技術領域

本發明涉及一種具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置。本發明還涉及一種上述具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置的操作方法。

背景技術

傳統打入樁的安裝方法一般包括錘擊貫入，振動貫入和靜壓貫入，目前，對于打入樁的貫入安裝過程的研究主要采用波動方程為主的打樁分析軟件以及現場試驗書記采集分析。然而，以波動方程為基礎的打樁分析軟件由于無法分析樁在貫入過程中的流固耦合等問題而存在局限性，而現場試驗受制于采集設備以及經濟成本的高昂等因素的影響。因此，一般在進行相關研究過程中，采用數值分析以及室內試驗進行精細化研究和對比，從而獲取打入樁在安裝過程中的樁的承載性能與樁的尺寸，土體的性質等的關系。然而，由于數值技術發展的限制，目前開發的打樁數值分析尚未進行商業化和工業化應用，而1g重力的室內試驗由于尺寸效應影響造成試驗結果存在一定的不合理性，而土工離心機能夠克服尺寸效應的影響同時能夠極大的降低現場試驗的成本，且由于試驗環境可控性高，可多次開展相關試驗，從而能夠獲取有效的對比數據從而為更加精細深入的研究提供了基礎；目前，缺乏相關的土工離心機試驗儀器開展不同安裝方式的打入樁貫入過程的樁土動態響應的試驗研究設備和方法。

而且傳統的研究設備的打樁錘和模型樁沒有很精準穩定的導向，且打樁錘往往需要非常大的體積才能保持力度，因此精度不夠，施力方向往往出現偏差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置，該裝置為打入樁在貫入過程中樁土相互作用、土體的動態響應等提供更加直觀的室內試驗研究手段，并通過土工離心機使得貫入過程的相關規律響應與現場接近，并可通過結構設定對樁錘和樁體的運動進行有效引導，使打樁的過程精度更高，以獲取精準的試驗數據。本發明所要解決的技術問題還包括提供一種上述具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置的操作方法。

為此，本發明提供的具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置，包括：支撐系統，打樁系統，樁土系統及量測采集系統。

支撐系統：包括豎向支撐系統和打樁架支撐系統，豎向支撐系統包括螺紋剛性柱、豎向外支撐架、豎向內支撐架和底部剛性板，豎向支撐系統用于支撐整個試驗模型，并與離心機對應裝置連接，同時為模型中的打樁架提供支撐平臺， 豎向外支撐架與螺紋剛性柱活動連接在一起，并通過豎向支架升降電機控制升降；打樁架支撐系統用于支撐打樁架，包括上打樁架外支撐、上打樁架內外支撐、下打樁架內支撐、下打樁架外支撐和上打樁架背支撐和下打樁架背支撐，打樁架支撐系統確保打樁架在打樁過程和土工離心機試驗過程中保持穩定。

樁土系統：包括模型樁和模型箱， 模型樁的樁頂固定有樁帽，樁帽保護在貫入過程中的模型樁樁頭，樁身粘貼有物理力學變量的監測元件，模型箱為半圓柱形、下部閉口上部開口的箱體，半圓部分由高強度和高剛性的鋼板組成，箱身布設有排水孔，所述模型箱的半圓切面由高強度樹脂透明板組成，模型箱中布設土體，固定支架下方固定有升降電機，升降電機套接在螺紋剛性柱上，升降電機驅動螺母轉動實現在螺紋剛性柱上的升降，控制固定支架的高度。

離心機系統：包括離心機，所述支撐系統、打入樁全壽命加載系統、樁土系統固定安裝在離心機的試驗艙中，通過離心機的運動對試驗模型施加超重力，超重力環境下加速流固耦合的時間，加快變化的進程；

量測系統：包括土體監測系統和樁身監測系統，土體監測系統包括土體監測元件17，樁身監測系統包括樁身監測元件，土體監測元件測試土體試樣的初始應力應變、孔壓狀態以及打樁過程中以及完成安裝后的相應的物理力學參數，樁身監測元件可采集樁身的變形應力等物理力學參數；

