一种桩土系统室内模型及其横向振动实验模态分析测试系统

1.本发明涉及地基与基础工程的科学研究与工程技术领域，具体为一种桩土系统室内模型及其横向振动实验模态分析测试系统。


背景技术：

2.目前，桩基础研究主要集中在各类单桩与群桩基础的竖向承载、沉降特性及沉桩效应方面研究，而关于单桩的动力特性研究则侧重于其锤击打桩机理以及纵向与扭转振动响应分析，对于单桩的横向振动频率特性及桩-土动力相互作用机理等方面的研究相对较少。我国《建筑抗震设计规范》指出：桩基的震害是相当多的，桩完全不承担地震水平力的假定偏于不安全，存在液化土层的低承台桩基应进行抗震验算；目前除考虑桩土相互作用的地震反应分析可以较好地反映桩身受力情况外，还没有简便实用的计算方法保证桩在地震作用下的安全。
3.开展考虑桩土相互作用的地震反应分析，首要工作是获取桩土系统的模态参数，即桩的固有频率、阻尼比及模态振型。其中，单桩的固有频率是其动力分析的基本参数，受地基的物理力学性质、桩的几何力学性质与质量分布及桩端约束条件等因素影响。尽管结构的实验模态分析测试技术目前已较为成熟，鉴于桩-土系统的复杂性，关于单桩横向振动模态参数的实验研究还未见报道。本发明针对单桩的实验模态分析开展设计，可对其模态参数的测试与分析及合理性进行有效评估。此外，现场原位试验与离心试验的试验成本高、测试难度大、不具可重复性，有必要研发新的室内试验方法开展单桩的振动特性研究。因此，我们设计的实验测试系统可实现各类单桩的横向振动模态参数的测试与分析，能为各类单桩的动力特性分析提供有效参考。
4.因此，有必要提供一种桩土系统室内模型及其横向振动实验模态分析测试系统解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种桩土系统室内模型及其横向振动实验模态分析测试系统，以解决上述背景技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种桩土系统室内模型及其横向振动实验模态分析测试系统，该测试方法包括以下步骤：步骤一：模型箱设计为方柱体；步骤二：模型桩按照缩尺比例1：10制作，桩长l=300~800mm，桩顶直径d0=30~50mm，桩底直径可根据实验具体要求予以设定，应变片用于测定沿桩身纵向的横向位移变化，加速度传感器用于测定沿桩身纵向的加速度变化，应变片与加速度传感器均采用微型尺寸，以减小自身质量对实验结果的影响；步骤三：模型实验用土样按照均匀砂土与粘性土分别制备，以测定不同土质条件对桩固有频率的影响，测定激振过程中的土压力变化，进而分析桩周地基土的动力学参数；
步骤四：分别将应变片、加速度传感器、土压力盒、激振器或力锤的数据导线连接至电荷信号放大器，以便较好地测定低频范围内的电信号；步骤五：通过竖向加载装置对桩顶施加轴向静载，以分析初始轴向压力对桩固有频率的影响；步骤六：将数据导线、控制电脑与动态数据采集仪连接，数据导线再按传输信号分别与激振器和加速度传感器相连，选用小型激振器固定于模型箱一侧玻璃板上，激振频率逐步分级增加；或者将数据导线、控制电脑与动态数据采集仪连接，导线再按传输信号分别与力锤和加速度传感器相连，用装有力传感器的手锤进行的冲击激励，采用较低的采样频率来获取结构响应信号，两种激振形式的后者用作对比分析；步骤七：通过信号放大器将加速度传感器等的高输出阻抗变为较低阻抗，并将其微弱电压信号放大，设置动态信号分析软件的参数，调试各通道采集情况，各通道示波完成后进行正式采集；步骤八：模态分析软件将桩土系统输入和输出的信号计算得出各测点的频响函数，并通过模态分析软件识别桩土系统的固有频率和模态振型；其中，步骤一中所述模型箱底端设置有底板并且为10mm厚钢板，所述模型箱箱身为10mm厚透明玻璃板，角部用6mm厚钢板固定，并与底板通过固定螺栓密闭嵌固，所述玻璃板的一侧设置有激振器，所述模型箱内部设置有模型桩，所述模型桩的外壁均等距安装有应变片与加速度传感器。
