一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置及安装方法

技术领域

本发明涉及一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用的室内试验装置，还涉及一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用的室内试验装置的安装方法。

背景技术

桩作为支撑上部结构的重要基础形式之一，在服役运营过程中除了上部结构传递的上部竖向荷载还可能会遇到水平荷载，如海上风电桩基础，承受波浪的水平荷载以及风机上部传递下来的竖向荷载，桩基础同时承受竖向，水平荷载统称为组合荷载，且在长期服役运营过程中，这些组合荷载往往是循环作用于桩基础。目前，在开展桩基础承受组合荷载下的响应的试验过程中，一般地，是分析单调组合荷载下的桩土响应，缺乏研究组合循环荷载作用下桩土相互作用的室内试验装置及使用方法。

发明内容

鉴于背景技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置，该试验装置能够展现水平循环和竖向荷载共同作用下桩和土体的响应以及相互之间的作用规律，能够开展不同初始应力状态的土性（包括砂土和黏土），不同桩基础形式在不同组合荷载下的桩土相互作用试验，从而探明桩的承载性能和土体的响应规律等，亦可直观的记录试验过程中桩和土体的变形特征。

为此，本发明提供的一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置，包括反力系统和模型箱，所述模型箱内装填有土体和多个土体物理力学参数采集元件，所述反力系统上设有加载系统，所述加载系统位于模型箱上方并与之对应，所述模型箱朝向加载系统的端面为开口端，模型桩一端部安装于加载系统上，所述模型桩其他部分插入土体并置于模型箱内，所述模型桩设有多个桩身物理力学状态采集元件，所述模型桩顶部设置有水平位移计，所述加载系统包括土体上覆压力加载系统、水平加载系统和桩竖向荷载加载系统，所述水平加载系统具备水平循环力加载和持续力加载功能，所述桩竖向荷载加载系统具备对模型桩施加竖向荷载功能。

本发明中，通过水平加载系统中水平加载伺服电机来模型桩体承受水平荷载，通过万向传力装置将竖向加载千斤顶的荷载传递至模型桩，模型桩体承受竖向荷载。通过水平加载系统和桩竖向荷载加载系统，模型桩同时承受水平荷载和竖向荷载。通过模型箱直观展现水平荷载和竖向荷载共同作用下模型桩和土体的响应以及相互之间的作用规律，开展不同初始应力状态的土性（包括砂土和黏土），不同桩基础形式在不同组合荷载下的桩土相互作用试验，从而探明桩的承载性能和土体的响应规律等，亦可直观的记录试验过程中桩和土体的变形特征。

附图说明

图1为本发明中一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置的剖面结构示意图；

图2为图1中的一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置的俯视结构示意图；

图3为图1中的一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置的模型箱的横剖面结构示意图；

图4为图1中的一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置的水平加载支架的结构示意图。

具体实施方式

参照图1和图2所示，本发明中提供的一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置，包括反力系统1和模型箱2，所述模型箱2内装填有土体3和多个土体物理力学参数采集元件4，所述土体物理力学参数采集元件4可选为土压力传感器或渗压计或光纤微型土压力盒。所述反力系统1上设置有可升降的加载系统，所述加载系统位于模型箱2上方并与之对应。所述模型箱2朝向加载系统的端面为开口端，模型桩5一端部安装与加载系统上，所述模型桩5其他部分插入土体3并置于模型箱2内，所述模型桩5顶部设置有水平位移计6，所述水平位移计6为百分表或电子位移采集装置，所述模型桩5上的设有若干桩身物理力学状态采集元件7，桩身物理力学状态采集元件7采用FBG光栅光纤传感器或压电式应变片或分布式光纤。水平位移计6通过人工纪录或计算机自动记录水平位移，土体物理力学参数采集元件4和桩身物理力学状态采集元件7与外界计算机采集仪器连接进行数据的采集工作。所述加载系统包括土体上覆压力加载系统、水平加载系统和桩竖向荷载加载系统，所述水平加载系统具备水平循环力加载功能，循环力加载为在一个循环周期时间内出现不同的加载力，加载周期循环往复。所述桩竖向荷载加载系统具备对模型桩施加竖向荷载功能。

