一种气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置

1.本发明属于室内试验加载装置技术领域，具体涉及一种气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置。


背景技术：

2.随着社会经济的快速发展，越来越多的工程陆续兴建例如跨海大桥、高速高铁工程、 风力发电、海上平台等，桩基础以其工程操作简单、沉降量小、抗震高性能、地基承载 力高等优点，成为大型建、构筑物最常用的基础形式之一，被大量用于工程建设中，尤 其适用于对沉降控制和承载力有严格要求的工程项目。由于海洋工程中桩基时常需要承 受复杂的动荷载，例如包括多种方向的循环荷载，施工建设中的冲击荷载，大小方向和 频率常常变化，这使得在开展模型试验的过程中，要充分考虑这些荷载的多变性。
3.在跨海大桥及风力发电工程中，桩基础在服役期间不但要承受来自上部结构的竖向 循环荷载，还可能同时要承受风浪的水平循环荷载。目前，现有的研究通常采用室内模 型试验的方法对上述问题开展研究工作，一般地，只分析单一循环荷载下的单桩承载特 性模型试验，并且进行模型试验时，大多采用伺服液压系统或机械装置，这种方法的缺 点在于需要配备昂贵的伺服控制系统、液压机、伺服电机等一系列装置，成本过高，并 且结构形式复杂，操作困难，难以保证精确程度，不适合小型室内模型试验的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置，以解决上述问题。
5.本发明中提供一种气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置，包括模型桩、模型箱、加载系统以及测量系统；模型桩设于模型箱中，模型箱外部设有反力架，加载系统包括连接至反力架的竖向加载装置和水平加载装置，竖向加载装置和水平加载装置分别设于模型桩桩顶和桩侧。
6.作为上述方案进一步的优选：所述竖向加载装置包括电气比例阀和与其信号连接的函数信号发生器，电气比例阀的气压输出口连接至一气缸，气缸安装在所述反力架上，电气比例阀的气压输入口连接至一空气压缩机。
7.作为上述方案进一步的优选：所述竖向加载装置还包括荷载检测系统，荷载检测系统包括plc控制箱、上部压力传感器和下部压力传感器以及电动滑轨，plc控制箱分别连接上部压力传感器、下部压力传感器以及电动滑轨，上部压力传感器连接在电动滑轨上，上部压力传感器可在气缸的输出端下方水平移动。
8.作为上述方案进一步的优选：所述反力架上分布设有若干个高度不同的螺纹孔，电动滑轨通过螺纹孔连接至反
力架。
9.作为上述方案进一步的优选：所述水平加载装置包括功率放大器和与其连接的动态激振器，动态激振器安装在反力架上，功率放大器还连接至函数信号发生器。
10.作为上述方案进一步的优选：所述模型桩与水平加载装置和竖向加载装置之间均设置有滚轴板。
11.作为上述方案进一步的优选：所述模型桩桩顶设有加载插销接口，加载插销接口上方和侧部连接有承压钢板，承压钢板连接至对应的滚轴板。
12.作为上述方案进一步的优选：所述测量系统包括动静态应变采集仪、土压力传感器、位移传感器、电阻应变片以及拉压传感器，位移传感器设置在模型桩桩顶，拉压传感器设置在动态激振器与模型桩之间，土压力传感器分别设置在模型桩桩端和桩侧，电阻应变片贴设于模型桩两侧。
13.本发明的有益效果具体如下：（1）、本发明研究的为双向循环荷载、冲击荷载等复杂荷载作用下的单桩、 群桩承载特性的模型试验装置，加载装置既可以满足单一（竖向加载、水平加载）循环荷载试验，还可以满足组合循环荷载试验。具体的，本发明提供一种气压控制的模拟各种复杂荷载的单桩、群桩组合加载试验装置，该装置加载系统主要可分为竖向加载装置和水平加载装置，该试验装置既能够展示单一竖向循环荷载、水平循环荷载或冲击荷载下的单桩、群桩承载特性，又可以展示水平循环和竖向荷载共同作用下的桩土共同作用规律，具有经济实惠、结构简单便于操作、具备先进自动化等特点。
14.（2）、本发明的装置具备了大量的自动化设备，减少了人工操作，并且具有结构简单，便于操作，省时省力的优点。具体的，本发明设置的滚轴板避免了不同向循环加载共同作用时相对位移对试验的影响，保证了试验的严谨。并且，函数信号发生器和电器比例阀的存在，为循环加载提供了条件，大量不同的函数波形电信号，大大的增加了试验装置的灵活性，可以根据不同试验选择不同频率、次数、幅值，提高了试验的多样性。空气压缩机和气缸的选择，相对于昂贵的伺服液压系统，大大的降低了成本，气压通过气缸施加荷载具有荷载施加不稳定和损耗的弊端，荷载检测系统的存在完全的解决了缺点，增加了试验的精确程度，更加符合小型室内模型试验。
附图说明
