技術領域

本發明涉及一種打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置。本發明還涉及一種上述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置的操作方法。

背景技術

目前，對于樁的全壽命周期承載性能的研究主要集中在運營期間的樁土響應，然而對于打入樁而言，其打入過程中樁周土物理力學參數如孔壓等對于服役運營期間的樁周土的有效應力狀態影響顯著，而對于部分樁基礎，如海上風電樁基礎，其服役期一般在20-50年，在完成服役期后需要進行拔除，故有必要開展服役期的樁土響應對于拔除作業的影響。因此，開展打入樁從貫入安裝-服役運營-退役拔出全壽命的樁土響應有利于分析對于樁的承載性能發展演化研究，樁的尺寸優化設計等。然而，目前缺乏相關的分析手段，全壽命現場試驗研究由于成本極其高昂幾乎不太現實，而數值技術以及理論方法均存在局限而無法實現全壽命的連續性的研究，而現有的室內試驗由于尺寸效應的影響而無法進行精細的分析樁土相互作用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置，該裝置能夠對樁的全壽命周期承載性能進行試驗研究，并依托設備的改進獲得更加精準的數據和更直觀的圖像資料。本發明所要解決的技術問題還包括提供一種上述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置的操作方法。

為此，本發明提供的打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置，其特征是：包括支撐系統、打入樁全壽命加載系統、樁土系統、離心機系統和量測采集系統；

支撐系統：包括豎向支撐系統和打樁架支撐系統，豎向支撐系統主要包括螺紋剛性柱、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的提供支撐平臺，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；

打入樁全壽命加載系統：包括打樁架、打樁設備和水平加載系統，所述打樁架支撐系統與豎向支撐系統連接， 打樁架上標有標尺，打樁設備包括打樁錘導軌、打入樁導軌和豎向加載設備，豎向加載設備下部安裝打樁錘墊，水平加載系統模擬樁服役期間的組合荷載的作用的樁土響應；通過伺服和計算機調整豎向加載設備的加載模式；

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，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，樁身監測元件采集樁身的變形應力等物理力學參數。

優選的，采用高速攝像機或高速數碼相機透過高強度樹脂透明板拍攝打樁過程中的樁土相互作用的變形特征。

優選的，所述打樁架支撐系統配置打樁架上外支撐、打樁架上內外支撐、打樁架下內支撐、打樁架下外支撐、打樁架上背支撐、打樁架下背支撐用于支撐打樁架，所述打樁架左側的所述上外支撐、打樁架上內外支撐、打樁架下內支撐和打樁架下外支撐均為長桿，右側的的所述上外支撐、打樁架上內外支撐、打樁架下內支撐和打樁架下外支撐均為短桿，使所述打樁架離中心模型箱的中間位置并促使所述打樁錘導軌和打入樁導軌處于所述樁體正上方。

優選的，所述打樁架上外支撐一端連接所述螺紋剛性柱、另一端連接在所述打樁架的上端，所述打樁架下外支撐一端連接所述螺紋剛性柱、另一端連接所述打樁架的下端，所述打樁架上內外支撐的一端連接所述打樁架支撐系統、另一端連接所述打樁架的中上部，所述打樁架下內支撐一端連接所述打樁架支撐系統、另一端連接所述打樁架的中下部。

優選的，所述模型箱配置有固定支架，固定支架的內側端壓緊在所述模型箱上，固定支架的另一端固定在固定支架升降電機上，固定支架升降電機配置螺母與螺紋剛性柱套接，通過驅動螺母沿螺紋剛性柱上下移動；所述豎向外支撐架配置有豎向支架升降電機，水平加載伺服電機固定在打樁架上并通過水平傳力剛桿橫向驅動所述模型樁。

本發明提供的一種上述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置的操作方法，包括以下步驟：

一、根據原位尺寸和土工離心機的量級，確定各個系統的尺寸，布置位置；

二、確定全壽命加載周期，從而設定加載設備加載模式，

三、安裝支撐系統，樁土系統和量測系統；

四、安裝打入樁全壽命加載系統，加載系統為離心機，所述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置固定安裝在離心機的試驗艙中，各系統調試就位；

五、開展土工離心機試驗。

優選的，所述步驟具體為：

一、確定試驗裝置各系統的尺寸和布置：試驗擬分析原位飽和黏土中大直徑開口樁基礎全壽命周期樁土響應，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，安裝方式采用錘擊貫入，拔出方式采用靜壓；模型樁的尺寸設置為直徑為5.34cm，樁長為53.34cm，壁厚為0.6mm；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個光柵光纖點，底部沿直徑方向均勻布置10個光柵光纖點，沿圓弧方向布置15列光柵光纖土壓力微型盒和滲壓計； 打樁架長度為1.2m、寬度為0.25m，打樁錘導軌和打入樁導軌均勻對稱的豎向分布在打樁架上， 打樁架沿長度方向對稱的固定在豎向支撐系統中；

