一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统

本发明涉及岩土工程地基基础模型试验领域，具体涉及一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统。

背景技术：

0、技术背景

1、近年来，科技与经济高速发展，跨海大桥、风力发电塔、海上钻井平台等海洋工程不断涌现，桩基础由于其诸多优点而在这类工程结构中得到广泛应用，但这类桩基础尺寸较大，承载特征不仅仅受限于单一荷载，而是多种荷载的联合作用控制其承载能力，当前对复杂受力环境下的桩基础承载特性研究不多，加上鲜有相应的理论指导，实际工程大多凭借经验或传统桩基础理论进行设计建造，使得这类处于复杂受力环境下的桩基础偏于保守或不安全，因此，常常看到由于复杂荷载引起的桩基础破坏而导致桥梁等基础设施毁坏，进而造成重大人员财产损失。

2、现有的桩基模型试验装置，大多能只能提供竖向压力、水平力、弯矩，但当前的桩基础不仅仅承受这些作用，还常常承受不可忽视的扭矩、上拔力、桩顶偏心等多种形式的荷载；当进行竖向和水平组合荷载研究时，随着桩顶位置改变后，竖向荷载的方向及大小会随着桩顶的位移而发生较大的变化，因此对试验结果的准确性存在一定程度的影响。

3、现有的采用杠杆手段来提供竖向力的装置，无法克服桩顶连接处较大的摩擦力，从而对水平加载产生影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，根据上述现有技术中存在的缺陷，提供一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统。

2、为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案来实现。

3、一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：包括模型箱框架结构和埋设在试验土体中的模型桩；所述模型箱框架结构设有水平加载装置和扭矩加载装置，水平加载装置包括一组位于模型桩左侧的加载单元，所述加载单元包括定滑轮和加载托盘，钢丝绳绕过定滑轮，一端竖直连接加载托盘，另一端水平连接模型桩；扭矩加载装置包括两组位于模型桩两侧的加载单元，每个所述加载单元包括定滑轮和加载托盘，钢丝绳绕过定滑轮，一端竖直连接加载托盘，另一端水平连接在扭矩加载转盘上，两组所述加载单元的定滑轮安装高度相同。

4、进一步的，丝杠穿过模型箱框架槽上的槽孔，通过螺母进行上下调节及固定，梁穿过两侧丝杠顶部环形槽，定滑轮可在梁上自由移动，用螺栓固定定滑轮在梁上的位置。

5、进一步的，所述模型桩顶部依次放置扭矩加载转盘、拉压传感器、底座、桩顶定滑轮，桩顶定滑轮可在横梁内自由滚动，也可固定在底座的左右两侧。

6、进一步的，扭矩加载转盘通过砝码重力荷载转换成扭矩，由于转盘的存在，可以使得力的方向始终与转盘相切，以保证扭矩力臂始终保持不变。

7、进一步的，还包括竖向加载装置，竖向加载装置包括立柱、横梁、上拔装置以及加载托盘，横梁左端铰接固定，右端悬空，桩顶定滑轮置于横梁凹槽内，加载托盘4直接竖向吊接在横梁右侧，加载托盘5绕过上拔装置悬拉横梁。

8、进一步的，通过调节横梁右端加载托盘5上砝码重量，悬拉横梁来平衡横梁自重，左侧顶柱螺纹具备调节高度的能力，实现竖向拉拔和竖向加压两种加载方式以及竖向荷载从零开始加载的目的。

9、进一步的，以加载托盘4作为施力点，横梁作为力臂，横梁凹槽上部与桩顶定滑轮之间的接触点作为支点，通过向加载托盘4上施加砝码，根据杠杆原理实现对模型桩竖向加压。

10、进一步的，以加载托盘5作为施力点，横梁作为力臂，横梁凹槽下部与桩顶定滑轮之间的接触点作为支点，通过向加载托盘5上施加砝码，根据杠杆原理实现对模型桩竖向拉拔。

11、在上述方案的基础上，对比现有技术，其具有以下有益效果：

12、1.能够在一组试验中分别或同时实现水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转的加载，模拟桩基真实受力状态。

13、2.因桩顶定滑轮可在横梁内自由滚动，解决了施加水平、竖向组合荷载时桩顶位置改变后，因竖向荷载往往只能竖向加载而不能改变水平位置造成对桩顶额外约束的问题，使竖向荷载的大小及方向在试验中基本保持不变，且始终与桩在一个平面内，从而更准确地分析桩基在组合荷载联合作用下的承载性状和耦合效应。