打樁系統：包括打樁架、打樁設備和貫入和拔出動力設備，打樁架通過打樁架支撐系統與豎向支撐系統連接，打樁設備包括打樁錘導軌、打入樁導軌和貫入和拔出動力設備，拔出動力設備11配置有動機系統和打樁錘，打樁錘下部安裝打樁錘墊；拔除方式采用振動拔出或靜載拔出，拔出設備下端部設置有錘墊，錘墊導電產生電磁吸力，通過電流改變控制錘墊的磁力，樁帽采用可被磁吸的材料制成，錘墊通電后磁吸在樁帽上，樁帽、樁墊和錘墊以及模型樁在拔出過程中固定成一體。

優選的，所述打樁錘導軌包括四面維護的豎向孔，打樁錘置于豎向孔中，打樁錘導軌中心設置有打入樁導軌，打入樁導軌兩側采用豎向肋板連接在打樁錘導軌內側壁上，打入樁導軌上下兩側具有側面開口，所述打樁錘橫截面呈工字型，打樁錘具有向下的錘擊端，錘擊端的截面與所述打入樁導軌匹配，所述錘擊端置入打入樁導軌中，打樁錘的上下窄部處于所述側面開口處，所述打樁錘的上下寬部貼著所述打樁錘導軌的內壁設置。

本發明提供的一種具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置的操作方法，包括以下步驟：

一、確定試驗裝置各系統的尺寸和布置情況，試驗分析原位飽和黏土中大直徑開口樁基礎貫入以及拔出過程，其中土工離心機為150g，樁的原位尺寸為樁徑8m、樁長80m、壁厚為9cm，飽和黏土為海洋飽和黏土，其中的流體為海水，模型樁的尺寸設置為直徑為5.34cm、樁長為53.34cm、壁厚為0.6 mm，樁身均勻對稱布設光柵光纖點每邊各10個，土體中的光柵光纖土壓力微型盒和滲壓計分別對稱布置3列，兩種測試元件間隔布置，共12列，每列沿高度方向8個，模型箱的尺寸為直徑1.5m、高1.0m，排水孔沿模型箱高度方向均勻布置10個，底部沿直徑方向均勻布置10個，沿圓弧方向布置15列，打樁架長度為1.2 m、寬度為0.25 m，打樁錘導軌和打入樁導軌均勻對稱的分布在打樁架上， 打樁架沿長度方向對稱的固定在豎向支撐系統中；

二、安裝支撐系統，樁土系統、量測系統和離心機系統；

三、打樁系統：模型樁采用錘擊貫入土體，拔出方式采用靜壓，選用對應的打樁錘和拔出設備，兩者均為伺服控制；

四、開展錘擊貫入試驗，通過無線采集系統采集監測數據，通過高清高速計算機記錄錘擊貫入過程，通過無線伺服控制控制打樁錘的錘擊貫入；

五、完成貫入后，開展長期承載性能試驗，通過伺服控制讓打樁錘設備與樁頭抱緊，經過試驗要求的時長后，期間數據始終在保持采集狀態，伺服控制轉化為拔出模式，并開展拔出試驗，通過無線采集系統采集相關數據，并用高速攝像機記錄拔出過程。

優選的，采用錘擊貫入時，模型樁需要鋪設樁墊；采用靜壓和振動貫入時，則不需要樁墊；采用振動貫入則模型樁的樁帽和樁錘之間需要進行固定。

優選的，所述豎向支撐系統和打樁架支撐系統采用8#B-12#B的高強度工字鋼通過鉚釘錨固而成，打樁架支撐系統與打樁架亦是通過鉚釘錨固。

本發明的技術效果：

1）本發明能夠開展打入樁在不同的安裝方式的貫入以及不同拔出方式的拔出土工離心機試驗，為打入樁的貫入全過程和拔出過程的樁土相互動態響應的研究提供了有效的試驗裝置和方法；

