[發明專利]多功能荷載鈣質砂樁基模型試驗系統

有效

• 申請號: 201811193244.0
• 申請日: 2018-10-14
• 公開（公告）號: CN109653259B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 孟慶山;王帥;朱晶;雷學文;閻鈳;魏厚振;蔡云輝;徐亞飛;謝凌峰;董云潔;李昇昊;周疆豪;許國順;劉奇
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;E02D33/00
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 陳曉寧

1.一種多功能荷載鈣質砂樁基模型試驗系統，其特征在于：

本系統包括試驗對象——樁基單元（000）；

設置有支架（100）、樁基壓力室單元（200）、動靜荷載施加單元（300）、錘擊荷載施加單元（400）、應變控制單元（500）、水壓力加載單元（600）、動力源單元（700）、土體固結應力比施加單元（800）和扭轉荷載施加單元（900）、數據采集儀（1000）和計算機（1100）；

其位置和連接關系是：

支架（100）包括回型支架、絲杠（120）、支撐板（130）和滑道（140）；

支架（100）通過回型支架、絲杠（120）和支撐板（130）連接構成一個整體；在支架（100）上設置有上、中、下回型支架（111、112、113），在上回型支架（111）上設置有滑道（140）；

在上回型支架（111）的下面分別設置有動靜荷載施加單元（300）、錘擊荷載施加單元（400）和扭轉荷載施加單元（900）；

在中回型支架（112）的上面設置有樁基壓力室單元（200），在樁基壓力室單元（200）內置有樁基單元（000）；

在中回型支架（112）的下面設置有應變控制單元（500）和土體固結應力比施加單元（800）；

在下回型支架（113）的上面設置有水壓力加載單元（600）；

支撐板（130）上開有孔以便應變控制單元（500）工作時不會受到回型支架的摩擦阻尼，支撐板（130）上開有凹槽以便固結應力比施加單元（800）與應變控制單元（500）進行切換；

設置在支架（100）外的動力源單元（700）通過管筒分別與動靜荷載施加單元（300）、錘擊荷載施加單元（400）、水壓力加載單元（600）、土體固結應力比施加單元（800）及扭轉荷載施加單元（900）連通，提供動力；

水壓力加載單元（600）通過管筒與樁基壓力室單元（200）連通，提供孔隙水壓力和土體外部圍壓；

動靜荷載施加單元（300）、錘擊荷載施加單元（400）、應變控制單元（500）、土體固結應力比施加單元（800）及扭轉荷載施加單元（900）的活動部分分別與樁基壓力室單元（200）相連，提供多種荷載；

在支架（100）外還設置有數據采集儀（1000）和計算機（1100），樁基壓力室單元（200）、數據采集儀（1000）和計算機（1100）依次連接，獲取試驗數據；

所述的樁基單元（000）是本系統的試驗對象，包括樁側土（010）、樁端土（020）、橡皮膜（030）、土樣帽（040）和模型樁（050）；

土樣帽（040）、樁側土（010）和樁端土（020）依次連接成一個圓柱體，在圓柱體的外壁包裹有橡皮膜（030），模型樁（050）的下部依次插入土樣帽（040）和樁側土（010）；

模型樁（050）包括模型樁上帽（051）、銷釘（052）、模型樁左半部分（0531）、模型樁右半部分（0532）、模型樁下帽（054）、土壓力盒（055）和應變片（056）、出線孔（057）、水平尺（058）、電位移計（059）、齒輪（0510）、扭轉固定螺絲（0511）；

模型樁左半部分（0531）和模型樁右半部分（0532）通過銷釘（052）連接在一起，成為一個固定體；

模型樁上帽（051）和模型樁下帽（054）分別為下、上凸體結構，分別位于模型樁（050）的頂部和底部；

應變片（056）貼在模型樁左半部分（0531）和模型樁右半部分（0532）的內壁上，土壓力盒（055）置于模型樁下帽（054）中；位于應變片（056）端部的引線從開設在模型樁左半部分（0531）上的出線孔（057）引出，與數據采集儀（1000）連接；

土壓力盒（055）與數據采集儀（1000）連接；

扭轉固定螺絲（0511）穿過齒輪（0510）和水平尺（058）的一端和模型樁上帽（051）的中心連接固定，在水平尺（058）的另一端連接有電位移計（059），電位移計（059）通過磁性表座固定在支架（100）上；

應變片（056）用于測定模型樁（050）的樁身應變，土壓力盒（055）用于測定模型樁下帽（054）處的樁端土（020）的壓力變化，電位移計（059）用于測定模型樁上帽（051）處的豎向沉降；

所述的樁基壓力室單元（200）包括上部玻璃罩（220）、底盤（230）和密封件（240）；

上部玻璃罩（220）和底盤（230）上下連接成一個容器，在容器內裝入樁基單元（000），模型樁（050）和上部玻璃罩（220）之間通過密封件（240）密封；

所述的動靜荷載施加單元（300）包括上下連接的動靜氣缸（310）和動靜傳力桿（320）；

動靜氣缸（310）通過螺母與支架（100）的上回型支架（111）緊密連接；動靜氣缸（310）的活動端連接有動靜傳力桿（320）；

所述的錘擊荷載施加單元（400）包括依次連接的錘擊第1氣缸（410）、錘擊第1傳力桿（420）、連接盤（430）、錘擊第2氣缸（440）、錘擊第2傳力桿（450）和夯擊模塊（460）；

