技術領域

本發明涉及一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用的室內試驗裝置，還涉及一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用的室內試驗裝置的安裝方法。

背景技術

樁作為支撐上部結構的重要基礎形式之一，在服役運營過程中除了上部結構傳遞的上部豎向荷載還可能會遇到水平荷載，如海上風電樁基礎，承受波浪的水平荷載以及風機上部傳遞下來的豎向荷載，樁基礎同時承受豎向，水平荷載統稱為組合荷載，且在長期服役運營過程中，這些組合荷載往往是循環作用于樁基礎。目前，在開展樁基礎承受組合荷載下的響應的試驗過程中，一般地，是分析單調組合荷載下的樁土響應，缺乏研究組合循環荷載作用下樁土相互作用的室內試驗裝置及使用方法。

發明內容

鑒于背景技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置，該試驗裝置能夠展現水平循環和豎向荷載共同作用下樁和土體的響應以及相互之間的作用規律，能夠開展不同初始應力狀態的土性（包括砂土和黏土），不同樁基礎形式在不同組合荷載下的樁土相互作用試驗，從而探明樁的承載性能和土體的響應規律等，亦可直觀的記錄試驗過程中樁和土體的變形特征。

為此，本發明提供的一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置，包括反力系統和模型箱，所述模型箱內裝填有土體和多個土體物理力學參數采集元件，所述反力系統上設有加載系統，所述加載系統位于模型箱上方并與之對應，所述模型箱朝向加載系統的端面為開口端，模型樁一端部安裝于加載系統上，所述模型樁其他部分插入土體并置于模型箱內，所述模型樁設有多個樁身物理力學狀態采集元件，所述模型樁頂部設置有水平位移計，所述加載系統包括土體上覆壓力加載系統、水平加載系統和樁豎向荷載加載系統，所述水平加載系統具備水平循環力加載和持續力加載功能，所述樁豎向荷載加載系統具備對模型樁施加豎向荷載功能。

本發明中，通過水平加載系統中水平加載伺服電機來模型樁體承受水平荷載，通過萬向傳力裝置將豎向加載千斤頂的荷載傳遞至模型樁，模型樁體承受豎向荷載。通過水平加載系統和樁豎向荷載加載系統，模型樁同時承受水平荷載和豎向荷載。通過模型箱直觀展現水平荷載和豎向荷載共同作用下模型樁和土體的響應以及相互之間的作用規律，開展不同初始應力狀態的土性（包括砂土和黏土），不同樁基礎形式在不同組合荷載下的樁土相互作用試驗，從而探明樁的承載性能和土體的響應規律等，亦可直觀的記錄試驗過程中樁和土體的變形特征。

附圖說明

圖1為本發明中一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置的剖面結構示意圖；

圖2為圖1中的一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置的俯視結構示意圖；

圖3為圖1中的一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置的模型箱的橫剖面結構示意圖；

圖4為圖1中的一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置的水平加載支架的結構示意圖。

具體實施方式

參照圖1和圖2所示，本發明中提供的一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置，包括反力系統1和模型箱2，所述模型箱2內裝填有土體3和多個土體物理力學參數采集元件4，所述土體物理力學參數采集元件4可選為土壓力傳感器或滲壓計或光纖微型土壓力盒。所述反力系統1上設置有可升降的加載系統，所述加載系統位于模型箱2上方并與之對應。所述模型箱2朝向加載系統的端面為開口端，模型樁5一端部安裝與加載系統上，所述模型樁5其他部分插入土體3并置于模型箱2內，所述模型樁5頂部設置有水平位移計6，所述水平位移計6為百分表或電子位移采集裝置，所述模型樁5上的設有若干樁身物理力學狀態采集元件7，樁身物理力學狀態采集元件7采用FBG光柵光纖傳感器或壓電式應變片或分布式光纖。水平位移計6通過人工紀錄或計算機自動記錄水平位移，土體物理力學參數采集元件4和樁身物理力學狀態采集元件7與外界計算機采集儀器連接進行數據的采集工作。所述加載系統包括土體上覆壓力加載系統、水平加載系統和樁豎向荷載加載系統，所述水平加載系統具備水平循環力加載功能，循環力加載為在一個循環周期時間內出現不同的加載力，加載周期循環往復。所述樁豎向荷載加載系統具備對模型樁施加豎向荷載功能。

