多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，涉及岩土力学试验领域。本发明专利技术的结构是：在上回型支架的下面分别设置有动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元和扭转荷载施加单元；在中回型支架的上面设置有桩基压力室单元，在桩基压力室单元内置有桩基单元；在中回型支架的下面设置有应变控制单元和土体固结应力比施加单元；在下回型支架的上面设置有水压力加载单元；水压力加载单元与桩基压力室单元连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；其它单元分别与桩基压力室单元相连，提供多种荷载；桩基压力室单元、数据采集仪和计算机依次连接，获取试验数据。本系统用于测定桩基的极限承载力和模拟桩基服役过程中受到的环境荷载和工程荷载状态下桩基的沉降和承载特性。

Model Test System of Calcareous Sand Pile Foundation under Multifunctional Loading

The invention discloses a multifunctional load calcareous sand pile foundation model test system, which relates to the field of geotechnical mechanics test. The structure of the invention is as follows: under the upper support, there are dynamic and static load exerting units, hammering load exerting units and torsional load exerting units respectively; above the middle support, there are pile foundation pressure chamber units, and inside the pile foundation pressure chamber units; under the middle support, there are strain control units and soil consolidation stress ratio exerting units; Water pressure loading unit is set on the top of the lower support; water pressure loading unit is connected with the pile pressure chamber unit to provide pore water pressure and external confining pressure of soil; other units are connected with the pile pressure chamber unit to provide a variety of loads; pile pressure chamber unit, data acquisition instrument and computer are connected in turn to obtain test data. The system is used to determine the ultimate bearing capacity of pile foundation and to simulate the settlement and bearing characteristics of pile foundation under environmental and engineering loads during its service.

【技术实现步骤摘要】
多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统
本专利技术涉及岩土力学试验领域，尤其涉及一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统。
技术介绍
我国海洋岛礁工程建设的实施推进，对于我国经济、军事和民生事业至关重要；在开展岛礁工程建设中遇到各种各样的工程地质问题，桩基工程是岛礁建设中地基处理的一种常见处理手段。桩基工程中通常需要考虑对桩基的承载力进行检测和分析，从而确定其极限承载能力，同时也要考虑服役环境中环境荷载对桩基安全稳定性的影响。一方面，对于桩基承载力的建设，工程中常采用试桩的方法进行；常见的是采用桩基静载试验的慢速维持荷载法，实际工程试桩较为费时费力；但海洋环境中的工程建筑物，往往还需要承受一定频率的动荷载，因而从安全性上讲，是需要进行动静荷载两方面的桩基工程试验。而动荷载的试桩，其特点是需要进行反复加卸荷载。实际工程试桩时中通常采用重物堆压的方式对桩基进行施加荷载，如进行一定循环次数的动静荷载桩基工程试验，其人力、物力成本较高。二方面，对于岛礁建设施工过程中，通常采用动力沉桩的方式进行桩基施工，通过采用有高频率振动冲击和锤击沉桩的施工方法和工艺；而实际工程试桩过程中，很难能够模拟该过程，这也为桩基工程的施工过程的监控，带来一定的不便。另一方面，位于海洋动力环境中的桩基，通常可以通过观测的方法获取环境中的自然环境荷载数据，但是环境荷载如何较好模拟施加则是一项非常具有挑战性的工作，涉及到海洋环境的钙质砂桩基模型试验更是如此。例如位于海洋环境中的岛礁桩基，时常受到多种风、浪动力荷载的作用，然而这类风、浪动力荷载经常具有大小、方向甚至作用点可变的特点，同时波浪的反复水位升降，还会引起土体强度的变化，从而影响桩基承载能力，如何更好地模拟这些风、浪荷载是一件非常重要的事情。在工程试桩中，想要通过某种加载方式去实现环境荷载的模拟是一件十分困难的事。而室内模型试验采用相似原理，通过一定的缩尺比例，在模型箱中开展桩基试验，桩基模型试验，可以更好地分析相关的结论，从而确定和判定桩基承载的相关规律。常规土工模型箱一般具有一定的尺寸，有较好的效果；通常采用室内模型试验的方式模拟桩基环境荷载，在参数的采集上，模型箱试验往往通过埋设传感器等探测手段进行，经过多年的实践方法，正在逐渐被人们所认可，并且加以改进，能够考虑更多的环境荷载因素、方便收集参数，并且能够极大减少工作量。目前对于利用三轴进行桩基模型试验是一个新的途径和方向，利用室内小型土工试验装置，开展三轴桩基模型试验装置，有装样精确、工作量小和数据采集方便等优势。