二、確定全壽命加載周期并設定加載模式：采用貫入方式為錘擊，服役期間樁承受上部豎向靜載和水平循環荷載作用，拔出方式為靜載，根據不同加載階段的荷載不同選擇不同的加載模式，選用對應的豎向加載，水平加載和豎向拔出模式，均為伺服控制，豎向加載裝置在貫入安裝階段為錘擊；在服役運營階段為靜載，在退役拔出階段通過自動卡扣或者電磁通電磁力與樁墊固定進而靜載拔出；

三、安裝支撐系統，樁土系統和量測系統；

四、安裝打入樁全壽命加載系統，加載系統為離心機，所述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置固定安裝在離心機的試驗艙中，各系統調試就位；

五、開展土工離心機試驗：其中土工離心機為加載重力為150g，加載后開展錘擊貫入試驗，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；其次，完成貫入后，開展長期承載性能試驗，研究樁受組合荷載的樁土相互作用試驗，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,進而完成全壽命的承載特性的土工離心機試驗研究。

優選的，所述豎向加載設備根據試驗過程中樁處于何種階段確定加載模式，貫入安裝期選擇錘擊錘、振動錘和靜壓錘，錘擊錘采用液壓錘，液壓錘采用電磁沖擊方式驅動，服役營運期采用靜載模式，退役拔出期的拔除方式可采用振動拔出和靜載拔出，拔出設備采用電磁控制，可通過電流改變控制錘墊的磁力，保證樁帽、樁墊和錘墊以及模型樁在拔出過程中固定成一體，并采用自動卡固裝備進行固定。

本發明的技術效果：

1）本發明中通過將主體試驗裝置與離心機固定結合，通過離心機施加超重力環境，超重力環境下加速流固耦合的時間，加快變化的進程，接近實際流固耦合的土體的物理力學狀態，從而能夠開展打入樁全壽命周期的樁土相互作用的土工離心機試驗；

2）通過高速攝像機或數碼相機透過半圓形切面狀的高強度樹脂透明板觀測全壽命過程中樁土變形特性等，并可分階段進行相關試驗；

3）采用不同方式實施貫入、拔出的拔出土工離心機試驗，為打入樁全壽命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；

4）克服傳統的缺乏相關的土工室內試驗的裝置及相應的使用方法的現狀，提供一種可開展打入樁全壽命周期樁土相互響應規律研究的土工離心機試驗裝置以及使用方法，該土工離心機試驗是一個有效的成本相對較低的分析打入樁全壽命樁土相互響應的研究手段。

附圖說明

圖1為本發明提供的打入樁全壽命周期土工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圖1中的豎向支撐系統的俯視圖。

圖4圖2中的打樁架支撐系統的俯視圖。

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，本發明提供的打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置，其特征是：包括支撐系統、打入樁全壽命加載系統、樁土系統、離心機系統和量測采集系統；

支撐系統：包括豎向支撐系統和打樁架支撐系統，豎向支撐系統主要包括螺紋剛性柱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的提供支撐平臺，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；

打入樁全壽命加載系統：包括打樁架8（打樁架由特制的剛性鋼板制作而成）、打樁設備（如打樁錘，振動錘和靜壓設備）和水平加載系統（如水平加載伺服電機30和水平傳力剛桿31），所述打樁架支撐系統與豎向支撐系統連接， 打樁架8上標有標尺，打樁設備包括打樁錘導軌9、打入樁導軌10和豎向加載設備11，豎向加載設備11下部安裝打樁錘墊12，水平加載系統模擬樁服役期間的組合荷載的作用的樁土響應；為了保證打樁過程的穩定性，若采用錘擊貫入時，模型樁需要鋪設13-樁墊，而若采用靜壓和振動貫入則不需要13-樁墊，若采用振動貫入則模型樁的14-樁帽和樁錘之間需要進行固定。通過伺服和計算機控制11-豎向加載設備的加載模式的不同，如貫入安裝階段可設為錘擊，振動和靜壓，服役運營階段可為靜載，循環加載和扭轉，退役拔出階段可為靜載和振動。這些加載模式可以任意組合，并且同一個階段內的加載模式亦可相互組合；

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（通過排水孔控制貫入安裝過程中排水工況，可對土體進行初始的加固處理以及分析完成安裝后不同排水工況下的樁土響應），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（土體20可以為黏土亦可以為砂土），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，模型箱18通過固定支架21和底部剛性支撐塊23支撐，并通過高強度鉚釘25與豎向支撐系統固定。