15.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图 1 为本发明实施例中气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置的总体剖面图；图 2 为本发明实施例中电动滑轨的正视图；图 3为本发明实施例中电动滑轨的俯视图；图 4为本发明实施例中加载插销接口处的示意图；图 5 为本发明实施例中滚轴板的示意图；
图 6为本发明实施例中电气比例阀的示意图；图 7为本发明实施例中反力架的俯视图；图8为本发明实施例中测试元件安装示意图；附图说明：1、空气压缩机；2、电气比例阀；3、稳定电源；4、函数信号发生器；5、功率放大器；8、反力架；9、气缸；10、动态激振器；11、承压钢板；12、模型桩；13、电阻应变片；14、位移传感器；15、土压力传感器；16、试验土样；17、模型箱；18、动静态应变采集仪；19、笔记本电脑；20、拉压传感器；21、螺纹孔；22、气压输入口；23、气压输出口；24、电信号输入口；25、滚轴轴承；26、加载插销接口；27、滚轴板；28、电动滑轨；29、电机滑杆；30、压力传感器；30-1、上部压力传感器；30-2、下部压力传感器；31、plc 控制箱。
具体实施方式
16.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
17.参见图1并结合图7，本实施例中提供一种气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置，包括模型桩12、模型箱17、试验土样16、反力装置、加载系统以及测量系统；模型桩12放于模型箱17中，试验土样16埋置适应高度；反力装置包括反力架8，加载系统通过反力架8安装于模型箱17上方，用于对模型桩12模拟加载，加载系统包括竖向加载装置和水平加载装置；测量系统的测量元件设置在模型桩12桩顶和模型桩12桩侧，用于测试被测对象在水平、竖向循环荷载、冲击荷载作用下的响应。
18.本实施例中提供的为双向循环荷载、冲击荷载等复杂荷载作用下的单桩、群桩承载特性的模型试验装置，该加载装置既可以满足单一（竖向加载、水平加载）循环荷载试验，还可以满足组合循环荷载试验。具体的，本实施例中提供一种气压控制的模拟各种复杂荷载的单桩、群桩组合加载试验装置，该装置加载系统主要可分为竖向加载装置和水平加载装置，该试验装置既能够展示单一竖向循环荷载、水平循环荷载或冲击荷载下的单桩、群桩承载特性，又可以展示水平循环和竖向荷载共同作用下的桩土共同作用规律，具有经济实惠、结构简单便于操作、具备先进自动化等特点。
19.参见图1并结合图5，本实施例中，竖向加载装置的结构具体为：包括提供动力的空气压缩机1、控制气压的电气比例阀2、提供电力的稳定电源3、输出电信号的函数信号发生器4、传输气压的高压气管、输出荷载的气缸9以及荷载检测系统。具体的，空气压缩机1连接稳定电源3；电气比例阀2通过金属导线连接函数信号发生器4；电气比例阀2包括气压输入口22和气压输出口23两个通气口，气压输入口22连接至空气压缩机1的一端；气压输出口23连接至气缸9的一端；气缸9通过螺母螺栓安装在反力架8上。本实施例中，气缸9作为执行元件，竖向加载通过气缸9施加；电器比例阀2上设置有电信号输入口24，电器比例阀2根据电压信号将气压进行调节，气缸9将调节后的气压转化为动力荷载以实现动力转化。
20.基于前述，竖向加载装置的工作过程为：空气压缩机1通过压缩空气的方式形成所需气压，再通过高压气管传送给电气比例阀2的气压输入口22，从气压输出口23传送给气缸9输出荷载，函数信号发生器4通过输入不同波形的电压信号控制电气比例阀2对输出的气压进行调节，实现竖向循环荷载的施加。具体的，电气比例阀2的作用为通过模拟信号将输出的气压调节为试验需要的按不同函数规律变化的气压，将电压信号按比例的转换为气压
的比例输出；函数信号发生器4则通过传输电信号的金属导线对电气比例阀2的输出电压信号，控制电气比例阀2内电磁铁产生相应动作，由于电磁铁的磁吸使工作阀内的阀芯产生对应的移动，改变阀口尺寸大小，并以此控制与输入电压成比例的气压压力的输出，被控制后的输出气压，再传送给气缸9，使其做往复循环加载动作，输出荷载，实现竖向循环荷载的施加。
21.参见图1、图2和图3，前述荷载检测系统包括plc控制箱31、压力传感器30以及电动滑轨28，压力传感器30包括上部压力传感器30-1和下部压力传感器30-2，plc控制箱31通过金属导线分别连接下部压力传感器30-2、上部压力传感器30-1以及电动滑轨28，plc控制箱31还连接至笔记本电脑19，上部压力传感器30-1通过电机滑杆29连接在电动滑轨28上，上部压力传感器30-1可在气缸9的输出端下方水平移动。荷载检测系统的工作过程为：当上部压力传感器30-1检测达到设计荷载幅值大小，plc 控制箱31发出电信号，电动滑轨28电机发生转动，上部压力传感器30-1从气缸9下方移动，气缸9的压杆弹出，施加荷载，冲击荷载加载过程，主要是重物的机械能（势能）转化为杆件的弹性能的能量转化过程，同时在加载的过程中，下部压力传感器30-2实时检测荷载大小，当荷载变化幅度超过设定幅值时，plc 控制箱31通过笔记本电脑19发出警告。
