一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统技术方案

本发明专利技术属于土木工程领域，具体地，涉及一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统。一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统，包括，单向水平循环加载、双向水平循环加载、竖向循环加载、竖向与单向水平循环加载、多向水平循环加载；其中加载装置由试验箱、排水板、定滑轮、桩基础模型、位移传感器、应变片、拉压力传感器、砝码加载杆、弹簧、电机、轮盘、螺纹柱、底板、钢环组成。本发明专利技术解决了现有试验装置只能单独进行竖向加载或者水平向加载的问题，能够模拟竖向、水平、水平双向、竖向与水平、多向循环荷载加载工况，并且具有试验箱与排水板，能考虑土体含水率变化和水平循环荷载方向夹角的影响。

A cyclic loading system for testing the interaction of pile and soil on the sea base

The invention belongs to the field of civil engineering, in particular to a cyclic loading system for testing the interaction of pile and soil on the sea base. Including the cyclic loading system, a sea based test of pile soil interaction, unidirectional horizontal cyclic loading, two-way horizontal cyclic loading, vertical cyclic loading, vertical and horizontal unidirectional cyclic loading, multi level cyclic loading; the loading device is composed of a test box, a drainage plate, a fixed pulley, pile foundation model, displacement sensor and strain gauge pull pressure sensor, weight loading rod, motor, wheel, screw thread column, bottom plate, steel ring. The invention solves the existing test device can only carry on the vertical load or horizontal loading problem alone, can simulate the vertical and horizontal, vertical and horizontal level, two-way and multi cyclic loading conditions, and has a test box and the drainage plate, can consider the changes and effects of soil moisture level of cyclic loading direction angle.

