一种斜桩动力p-y曲线的测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种斜桩动力p‑y曲线的测量装置及测量方法。该装置包括模型箱、气压装置、模型桩、转动控角装置和数据采集装置，模型桩设置在模型箱的中部。所述模型箱为圆筒形，由筒身和顶盖组成；模型桩为实心桩或管桩桩段；气压装置包括加载气囊、进气孔和隔板，通过调整气囊压力大小模拟上覆土层应力；转动控角装置包括上托盘、蜗轮蜗杆机构、底部托盘和隔离气囊；数据采集装置包括加速度计、孔隙水压力计、光纤串和土压力盒。本发明专利技术为不同土层深度处斜桩提供真实的应力环境，通过转动控角装置精确控制斜桩倾角，并利用光纤光栅传感器装置实现动应变与应力的同步测试，具有斜桩角度任意可调、p‑y曲线计算精度高的优点。

An apparatus and a method for measuring the inclined pile p y curve

The invention discloses an apparatus and a method for measuring the inclined pile p y curve. The device comprises a model box, pressure device, model pile, rotation control angle device and data acquisition device, the middle model pile set in the model box. The model box is cylindrical, consisting of a cylinder body and a cover; the model pile is a solid pile or pile; pressure loading device includes air bag, air inlet and diaphragm, adjust the cuff pressure by size simulation of overlying soil stress; rotation control angle device comprises a tray, a worm gear mechanism, the bottom tray and isolation bag; the data acquisition device comprises accelerometer, pore water pressure and soil pressure box and fiber series. The invention relates to a different depth inclined pile to provide real stress environment, by rotating the device control angle precise control of inclined pile inclination, and the use of optical fiber grating sensor device to realize the dynamic synchronous test of stress and strain, the inclined pile has the advantages of adjustable angle, p y curve of high precision.

【技术实现步骤摘要】
一种斜桩动力p-y曲线的测量装置及测量方法
本专利技术涉及一种斜桩动力p-y曲线的测量装置及测量方法，属于桩基工程

技术介绍