22.参见图6，反力架8上还设有若干个螺纹孔21，通过反力架8具有的不同高度的螺纹孔21，可调节电动滑轨28的水平高度，控制气缸9压杆与承压钢板11产生一定高差，从而实现冲击荷载的施加。
23.参见图1并结合图5，本实施例中，水平加载装置的结构具体为：包括功率放大器5、动态激振器10、前述函数信号发生器4以及前述稳定电源3，动态激振器 10 安装在反力架8 上，动态激振器 10通过金属导线连接功率放大器5，功率放大器5分别通过金属导线连接函数信号发生器4和稳定电源3。本实施例中，函数信号发生器4设置振动波形，打开功率放大器5，动态激振器10通过接受来自函数信号发生器4不同波形的输出电信号开始循环振动，完成水平循环荷载的施加。
24.进一步的，由于组合荷载共同作用下时，由于不同向循环荷载的施加，桩身产生相对位移，为减小相对位移对试验的影响，本实施例在桩体与水平加载装置和竖向加载装置之间均设置有滚轴板27，具体的，参见图1、图3和图4，模型桩12桩顶设有加载插销接口26，加载插销接口26上方和侧部连接有承压钢板11，承压钢板11连接至对应的滚轴板27。进一步的，滚轴板27包括滚轴轴承25和滚轴连接板，当加载板产生相对位移时，滚轴板27下部轴承随之滚动，但其上部承接板不做相对位移，滚轴板27的作用是控制竖向加载或水平加载的加载方向，避免由于加载装置和桩之间产生的相对位移，而导致的偏心问题对试验的影响，保证气缸9和作动器的垂直不偏心，完成试验加载。
25.参见图1和图8，前速测量系统的测量元件包括动静态应变采集仪18、土压力传感器15、位移传感器14、电阻应变片13以及拉压传感器 20，位移传感器14设置在模型桩12桩顶，拉压传感器 20安装在动态激振器10 与滚轴板27之间，土压力传感器15设置在模型桩12桩端和桩侧，电阻应变片13贴于模型桩12两侧，配合动静态应变采集仪18测试被测对象在荷载作用下的响应。
26.结合前述，本实施例提供的一种气压控制的复杂荷载桩基础室内试验加载装置，其试验方法的工作过程具体为：
步骤（1）、根据研究目标，确定试验土样16，将适量的的试验土样16 填入模型箱 17中作为下卧层，使用压实机器压实，减小密实度对试验的影响，利用直尺确定模型桩 12 位置，放入模型桩12，使用激光水准仪确保模型桩的垂直放置，将试验土样16 和土压力传感器15分层埋入，并压实，最后将土样埋置合适高度，位移传感器14安装在模型桩 12的桩侧和桩顶，测试沉降和水平位移；步骤（2）、静置24小时后，安装竖向加载装置，气缸9通过螺母螺栓安装在反力架8上，电动滑轨28，电机滑杆29、上部压力传感器30-1和下部压力传感器30-2设于气缸9和滚轴板27之间，滚轴板27设于下部压力传感器30-2和承压钢板11之间，空气压缩机1一端连接稳定电源3，一端通过高压气管连接电气比例阀2的气压输入口，电气比例阀2的气压输出口通过高压气管与气缸9的气压输入口连接，函数信号发生器4通过金属导线与电气比例阀2 的信号接收口连接，plc 控制箱31分别通过金属导线与下部压力传感器 30-2、上部压力传感器30-1、滑轨电机28连接；步骤（3）、安装水平加载装置，金属导线分别依次连接稳定电源3、函数信号发生器4、功率放大器5、动态激振器 10，动态激振器 10 安装在反力架8 上，拉压传感器 20安装在动态激振器10 与滚轴板27之间；步骤（4）、对模型桩12进行竖向循环加载试验，打开函数信号发生器 4，设置波形，空气压缩机1压缩空气，提供气压，电气比例阀2接收函数信号发生器4的不同函数振动波形，控制气压的输入，当上部压力传感器30-1达到设计荷载幅值，plc控制箱31发出电信号，电动滑轨电机发生转动，上部压力传感器30-1从气缸9下方移动，气缸9的压杆弹出，施加荷载，气缸9 做循环竖向加载，同时试验过程中，仔细观察下部压力传感器30-2的实时检测荷载大小（试验过程中下部压力传感器30-2还具有实时检测输出荷载幅值大小的功能）；对模型桩12进行水平循环加载试验，打开函数信号发生器4和功率放大器5，设置振动波形，动态激振器10做循环水平加载；步骤（5）、试验过程中，通过透明亚克力板观察土体变化情况，记录测试元件数据。 根据实验分组的荷载幅值、循环频率改变试验振动波形，进行下组试验，试验结束时， 依次关闭所有设备，等待空气压缩机1排空气体，清理试验装置灰尘。
27.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。