一种用于模型桩拟双向循环荷载加载装置及试验方法与流程

本发明涉及一种用于模型桩拟双向循环荷载加载装置及试验方法，属于土木工程领域的桩基工程研究领域。

背景技术：

随着我国海洋资源的开发和海洋工程的不断建设，桩基础的应用的得到了全面发展，在水平循环荷载作用下桩的承载性能受到大量学者的关注。桩基础不仅要能够承受由上部结构和桩身自重等引起的轴向荷载，而且要求能够承受由波浪荷载、风荷载、车辆制动力荷载等引起的水平荷载。在海上的特殊环境下，如风浪的长期循环荷载作用，对桩的承载性能存在影响。循环荷载作用下会引起桩周土体累积变形和塑性应变增加,使得桩产生的水平位移过大，桩周土体受到扰动导致体刚度下降，桩基承载力降低。

研究桩的承载特性常常采用模型试验，通过模型试验能够更好的反映桩的承载特性。由于受到侧向加荷设备条件的限制，以及问题本身的复杂性，国内外对受水平双向循环荷载桩的现场和室内的试验研究较少。目前对桩的研究绝大部分停留在短期静载的水平上，很多问题尚未解决，很多问题尚待解决。目前对于受水平循环荷载作用下的加载装置较少，而且加载装置比较复杂，操作起来控制，容易受外界因素的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于模型桩拟双向循环荷载加载装置及试验方法，即通过弹簧测力计的弹性，通过在托盘中增加质量块和减少托盘中原来的质量块形成水平循环荷载；通过控制托盘中增加质量块和减少质量块的速度来控制循环的频率。以此加载方法来研究桩在水平循环荷载下受加载频率、循环次数、循环周期的影响，分析桩的承载特性。

上述的目的通过以下技术方案实现：

用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，包括用于填土固定模拟桩的模拟箱、第一钢丝绳以及第二钢丝绳；所述第二钢丝绳的两端通过钢丝绳卡头连接在所述的第一钢丝绳上并且两个钢丝绳的连接处位于所述模拟桩的两端，所述第一钢丝绳的一端通过弹簧测力计连接固定支座，所述第一钢丝绳的另一端绕过定滑轮连接用于放置质量块的托盘。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，所述用于模型桩拟双向循环荷载加载装置还包括用于拍摄模拟桩位移的激光拍摄系统，所述激光拍摄系统包括激光光源、ccd相机和用于固定ccd相机的相机支架。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，所述第一钢丝绳与所述第二钢丝绳的直径相等。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，第一钢丝绳、第二钢丝绳的参数满足以下条件：

l1+l2+l3+a≤l1+l2+l3+a+h-l4，

式中l1为固定支座到模拟箱之间的距离；

l2为定滑轮到模拟箱之间的距离；

l3为模拟箱中填土的上表面与第一钢丝绳或者第二钢丝绳之间的距离；

l4为试验所允许弹簧测力计的弹簧伸长的最大长度；

a为模拟箱的宽度；

h为模拟箱的高度。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，所述模拟箱的口径为所述模拟桩直径的5倍以上。

用上述用于模型桩拟双向循环荷载加载装置进行试验的方法，该方法为：施加水平循环荷载时，先把弹簧测力计拉伸到大于或者等于幅值的最大值，然后将模拟桩通过填土固定在模拟箱中，再在托盘中增加质量块和减少托盘中原来的质量块形成水平循环荷载；通过控制托盘中增加质量块和减少质量块的速度来控制循环的频率。

所述的方法，还包括在控制托盘中增加质量块和减少质量块的速度来控制循环的频率的过程中打开激光器，并将ccd相机固定在相机支架上，通过调整相机位置及焦距获得适合的视场后进行拍摄模拟桩的图片，一个周期拍摄四张，待每级加载稳定后，再拍摄该级荷载下的模型图像；通过piv软件处理加载前后拍摄的图像，即可得到加载前后桩周土体的位移场。

有益效果：

1.本发明在重物箱预加质量块让弹簧测力计产生预定的拉力，以此状态作为初始状态；然后在重物箱加质量块和减质量块来实现水平循环加载。

2.与其他的隔震减振的方式相比，本发明具有加载装置结构简单，容易控制，可以方便对模型桩施加低频率的拟双向循环荷载。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图。