2）通過可通過高速攝像機或數碼相機直觀觀測貫入和拔出過程中樁土變形特性等，且拔出和貫入可分開進行試驗；

3）該裝置為打入樁在貫入過程中樁土相互作用、土體的動態響應等提供更加直觀的室內試驗研究手段，并通過土工離心機使得貫入過程的相關規律響應與現場接近；

4）通過結構設定對樁錘和樁體的運動進行有效引導，使打樁的過程精度更高，以獲取精準的試驗數據。

附圖說明

圖1為本發明提供的具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置的結構剖視示意圖。

圖2為圖1的側視圖。

圖3為本發明豎向支撐系統的俯視圖。

圖4為本發明打樁架支撐系統的俯視圖。

圖5為本圖1中的打樁錘導軌、打入樁導軌和打樁錘的橫向截面示意圖。

圖6為圖5中的樁錘的俯視示意圖。

圖7為圖6的側視圖。

圖8為打樁錘、打入樁導軌和模型樁的結構關系示意圖，其中打樁錘尚未進入打入樁導軌。

圖9為打樁錘、打入樁導軌和模型樁的結構關系示意圖，其中打樁錘深入打入樁導軌中。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明進一步詳細說明。其中相同的零部件用相同的附圖標記表示。需要說明的是，下面描述中使用的詞語“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附圖中的方向，詞語“底面”和“頂面”、“內”和“外”分別指的是朝向或遠離特定部件幾何中心的方向。

參照圖1-4所示，本發明提供的具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置，包括：支撐系統，打樁系統，樁土系統及量測采集系統。

支撐系統：包括豎向支撐系統和打樁架支撐系統，豎向支撐系統包括螺紋剛性柱1、豎向外支撐架2、豎向內支撐架3和底部剛性板24，豎向支撐系統用于支撐整個試驗模型，并與離心機對應裝置連接，同時為模型中的打樁架提供支撐平臺， 豎向外支撐架2與螺紋剛性柱1活動連接在一起，并通過豎向支架升降電機29控制升降；打樁架支撐系統用于支撐打樁架，包括上打樁架外支撐4、上打樁架內外支撐5、下打樁架內支撐6、下打樁架外支撐7和上打樁架背支撐26和下打樁架背支撐27，打樁架支撐系統確保打樁架在打樁過程和土工離心機試驗過程中保持穩定。

樁土系統：包括模型樁15和模型箱18， 模型樁15的樁頂固定有樁帽14，樁帽14保護在貫入過程中的模型樁樁頭，樁身粘貼有物理力學變量的監測元件（樁身應變應力等，如樁身監測元件16、光柵光纖監測元件），模型箱18為半圓柱形、下部閉口上部開口的箱體，半圓部分由高強度和高剛性的鋼板組成，箱身布設有排水孔19，所述模型箱18的半圓切面由高強度樹脂透明板28組成，模型箱18中布設土體20，固定支架21下方固定有升降電機22，升降電機22套接在螺紋剛性柱1上，升降電機22驅動螺母轉動實現在螺紋剛性柱1上的升降，控制固定支架的高度21。

離心機系統：包括離心機，所述支撐系統、打入樁全壽命加載系統、樁土系統固定安裝在離心機的試驗艙中，通過離心機的運動對試驗模型施加超重力，超重力環境下加速流固耦合的時間，加快變化的進程；

量測系統：包括土體監測系統和樁身監測系統，土體監測系統包括土體監測元件17，樁身監測系統包括樁身監測元件16，土體監測元件17測試土體試樣的初始應力應變、孔壓狀態以及打樁過程中以及完成安裝后的相應的物理力學參數，樁身監測元件16可采集樁身的變形應力等物理力學參數；

其特征是：打樁系統：包括打樁架9、打樁設備和貫入和拔出動力設備11，打樁設備即對樁施力的機構，其包含打樁錘、振動錘和靜壓設備等，打樁架9由特制的剛性鋼板制作而成，打樁架9通過打樁架支撐系統與豎向支撐系統連接， 打樁架9上標有標尺，打樁架9上的標尺能夠讓試驗者在試驗過程中有效掌握樁體進入的數據以便與其他數據組合形成數據模型，打樁設備包括打樁錘導軌9、打入樁導軌10和貫入和拔出動力設備11，拔出動力設備11配置有動機系統和打樁錘，貫入和拔出動力設備11根據貫入方式和把拔除方式的不同，可選擇錘擊錘，振動錘和靜壓錘，錘擊錘可采用液壓錘，動力采用柴油液壓或電磁沖擊方式，打樁錘下部安裝打樁錘墊12；拔除方式采用振動拔出或靜載拔出，拔出設備下端部設置有錘墊，錘墊導電產生電磁吸力，通過電流改變控制錘墊的磁力，樁帽采用可被磁吸的材料制成，錘墊通電后磁吸在樁帽上，樁帽、樁墊和錘墊以及模型樁在拔出過程中固定成一體，其固定方式采用自動卡固裝備進行固定，以保證打樁過程的穩定性，該固定方式為現有技術范疇。