【技术实现步骤摘要】
一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统
本专利技术属于土木工程领域，具体地，涉及一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统。
技术介绍
随着世界能源危机和环境污染问题的加剧，新能源的开发利用受到世界各国广泛关注，海上风力发电虽然起步较晚，但因储存量丰富、分布广泛、便于大规模集中开发和不占用土地资源的优势，近几年在国内外发展迅猛。我国风电场的建设将极大地缓解我国东部地区的能源危机，优化电网结构，是实现可持续发展的重要方法，具有重大战略意义。在海上风力发电工程中，基础形式有单桩基础、多桩基础、单筒基础、多筒基础、复合基础和浮式基础。上部结构在运行期内要承担风、浪等具有明显周期性的循环荷载作用。风电基础在风电塔架和风机设备等自重荷载、风机工作荷载以及风荷载产生的竖向及水平循环荷载共同作用下，极易产生累计沉降变形，如果这种变形得不到有效的控制，将会严重影响风机的正常运作和安全运行。找到合理的方法预测和控制竖向及水平循环荷载作用下风电基础的承载力和累积变形，对保证这些工程的正常运作和安全具有重大意义。针对竖向及水平循环荷载作用下的基础，风电基础的建设面临两个问题：(1)循环荷载作用下风电基础的累积变形预测；(2)循环荷载作用下，风电基础承载力的确定。显然以上两方面至今还缺乏较为可靠的分析方法。为弥补理论分析的局限性，需要结合室内模型试验，对重要工程进行分析，其中的关键技术是如何模拟基础承受竖向循环荷载、水平循环荷载、双向循环荷载以及不同水平夹角下循环荷载的作用，而目前尚未发现有关该问题的报道。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种适用范围广、试验过程操作简单、成本低、拆装方便的模拟循环荷载作用的试验系统。为实现上述目的，本专利技术采用下述方案：一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统包括：单向水平循环加载、双向水平循环加载、竖向循环加载、多向水平循环加载，其中加载装置由试验箱、排水板、定滑轮、桩基础模型、位移传感器、应变片、拉压力传感器、砝码加载杆、弹簧、电机、轮盘、螺纹柱、底板、钢环组装而成。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术操作简单，通过组合放置加载设备，解决了现有试验装置只能单独进行竖向加载或者水平向加载的问题，还能够模拟竖向、水平、水平双向、竖向与水平、多向循环荷载加载工况。(2)本专利技术具有试验箱与排水板，能考虑土体含水率变化和水平循环荷载方向夹角的影响。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术多种加载模式结构示意图；图2为单向水平循环加载平面示意图；图3为单向水平循环加载立面示意图；图4为双向水平循环加载平面示意图；图5为双向水平循环加载立面示意图；图6为竖向循环加载立面示意图；图7为竖向与单向水平循环加载立面示意图；图8为多向水平循环加载平面示意图；图9为钢环平面图示意图；图10为钢环与桩基础模型连接示意图；图中：1、试验箱，2、排水板，3、定滑轮，4、桩基础模型，5、位移传感器，6、应变片，7、拉压力传感器，8、砝码加载杆，9、弹簧，10、电机，11、轮盘，12、螺纹柱，13、底板，14、钢环。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，针对现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统。一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统，包括单向水平循环加载、双向水平循环加载、竖向循环加载、竖向与单向水平循环加载、多向水平循环加载，其中加载装置由试验箱1、排水板2、定滑轮3、桩基础模型4、位移传感器5、应变片6、拉压力传感器7、砝码加载杆8、弹簧9、电机10、轮盘11、螺纹柱12、底板13、钢环14组成。试验箱1为由角钢加固的无盖长方体，试验箱1四个内壁设置排水板2，排水板2采用透水性木板，试验箱1的内壁下端设有排水孔，试验箱1内装填试验所用土体。定滑轮3通过支撑架固定位置，为简化，省略图中支撑架，定滑轮3材质为高强合金。弹簧9两端各连接一根细钢丝绳，一端细钢丝绳直接与螺纹柱12连接，另一端细钢丝绳绕过定滑轮3，通过拉压力传感器7与桩基础模型4的顶端水平或垂直相连。桩基础模型4部分埋置于试验所用土体中，桩基础模型4位于土体部分的桩壁上粘贴有应变片6，在土体上表面设有位移传感器5，为便于连接细钢丝绳，桩基础模型4的桩顶及位于土体上表面10cm处焊接钢环14。电机10为调速电动机，电机10可以在变频器的驱动下实现不同的转速与扭矩，以适应负载的需求变化，底板13为带有螺栓安装口的矩形钢板；电机10通过螺栓与底板13相连，电机10转轴一侧安置轮盘11，轮盘11上设有螺纹柱12，螺纹柱12和弹簧9通过细钢丝绳相连。轮盘11为带有多个螺栓孔的圆形钢板，各个螺栓口距离轮盘11圆心距离不同，螺纹柱12为端部带有螺纹的圆柱形钢棒，螺纹柱12可通过拧接安装于轮盘11不同的螺栓口上。钢环14为外部圆周焊接有8个连接环的圆形钢管，用于桩基础模型4和钢丝绳的连接；钢环14圆形钢管内径与桩基础模型4直径相同，钢环14与桩基础模型4之间采取蓄能点焊的方式进行连接。实验步骤如下：如图2、图3所示，单向水平循环加载时，钢丝绳一端绕过定滑轮3，通过拉压力传感器7和桩基础模型4顶部钢环14相连接，钢丝绳另一端通过弹簧9与轮盘11上的螺纹柱12相连接；根据试验荷载要求不同，调节钢丝绳固定于螺纹柱12的位置，开动电机10，拉压力传感器7显示荷载即为循环荷载大小，通过采集器与桩基础模型4的应变片6、拉压力传感器7、位移传感器5连接，并与计算机连接，即可记录单向水平循环加载期间桩基础模型4承载变形数据。如图4、图5所示，双向水平循环加载时，需另加一个弹簧9，弹簧9一端连接于桩基础钢环14，一端连接试验箱1；钢丝绳一端绕过定滑轮3，通过拉压力传感器7与桩基础模型4顶部钢环14相连接，钢丝绳另一端通过弹簧9与轮盘11上的螺纹柱12相连接；根据试验验荷载要求不同，钢丝绳固定于螺纹柱12位置也不同，开动电机10，拉压力传感器7显示荷载即为循环荷载大小，通过采集器与桩基础模型4的应变片6、拉压力传感器7、位移传感器5连接，并与计算机连接，即可记录双向水平循环加载期间桩基础模型4承载变形数据。如图6所示，竖向循环加载时，弹簧9右侧的钢丝绳一端与轮盘11上的螺纹柱12相连接，另一端细钢丝绳绕过定滑轮3，通过拉压力传感器7与砝码加载杆8竖向相连接；按照设计循环幅值在砝码加载杆8上配重一定大小的砝码，然后调节轮盘11使拉压力传感器7的示数和砝码与砝码加载杆9重量相同，这时桩基础模型顶荷载为零，然后设置加载频率，开动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统，其特征在于，包括单向水平循环加载、双向水平循环加载、竖向循环加载、竖向与单向水平循环加载、多向水平循环加载，其中加载装置由试验箱(1)、排水板(2)、定滑轮(3)、桩基础模型(4)、位移传感器(5)、应变片(6)、拉压力传感器(7)、砝码加载杆(8)、弹簧(9)、电机(10)、轮盘(11)、螺纹柱(12)、底板(13)、钢环(14)组成；试验箱(1)为由角钢加固的无盖长方体，试验箱(1)四个内壁设置排水板(2)，排水板(2)采用透水性木板，试验箱(1)的内壁下端设有排水孔，试验箱(1)内装填试验所用土体；定滑轮(3)通过支撑架固定位置，定滑轮(3)材质为高强合金；弹簧(9)两端各连接一根细钢丝绳，一端细钢丝绳直接与螺纹柱(12)连接，另一端细钢丝绳绕过定滑轮(3)，通过拉压力传感器(7)与桩基础模型(4)的顶端水平或垂直相连；桩基础模型(4)部分埋置于试验所用土体中，桩基础模型(4)位于土体部分的桩壁上粘贴有应变片(6)，在土体上表面设有位移传感器(5)，为便于连接细钢丝绳，桩基础模型(4)的桩顶及位于土体上表面10cm处焊接钢环(14)；电机(10)为调速电动机，电机(10)可以在变频器的驱动下实现不同的转速与扭矩，以适应负载的需求变化，底板(13)为带有螺栓安装口的矩形钢板；电机(10)通过螺栓与底板(13)相连，电机(10)转轴一侧安置轮盘(11)，轮盘(11)上设有螺纹柱(12)，螺纹柱(12)和弹簧(9)通过细钢丝绳相连；轮盘(11)为带有多个螺栓孔的圆形钢板，各个螺栓口距离轮盘(11)圆心距离不同，螺纹柱(12)为端部带有螺纹的圆柱形钢棒，螺纹柱(12)可通过拧接安装于轮盘(11)不同的螺栓口上；钢环(14)为外部圆周焊接有8个连接环的圆形钢管，用于桩基础模型(4)和钢丝绳的连接；钢环(14)圆形钢管内径与桩基础模型(4)直径相同，钢环(14)与桩基础模型(4)之间采取蓄能点焊的方式进行连接。...