7.优选的，所述应变片垂直于激励方向沿桩身纵向两侧连续均匀布置，所述加速度传感器平行于激励方向沿桩身纵向单侧连续均匀布置，且所述应变片与加速度传感器错位，避免相互干扰。
8.优选的，所述模型箱内部还设置有土压力盒，所述土压力盒分别埋置于桩身两侧及桩底位置。
9.优选的，所述模型箱的外部设置有信号放大器，所述信号放大器的一侧连接有数据导线，并且所述信号放大器通过数据导线与应变片、加速度传感器、土压力盒、激振器为电性连接。
10.优选的，所述模型箱的外侧还设置有反力架，所述反力架的底部设置有轴向加载装置。
11.优选的，所述信号放大器通过数据导线电性连接有数据采集仪，所述数据采集仪通过数据导线电性连接有模态分析软件。
12.具体地，所述力锤水平匀速锤击4~6次模型桩桩顶一侧。
13.优选的，所述模型箱的内部底端中心处安装有卡接块，所述卡接块的内部卡合连接有卡合板，所述卡合板的顶部固定连接有竖直向上的网格圆环台板。
14.优选的，所述网格圆环台板的内壁与模型桩相适配。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明可测得相应单桩的固有频率及不同边界条件、轴向荷载、桩身几何与材料性质及桩周土性状等对其数值的影响规律，在进行桩基抗震设计时，可根据上述规律改变桩端约束条件、桩几何性质等措施，从而调整桩基础的固有频率及自振周期，以避开建筑物所在场地的特征周期，防止桩土系统产生共振，达到降低桩基水平地震作用与桩基抗震
设计优化的目的。
16.2、本发明可针对不同性质土层开展相应单桩的模态参数测试，利用测试结果可进一步结合地基模型理论分析，对桩周土层的横向动力学性能相关参数进行参数反演分析，进而评价不同性质土层的动力性能。
17.3、本发明在插入模型桩前首先将网格圆环台板通过卡合板固定在卡接块顶部，然后插入模型桩的时候可以降低模型桩外侧的应变片、加速度传感器与土壤之间的摩擦，减少了应变片、加速度传感器之间的磨损，在插入模型桩过程中通过网格圆环台板的内壁与模型桩相适配可以避免模型桩发生偏移现象从而导致数据不准的情况。
附图说明
18.图1为本发明的桩土系统横向稳态谐振动的动力学模型；图2为本发明的桩土系统实验模态分析测试系统；图3为本发明的桩土系统模型实验箱及轴向加载装置；图4为本发明的桩土系统模型实验箱大样图；图5为本发明中模型箱内部安装模型桩状态图。
19.图中：1、模型箱；2、底板；3、玻璃板；4、固定螺栓；5、激振器；6、模型桩；7、应变片；8、加速度传感器；9、土压力盒；10、信号放大器；11、数据导线；12、反力架；13、轴向加载装置；14、数据采集仪；15、模态分析软件；16、卡接块；17、卡合板；18、网格圆环台板。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
22.请参阅图1-5，一种桩土系统室内模型及其横向振动实验模态分析测试系统，该测试方法包括以下步骤：步骤一：模型箱设计为方柱体；步骤二：模型桩按照缩尺比例1：10制作，桩长l=300~800mm，桩顶直径d0=30~50mm，桩底直径可根据实验具体要求予以设定，应变片用于测定沿桩身纵向的横向位移变化，加