參照圖1、2、圖5、圖6、圖7、圖8所示，為了使樁錘和模型樁能夠更加精準的打入土體，所述打樁錘導軌9包括四面維護的豎向孔91，打樁錘30置于豎向孔中，打樁錘導軌9中心設置有打入樁導軌10，打入樁導軌10兩側采用豎向肋板92連接在打樁錘導軌9內側壁上，打入樁導軌10上下兩側具有側面開口93，所述打樁錘30橫截面呈工字型，打樁錘30具有向下的錘擊端301，錘擊端301的截面與所述打入樁導軌10匹配，所述錘擊端301置入打入樁導軌10中，打樁錘30的上下窄部302處于所述側面開口93處，所述打樁錘30的上下寬部303貼著所述打樁錘導軌9的內壁設置。上述構造中工字型的打樁錘30被精準引導，并且在打樁錘30重心處設置打入樁導軌10和錘擊端301，即確保打樁錘30的體積和重量，又確保錘擊位置處于打樁錘30的重心位置以下，從而更加高效和精準。

參照圖1-4所示，本發明提供的上述具有不同安裝和拔出方式的打入樁離心機試驗裝置的操作方法，包括以下步驟：

一、確定試驗裝置各系統的尺寸和布置情況，試驗擬分析原位飽和黏土中大直徑開口樁基礎貫入以及拔出過程，其中土工離心機為150 g，樁的原位尺寸為樁徑8m、樁長80m、壁厚為9cm，飽和黏土為海洋飽和黏土，其中的流體為海水，模型樁15的尺寸設置為直徑為5.34cm、樁長為53.34cm、壁厚為0.6 mm，樁身均勻對稱布設光柵光纖點每邊各10個，土體中的光柵光纖土壓力微型盒和滲壓計分別對稱布置3列，兩種測試元件間隔布置，共12列，每列沿高度方向8個，模型箱的尺寸為直徑1.5m、高1.0m，排水孔沿模型箱高度方向均勻布置10個，底部沿直徑方向均勻布置10個，沿圓弧方向布置15列，打樁架8長度為1.2 m、寬度為0.25 m，打樁錘導軌9和打入樁導軌10均勻對稱的分布在打樁架9上， 打樁架8沿長度方向對稱的固定在豎向支撐系統中；

二、安裝支撐系統，樁土系統、量測系統和離心機系統；其中所述豎向支撐系統和打樁架支撐系統采用8#B-12#B的高強度工字鋼通過鉚釘錨固而成，打樁架支撐系統與打樁架亦是通過鉚釘錨固，螺紋剛性柱1的高度為1.8 m，直徑1.2 cm。

三、打樁系統：模型樁采用錘擊貫入土體，拔出方式采用靜壓，選用對應的打樁錘和拔出設備，兩者均為伺服控制；采用錘擊貫入時，模型樁需要鋪設樁墊13；采用靜壓和振動貫入時，則不需要樁墊13；采用振動貫入則模型樁的樁帽14和樁錘之間需要進行固定。

四、開展錘擊貫入試驗，通過無線采集系統采集監測數據，通過高清高速計算機記錄錘擊貫入過程，通過無線伺服控制控制打樁錘的錘擊貫入；

五、完成貫入后，開展長期承載性能試驗，通過伺服控制讓打樁錘設備與樁頭抱緊，經過試驗要求的時長后，期間數據始終在保持采集狀態，伺服控制轉化為拔出模式，并開展拔出試驗，通過無線采集系統采集相關數據，并用高速攝像機記錄拔出過程，通過無線采集系統能夠在不干擾試驗裝置的情況下實時收集數據，且通過高速攝像機記錄拔出過程能夠更好的觀察和印證理論模型。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。