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于提供一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，可以在三轴压力室中模拟施加有围压状态下模型桩受力状态，对模型桩施加上部恒定静载，从而确定模型桩的极限承载力，同时可以模拟采用锤击沉桩的施工过程，例如模拟不同频率不同大小的冲击能量的锤击沉桩、模拟锤击沉桩的施工过程，而且可以模拟模型桩服役过程后，模拟风、浪等多种环境荷载对桩的作用，例如多向扭转荷载对桩的作用，也可以模拟振动荷载沉桩、同时能够对桩施加一个循环荷载、不同大小的静荷载以模拟真实的工程荷载状态的三轴桩基模型试验。本专利技术的目的是是这样实现的：具体地说，本系统包括试验对象——桩基单元；设置有支架单元、桩基压力室单元、动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、应变控制单元、水压力加载单元、动力源单元、土体固结应力比施加单元和扭转荷载施加单元、数据采集仪和计算机；其位置和连接关系是：在支架单元上设置有上、中、下回型支架；在上回型支架的下面分别设置有动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元和扭转荷载施加单元；在中回型支架的上面设置有桩基压力室单元，在桩基压力室单元内置有桩基单元；在中回型支架的下面设置有应变控制单元和土体固结应力比施加单元；在下回型支架的上面设置有水压力加载单元；设置在支架单元外的动力源单元通过管筒分别与动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、水压力加载单元、土体固结应力比施加单元及扭转荷载施加单元连通，提供动力；水压力加载单元通过管筒与桩基压力室单元连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、应变控制单元、土体固结应力比施加单元及扭转荷载施加单元的活动部分分别与桩基压力室单元相连，提供多种荷载；在支架单元外还设置有数据采集仪和计算机，桩基压力室单元、数据采集仪和计算机依次连接，获取试验数据。与现有技术相比，本专利技术具有下列优点和有益效果：①土体基础部分与模型桩共同组成桩基单元作为系统的检测对象，水压力加载单元、固结应力比施加单元，可更真实地模拟桩基单元的自然环境中土体受力状态，更加贴近工程桩基应用环境；②系统中动静荷载施加单元、锤击荷载施加单元、扭转荷载施加单元通过切换可分别施加不同形式的荷载在模型桩上，实现多功能荷载施加，桩基服役环境中的多种形式荷载，功能齐全，操作切换方便快捷；③系统中设置有通用传感器，为了获取对应的数据参数，其输出端与数据采集仪连接，数据采集仪将获得的数据储存在计算机中，分析更为精密、准确。总之，本系统包括功能和检测两大部分，功能部分包括桩基单元在环境中自身应力状态，其次对桩基单元施加多功能荷载，并通过埋设的传感器等通用元件，检测桩基单元受力及竖向沉降参数，是一种多功能、方便快捷的桩基模型试验系统；用于测定桩基的极限承载力和模拟桩基服役过程中受到的环境荷载和工程荷载状态下桩基的沉降和承载特性。附图说明图1是本系统的结构方框图；图2是本系统的结构示意图；图3是桩基单元000的结构示意图；图4是模型桩050的结构示意图；图5是模型桩050的爆炸示意图；图6是支架100的结构示意图；图7是桩基压力室单元200结构方框图；图8是桩基压力室单元200的剖视图；图9是桩基压力室单元200的结构示意图；图10是底盘230的结构示意图；图11是密封件240的结构示意图；图12是桩基压力室单元200的安装示意图；图13是动静荷载施加单元300的结构示意图；图14是锤击荷载施加单元400的结构方框图；图15是锤击荷载施加单元400的结构示意图；图16是夯击模块460的剖视图；图17是锤击施加单元400工作示意图；图18是应变控制单元500的结构示意图；图19是水压力加载单元600的结构示意图；图20是水压力加载单元600的工作原理图；图21是动力源单元700的结构示意图；图22是动力源单元700连接示意图；图23是固结应力比施加单元800的结构示意图；图24是压力施加模块830的结构示意图；图25是扭转荷载施加单元900的结构方框图；图26是扭转荷载施加单元900的结构示意图；图27是扭转荷载左半部分920的结构示意图；图28是扭转荷载右半部分940的结构示意图；图29是检测受力状态的示意图。图中：000—桩基单元，010—桩侧土，020—桩端土，030-橡皮膜，040-土样帽，050—模型桩，051—模型桩上帽，052—销钉，0531—模型桩左半部分，0532—模型桩右半部分，054—模型桩下帽，055—土压力盒，056—应变片，057-出线孔，058-水平尺、059-电位移计，0510-齿轮，0511-扭转固定螺丝。100—支架，110—回型支架，111—上回型支架；112—中回型支架；113—下回型支架；120—本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，其特征在于：本系统包括试验对象——桩基单元（000）；设置有支架单元（100）、桩基压力室单元（200）、动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、水压力加载单元（600）、动力源单元（700）、土体固结应力比施加单元（800）和扭转荷载施加单元（900）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）；其位置和连接关系是：在支架单元（100上）设置有上、中、下回型支架（111、112、113）；在上回型支架（111）的下面分别设置有动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）和扭转荷载施加单元（900）；在中回型支架（112）的上面设置有桩基压力室单元（200），在桩基压力室单元（200）内置有桩基单元（000）；在中回型支架（112）的下面设置有应变控制单元（500）和土体固结应力比施加单元（800）；在下回型支架（113）的上面设置有水压力加载单元（600）；设置在支架单元（100）外的动力源单元（700）通过管筒分别与动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、水压力加载单元（600）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）连通，提供动力；水压力加载单元（600）通过管筒与桩基压力室单元（200）连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）的活动部分分别与桩基压力室单元（200）相连，提供多种荷载；在支架单元（100）外还设置有数据采集仪（1000）和计算机（1100），桩基压力室单元（200）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）依次连接，获取试验数据。...

