测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，包括模型箱、横向支架、第一模型桩、第二模型桩、第一液压千斤顶、第二液压千斤顶、第一伺服阀、第二伺服阀、竖向位移传感器、水平位移传感器及模型用土；所述模型箱通过隔板和可调式支撑分隔为主体试验箱和附属试验箱，所述横向支架架设在模型箱上方，所述横向支架包括长桁架和短桁架，所述长桁架上设置第一垫板和第二垫板。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术通过竖向位移传感器和粘贴有应变片的第一模型桩可以直接测得在各级竖向荷载作用下的桩顶沉降和桩身轴力分布规律，绘制出荷载‑沉降曲线和沉降‑时间曲线等，准确得到桩基的竖向抗压极限承载力。

Centrifugal model test device and method for determining ultimate vertical and horizontal bearing capacity of pile foundation

【技术实现步骤摘要】
测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置及方法
本专利技术涉及土工离心模型试验领域，具体涉及一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置及方法。
技术介绍
针对复杂的岩土工程问题，目前最常采用的试验手段包括现场试验、缩尺模型试验和土工离心模型试验等。鉴于土是一种与重力场关系密切的材料，土体性状也表现为应力依赖性。因此，土工离心模型试验(超重离心模型试验)通过离心机的高度旋转产生的向心加速度使模型自重提高至与原型基本相同，能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，表现出比常重力小足尺模型试验更符合原型性状的优势，是目前公认的最先进、最有效的试验方法，已经越来越广泛地被应用于岩土工程的科学研究中。目前，采用土工离心模型试验研究与桩相关的岩土问题时，往往需要考虑桩基的受力状态。比如，在研究桩承式路堤、高层建筑等工程中的桩基问题时，需要考虑桩基上部建(构)筑物产生的竖向作用荷载；在研究挡土墙、离岸码头等工程中的桩基问题时，需要考虑桩基承受风力、海浪、地震等因素产生的水平作用荷载。在研究桥墩桥台、被动桩等桩基问题时，需要同时考虑桩基的竖向作用荷载和水平作用荷载。可见，在采用土工离心模型试验开展相关研究之前，需要确定桩基的竖向和水平极限承载力，进而判断桩基的受力状态。因此，有必要研发一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置及方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置及方法，能够采用缩尺模型在超高重力状态下真实模拟单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验，试验操作简便，数据真实可靠。这种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，包括模型箱、横向支架、第一模型桩、第二模型桩、第一液压千斤顶、第二液压千斤顶、第一伺服阀、第二伺服阀、竖向位移传感器、水平位移传感器及模型用土；所述模型箱通过隔板和可调式支撑分隔为主体试验箱和附属试验箱，所述横向支架架设在模型箱上方，所述横向支架包括长桁架和短桁架，所述长桁架上设置第一垫板和第二垫板，所述第一模型桩和第二模型桩均包括粘贴有半导体应变片的桩身和设置于桩身顶部的桩帽，所述第一液压千斤顶和第二液压千斤顶均包括油缸、活塞、进油阀和回油阀，模型箱顶部安装第一伺服阀、第二伺服阀和监控相机，所述第一伺服阀和第二伺服阀均包括进油阀、回油阀和控制阀，所述竖向位移传感器和水平位移传感器均包括夹具块、波导管和活动磁环，所述模型用土水平铺设在主体试验箱内。作为优选：所述可调式支撑包括花篮螺丝、旋杆和支撑座，花篮螺丝中部设有旋杆，花篮螺丝两端设有支撑座；可调式支撑对撑在模型箱箱壁与隔板之间。作为优选：所述横向支架的长桁架横跨模型箱，短桁架焊接在长桁架两端，短桁架通过螺栓锚固在箱壁顶部的滑槽中。作为优选：所述桩身为底部密封的空心铝合金管结构，桩身外侧均匀涂有一层保护半导体应变片的环氧树脂胶，桩身顶部与管帽通过螺丝紧固连接。作为优选：所述半导体应变片沿桩身竖向等间距分布，同一横截面内的两对半导体应变片对称粘贴在桩身两侧，导线依次穿过桩身微孔和管帽底部的U型孔后汇集成束，并最终连接在悬挂于模型箱侧壁的数据采集仪上。作为优选：所述第一模型桩和第二模型桩在同一横截面内的两对半导体应变片采用惠斯通电桥连接，第一模型桩和第二模型桩同一侧的每对半导体应变片之间分别采用垂直交叉和互相平行的分布方式。