速度传感器用于测定沿桩身纵向的加速度变化，应变片与加速度传感器均采用微型尺寸，以减小自身质量对实验结果的影响；步骤三：模型实验用土样按照均匀砂土与粘性土分别制备，以测定不同土质条件对桩固有频率的影响，测定激振过程中的土压力变化，进而分析桩周地基土的动力学参数；步骤四：分别将应变片、加速度传感器、土压力盒、激振器或力锤的数据导线连接至电荷信号放大器，以便较好地测定低频范围内的电信号；步骤五：通过竖向加载装置对桩顶施加轴向静载，以分析初始轴向压力对桩固有频率的影响；步骤六：将数据导线、控制电脑与动态数据采集仪连接，数据导线再按传输信号分别与激振器和加速度传感器相连，选用小型激振器固定于模型箱一侧玻璃板上，激振频率逐步分级增加；或者将数据导线、控制电脑与动态数据采集仪连接，导线再按传输信号分别与力锤和加速度传感器相连，用装有力传感器的手锤进行的冲击激励，采用较低的采样频率来获取结构响应信号，两种激振形式的后者用作对比分析；步骤七：通过信号放大器将加速度传感器等的高输出阻抗变为较低阻抗，并将其微弱电压信号放大，设置动态信号分析软件的参数，调试各通道采集情况，各通道示波完成后进行正式采集；步骤八：模态分析软件将桩土系统输入和输出的信号计算得出各测点的频响函数，并通过模态分析软件识别桩土系统的固有频率和模态振型；其中，步骤一中模型箱1底端设置有底板2并且为10mm厚钢板，模型箱箱身为10mm厚透明玻璃板3，角部用6mm厚钢板固定，并与底板2通过固定螺栓4密闭嵌固，玻璃板3的一侧设置有激振器5，模型箱1内部设置有模型桩6，模型桩6的外壁均等距安装有应变片7与加速度传感器8，建立的单桩横向稳态谐振动的动力学模型如图1所示，在桩顶位置承受集中简谐激励作用，做以下基本假定：将桩身简化为线弹性渐变截面timoshenko梁-柱；将桩周土简化为三参数pasternak粘弹性地基，并设地基土层土质均匀、各向同性；考虑桩土相互作用受桩径渐变的影响，假定桩侧摩阻力与地基参数自桩顶至桩底呈线性变化；考虑初始轴向荷载作用下桩做横向稳态谐振动时，桩身仅发生横向变形；桩底地基反力用winkler弹簧模拟，图1中，l表示桩长，x为横向坐标，z为桩身纵向坐标(0≤z≤l)，t表示时间；p0与m0分别为承台传至桩顶的初始轴向压力与弯矩，q0e
iωt
为桩顶承受的横向集中简谐激振力，其中q0为激振力幅值，ω为激振角频率；设桩的弹性模量为e
p
、质量密度为ρ
p
、剪切模量为g
p
、泊松比为ν
p
、截面剪切修正系数为κ，均为常量，且有g
p
=e
p
/[2(1+ν
p
)]；任意深度z处桩横截面的周长、面积与惯性矩分别用u
p
(z)、a
p
(z)与i
p
(z)表示，且均为关于z的连续可微函数；f(z)、kh(z)、ch(z)与gh(z)分别表示任意深度z处桩侧摩阻力、桩周土的地基横向弹性刚度系数、阻尼系数与剪切刚度系数，且均为关于z的连续可微函数；k
vl
为桩底位置的地基竖向刚度系数，图1中，φ(z,t)、γ(z,t)与α(z,t)分别表示深度z处截面中性轴由纯弯矩引起的转角、由纯剪力引起的剪切角与由弯矩和剪力共同作用引起的转角，且φ=α-γ，图1中，m(z,t)、q(z,t)与n(z,t)分别表示桩身任意深度z处横截面上的弯矩、剪力与轴力，fi(z,t)表示由横向振动引起的单位长度横向惯性力，mi(z,t)表示由横向振动引起的单位长度转动惯性力矩，f(z)
·
u表示桩侧单位长度摩阻力，rs(z,t)表示桩周土单位长度地基反力。
[0023]
结合timoshenko梁理论与三参数pasternak粘弹性地基模型，可推导出该动力学
模型的振动控制方程如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)以桩顶约束转角、桩底固定边界为例，对应边界条件方程为：z=0：q(z,t)-n(z,t)
·
∂
u(z,t)/
∂
z=q0·eiωt
，φ(z,t)=0；z=l：u(z,t)=0，φ(z,t)=0
ꢀꢀ
(2)如图3所示，应变片7垂直于激励方向沿桩身纵向两侧连续均匀布置，加速度传感器8平行于激励方向沿桩身纵向单侧连续均匀布置，且应变片7与加速度传感器8错位，避免相互干扰，设置的应变片7与加速度传感器8错位保证了在工作中不会相互干扰。
[0024]
