用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置及其贯入方法

本发明涉及土工离心机试验，更具体地说，它涉及用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置及其贯入方法。

背景技术：

1、在各种形式的风力机基础类型中，单桩基础是应用最为广泛的基础类型之一。与陆上传统的桩基础相比，海上风电单桩基础的直径较大，一般为6-8m，最大可达10m，因此通常称为“大直径单桩”。限于海上复杂的施工条件，海上风机大直径单桩基础的安装方式通常为锤击沉桩，即通过液压锤连续、快速锤击的方式将大直径单桩安装至设计深度，具有操作简便、施工效率高等优点。

2、相关数据表明，在整个海上风电场的预算中，风力机的安装成本占有相当比例，亟需实现基础(尤其是大直径单桩基础)安装的“降本增效”。然而，锤击沉桩过程中的桩-土相互作用十分复杂，现场施工有时过于保守，有时忽视潜在风险，导致溜桩、拒锤等工程事故频发，造成了不必要的财产损失。在目前采用的研究方法中，现场试桩或大比尺模型试验往往需要耗费大量的人力、物力，成本太高；常重力小比尺模型试验虽然成本较低，但无法复现现场的高应力条件，难以保证试验结果的准确性。与这些研究方法相比，离心模型试验既不需要过高的成本和现场试桩严苛的限制条件，又可以在高重力加速度下复现现场的高应力条件。因此，用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置的研制具有重要意义。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供了其中一个方案：用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，该装置应用在离心机上，通过高速旋转产生离心力，形成超重力场，模拟海洋环境下，大直径单桩的锤击沉桩过程，该装置包括：

2、模型箱1，所述模型箱1内装有土层；土层内插装有模型桩2；

3、横梁3，其固定安装在模型箱1上；

4、滑台主体架4，其竖直固定安装在横梁3上；

5、竖直移动机构5，其安装在滑台主体架4上；

6、支撑架6，其固定安装在竖直移动机构5的滑动端上；所述支撑架6沿竖直移动机构5的竖直方向运动；

7、锤击模拟机构7，其安装在支撑架6上；锤击模拟机构7用于模拟沉桩过程中增加锤击的模拟情况；

8、其中，通过竖直移动机构5将锤击模拟机构7移动到预定高度，开启锤击模拟机构7实现模拟沉桩过程中增加锤击的模拟情况，完成对模型桩2贯入土层的沉桩过程。

9、进一步的，所述竖直移动机构5包括：

10、第一驱动电机501，其安装在支撑架6上；

11、减速器502，其安装滑台主体架4上，且与第一驱动电机501的驱动端相连；

12、丝杠503，其位于滑台主体架4内，丝杠503的一端固定安装在滑台主体架4底部；

13、第一联轴器504，用于连接减速器502和丝杠503的另一端，将减速器502旋转驱动力传递给丝杠503；

14、丝杠滑块505，其安装在丝杠503上，可沿丝杠503的长度方向运动；

15、两个滑轨506，其分别安装在滑台主体架4的两侧；

16、至少两个滑块507，每个所述滑块507安装在相对应的滑轨506上；滑块507可沿滑轨506的长度方向运动；

17、移动平台508，其两侧安装在两个滑块507上，其中间部位与丝杠滑块505相连，移动平台508可沿滑台主体架4竖直方向上运动；

18、其中，通过第一驱动电机501驱动丝杠503旋转，带动与丝杠滑块505相连的移动平台508沿滑台主体架4竖直方向上下运动；

19、支撑架6安装在移动平台508上。

20、进一步的，所述锤击模拟机构7包括：

21、第二驱动电机701，其安装在支撑架6上；

22、旋转支架702；所述旋转支架702下端开设有两端贯通豁口，豁口使旋转支架702的下端分为两部分；所述旋转支架702下端还开设有至少两个下端贯通的凹槽，凹槽内设有滑轮703；