由于斜桩具有良好的水平承载性能，在码头、海洋结构、大型输电线路等工程中得到了广泛的应用，但其抗震性能方面却仍存在一些争议。当地震作用较强时，斜桩容易发生破坏，一方面失去了水平承载力，另一方面会引起较大残余位移，不便于修复，桩身倾斜使斜桩的地震反应更为复杂。而动力p-y曲线作为桩土相互作用力与相对位移之间的关系曲线，因其考虑了土体的非线性、避免本构关系的选取，适用于小位移、大位移等情况，近年来被广泛应用于桩基础的抗震分析。尤其是液化土地基，动力p-y曲线法可为基于“变形”的桩基抗震设计提供一种有效的途径。目前，有关斜桩动力p-y曲线的试验测试方法，主要通过对桩身动应变、不同深度土体加速度和孔压比等进行测试，依此计算出桩身动曲率，并进行微分和积分运算，分别求得桩侧土反力p和桩身动位移yp，同时，根据土体加速度求得基底动位移yb和各深度土体动位移ys，进而求出桩土相对位移y＝yp-(ys-yb)，最终建立桩土动力p-y曲线。由于试验中应变片和加速度计数量往往有限，导致上述方法中微分、积分以及多项式拟合等计算存在较大误差，p-y曲线精度难以保证。中国专利技术专利“桩土相互作用拟静力试验的p-y曲线测量装置(CN201410502160.6)”和“桩土相互作用振动台试验中p-y曲线测量装置(CN201410502156.X)”分别公开了一种基于拟静力试验和振动台试验，通过在承载桩身各测试截面处，设置与桩身轴线垂直的光圆钢筋来测定桩身位移的方法，具有一定的工程应用价值。但该装置中PVC内管和桩周土之间存在摩阻力，在模型桩受力变形过程中势必会影响桩身位移的测定，且存在测试断面数量有限等缺陷。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种斜桩动力p-y曲线的测量装置及测量方法，为不同土层深度处的斜桩提供真实的应力环境，并通过转动控角装置精确控制斜桩的倾斜角度，且利用光纤光栅传感器装置实现动应变与应力的同步测试，克服了以往室内模型试验无法获取斜桩任意深度桩身动力p-y曲线及误差较大的缺陷。本专利技术提供了一种斜桩动力p-y曲线的测量装置，包括模型箱、气压装置、模型桩、转动控角装置和数据采集装置；所述模型箱为圆形筒体结构，由筒身和顶盖组成，筒高1m，其中侧壁采用钢化玻璃制作，顶盖为薄壁钢板；筒顶沿环向设置若干螺孔，通过螺栓与顶盖连接；所述气压装置包括加载气囊、进气孔和隔板，进气孔设置在模型箱的顶盖上，进气孔与加载气囊连接，加载气囊设有两个；顶盖的底面设置两块沿径向对称布置的隔板，隔板方向垂直于振动方向；两个气囊被顶盖、隔板隔离，通过控制气囊压力大小模拟桩周土上部土体自重应力；若模型桩为管桩，在桩芯土表面加设一气囊；所述模型桩为现场全比例实心桩或管桩桩段，外径或内径与现场桩径一致，高为40～50cm；根据倾斜角度选定桩身一水平面，沿水平面在模型桩桩身外壁及管桩内壁粘结光纤串，或者，也可在桩身开设环形浅槽来粘结光纤串；模型桩顶部与顶盖下部的空间内设有土工袋，土工袋粘结在模型桩顶部，并向上延伸至顶盖；模型桩外侧与模型筒形成的环形空间内为桩周土；所述转动控角装置放置在模型箱底部的滚珠上，滚珠直接铺置在模型筒底板上；底部托盘与模型筒的底板之间填充滚珠：滚珠不用固定，直接铺置在模型筒底板上，试验时，滚珠与模型桩一起运动，减少底部托盘与模型筒间的摩擦，使其可随模型桩运动；转动控角装置包括上托盘、蜗轮蜗杆机构、底部托盘和隔离气囊；其中，上托盘为钢制圆盘，用于放置模型桩，托盘的上下表面均设有挡环，挡环高度为5～10cm；两个蜗轮蜗杆机构在垂直于振动方向上对称布置在底部托盘内；底部托盘为一钢制且上部设有挡环的圆盘，挡环高度在振动方向上成线性变化，且挡环外侧设置宽15～20cm的环形襟边，用于放置隔离气囊，防止桩周土进入蜗轮蜗杆机构；左右隔离气囊随模型箱的转动而充气膨胀，使完全填充上托盘与底部托盘间挡环的间隙；所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、传力杆、蜗杆、蜗轮固定板、蜗杆固定板和手轮；其中，蜗轮为一中心带有圆孔的钢制圆盘，外圈轮缘下端加工成与蜗杆螺旋齿相啮合的轮齿，上端焊接一T型板，并与上托盘通过螺栓连接；蜗杆为一具有若干螺旋齿的钢制圆柱体，与手轮连接处标有角度刻度，用于指示旋转角度；蜗轮与蜗杆均通过L型钢板固定在底部托盘上，可将桩体自重传递给模型筒底部；其中，传力杆通过蜗轮中心圆孔，将蜗轮与蜗轮固定板相连接并固定，在蜗轮中心圆孔处标有角度刻度盘，并在传力杆上设有指针，用于指示倾斜角度；试验时，通过手轮旋转蜗杆带动蜗轮转动，使蜗轮与底部托盘之间形成一定的角度；由于蜗轮蜗杆机构本身具有自锁性，蜗轮无法带动蜗杆发生反转，使上托盘在振动过程中倾角能始终保持恒定。