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，接近實際流固耦合的土體的物理力學狀態。

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。

參照圖2所示，為了能夠實時采集直觀的樁土接觸特性，上述裝置中，采用高速攝像機或高速數碼相機透過高強度樹脂透明板28拍攝打樁過程中的樁土相互作用的變形特征。

參照圖1、圖2、圖3、圖4所示，上述打樁架支撐系統2（即橫向架）配置打樁架上外支撐4、打樁架上內外支撐5、打樁架下內支撐6、打樁架下外支撐7、打樁架上背支撐26、打樁架下背支撐27用于支撐打樁架8，所述打樁架8左側的所述上外支撐4、打樁架上內外支撐5、打樁架下內支撐6和打樁架下外支撐7均為長桿，右側的的所述上外支撐4、打樁架上內外支撐5、打樁架下內支撐6和打樁架下外支撐7均為短桿，使所述打樁架8離中心模型箱18的中間位置并促使所述打樁錘導軌9和打入樁導軌10處于所述樁體正上方，能夠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。

參照圖1、圖2、圖3、圖4所示，所述打樁架上外支撐4一端連接所述螺紋剛性柱1、另一端連接在所述打樁架8的上端，所述打樁架下外支撐7一端連接所述螺紋剛性柱1、另一端連接所述打樁架8的下端，所述打樁架上內外支撐5的一端連接所述打樁架支撐系統2、另一端連接所述打樁架8的中上部，所述打樁架下內支撐6一端連接所述打樁架支撐系統2、另一端連接所述打樁架8的中下部。

參照圖1、圖2所示，上述模型箱18配置有固定支架21，固定支架21的內側端壓緊在所述模型箱18上，固定支架21的另一端固定在固定支架升降電機22上，固定支架升降電機22配置螺母與螺紋剛性柱1套接，通過驅動螺母沿螺紋剛性柱1上下移動；所述豎向外支撐架2配置有豎向支架升降電機29，；水平加載伺服電機30固定在打樁架8上并橫向驅動所述模型樁15。

參照圖1-4所示，本發明提供的一種權利要求1所述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置的操作方法，包括以下步驟：

一、根據原位尺寸和土工離心機的量級，確定各個系統的尺寸，布置位置；

二、確定全壽命加載周期（如貫入-服役或貫入-服役-拔出等），從而設定加載設備加載模式，

三、安裝支撐系統，樁土系統和量測系統；

四、安裝打入樁全壽命加載系統，加載系統為離心機，所述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置固定安裝在離心機的試驗艙中，各系統調試就位；

五、開展土工離心機試驗。

參照圖1-4所示，上述方法的步驟具體為：

一、確定試驗裝置各系統的尺寸和布置：試驗擬分析原位飽和黏土中大直徑開口樁基礎全壽命周期樁土響應，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，安裝方式采用錘擊貫入，拔出方式采用靜壓；模型樁15的尺寸設置為直徑為5.34cm，樁長為53.34cm，壁厚為0.6mm；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個光柵光纖點，底部沿直徑方向均勻布置10個光柵光纖點，沿圓弧方向布置15列光柵光纖土壓力微型盒和滲壓計； 打樁架8長度為1.2m、寬度為0.25m，打樁錘導軌9和打入樁導軌10均勻對稱的豎向分布在打樁架8上， 打樁架8沿長度方向對稱的固定在豎向支撐系統中（豎向支撐系統和打樁架支撐系統有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1.2cm。）；

二、確定全壽命加載周期并設定加載模式：采用貫入方式為錘擊，服役期間樁承受上部豎向靜載和水平循環荷載作用，拔出方式為靜載，根據不同加載階段的荷載不同選擇不同的加載模式，選用對應的豎向加載，水平加載和豎向拔出模式，均為伺服控制，豎向加載裝置在貫入安裝階段為錘擊；在服役運營階段為靜載，在退役拔出階段通過自動卡扣或者電磁通電磁力與樁墊固定進而靜載拔出；

三、安裝支撐系統，樁土系統和量測系統；

四、安裝打入樁全壽命加載系統，加載系統為離心機，所述打入樁全壽命周期土工離心機試驗裝置固定安裝在離心機的試驗艙中，各系統調試就位；

五、開展土工離心機試驗：其中土工離心機為加載重力為150g，加載后開展錘擊貫入試驗，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；其次，完成貫入后，開展長期承載性能試驗，研究樁受組合荷載（豎向靜載和水平循環荷載作用下）的樁土相互作用試驗，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。進而完成全壽命的承載特性的土工離心機試驗研究。

參照圖1、圖2所示，上述方法中：所述豎向加載設備11根據試驗過程中樁處于何種階段確定加載模式，貫入安裝期選擇錘擊錘、振動錘和靜壓錘，錘擊錘采用液壓錘（如柴油液壓錘），液壓錘采用電磁沖擊方式驅動，服役營運期采用靜載模式，退役拔出期的拔除方式可采用振動拔出和靜載拔出，拔出設備采用電磁控制，可通過電流改變控制錘墊的磁力，保證樁帽，樁墊和錘墊以及模型樁在拔出過程中固定成一體，可以采用自動卡固裝備進行固定。

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。