23、第二联轴器704，用于连接第二驱动电机701和旋转支架702的上端，将第二驱动电机701旋转驱动力传递给旋转支架702；

24、桩锤罩705，桩锤罩705的上端与支撑架6固定连接，桩锤罩705的侧表面通过罩座706与支撑架6固定连接；

25、波形桩锤支撑座707，其安装在桩锤罩705的内表面上；

26、桩锤708，其一端位于旋转支架702的豁口内，且其一侧相对的侧表面与分别于滑轮703相接触；

27、两个导向轮709，两个所述导向轮709分别安装在桩锤708另一侧相对的侧表面上；两个所述导向轮709分别与波形桩锤支撑座707的波形上表面相接触，使导向轮709可沿波形上表面的轨迹运动；

28、导向件7010，其固定安装在桩锤罩705的下端；

29、其中，模型桩2的上端位于导向件7010内；

30、通过第二驱动电机701带动旋转支架702旋转，使桩锤708跟随导向轮709沿波形桩锤支撑座707的波形上表面完成往复旋转上升，自由落体运动，实现模型桩2的贯入。

31、进一步的，所述模型桩2上还设有桩垫8，所述桩垫8用于在锤击模型桩2时，对模型桩2上表面的损坏。

32、进一步的，该装置还包括有激光测量机构9，所述激光测量机构9用于测量锤击过程中，模型桩2贯入的深度。

33、进一步的，所述激光测量机构9包括：

34、激光传感器901，所述激光传感器901通过激光支座902安装在桩锤罩705上；

35、激光挡片903，所述激光挡片903通过定位针904安装在模型桩2上；

36、其中，通过激光传感器901发射激光，并接收激光挡片903反射回来的激光，进而测量模型桩2贯入的深度。

37、本发明提供了其中另一个方案：运用上述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置的贯入方法，该方法包括：

38、s1、模型箱1内填充有土层；

39、s2、模型桩2插装在土层内；

40、s3、通过竖直移动机构5将锤击模拟机构7移动到预定高度；

41、s5、通过锤击模拟机构7实现模拟沉桩过程中增加锤击的模拟情况，完成对模型桩2贯入土层的沉桩过程；

42、s6、通过激光传感器901发射激光，并接收激光挡片903反射回来的激光，进而测量模型桩2贯入的深度，为研究打桩施工过程及其桩基的承载力问题提供数据。

43、综上所述，本发明具有以下有益效果：

44、该装置可以在土工离心机中实现大直径单桩安装过程的模拟，进而对锤击沉桩的可打性分析、场地效应评价和施工风险预警提供有效的数据支撑，具有操作便捷、成本相对较低等优点且可以复现海上风电大直径单桩施工现场的高应力条件，相比于现场试桩、大比尺模型试验和常重力小比尺模型试验具有明显的优势。

技术特征：

1.用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，其特征在于，该装置应用在离心机上，通过高速旋转产生离心力，形成超重力场，模拟海洋环境下，大直径单桩的锤击沉桩过程，该装置包括：

2.根据权利要求1所述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，其特征在于：所述竖直移动机构(5)包括：

3.根据权利要求2所述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，其特征在于：所述锤击模拟机构(7)包括：

4.根据权利要求3所述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，其特征在于：所述模型桩(2)上还设有桩垫(8)，所述桩垫(8)用于在锤击模型桩(2)时，对模型桩(2)上表面的损坏。

5.根据权利要求1所述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，其特征在于：该装置还包括有激光测量机构(9)，所述激光测量机构(9)用于测量锤击过程中，模型桩(2)贯入的深度。

6.根据权利要求1所述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置，其特征在于：所述激光测量机构(9)包括：

7.运用权利要求1-6任意一项所述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置的贯入方法，该方法包括：

技术总结
本发明公开了用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置及其贯入方法，属于土工离心机试验技术领域，该装置包括：模型箱、横梁、滑台主体架、竖直移动机构、支撑架和锤击模拟机构；该方法运用于上述的用于土工离心机的大直径单桩锤击沉桩装置中，该装置可以在土工离心机中实现大直径单桩安装过程的模拟，进而对锤击沉桩的可打性分析、场地效应评价和施工风险预警提供有效的数据支撑，具有操作便捷、成本相对较低等优点且可以复现海上风电大直径单桩施工现场的高应力条件，相比于现场试桩、大比尺模型试验和常重力小比尺模型试验具有明显的优势。

技术研发人员：李玲玲,张士泓,安晓宇,国振,王立忠,李建东,元光宗,边天奇
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10