能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统技术方案

本发明专利技术涉及一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，包括模型箱制备装置、单桩水平循环加载装置和滑轨，模型箱制备装置包括模型箱机构、砂雨法机构和撒砂机构，模型箱机构与滑轨滑动连接，砂雨法机构和单桩水平循环加载装置分别依次架设在滑轨的上方，撒砂机构设于砂雨法机构上。与现有技术相比，本发明专利技术可完成不同各向异性的砂土制取，可调整撒砂高度以改变试样的密实度，料斗在撒砂过程中可由机械操作省时省力且保证试样的均匀性；可实现单桩循环模型试验中水平循环荷载精确控制和连续稳定输出；撒砂的支撑架也可以作为沉桩装置；制样装置与加载试验装置一体化，功能齐全，操作简便。

【技术实现步骤摘要】
能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统
本专利技术涉及岩土工程物理模拟
，尤其是涉及一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统。
技术介绍
近年我国加快了对海上风力发电项目开发利用的步伐，大直径单桩基础以安装简便、施工速度快、经济性好等优点成为目前海上风电场利用率最高的海上风电机组基础形式，文献“DohertyP,GavinK.Theshaftcapacityofdisplacementpilesinclay:Astateoftheartreview.InternationalJournalofGeotechnicalandGeologicalEngineering,2011,29(4):389-410”指出已建成海上风电基础75％为大直径单桩基础，随着我国海上风电建设的快速发展，大直径单桩基础将在我国得到更广泛的应用。目前大直径单桩基础的设计基本上沿用API规范与DNV规范等适用于传统小直径桩基础的设计方法，从而受到了广泛质疑。现行大直径单桩基础设计方法严重滞后于工程实践的矛盾日益突出，因此研究大直径单桩基础在水平静力及循环荷载作用下的变形特性与机理具有重要的现实意义。现场试验能够真实的反映桩基实际的工作特性，是目前所有研究桩基受力及变形特性方法中最好的手段。但由于现场试验的代价高昂，且对边界条件的控制较难，因而其开展的数量有限且发展也十分缓慢。此外，现场试验中的试验桩受到的水平循环荷载作用的次数一般只有几百次，而对于在其正常工作年限内遭受成千上万次波浪荷载作用的海上风机桩基础而言，目前现场试桩的循环次数实在太少。室内模型试验是桩基础研究的重要手段，室内模型实验主要有1g条件下的模型试验和土工离心机试验。通过土工离心机试验，可以获得较好的模型相似关系，但是离心机试验成本较高，而且循环次数有限，目前应用最广的是1g(常重力)条件下的模型试验，通过参数无量纲化可以建立1g模型试验与现场原型之间的对应关系，如文献“LeBlancC,HoulsbyGT,ByrneBW.Responseofstiffpilesinsandtolong-termcycliclateralloading.Geotechnique,2010,60(2):79-90”所提出的无量纲化做法。目前关于单桩长期水平循环的加载装置基本上都类同与上述LeBanc等(2010)文献所研制的设备，该设备无法制备各向异性(不同沉积角度)的砂土试样，且该设备试验误差较大，自动化程度较低。因此迫切需要一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，包括能制备均匀且密实度不同的各向异性砂土地基的模型箱制备装置，以及精度高、响应快、加载稳定且能完成大数目循环加载的单桩水平循环加载装置。