本发明专利技术涉及一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，包括埋在模型箱内的模型桩、反力架、静力平衡单元、动力循环单元、直径导轨、平衡配重拉线、水平加载拉线和斜向加载拉线；平衡配重拉线与动力循环单元相连，用于平衡动力循环单元的重力；平衡配重拉线与模型桩相连，用于为模型桩提供竖向静力荷载或斜向静力荷载；静力平衡单元还通过水平加载拉线与模型桩相连，用于为模型桩提供水平荷载；动力循环单元通过斜向加载拉线与模型桩相连，用于为模型桩提供循环荷载。与现有技术相比，本发明专利技术具有适用范围广、模拟精度高、体积小等优点。
An experimental device for simulating multi-directional coupling cyclic loading of anchor pile system
【技术实现步骤摘要】
一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置
本专利技术涉及模型试验中静力和动力循环加载装置，尤其是涉及一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置。
技术介绍
近年来，面对日益严峻的环境问题和资源问题，世界各国都在寻求更加安全、清洁、可再生的能源。我国能源消耗中传统化石能源占比较大，能源利用效率低，浪费和污染大，因此发展新型清洁型能源尤为迫切。近二十年来，风电机组在全世界发展迅速，中国已经成为全世界风电装机容量最大的国家，其中建设海洋风电工程能充分利用丰富的风能资源。风电工程已经从陆地向浅海、由浅海向深海发展，目前漂浮式风电机组的相关研究正在如火如荼地开展。漂浮式风电机组按照结构形式主要分为：桅杆式、半潜式和张力腿式，三种基础形式都需要锚泊基础以维持结构的稳定性。在复杂的海洋环境中，体型庞大的风电机组需要承受风和海浪耦合形成的长期循环荷载，因此对于漂浮式风电机组的基础工程提出了很高的要求。因此，找到合理的方法研究多向耦合循环荷载作用下，风电基础的承载力和累积变形，对工程建设具有重大意义。参考固定式海洋风机和海洋石油开采平台的基础形式，LeBlanc等(2010)和Muhanmad等(2016)研制了两种不同的单桩长期水平循环加载设备，Yeong-Hoon等(2017)研制了吸力桶式锚泊基础的竖向长期竖向循环加载设备，但以上设备均只能在水平或竖向单一方向进行循环加载，锚桩基础承受竖向浮力和水平波浪力耦合循环荷载作用，单一方向加载无法真实模拟海洋环境中基础的受力情况。而且两类装置均只能进行特定试验，通用性较差，适用范围窄。
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适用范围广、模拟精度高、体积小的模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，包括埋在模型箱内的模型桩、反力架、静力平衡单元、动力循环单元、直径导轨、平衡配重拉线、水平加载拉线和斜向加载拉线；所述的反力架安装在模型箱的顶部；所述的直径导轨通过水平横梁安装在反力架的顶部；所述的反力架和直径导轨上均设有用于固定拉线的滑轮；所述的平衡配重拉线一端与静力平衡单元相连，另一端与动力循环单元或模型桩相连；所述的平衡配重拉线与动力循环单元相连，用于平衡动力循环单元的重力；所述的平衡配重拉线与模型桩相连，用于为模型桩提供竖向静力荷载或斜向静力荷载；所述的静力平衡单元还通过水平加载拉线与模型桩相连，用于为模型桩提供水平荷载；所述的动力循环单元通过斜向加载拉线与模型桩相连，用于为模型桩提供循环荷载。优选地，所述的反力架包括安装在模型箱顶部的竖向框架、用于加固竖向框架的底部横梁和顶部横梁以及两根固定角钢；所述的模型桩安装在两根固定角钢之间，可以沿竖向运动；所述的直径导轨通过水平横梁与顶部横梁固定连接。