【技术特征摘要】
1.一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统，其特征在于，包括单向水平循环加载、双向水平循环加载、竖向循环加载、竖向与单向水平循环加载、多向水平循环加载，其中加载装置由试验箱(1)、排水板(2)、定滑轮(3)、桩基础模型(4)、位移传感器(5)、应变片(6)、拉压力传感器(7)、砝码加载杆(8)、弹簧(9)、电机(10)、轮盘(11)、螺纹柱(12)、底板(13)、钢环(14)组成；试验箱(1)为由角钢加固的无盖长方体，试验箱(1)四个内壁设置排水板(2)，排水板(2)采用透水性木板，试验箱(1)的内壁下端设有排水孔，试验箱(1)内装填试验所用土体；定滑轮(3)通过支撑架固定位置，定滑轮(3)材质为高强合金；弹簧(9)两端各连接一根细钢丝绳，一端细钢丝绳直接与螺纹柱(12)连接，另一端细钢丝绳绕过定滑轮(3)，通过拉压力传感器(7)与桩基础模型(4)的顶端水平或垂直相连；桩基础模型(4)部分埋置于试验所用土体中，桩基础模型(4)位于土体部分的桩壁上粘贴有应变片(6)，在土体上表面设有位移传感器(5)，为便于连接细钢丝绳，桩基础模型(4)的桩顶及位于土体上表面10cm处焊接钢环(14)；电机(10)为调速电动机，电机(10)可以在变频器的驱动下实现不同的转速与扭矩，以适应负载的需求变化，底板(13)为带有螺栓安装口的矩形钢板；电机(10)通过螺栓与底板(13)相连，电机(10)转轴一侧安置轮盘(11)，轮盘(11)上设有螺纹柱(12)，螺纹柱(12)和弹簧(9)通过细钢丝绳相连；轮盘(11)为带有多个螺栓孔的圆形钢板，各个螺栓口距离轮盘(11)圆心距离不同，螺纹柱(12)为端部带有螺纹的圆柱形钢棒，螺纹柱(12)可通过拧接安装于轮盘(11)不同的螺栓口上；钢环(14)为外部圆周焊接有8个连接环的圆形钢管，用于桩基础模型(4)和钢丝绳的连接；钢环(14)圆形钢管内径与桩基础模型(4)直径相同，钢环(14)与桩基础模型(4)之间采取蓄能点焊的方式进行连接。2.根据权利要求1所述的一种测试海上基础桩土相互作用的循环加载系统，其特征在于，单向水平循环加载时，钢丝绳一端绕过定滑轮(3)，通过拉压力传感器(7)和桩基础模型(4)顶部钢环(14)相连接，钢丝绳另一端通过弹簧(9)与轮盘(11)...

【专利技术属性】
技术研发人员：管友海，熊建程，曹孔，黄思凝，张如林，吴鹏飞，马奎鑫，张亚楠，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37