14、3.该装置对埋设模型桩的位置没有限制，可在模型箱凹槽内任意位置进行试验，各荷载都可从零开始加载。

15、4.该装置结构简单，受力明确，易于加工及组装，且制造成本及维护成本低。

技术特征：

1.一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：包括模型箱框架结构(8)和埋设在试验土体中的模型桩(9)；所述模型箱框架结构设有水平加载装置和扭矩加载装置，水平加载装置包括一组位于模型桩左侧的加载单元，所述加载单元包括定滑轮(11)和加载托盘(1)，钢丝绳(15)绕过定滑轮(11)，一端竖直连接加载托盘(1)，另一端水平连接模型桩(9)；扭矩加载装置包括两组位于模型桩两侧的加载单元，每个所述加载单元包括定滑轮(12)(13)和加载托盘(2)(3)，钢丝绳(15)绕过定滑轮(12)(13)，一端竖直连接加载托盘(2)(3)，另一端水平连接在扭矩加载转盘(17)上，两组所述加载单元的定滑轮安装高度相同。

2.根据权利要求1所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：还包括竖向加载装置，竖向加载装置包括立柱(24)(25)、横梁(22)、上拔装置(26)(27)以及加载托盘(4)(5)，横梁(22)左端铰接(23)固定，右端悬空，桩顶定滑轮(20)置于横梁(22)凹槽内，加载托盘(4)直接竖向吊接在横梁(22)右侧，加载托盘(5)绕过上拔装置(26)(27)悬拉横梁(22)。

3.根据权利要求1所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：丝杠(10)穿过模型箱框架槽上的槽孔，通过螺母(16)进行上下调节及固定，梁(31)(32)(33)穿过两侧丝杠顶部环形槽，定滑轮(11)(12)(13)可在梁(31)(32)(33)上自由移动，用螺栓(34)固定定滑轮在梁上的位置。

4.根据权利要求1所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：所述模型桩顶部依次放置扭矩加载转盘(17)、拉压传感器(18)、底座(19)、桩顶定滑轮(20)，桩顶定滑轮(20)可在横梁(22)内自由滚动，也可固定于底座(19)的左右两侧。

5.根据权利要求4所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：扭矩加载转盘(17)通过砝码重力荷载转换成扭矩，由于转盘的存在，可以使得力的方向始终与转盘相切，以保证扭矩力臂始终保持不变。

6.根据权利要求2所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：通过调节横梁右端加载托盘(5)上砝码(7)重量，悬拉横梁来平衡横梁自重，左侧顶柱(25)螺纹具备调节高度的能力，实现竖向拉拔和竖向加压两种加载方式以及竖向荷载从零开始加载的目的。

7.根据权利要求2所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：以加载托盘(4)作为施力点，横梁(22)作为力臂，横梁(22)凹槽上部与桩顶定滑轮(20)之间的接触点作为支点，通过向加载托盘(4)上施加砝码(7)，根据杠杆原理实现对模型桩竖向加压。

8.根据权利要求7所述的一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，其特征在于：以加载托盘(5)作为施力点，横梁(22)作为力臂，横梁(22)凹槽下部与桩顶定滑轮(20)之间的接触点作为支点，通过向加载托盘(5)上施加砝码(7)，根据杠杆原理实现对模型桩竖向拉拔。

技术总结
本发明公开了一种桩基模型试验水平、竖向拉拔和竖向加压、扭转组合荷载加载系统，主要包括竖向加载装置、水平加载装置、扭矩加载装置。横梁左端铰接固定，通过调节横梁的右端砝码重量，悬拉横梁来平衡横梁自重，实现竖向拉拔和竖向加压两种加载方式；通过调节桩顶定滑轮位置使其偏离桩身轴线，以施加竖向偏心荷载。通过可调整水平方向和高度方向的定滑轮施加水平荷载和扭矩荷载。因桩顶定滑轮可在横梁内自由滚动，解决了施加水平、竖向组合荷载时桩顶位置改变后，因竖向荷载往往只能竖向加载而不能改变水平位置造成对桩顶额外约束的问题。该试验加载系统也可以施加水平、扭转组合荷载，竖向、扭转组合荷载及水平、竖向、扭转组合荷载。

技术研发人员：杨晓峰,骆洋,于锋,姚兆明,何振伟
受保护的技术使用者：安徽理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19