更加优选地，所述的固定角钢上设有位移监测传感器，该传感器包括竖向位移监测传感器和水平向位移监测传感器。更加优选地，所述的滑轮包括安装在底部横梁上的第一滑轮、第二滑轮以及安装在直径导轨上的用于固定平衡配重拉线的第一组滑轮和用于固定斜向加载拉线的第二组滑轮；所述的第一滑轮和第二滑轮均与底部横梁固定连接；所述的第一组滑轮和第二组滑轮在直径导轨上滑动到试验所需位置时通过螺栓固定在直径导轨上。更加优选地，所述的安装有第一滑轮和第二滑轮的两根底部横梁与竖向框架滑动连接，滑动到试验所需位置时通过螺栓固定在竖向框架上；所述的与水平横梁相连的两根顶部横梁与竖向框架滑动连接，滑动到试验所需位置时通过螺栓固定在竖向框架上。更加优选地，所述的静力平衡单元包括水平加载砝码和平衡配重砝码；所述的水平加载拉线一端与水平加载砝码相连，在绕过第一滑轮或依次绕过第一滑轮和第二滑轮后，另一端与模型桩相连，用于为模型桩提供水平静力荷载；所述的平衡配重拉线一端与平衡配重砝码相连，在依次绕过第一组滑轮后，另一端与动力循环单元或模型桩相连，与动力循环单元相连用于平衡动力循环单元的重力，与模型桩相连用于为模型桩提供竖向或斜向静力荷载。更加优选地，所述的动力循环单元包括与底部横梁铰接的动力设备支架、安装在动力设备支架上的调速电机、与调速电机的转轴相连的传动装置、与传动装置相连的水平旋臂、分别安装在水平旋臂两端的循环荷载砝码和平衡摆锤；所述的动力循环单元通过改变调速电机的转速来控制循环荷载的频率；所述的斜向加载拉线一端与动力设备支架相连，另一端与模型桩相连。更加优选地，所述的动力循环单元还包括保护挂钩，用于在试验开始前便于施加循环荷载和调节动力循环单元的平衡；所述的保护挂钩一端与水平横梁相连，另一端在试验开始前与动力设备支架相连，在试验开始后脱开。优选地，所述的模型箱内设有土体，该土体为砂土。优选地，所述的模型桩采用预埋式、打入式或旋挖埋入式埋入模型箱。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术能够在1g条件下，分别进行锚桩系统水平和竖向长期循环荷载试验，以及多向耦合长期循环荷载试验，适用范围广、模拟精度高，且能进行精确自平衡，能进行静力加载和长期循环加载，试验装置整体体积更小，通过调节调速电机的旋转速度和平衡摆锤位置、改变循环荷载砝码和平衡配重砝码的重量，可以实现动力循环荷载连续精确变化。试验装置中安装在直径导轨上的滑轮可以连续移动，精准控制荷载拉线的倾斜角度，直径导轨的高度也可以调节，以此增大倾斜角的调节幅度。装置中安装有第一滑轮和第二滑轮的底部横梁的高度也可以调节，以保证水平加载拉线保持水平，提高了装置的精度。本专利技术中通过第一滑轮和第二滑轮进行水平方向荷载的转换，可以在进行动力荷载试验时平衡斜向拉力产生的水平分力，提高测量精度。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的另一结构示意图；图3为本专利技术的正视图；图4为本专利技术的俯视图；图5为本专利技术中的装置进行静力加载时的结构示意图；图6为本专利技术中的装置进行动力循环加载时的结构示意图；图7为本专利技术中的动力循环单元的结构示意图。图中标号所示：1、模型箱，2、模型桩，3、反力架，4、静力平衡单元，5、动力循环单元，6、直径导轨，7、滑轮，8、平衡配重拉线，9、水平加载拉线，10、斜向加载拉线，301、底部横梁，302、竖向框架，303、顶部横梁，304、固定角钢，401、水平加载砝码，402、平衡配重砝码，501、调速电机，502、动力设备支架，503、传动装置，504、水平旋臂，505、循环荷载砝码，506、平衡摆锤，507、保护挂钩，701、第一滑轮，702、第二滑轮，703、第一组滑轮，704、第二组滑轮。