作为优选：所述第一液压千斤顶的油缸垂直固定在横向支架上的第一垫板内，第一垫板沿长桁架的滑槽横向滑移，第一液压千斤顶的活塞下端连接粘贴有竖向压力传感器的竖向延伸杆，竖向延伸杆与第一模型桩位于同一中轴线；所述第二液压千斤顶的油缸水平固定在附属试验箱内的底座上，第二液压千斤顶的活塞右侧连接粘贴有水平压力传感器的水平延伸杆，水平延伸杆与第二模型桩的左侧桩身之间设有U型垫块。作为优选：所述第一伺服阀的进油阀和回油阀与第一液压千斤顶的进油阀和回油阀通过油管对应连接，第二伺服阀的进油阀和回油阀与第二液压千斤顶的进油阀和回油阀通过油管对应连接，控制阀通过导线连接在数据采集仪上。作为优选：所述竖向位移传感器和水平位移传感器的波导管通过夹具块和连接杆分别垂直固定于第一垫板和第二垫板上，竖向位移传感器的活动磁环抵在竖向延伸杆上的横肋板表面并随其同步移动，水平位移传感器的活动磁环抵在地表处的第二模型桩的右侧桩身上。这种测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：步骤一，安装隔板和可调式支撑，调节可调式支撑的旋杆至隔板垂直稳定，将模型箱分隔为主体试验箱和附属试验箱，隔板与箱壁、箱底之间的缝隙采用玻璃胶密封；步骤二，在桩身两侧粘贴半导体应变片，连通梳理导线，安装桩帽，形成第一模型桩和第二模型桩，并分别进行桩身轴力和弯矩的标定；步骤三，在主体试验箱内定位安装第一模型桩和第二模型桩，分层铺设模型用土，在模型箱顶部安装第一伺服阀、第二伺服阀和监控相机，在模型箱外侧悬挂安装数据采集仪；步骤四，沿箱壁顶部的滑槽纵向滑移横向支架，沿长桁架的滑槽横向滑移第一垫板直至第一液压千斤顶的竖向延伸杆与第一模型桩位于同一中轴线，连接第一液压千斤顶与第一伺服阀；步骤五，在附属试验箱内安装底座和第二液压千斤顶，使水平延伸杆与第二模型桩位于同一水平线，U型垫块紧贴桩身左侧，连接第二液压千斤顶与第二伺服阀；步骤六，将模型箱移至土工离心机的挂篮平台上，标定并安装竖向位移传感器和水平位移传感器；步骤七，计算安装配重，调试启动土工离心机，通过远程计算机分别控制启动第一液压千斤顶和第二液压千斤顶，逐级施加竖向荷载和水平荷载，记录竖向压力传感器、水平压力传感器、竖向位移传感器和水平位移传感器的读数；步骤八，待达到终止加载条件，关闭土工离心机，处理数据确定第一模型桩的单桩竖向抗压极限承载力和第二模型桩的单桩水平极限承载力。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用缩尺模型能够有效模拟单桩竖向抗压静载试验和单桩水平静载试验，真实再现桩基的承载性能，通过滑移精确定位可以防止施加荷载的偏移和位移测量误差，试验操作简便，数据真实可靠，为判断桩基的受力状态提供科学依据。2.本专利技术通过竖向位移传感器和粘贴有应变片的第一模型桩可以直接测得在各级竖向荷载作用下的桩顶沉降和桩身轴力分布规律，绘制出荷载-沉降曲线和沉降-时间曲线等，准确得到桩基的竖向抗压极限承载力。3.本专利技术通过水平位移传感器和粘贴有应变片的第二模型桩可以直接测得在各级水平荷载作用下的桩顶转角和桩身弯矩分布规律，推算桩身挠曲变形，绘制出水平力-时间-作用点位移关系曲线和水平力-位移梯度关系曲线等，准确得到桩基水平临界和极限承载力。附图说明图1是离心模型试验装置的正视图。图2是离心模型试验装置的俯视图。图3是可调式支撑的结构示意图。图4是第一模型桩的x轴方向、y轴方向以及桩身横截面的结构示意图(其中图a是第一模型桩的x轴方向示意图，图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、横向支架(2)、第一模型桩(3)、第二模型桩(4)、第一液压千斤顶(5)、第二液压千斤顶(6)、第一伺服阀(7)、第二伺服阀(8)、竖向位移传感器(9)、水平位移传感器(10)及模型用土(11)；所述模型箱(1)通过隔板(12)和可调式支撑(13)分隔为主体试验箱(14)和附属试验箱(15)，所述横向支架(2)架设在模型箱(1)上方，所述横向支架(2)包括长桁架(16)和短桁架(17)，所述长桁架(16)上设置第一垫板(45)和第二垫板(46)，所述第一模型桩(3)和第二模型桩(4)均包括粘贴有半导体应变片(18)的桩身(19)和设置于桩身顶部的桩帽(20)，所述第一液压千斤顶(5)和第二液压千斤顶(6)均包括油缸(21)、活塞(22)、进油阀(23)和回油阀(24)，模型箱(1)顶部安装第一伺服阀(7)、第二伺服阀(8)和监控相机(50)，所述第一伺服阀(7)和第二伺服阀(8)均包括进油阀(23)、回油阀(24)和控制阀(25)，所述竖向位移传感器(9)和水平位移传感器(10)均包括夹具块(26)、波导管(27)和活动磁环(28)，所述模型用土(11)水平铺设在主体试验箱(14)内。/n...