试验前，先将蜗轮蜗杆机构通过螺栓固定在底部托盘上，隔离气囊放置在底部托盘外侧的环形襟边上，接着将蜗轮与上托盘通过螺栓连接，并对隔离气囊充气膨胀，填充上托盘与底部托盘间挡环的空隙。试验时，将模型桩放置在上托盘上，用细砂填充模型桩与上托盘之间的间隙，并在模型桩与顶盖间的土工袋内填充滚珠，利用滚珠摩阻力小的特性使桩在振动过程中可与顶盖产生相对运动；土工袋粘结在桩顶，并向上延伸一定高度，使放置在其中的滚珠能充分填充模型桩与顶盖之间的空隙，且土工布袋上端为敞口状，不与顶盖连接，使滚珠与顶盖直接接触；若模型桩为管桩，将土工袋加工缝合为环形袋后粘结在桩顶。所述数据采集装置包括加速度计、孔隙水压力计、光纤串和土压力盒；模型桩顶部粘结一个加速度计；在光纤串同一高度及以下10～20cm的两个土体深度处，分别沿圆周均匀埋置若干孔隙水压力计和加速度计，用于测定土体孔隙水压力和加速度；光纤光栅传感器装置包括光纤光栅传感协调仪、光栅和传导光纤，光栅和传导光纤组成光纤串，环绕粘结在模型桩上或预留的环形浅槽内，通过模型筒外部的光纤光栅传感协调仪记录振动过程中的动应变及剪切应力；土压力盒粘结在光纤串上方10-20mm处的模型桩桩身周围，沿圆周均匀布置4～8个，用于测量桩侧土体的径向应力。所述底部托盘与模型筒的底板之间填充滚珠，滚珠面积略大于底部托盘的面积，以减小与模型筒底部的摩擦。所述光纤串中光栅测点的个数由光源谱宽和每个光栅检测的动态范围决定，并根据不同波长对位置进行编码，实现准分布测量。本专利技术提供了一种斜桩动力p-y曲线的测量方法，采用上述测量装置进行测量，包括以下步骤：①确定实验参数：根据原型桩情况，确定桩身倾角θ、加载气囊压力大小、土层性质和振动台输入的波形参数；确定光纤光栅传感器装置中光栅测点数，并用传导光纤将其连接组成光纤串，环绕粘贴于模型桩上或预留的环形浅槽内；确定蜗轮、蜗杆的具体参数，并计算手轮转动角度；②安装转动控角装置：将蜗轮蜗杆机构组装后，通过螺栓将其固定在底部托盘上，转动手轮并控制角度，使蜗轮与底部托盘成角度θ，再将气囊放置在底部托盘的外伸襟边上，最后用螺栓将蜗轮与上托盘连接；将模型箱固定在振动台上，在模型箱底部中心区域铺设5～10cm厚的滚珠，将整个转动控角装置置于其上，底部托盘中心与模型箱中央重合；③放置模型桩并填筑土体：将土压力盒、加速度计粘结在模型桩上，并将土工袋粘结在桩顶，使其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种斜桩动力p‑y曲线的测量装置，其特征在于：包括模型箱、气压装置、模型桩、转动控角装置和数据采集装置，模型桩设置在模型箱的中部；所述模型箱为圆形筒体结构，由筒身和顶盖组成，顶盖与筒身通过螺栓连接；所述气压装置包括加载气囊、进气孔和隔板，进气孔设置在模型箱的顶盖上，进气孔与加载气囊连接，加载气囊设有两个；顶盖的底面设置两块沿径向对称布置的隔板，隔板方向垂直于振动方向；两个气囊被顶盖、隔板隔离，通过控制气囊压力大小模拟桩周土上部土体自重应力；所述模型桩为现场全比例实心桩或管桩桩段，在模型桩中部的一水平面上沿桩身周围粘结光纤串，模型桩顶部与顶盖下部的空间内设有土工袋，土工袋粘结在模型桩顶部，并向上延伸至顶盖；模型桩外侧与模型箱形成的环形空间内为桩周土；所述转动控角装置放置在模型箱底部的滚珠上；转动控角装置包括上托盘、蜗轮蜗杆机构、底部托盘和隔离气囊；上托盘为钢制圆盘，用于放置模型桩，上托盘的上下表面外侧均设有挡环，两个蜗轮蜗杆机构在垂直于振动方向上对称布置在底部托盘内；底部托盘为一钢制且上部设有挡环的圆盘，挡环高度在振动方向上成线性变化，且挡环外侧放置隔离气囊，防止桩周土进入蜗轮蜗杆机构；左右隔离气囊随模型箱的转动而充气膨胀，使完全填充上托盘与底部托盘间挡环的间隙；所述数据采集装置包括加速度计、孔隙水压力计、光纤串和土压力盒；模型桩顶部粘结一个加速度计；在光纤串同一高度及以下10～20cm的两个土体深度处，分别沿圆周均匀埋置若干孔隙水压力计和加速度计，用于测定土体孔隙水压力和加速度；土压力盒粘结在光纤串上方的模型桩桩身周围，用于测量桩侧土体的径向应力。...