图2是本发明装置的力循环控制加载装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例的一种用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，包括用于填土固定模拟桩12的模拟箱5、第一钢丝绳3以及第二钢丝绳4；所述第二钢丝绳的两端通过钢丝绳卡头连接在所述的第一钢丝绳上并且两个钢丝绳的连接处位于所述模拟桩的两端，所述第一钢丝绳的一端通过弹簧测力2计连接固定支座1，所述第一钢丝绳的另一端绕过定滑轮6连接用于放置质量块7的托盘8。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，所述用于模型桩拟双向循环荷载加载装置还包括用于拍摄模拟桩位移的激光拍摄系统，所述激光拍摄系统包括激光光源9、ccd相机10和用于固定ccd相机的相机支架11。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，所述第一钢丝绳与所述第二钢丝绳的直径相等。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，第一钢丝绳、第二钢丝绳的参数满足以下条件：

l1+l2+l3+a≤l1+l2+l3+a+h-l4，

式中l1为固定支座到模拟箱之间的距离；

l2为定滑轮到模拟箱之间的距离；

l3为模拟箱中填土的上表面与第一钢丝绳或者第二钢丝绳之间的距离；

l4为试验所允许弹簧测力计的弹簧伸长的最大长度；

a为模拟箱的宽度；

h为模拟箱的高度。

所述的用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，所述模拟箱的口径为所述模拟桩直径的5倍以上。

用上述用于模型桩拟双向循环荷载加载装置进行试验的方法，该方法为：施加水平循环荷载时，先把弹簧测力计拉伸到大于或者等于幅值的最大值，然后将模拟桩通过填土固定在模拟箱中，再在托盘中增加质量块和减少托盘中原来的质量块形成水平循环荷载；通过控制托盘中增加质量块和减少质量块的速度来控制循环的频率。

具体操作方法如下：

1）按照设计的模型试验确定模型桩的尺寸、模型箱的尺寸、弹簧测力计的量程、钢丝绳的长度、质量块的重力；

2）根据试验方案确定模型箱中的土；

3）根据试验方案控制土的性质，然后在模型箱中填土，达到设定模型桩下端的位置；

4）把模型桩置于已埋入的土上，然后继续在模型箱中填土；

5）把弹簧测力计固定在固定支座，用钢丝绳连接弹簧测力计和托盘；

6）计算需要加载的最大荷载，然后根据计算结果在托盘中加入相应的质量块；

7）然后逐级加载和卸载，使桩在水平方向上产生循环荷载。

实施例1

为了研究frpc组合桩在水平循环下半模桩的桩土宏微观机理，采用本发明一种用于模型桩拟双向循环荷载加载装置，实现水平拟循环加载；

实现frpc组合半模桩的水平循环包括以下步骤：

1）按照设计的模型试验确定模型桩的桩长为1.6m，桩径为0.07m，模型箱的尺寸为：1.6m×0.4m×1.2m，弹簧测力计的量程2.4kn、钢丝绳的长度为2.6m、质量块的重力0.1kg；（如图所示）；

2）根据试验方案确定模型箱中的为砂土；

3）根据试验方案分层填筑砂以控制砂的密实度，然后在模型箱中每次0.02m填筑后压实，达到0.4m的高度；

4）把模型桩置于已买入的土上，然后继续分层填筑，每层的高度为0.02m；

5）把弹簧测力计固定在固定支座，用钢丝绳连接弹簧测力计和托盘；

6）计算需要加载的最大荷载为2kn，然后在托盘中加入10个质量块；

7）试验选取在晚上进行以提供稳定的光环境，将相机固定在支架上，整个试验过程中保持各装置相对位置固定；

8）打开激光器，并将ccd相机固定在相机支架上，通过调整相机位置及焦距获得适合的视场；

9）一个周期拍摄四张，待每级加载稳定后，再拍摄该级荷载下的模型图像；

10）通过piv软件处理加载前后拍摄的图像，即可得到加载前后桩周土体的位移场。