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，包括一套能制备均匀且可改变密实度的各向异性砂土地基的模型箱制备装置，和精度高、响应快、加载稳定且能完成大数目循环加载的单桩水平循环加载装置，模型箱制备装置可完成不同各向异性(沉积角度)的砂土制取，可调整撒砂高度以改变试样的密实度，料斗在撒砂过程中可由机械操作省时省力且保证试样的均匀性；单桩水平循环加载装置可实现单桩循环模型试验中水平循环荷载精确控制和连续稳定输出；撒砂的支撑架也可以作为沉桩装置；制样装置与加载试验装置一体化，功能齐全，操作简便。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，包括模型箱制备装置、单桩水平循环加载装置和滑轨，所述模型箱制备装置包括：可调整倾斜角度的模型箱机构、可调整高度的砂雨法机构和可水平往复运动的撒砂机构，所述模型箱机构与滑轨滑动连接，所述砂雨法机构和单桩水平循环加载装置分别依次架设在滑轨的上方，所述撒砂机构设于砂雨法机构上；砂雨法机构通过改变撒砂机构的高度来改变试样的密实度，制备不同沉积角度条件下的各向异性砂土试样时，砂雨法机构与撒砂机构配合驱动撒砂机构，标准砂经撒砂机构往复叠落入倾斜设置的模型箱机构内，模型箱机构恢复水平位置后，以砂雨法机构作为沉桩装置，将拟测试桩压入试样中，带着拟测试桩的模型箱机构沿滑轨移动到单桩水平循环加载装置下方，单桩水平循环加载装置对拟测试桩进行水平循环加载试验。所述模型箱机构包括模型箱主体、抬升组件、切土板和多个延展板，所述模型箱主体呈矩形体状且顶面开口，模型箱主体的右侧面采用可拆卸侧板；制样时，模型箱主体初始水平设置，且模型箱主体的底面左侧边固定不动；抬升组件抬起模型箱主体的底面，使得模型箱主体沿自身底面左侧边转动，模型箱主体按设定的沉积角度倾斜，可拆卸侧板卸下，多个延展板分别与模型箱主体的顶面与右侧面拼接形成倒立的、顶面开口的三角体；标准砂经撒砂机构往复叠落入三角体内；撒砂机构工作结束后，切土板沿模型箱主体的顶面切入三角体内，可拆卸侧板沿模型箱主体的右侧面切入三角体内；卸下延展板，抬升组件复位，模型箱主体恢复水平位置，卸下切土板，模型箱主体内形成设定沉积角度下的各向异性砂土试样。所述设定的沉积角度的取值范围为0-45度，形成的各向异性砂土试样中各向异性成角为0-45度间的任意角度，用于模拟由于地壳运动后土体沉积面角度发生改变的地区的土样。制样过程中，砂雨法机构实时调整撒砂机构的高度，使得撒砂机构的高度与模型箱机构内试样顶面的距离为定值，且撒砂机构实时调整自身的往复运动的距离，使得撒砂机构的往复运动的距离与模型箱机构内试样顶面的长度保持一致。所述撒砂机构的高度与模型箱机构内试样顶面的距离取值范围为0.2-1.4m。所述砂雨法机构包括支撑架、安装板和竖直驱动组件，所述支撑架架设在滑轨的上方，所述安装板水平通过竖直驱动组件设于支撑架上，所述竖直驱动组件带动安装板沿竖直方向移动，所述撒砂机构设于安装板上。所述撒砂机构包括撒砂漏斗和撒砂水平驱动组件，所述撒砂漏斗通过撒砂水平驱动组件设于砂雨法机构上，所述撒砂水平驱动组件带动撒砂漏斗沿水平方向往复运动。所述撒砂漏斗为一体式结构，撒砂漏斗的上部呈矩形体状，撒砂漏斗的下部呈倒立的三角柱状，撒砂漏斗的底端设有出砂口，所述出砂口处设有可调节出砂口大小的出砂口开关。所述单桩水平循环加载装置包括加载设备框架、横梁、水平循环核心加载装置和控制箱，所述加载设备框架架设在轨道上，所述横梁通过可上下移动托架水平设于加载设备框架上，所述水平循环核心加载装置设于横梁上并连接控制箱，水平循环核心加载装置在水平方向上对拟测试桩施加循环荷载。所述水平循环核心加载装置包括丝杠、伺服电机、滑车、导轨、荷载传感器和桩身夹持器，所述横梁为中空结构，所述丝杠和导轨上下平行设于横梁内部，所述伺服电机连接丝杠的一端，伺服电机上设有旋转编码器，所述滑车的顶部与丝杠螺纹连接，滑车的中部套设在导轨上，所述桩身夹持器的一端通过荷载传感器设于滑车底部上，所述伺服电机、旋转编码器和荷载传感器均分别连接控制箱。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)一般的模型箱无法调节沉积角度，而本专利技术模型箱机构可以改变倾角，可以完成不同沉积角度下的土样制备，可将土体不同各向异性纳入研究范围。