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，其特征在于，所述的试验装置包括埋在模型箱(1)内的模型桩(2)、反力架(3)、静力平衡单元(4)、动力循环单元(5)、直径导轨(6)、平衡配重拉线(8)、水平加载拉线(9)和斜向加载拉线(10)；所述的反力架(3)安装在模型箱(1)的顶部；所述的直径导轨(6)通过水平横梁安装在反力架(3)的顶部；所述的反力架(3)和直径导轨(6)上均设有用于固定拉线的滑轮(7)；所述的平衡配重拉线(8)一端与静力平衡单元(4)相连，另一端与动力循环单元(5)或模型桩(2)相连；/n所述的平衡配重拉线(8)与动力循环单元(5)相连，用于平衡动力循环单元(5)的重力；所述的平衡配重拉线(8)与模型桩(2)相连，用于为模型桩(2)提供竖向静力荷载或斜向静力荷载；/n所述的静力平衡单元(4)还通过水平加载拉线(9)与模型桩(2)相连，用于为模型桩(2)提供水平荷载；/n所述的动力循环单元(5)通过斜向加载拉线(10)与模型桩(2)相连，用于为模型桩(2)提供循环荷载。/n
【技术特征摘要】
1.一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，其特征在于，所述的试验装置包括埋在模型箱(1)内的模型桩(2)、反力架(3)、静力平衡单元(4)、动力循环单元(5)、直径导轨(6)、平衡配重拉线(8)、水平加载拉线(9)和斜向加载拉线(10)；所述的反力架(3)安装在模型箱(1)的顶部；所述的直径导轨(6)通过水平横梁安装在反力架(3)的顶部；所述的反力架(3)和直径导轨(6)上均设有用于固定拉线的滑轮(7)；所述的平衡配重拉线(8)一端与静力平衡单元(4)相连，另一端与动力循环单元(5)或模型桩(2)相连；
所述的平衡配重拉线(8)与动力循环单元(5)相连，用于平衡动力循环单元(5)的重力；所述的平衡配重拉线(8)与模型桩(2)相连，用于为模型桩(2)提供竖向静力荷载或斜向静力荷载；
所述的静力平衡单元(4)还通过水平加载拉线(9)与模型桩(2)相连，用于为模型桩(2)提供水平荷载；
所述的动力循环单元(5)通过斜向加载拉线(10)与模型桩(2)相连，用于为模型桩(2)提供循环荷载。
2.根据权利要求1所述的一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，其特征在于，所述的反力架(3)包括安装在模型箱(1)顶部的竖向框架(302)、用于加固竖向框架(302)的底部横梁(301)和顶部横梁(303)以及两根固定角钢(304)；所述的模型桩(2)安装在两根固定角钢(304)之间，并沿竖向运动；所述的直径导轨(6)通过水平横梁与顶部横梁(303)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，其特征在于，所述的固定角钢(304)上设有位移监测传感器，该传感器包括竖向位移监测传感器和水平向位移监测传感器。
4.根据权利要求2所述的一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，其特征在于，所述的滑轮(7)包括安装在底部横梁(301)上的第一滑轮(701)、第二滑轮(702)以及安装在直径导轨(6)上的用于固定平衡配重拉线(8)的第一组滑轮(703)和用于固定斜向加载拉线(10)的第二组滑轮(704)；所述的第一滑轮(701)和第二滑轮(702)均与底部横梁(301)固定连接；所述的第一组滑轮(703)和第二组滑轮(704)在直径导轨(6)上滑动到试验所需位置时通过螺栓固定在直径导轨(6)上。
5.根据权利要求4所述的一种模拟锚桩系统多向耦合循环加载的试验装置，其特征在于，所述的安装有第...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄茂松，俞剑，潘志杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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