所述反力系統1包括反力架8、螺紋剛性柱9和剛性底座10，所述剛性底座10固定在螺紋剛性柱9底部，所說反力架8連接在螺紋剛性柱9上并通過主電動升降機11控制反力架升降，所述反力架8朝向模型箱的端部固定有千斤頂反力框12。所述主電動升降機11固定在反力架下方，所述主電動升降機11具有驅動螺母，主電動升降機11通過驅動螺母套接在螺紋剛性柱上，主電動升降機驅動螺母轉動實現在剛性柱上的升降，控制反力架8的高度。所述模型箱2通過剛性塊13固定安裝在剛性底座10上，安裝模型箱2時，通過主電動升降機11將反力架8調到最高位置，再放置模型箱2，并通過剛性塊13將模型箱2安裝固定在剛性底座10。

所述模型箱2呈半圓柱體，模型箱2由剛性鋼板14和透明板15組成，所述剛性鋼板14與透明板15連接處具有隔水橡膠墊26并通過防水膠連接，所述透明板15為高強度樹脂透明板。所述模型樁5與透明板15接觸的一面粘貼有橡膠皮，所述模型樁5與透明板15之間涂抹潤滑油或凡士林，盡可能的降低模型樁與透明板之間的摩擦。所述剛性鋼板14分布由若干排水孔16，剛性剛板14外側布置有若干微型槽17，所述微型槽孔17與排水孔16連接。排水孔16數量和布置根據試驗要求的排水要求設置。當試驗要求為不排水工況時，將排水孔16密封；當試驗要求對土體3進行排水固結，可進行真空預壓等方法進行固結加固，通過排水孔16和微型槽17將土體3中的水排出進行土體排水固結。開展排水和不排水兩種工況的相關室內試驗。

所述加載系統包括土體上覆壓力加載系統、水平加載系統和樁豎向荷載加載系統。

所述土體上覆壓力加載系統包括半環形千斤頂18，所述半環形千斤頂18為半環形特型液壓千斤頂，所述半環形千斤頂18固定在反力系統的千斤頂反力框12上，所述半環形千斤頂18置于模型箱2上方的中心位置，所述半環形千斤頂18下端部加載于土體3上，半環形千斤頂18用于提供穩定的上覆壓力，保證土體的初始應力狀態與現場接近。根據試驗要求采用人工或計算機智能控制半環形千斤頂，若為土工離心機試驗則對需要采用伺服控制千斤頂，且盡可能采用機械控制。

所述水平加載系統包括水平加載支架19、兩個水平加載伺服電機20和水平加載傳力剛性桿21，所述水平加載支架19與反力系統的螺紋剛性柱9連接并通過次電動升降機27控制水平加載系統升降，通過次電動升降機27控制水平加載系統升降調整水平加載系統的高度，保持與模型樁5保持垂直和合適的加載位置。所述次電動升降機27固定在水平加載支架19下方，所述次電動升降機27具有驅動螺母，次電動升降機27通過驅動螺母套接在螺紋剛性柱上，次電動升降機驅動螺母轉動實現在剛性柱上的升降，控制水平加載系統的高度。所述兩個水平加載伺服電機20分別設置于水平加載支架19的兩端，所述水平加載傳力剛性桿21兩端分別連接在兩端的水平加載伺服電機20上，所述水平加載傳力剛性桿21上設置有樁帽22，所述水平加載支架19與樁帽22對應的位置開設有弧形槽孔23，模型樁5一端穿過弧形槽孔23與樁帽22連接，所述模型樁5在弧形槽孔23內循環位移，所述水平加載系統設置于靠近透明板15的位置，透過透明板15可觀察到模型樁與周邊土體接觸的狀態。所述水平加載系統中水平加載伺服電機20可通過計算機控制加載模式，進行水平循環力加載。根據不同試驗要求水平加載伺服電機20選擇不同位移或者力控制加載量級，帶動樁帽22進行水平循環位移，模型樁5在樁帽22作用下在弧形槽孔23范圍內進行水平循環位移，模型樁體5承受相應的水平循環力荷載。