【技术特征摘要】
1.一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，其特征在于：本系统包括试验对象——桩基单元（000）；设置有支架单元（100）、桩基压力室单元（200）、动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、水压力加载单元（600）、动力源单元（700）、土体固结应力比施加单元（800）和扭转荷载施加单元（900）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）；其位置和连接关系是：在支架单元（100上）设置有上、中、下回型支架（111、112、113）；在上回型支架（111）的下面分别设置有动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）和扭转荷载施加单元（900）；在中回型支架（112）的上面设置有桩基压力室单元（200），在桩基压力室单元（200）内置有桩基单元（000）；在中回型支架（112）的下面设置有应变控制单元（500）和土体固结应力比施加单元（800）；在下回型支架（113）的上面设置有水压力加载单元（600）；设置在支架单元（100）外的动力源单元（700）通过管筒分别与动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、水压力加载单元（600）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）连通，提供动力；水压力加载单元（600）通过管筒与桩基压力室单元（200）连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）的活动部分分别与桩基压力室单元（200）相连，提供多种荷载；在支架单元（100）外还设置有数据采集仪（1000）和计算机（1100），桩基压力室单元（200）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）依次连接，获取试验数据。2.按权利要求1所述的一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，其特征在于：所述的桩基单元（000）是本系统的试验对象，包括桩侧土（010）、桩端土（020）、橡皮膜（030）、土样帽（040）和模型桩（050）；土样帽（040）、桩侧土（010）和桩端土（020）依次连接成一个圆柱体，在圆柱体的外壁包裹有橡皮膜（030），模型桩（050）的下部依次插入土样帽（040）和桩侧土（010）；模型桩（050）包括模型桩上帽（051）、销钉（052）、模型桩左半部分（0531）、模型桩右半部分（0532）、模型桩下帽（054）、土压力盒（055）和应变片（056）、出线孔（057）、水平尺（058）、电位移计（059）、齿轮（0510）、扭转固定螺丝（0511）；应变片（056）贴在模型桩左半部分（0531）和模型桩右半部分（0532）的内壁上，土压力盒（055）置于模型桩下帽（214）中；应变片（056）与数据采集仪（1000）连接；土压力盒（055）与数据采集仪（1000）连接；扭转固定螺丝（0511）穿过齿轮（0510）和水平尺（058）的一端和模型桩上帽（051）的中心连接固定，在水平尺（058）的另一端连接有电位移计（059），电位移计（059）通过磁性表座固定在支架（100）上；应变片（056）用于测定模型桩（050）的桩身应变，土压力盒（055）用于测定模型桩下帽（054）处的桩端土（020）的压力变化，电位移计（059）用于测定模型桩上帽（051）处的竖向沉降。3.按权利要求1所述的一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，其特征在于：所述的桩基压力室单元（200）包括上部玻璃罩（220）、底盘（230）和密封件（240）；上部玻璃罩（220）和底盘（230）上下连接成一个容器，在容器内装入桩基单元（000），模型桩（050）和...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆山，王帅，朱晶，雷学文，阎钶，魏厚振，蔡云辉，徐亚飞，谢凌峰，董云洁，李昇昊，周疆豪，许国顺，刘奇，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42