码10质量，T为力循环控制加载装置4的固有扭矩，M为转杆9质量。

本实用新型中的水平双向循环荷载加载装置易于加工，结构装配简单，具有一定的科研推广价值。以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。