所述反力系统1包括反力架8、螺纹刚性柱9和刚性底座10，所述刚性底座10固定在螺纹刚性柱9底部，所说反力架8连接在螺纹刚性柱9上并通过主电动升降机11控制反力架升降，所述反力架8朝向模型箱的端部固定有千斤顶反力框12。所述主电动升降机11固定在反力架下方，所述主电动升降机11具有驱动螺母，主电动升降机11通过驱动螺母套接在螺纹刚性柱上，主电动升降机驱动螺母转动实现在刚性柱上的升降，控制反力架8的高度。所述模型箱2通过刚性块13固定安装在刚性底座10上，安装模型箱2时，通过主电动升降机11将反力架8调到最高位置，再放置模型箱2，并通过刚性块13将模型箱2安装固定在刚性底座10。

所述模型箱2呈半圆柱体，模型箱2由刚性钢板14和透明板15组成，所述刚性钢板14与透明板15连接处具有隔水橡胶垫26并通过防水胶连接，所述透明板15为高强度树脂透明板。所述模型桩5与透明板15接触的一面粘贴有橡胶皮，所述模型桩5与透明板15之间涂抹润滑油或凡士林，尽可能的降低模型桩与透明板之间的摩擦。所述刚性钢板14分布由若干排水孔16，刚性刚板14外侧布置有若干微型槽17，所述微型槽孔17与排水孔16连接。排水孔16数量和布置根据试验要求的排水要求设置。当试验要求为不排水工况时，将排水孔16密封；当试验要求对土体3进行排水固结，可进行真空预压等方法进行固结加固，通过排水孔16和微型槽17将土体3中的水排出进行土体排水固结。开展排水和不排水两种工况的相关室内试验。

所述加载系统包括土体上覆压力加载系统、水平加载系统和桩竖向荷载加载系统。

所述土体上覆压力加载系统包括半环形千斤顶18，所述半环形千斤顶18为半环形特型液压千斤顶，所述半环形千斤顶18固定在反力系统的千斤顶反力框12上，所述半环形千斤顶18置于模型箱2上方的中心位置，所述半环形千斤顶18下端部加载于土体3上，半环形千斤顶18用于提供稳定的上覆压力，保证土体的初始应力状态与现场接近。根据试验要求采用人工或计算机智能控制半环形千斤顶，若为土工离心机试验则对需要采用伺服控制千斤顶，且尽可能采用机械控制。

所述水平加载系统包括水平加载支架19、两个水平加载伺服电机20和水平加载传力刚性杆21，所述水平加载支架19与反力系统的螺纹刚性柱9连接并通过次电动升降机27控制水平加载系统升降，通过次电动升降机27控制水平加载系统升降调整水平加载系统的高度，保持与模型桩5保持垂直和合适的加载位置。所述次电动升降机27固定在水平加载支架19下方，所述次电动升降机27具有驱动螺母，次电动升降机27通过驱动螺母套接在螺纹刚性柱上，次电动升降机驱动螺母转动实现在刚性柱上的升降，控制水平加载系统的高度。所述两个水平加载伺服电机20分别设置于水平加载支架19的两端，所述水平加载传力刚性杆21两端分别连接在两端的水平加载伺服电机20上，所述水平加载传力刚性杆21上设置有桩帽22，所述水平加载支架19与桩帽22对应的位置开设有弧形槽孔23，模型桩5一端穿过弧形槽孔23与桩帽22连接，所述模型桩5在弧形槽孔23内循环位移，所述水平加载系统设置于靠近透明板15的位置，透过透明板15可观察到模型桩与周边土体接触的状态。所述水平加载系统中水平加载伺服电机20可通过计算机控制加载模式，进行水平循环力加载。根据不同试验要求水平加载伺服电机20选择不同位移或者力控制加载量级，带动桩帽22进行水平循环位移，模型桩5在桩帽22作用下在弧形槽孔23范围内进行水平循环位移，模型桩体5承受相应的水平循环力荷载。