如图3所示，模型箱1内部还设置有土压力盒9，土压力盒9分别埋置于桩身两侧及桩底位置，模型箱1的制作与设计简单灵活，适应较强，在满足普通砂土与粘性土的实验研究基础上，还可以满足使用新型透明土时对拥有较高透明度等的多种实验要求，为高速摄影技术应用于桩基试验提供渠道。
[0025]
如图3所示，模型箱1的外部设置有信号放大器10，信号放大器10的一侧连接有数据导线11，并且信号放大器10通过数据导线11与应变片7、加速度传感器8、土压力盒9、激振器5为电性连接，该系统主要包括盛桩加载装置与信号收集处理装置两大部分，为桩基础研究的实验开展、信息收集、数据处理与分析提供解决方案，盛桩加载装置中模型箱1由四面玻璃板3一面底板2所制成，在水平加载装置中使用激振器5与力锤实现对比分析；竖向采用轴向加载装置13实现轴向初始静载荷p0的施加，取桩顶初始弯矩m0=0；在进行桩基的横向自由振动、横向简谐激励振动时，通过桩身应变片7、加速度传感器8及桩周土压力盒9收集并反映出电信号。
[0026]
如图3所示，模型箱1的外侧还设置有反力架12，反力架12的底部设置有轴向加载装置13，便于竖直方向上对模型桩6初始静载荷p0的施加。
[0027]
如图2-4所示，信号放大器10通过数据导线11电性连接有数据采集仪14，数据采集仪14通过数据导线11电性连接有模态分析软件15，信号放大器10将信号传向数据采集仪14将电信号进行转化，最后将可识别数据输入电脑，运用模态分析软件15测定欠阻尼状态下横向自由振动的固有频率、阻尼比及相应模态振型。
[0028]
如图4所示，激振器作用于模型桩2桩顶一侧，激振频率逐步分级增加进行测试。
[0029]
如图5所示，模型箱1的内部底端中心处安装有卡接块16，卡接块16的内部卡合连接有卡合板17，卡合板17的顶部固定连接有竖直向上的网格圆环台板18，在插入模型桩前首先将网格圆环台板18通过卡合板17固定在卡接块16顶部，然后插入模型桩6的时候可以降低模型桩6外侧的应变片7、加速度传感器8与土壤之间的摩擦，减少了应变片7、加速度传感器8之间的磨损。
[0030]
如图5所示，网格圆环台板18的内壁与模型桩6相适配，在插入模型桩6过程中通过
网格圆环台板18的内壁与模型桩6相适配可以避免模型桩6发生偏移现象从而导致数据不准的情况。
[0031]
工作原理：模型箱设计为方柱体，模型桩按照缩尺比例1：10制作，桩长l=300~800mm，桩顶直径d0=30~50mm，桩底直径可根据实验具体要求予以设定，应变片用于测定沿桩身纵向的横向位移变化，加速度传感器用于测定沿桩身纵向的加速度变化，应变片与加速度传感器均采用微型尺寸，以减小自身质量对实验结果的影响，模型实验用土样按照均匀砂土与粘性土分别制备，以测定不同土质条件对桩固有频率的影响，测定激振过程中的土压力变化，进而分析桩周地基土的动力学参数，分别将应变片、加速度传感器、土压力盒、激振器或力锤的数据导线连接至电荷信号放大器，以便较好地测定低频范围内的电信号，通过竖向加载装置对桩顶施加轴向静载，以分析初始轴向压力对桩固有频率的影响，将数据导线、控制电脑与动态数据采集仪连接，数据导线再按传输信号分别与激振器和加速度传感器相连，选用小型激振器固定于模型箱一侧玻璃板上，激振频率逐步分级增加，将数据导线、控制电脑与动态数据采集仪连接，导线再按传输信号分别与力锤和加速度传感器相连，用装有力传感器的手锤进行的冲击激励，采用较低的采样频率来获取结构响应信号，通过信号放大器将加速度传感器等的高输出阻抗变为较低阻抗，并将其微弱电压信号放大，设置动态信号分析软件的参数，调试各通道采集情况，各通道示波完成后进行正式采集，模态分析软件将桩土系统输入和输出的信号计算得出各测点的频响函数，并通过模态分析软件识别桩土系统的固有频率和模态振型。
[0032]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。