所述樁豎向荷載加載系統包括豎向加載千斤頂24，所述豎向加載千斤頂24固定于反力系統的千斤頂反力框12上并與樁帽22位置相對應。所述豎向加載千斤頂24通過萬向傳力裝置25與樁帽22連接，在豎向加載千斤頂24與萬向傳力裝置25之間涂抹黃油或者凡士林增加兩者之間的潤滑，通過萬向傳力裝置25將豎向加載千斤頂24荷載傳遞至模型樁5頂部。水平加載系統中水平加載伺服電機工作，帶動樁帽22進行水平循環位移，萬向傳力裝置25隨之傳動。萬向轉力裝置25的傳動，使樁帽22在保持進行水平循環位移的同時，仍能將豎向加載千斤頂24荷載傳遞至樁帽和模型樁，且不會限制樁帽22的水平循環位移。萬向傳力裝置25屬于常規技術，關于萬向傳力裝置25的結構，本發明不再多做闡述。

水平加載系統中水平加載伺服電機20來模型樁體承受水平荷載，萬向傳力裝置25將豎向加載千斤頂24的荷載傳遞至模型樁，模型樁體承受豎向荷載。通過水平加載系統和樁豎向荷載加載系統，模型樁同時承受來自水平和豎向共同作用下的組合荷載。通過模型箱直觀展現水平荷載和豎向荷載共同作用下模型樁和土體的響應以及相互之間的作用規律。

一種組合循環荷載作用下的樁土相互作用室內試驗裝置的安裝方法，步驟如下:

(1) 根據試驗要求，確定模型樁5、模型箱2和反力系統的尺寸，并確定排水孔16的布置和數量，土體物理力學參數采集元件4和樁身物理力學狀態采集元件7的數量和布置位置，并將樁身物理力學采集元件7按數量和位置要求鋪設在模型樁5的樁身上；

(2)搭建反力系統，將反力架8和千斤頂反力框12架通過鉚釘錨固成一體，反力架8與螺紋剛性柱9連接并通過主電動升降機11控制升降，反力架8和千斤頂反力框12架通過主電動升降機11調至最高位置，放置模型箱2并通過剛性塊13將模型箱固定在剛性底座10上。將環形千斤頂18和豎向加載千斤頂24分別固定在千斤頂反力框架上，豎向加載千斤頂24底部安裝有萬向傳力裝置；

(3)安裝水平加載支架19，水平加載支架19與螺紋剛性柱9連接并安裝次電動升降機27，通過次電動升降機27控制水平加載支架的升降，先將水平加載支架調節到最高位置；

(4)在模型樁5的樁身鋪設模型樁身物理力學狀態采集元件7，在模型箱2中鋪設土體3及土體內布置土體物理力學參數采集元件4，將鋪設有樁身物理力學采集元件7的模型樁布置在土體中，根據試驗和土性3的不同對進行試驗的土體進行預處理；

(5)安裝水平加載系統，將水平加載伺服電機20分別安裝在水平加載支架兩側，將樁帽22安裝在水平加載傳力剛性桿21上，并將水平加載傳力剛性桿21兩端分別與兩側水平加載伺服電機20連接安裝就位，樁帽22頂部與萬向傳力裝置安裝連接；

(6)通過主電動升降機控制環形千斤頂18升降，將環形千斤頂18調整至千斤頂下端面抵與土體表面上，通過次電動升降機控制樁帽，將樁帽22調整至模型樁上方并于模型樁5安裝固定，各個系統調整到合適位置，并開展實驗，完成上述工作的各個系統調整到合適位置，并開展實驗。

所述模型箱2內土體可根據實際土體選用不同土性的土體，如砂土和黏土，構建土體的應力狀態。模型樁根據實際的樁尺寸和樁型，選用不同的樁基礎形式。模型樁根據試驗的要求確定樁身粘貼樁身物理力學狀態采集元件7布置的數量和位置。開展不同初始應力狀態的土性（包括砂土和黏土），不同樁基礎形式在不同組合荷載下的樁土相互作用試驗。透過透明板15直觀展現模型樁5在水平荷載和豎向荷載共同作用下模型樁5與土體3接觸的動態剪切摩擦規律，探明樁的承載性能和土體的響應規律等，直觀觀察樁身物理響應以及土體的變形特征等，為了能夠實時采集直觀的樁土接觸特性，可采用高速高清數碼相機記錄試驗中樁土接觸摩擦過程。土體物理力學參數采集元件和樁身物理力學參數采集元件與外界計算機采集儀器連接進行數據采集工作，為理論和數值分析驗證提供合理的試驗對比數據。

對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。