所述桩竖向荷载加载系统包括竖向加载千斤顶24，所述竖向加载千斤顶24固定于反力系统的千斤顶反力框12上并与桩帽22位置相对应。所述竖向加载千斤顶24通过万向传力装置25与桩帽22连接，在竖向加载千斤顶24与万向传力装置25之间涂抹黄油或者凡士林增加两者之间的润滑，通过万向传力装置25将竖向加载千斤顶24荷载传递至模型桩5顶部。水平加载系统中水平加载伺服电机工作，带动桩帽22进行水平循环位移，万向传力装置25随之传动。万向转力装置25的传动，使桩帽22在保持进行水平循环位移的同时，仍能将竖向加载千斤顶24荷载传递至桩帽和模型桩，且不会限制桩帽22的水平循环位移。万向传力装置25属于常规技术，关于万向传力装置25的结构，本发明不再多做阐述。

水平加载系统中水平加载伺服电机20来模型桩体承受水平荷载，万向传力装置25将竖向加载千斤顶24的荷载传递至模型桩，模型桩体承受竖向荷载。通过水平加载系统和桩竖向荷载加载系统，模型桩同时承受来自水平和竖向共同作用下的组合荷载。通过模型箱直观展现水平荷载和竖向荷载共同作用下模型桩和土体的响应以及相互之间的作用规律。

一种组合循环荷载作用下的桩土相互作用室内试验装置的安装方法，步骤如下:

(1) 根据试验要求，确定模型桩5、模型箱2和反力系统的尺寸，并确定排水孔16的布置和数量，土体物理力学参数采集元件4和桩身物理力学状态采集元件7的数量和布置位置，并将桩身物理力学采集元件7按数量和位置要求铺设在模型桩5的桩身上；

(2)搭建反力系统，将反力架8和千斤顶反力框12架通过铆钉锚固成一体，反力架8与螺纹刚性柱9连接并通过主电动升降机11控制升降，反力架8和千斤顶反力框12架通过主电动升降机11调至最高位置，放置模型箱2并通过刚性块13将模型箱固定在刚性底座10上。将环形千斤顶18和竖向加载千斤顶24分别固定在千斤顶反力框架上，竖向加载千斤顶24底部安装有万向传力装置；

(3)安装水平加载支架19，水平加载支架19与螺纹刚性柱9连接并安装次电动升降机27，通过次电动升降机27控制水平加载支架的升降，先将水平加载支架调节到最高位置；

(4)在模型桩5的桩身铺设模型桩身物理力学状态采集元件7，在模型箱2中铺设土体3及土体内布置土体物理力学参数采集元件4，将铺设有桩身物理力学采集元件7的模型桩布置在土体中，根据试验和土性3的不同对进行试验的土体进行预处理；

(5)安装水平加载系统，将水平加载伺服电机20分别安装在水平加载支架两侧，将桩帽22安装在水平加载传力刚性杆21上，并将水平加载传力刚性杆21两端分别与两侧水平加载伺服电机20连接安装就位，桩帽22顶部与万向传力装置安装连接；

(6)通过主电动升降机控制环形千斤顶18升降，将环形千斤顶18调整至千斤顶下端面抵与土体表面上，通过次电动升降机控制桩帽，将桩帽22调整至模型桩上方并于模型桩5安装固定，各个系统调整到合适位置，并开展实验，完成上述工作的各个系统调整到合适位置，并开展实验。

所述模型箱2内土体可根据实际土体选用不同土性的土体，如砂土和黏土，构建土体的应力状态。模型桩根据实际的桩尺寸和桩型，选用不同的桩基础形式。模型桩根据试验的要求确定桩身粘贴桩身物理力学状态采集元件7布置的数量和位置。开展不同初始应力状态的土性（包括砂土和黏土），不同桩基础形式在不同组合荷载下的桩土相互作用试验。透过透明板15直观展现模型桩5在水平荷载和竖向荷载共同作用下模型桩5与土体3接触的动态剪切摩擦规律，探明桩的承载性能和土体的响应规律等，直观观察桩身物理响应以及土体的变形特征等，为了能够实时采集直观的桩土接触特性，可采用高速高清数码相机记录试验中桩土接触摩擦过程。土体物理力学参数采集元件和桩身物理力学参数采集元件与外界计算机采集仪器连接进行数据采集工作，为理论和数值分析验证提供合理的试验对比数据。

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。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。