【技术特征摘要】
1.一种斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：包括模型箱、气压装置、模型桩、转动控角装置和数据采集装置，模型桩设置在模型箱的中部；所述模型箱为圆形筒体结构，由筒身和顶盖组成，顶盖与筒身通过螺栓连接；所述气压装置包括加载气囊、进气孔和隔板，进气孔设置在模型箱的顶盖上，进气孔与加载气囊连接，加载气囊设有两个；顶盖的底面设置两块沿径向对称布置的隔板，隔板方向垂直于振动方向；两个气囊被顶盖、隔板隔离，通过控制气囊压力大小模拟桩周土上部土体自重应力；所述模型桩为现场全比例实心桩或管桩桩段，在模型桩中部的一水平面上沿桩身周围粘结光纤串，模型桩顶部与顶盖下部的空间内设有土工袋，土工袋粘结在模型桩顶部，并向上延伸至顶盖；模型桩外侧与模型箱形成的环形空间内为桩周土；所述转动控角装置放置在模型箱底部的滚珠上；转动控角装置包括上托盘、蜗轮蜗杆机构、底部托盘和隔离气囊；上托盘为钢制圆盘，用于放置模型桩，上托盘的上下表面外侧均设有挡环，两个蜗轮蜗杆机构在垂直于振动方向上对称布置在底部托盘内；底部托盘为一钢制且上部设有挡环的圆盘，挡环高度在振动方向上成线性变化，且挡环外侧放置隔离气囊，防止桩周土进入蜗轮蜗杆机构；左右隔离气囊随模型箱的转动而充气膨胀，使完全填充上托盘与底部托盘间挡环的间隙；所述数据采集装置包括加速度计、孔隙水压力计、光纤串和土压力盒；模型桩顶部粘结一个加速度计；在光纤串同一高度及以下10～20cm的两个土体深度处，分别沿圆周均匀埋置若干孔隙水压力计和加速度计，用于测定土体孔隙水压力和加速度；土压力盒粘结在光纤串上方的模型桩桩身周围，用于测量桩侧土体的径向应力。2.根据权利要求1所述的斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：所述模型箱的筒身高1m，筒侧壁采用钢化玻璃制作，顶盖为薄壁钢板；顶盖沿环向设置若干螺孔，通过螺栓与顶盖连接。3.根据权利要求1所述的斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：所述模型桩的外径或内径与现场待测桩径一致，高为40～50cm；模型桩为实心桩或管桩。4.根据权利要求3所述的斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：所述模型桩为实心桩时，在实心桩桩身外壁粘结光纤串，或者在桩身开设环形浅槽来粘结光纤串。5.根据权利要求3所述的斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：所述模型桩为管桩时，管桩内部为桩芯土，在桩芯土表面加设一气囊；在管桩内壁及外壁均粘结光纤串，或者在桩身开设环形浅槽来粘结光纤串；模型桩为管桩，土工袋加工缝合成环形袋，然后粘结在桩顶。6.根据权利要求1所述的斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：上托盘外侧的挡环高度为5～10cm；底部托盘的挡环外侧设置宽15～20cm的环形襟边。7.根据权利要求1所述的斜桩动力p-y曲线的测量装置，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮、传力杆、蜗杆、蜗轮固定板、蜗杆固定板和手轮；蜗轮为一中心带有圆孔的钢制圆盘，外圈轮缘下端加工成与蜗杆螺旋齿相啮合的轮齿，上端焊接一T型板，并与上托盘通过螺栓连接；蜗杆为一具有若干螺旋齿的钢制圆柱体，与手轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：章敏，郭诚，李亚楠，牛晓波，苏峰，李子阳，张大伟，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14