2)砂雨法机构可以调整撒砂高度和自动在水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，包括模型箱制备装置、单桩水平循环加载装置(1)和滑轨(2)，其特征在于，所述模型箱制备装置包括：可调整倾斜角度的模型箱机构(3)、可调整高度的砂雨法机构和可水平往复运动的撒砂机构，所述模型箱机构(3)与滑轨(2)滑动连接，所述砂雨法机构和单桩水平循环加载装置(1)分别依次架设在滑轨(2)的上方，所述撒砂机构设于砂雨法机构上；砂雨法机构通过改变撒砂机构的高度来改变试样的密实度，制备不同沉积角度条件下的各向异性砂土试样时，砂雨法机构与撒砂机构配合驱动撒砂机构，标准砂经撒砂机构往复叠落入倾斜设置的模型箱机构(3)内，模型箱机构(3)恢复水平位置后，以砂雨法机构作为沉桩装置，将拟测试桩压入试样中，带着拟测试桩的模型箱机构(3)沿滑轨(2)移动到单桩水平循环加载装置(1)下方，单桩水平循环加载装置(1)对拟测试桩进行水平循环加载试验。

【技术特征摘要】
1.一种能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，包括模型箱制备装置、单桩水平循环加载装置(1)和滑轨(2)，其特征在于，所述模型箱制备装置包括：可调整倾斜角度的模型箱机构(3)、可调整高度的砂雨法机构和可水平往复运动的撒砂机构，所述模型箱机构(3)与滑轨(2)滑动连接，所述砂雨法机构和单桩水平循环加载装置(1)分别依次架设在滑轨(2)的上方，所述撒砂机构设于砂雨法机构上；砂雨法机构通过改变撒砂机构的高度来改变试样的密实度，制备不同沉积角度条件下的各向异性砂土试样时，砂雨法机构与撒砂机构配合驱动撒砂机构，标准砂经撒砂机构往复叠落入倾斜设置的模型箱机构(3)内，模型箱机构(3)恢复水平位置后，以砂雨法机构作为沉桩装置，将拟测试桩压入试样中，带着拟测试桩的模型箱机构(3)沿滑轨(2)移动到单桩水平循环加载装置(1)下方，单桩水平循环加载装置(1)对拟测试桩进行水平循环加载试验。2.根据权利要求1所述的能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，其特征在于，所述模型箱机构(3)包括模型箱主体(4)、抬升组件(5)、切土板(6)和多个延展板(7)，所述模型箱主体(4)呈矩形体状且顶面开口，模型箱主体(4)的右侧面采用可拆卸侧板(8)；制样时，模型箱主体(4)初始水平设置，且模型箱主体(4)的底面左侧边固定不动；抬升组件(5)抬起模型箱主体(4)的底面，使得模型箱主体(4)沿自身底面左侧边转动，模型箱主体(4)按设定的沉积角度倾斜，可拆卸侧板(8)卸下，多个延展板(7)分别与模型箱主体(4)的顶面与右侧面拼接形成倒立的、顶面开口的三角体；标准砂经撒砂机构往复叠落入三角体内；撒砂机构工作结束后，切土板(6)沿模型箱主体(4)的顶面切入三角体内，可拆卸侧板(8)沿模型箱主体(4)的右侧面切入三角体内；卸下延展板(7)，抬升组件(5)复位，模型箱主体(4)恢复水平位置，卸下切土板(6)，模型箱主体(4)内形成设定沉积角度下的各向异性砂土试样。3.根据权利要求2所述的能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，其特征在于，所述设定的沉积角度的取值范围为0-45度，形成的各向异性砂土试样中各向异性成角为0-45度间的任意角度，用于模拟由于地壳运动后土体沉积面角度发生改变的地区的土样。4.根据权利要求1所述的能够制备各向异性砂土试样的单桩循环加载模型试验系统，其特征在于，制样过程中，砂雨法机构实时调整撒砂机构的高度，使得撒砂机构的高度与模型箱机构(3)内试样顶面的距离为定值，且撒砂机构实时调整自身的往复运动的距离，使得撒砂机构的往复运动的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄茂松，顾晓强，刘麟，张陈蓉，于锋，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31