【技术特征摘要】
1.测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、横向支架(2)、第一模型桩(3)、第二模型桩(4)、第一液压千斤顶(5)、第二液压千斤顶(6)、第一伺服阀(7)、第二伺服阀(8)、竖向位移传感器(9)、水平位移传感器(10)及模型用土(11)；所述模型箱(1)通过隔板(12)和可调式支撑(13)分隔为主体试验箱(14)和附属试验箱(15)，所述横向支架(2)架设在模型箱(1)上方，所述横向支架(2)包括长桁架(16)和短桁架(17)，所述长桁架(16)上设置第一垫板(45)和第二垫板(46)，所述第一模型桩(3)和第二模型桩(4)均包括粘贴有半导体应变片(18)的桩身(19)和设置于桩身顶部的桩帽(20)，所述第一液压千斤顶(5)和第二液压千斤顶(6)均包括油缸(21)、活塞(22)、进油阀(23)和回油阀(24)，模型箱(1)顶部安装第一伺服阀(7)、第二伺服阀(8)和监控相机(50)，所述第一伺服阀(7)和第二伺服阀(8)均包括进油阀(23)、回油阀(24)和控制阀(25)，所述竖向位移传感器(9)和水平位移传感器(10)均包括夹具块(26)、波导管(27)和活动磁环(28)，所述模型用土(11)水平铺设在主体试验箱(14)内。


2.根据权利要求1所述的测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，所述可调式支撑(13)包括花篮螺丝(29)、旋杆(30)和支撑座(31)，花篮螺丝(29)中部设有旋杆(30)，花篮螺丝(29)两端设有支撑座(31)；可调式支撑(13)对撑在模型箱(1)箱壁与隔板(12)之间。


3.根据权利要求1所述的测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，所述横向支架(2)的长桁架(16)横跨模型箱(1)，短桁架(17)焊接在长桁架(16)两端，短桁架(17)通过螺栓(32)锚固在箱壁顶部的滑槽(47)中。


4.根据权利要求1所述的测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，所述桩身(19)为底部密封的空心铝合金管结构，桩身(19)外侧均匀涂有一层保护半导体应变片(18)的环氧树脂胶(33)，桩身(19)顶部与管帽(20)通过螺丝(34)紧固连接。


5.根据权利要求1所述的测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，所述半导体应变片(18)沿桩身(16)竖向等间距分布，同一横截面内的两对半导体应变片(18)对称粘贴在桩身两侧，导线(35)依次穿过桩身微孔(36)和管帽(20)底部的U型孔(37)后汇集成束，并最终连接在悬挂于模型箱(1)侧壁的数据采集仪(38)上。


6.根据权利要求1所述的测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，所述第一模型桩(3)和第二模型桩(4)在同一横截面内的两对半导体应变片(18)采用惠斯通电桥连接，第一模型桩(3)和第二模型桩(4)同一侧的每对半导体应变片(18)之间分别采用垂直交叉和互相平行的分布方式。


7.根据权利要求1所述的测定桩基竖向和水平极限承载力的离心模型试验装置，其特征在于，所述第一液压千斤顶(5)的油缸(21)垂直固定在横向支架(2)上的第一垫板(45)内，第一垫板(45)沿长桁架(16)的滑槽(47)横向滑移，第一液压千斤顶(5)的活塞(22)下端连接粘贴有竖向压力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：刁红国，王新泉，崔允亮，张天赐，
申请(专利权)人：浙江大学城市学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33