夯擊模塊（460）由夯擊桿（461）和小車（462）構成，在夯擊桿（461）上設置有小車（462）；

在夯擊桿（461）內部開有通孔，且其通孔直徑略大于動靜傳力桿（320）的直徑；錘擊第1氣缸（410）可以控制錘擊第1傳力桿（420）沿豎直方向移動，錘擊第1 傳力桿（420）控制連接盤（430）從而控制錘擊第2氣缸（440）上下移動，錘擊第2氣缸（440）上下移動則可以控制錘擊第2傳力桿（450）上下移動；當夯擊模塊（460）夯擊到模型樁（050）時，錘擊第 2氣缸（440）使錘擊第2傳力桿（450）伸出以夾持夯擊桿（461），此時錘擊第1氣缸（410）控制錘擊第 2氣缸（440）上升，進而控制夯擊模塊（460）以動靜傳力桿（320）為軸并沿著滑道（140）滑行上升，上升到錘擊第1 氣缸（410）最大回縮位置時，錘擊第2氣缸（440）回縮松開夯擊模塊（460）進而釋放夯擊模塊（460）使其以動靜傳力桿（320）為軸并沿著滑道（140）滑行自由下落夯擊模型樁（050）；夯擊到模型樁（050）時錘擊第1氣缸（410）伸出錘擊第1傳力桿（420）控制錘擊第2氣缸（440）下降，當錘擊第1氣缸（410）伸出到最大行程時，錘擊第2氣缸（440）伸出錘擊第2傳力桿（450）夾持夯擊模塊（460）的夯擊桿（461），此即為一個夯擊循環；通過錘擊第1氣缸（410）的最大行程一定以保證每次夯擊模塊（460）下落的距離相同進而保證每次施加的沖擊能量相同；當要施加動荷載時需通過電磁閥結合具體裝置尺寸及實驗對沖擊能量的要求和沖擊頻率的要求來設置電磁閥進而來控制錘擊第1氣缸（410）、錘擊第2氣缸（440）的具體伸出縮回時間及以滿足上述循環要求；當施加動荷載時還需提前調節時間繼電器時間以控制動靜傳力桿（320）伸出長度并通過關閉動靜氣缸（310）固定動靜傳力桿（320）的伸出長度，其中調節動靜傳力桿（320）伸出長度以保證動靜傳力桿（320）與模型樁（050）有一定距離以避免其作用于模型樁（050）；同時夯擊桿（461）中心開了圓形通孔且其直徑略大于動靜傳力桿（320）的直徑，以使夯擊桿（461）與動靜傳力桿（320）同心且兩者接觸少，進而在一定程度上保證夯擊桿（461）下落的垂直度且可以減少下落過程中的摩擦阻尼；當夯擊模塊（460）上下移動的過程中小車（462）沿著滑道（140）上下滑動，從而可以再次保證夯擊模塊（460）移動過程中的垂直度也可以降低其移動過程中的摩擦阻尼；

應變控制單元（500）包括步進電機（510）、電機驅動器（520）、電機控制器（530）、承載圓盤（540）和應變連接板（550）；

電機控制器（530）、電機驅動器（520）、步進電機（510）、應變連接板（550）和承載圓盤（540）依次連接；

應變連接板（550）與支架（100）的中回型支架（112）通過螺栓螺母連接；

所述的水壓力加載單元（600）包括圍壓孔水壓力氣缸（610）、孔壓孔水壓力氣缸（620）、圍壓孔加水氣缸（630）、孔壓孔加水氣缸（640）、圍壓孔管筒（650）、孔壓孔管筒（660）、圍壓孔活塞桿（670）、孔壓孔活塞桿（680）和底板（690）；

圍壓孔水壓力氣缸（610）、圍壓孔活塞桿（670）、圍壓孔加水氣缸（630）、圍壓孔管筒（650）依次連接；

孔壓孔水壓力氣缸（620）、孔壓孔活塞桿（680）、孔壓孔加水氣缸（640）、孔壓孔管筒（660）依次連接；

底板（690）作為水壓力加載單元（600）的支撐體；

圍壓孔水壓力氣缸（610）向右運動排氣時通過圍壓孔活塞桿（670）帶動圍壓孔加水氣缸（630）吸水，然后圍壓孔水壓力氣缸（610）吸氣帶動圍壓孔加水氣缸（630）推水，從而對上部玻璃罩（220）內樁基單元（000）中的橡皮膜（030）外面施加外部壓力，模擬真實土體受到的周圍土體的壓力；

孔壓孔水壓力氣缸（620）排氣時通過孔壓孔活塞桿（680）帶動孔壓孔加水氣缸（640）吸水，然后孔壓孔水壓力氣缸（620）吸氣帶動孔壓孔加水氣缸（640）推水，從而對樁基單元（000）中的橡皮膜（030）內的鈣質砂施加內部孔隙水壓力；

所述的固結應力比施加單元（800）包括壓力傳遞支架（810）、應力比連接板（820）和壓力施加模塊（830）；

其位置和連接關系是：

在壓力傳遞支架（810）上開有凹槽與壓力施加模塊（830）相連，在壓力施加模塊（830）的上方設置有應力比連接板（820）；應力比連接板（820）通過螺栓螺母與中回型支架（112）相連；

壓力傳遞支架（810）呈長方形，在壓力傳遞支架（810）中間開設有比模型樁（050）直徑略大、比土樣帽（040）直徑略小的孔洞，與土樣帽（040）連接；

應力比連接板（820）是一塊長方形板；

壓力施加模塊（830）包括氣缸（831）、壓力傳感器（832）、T字形鐵尺（833）和第1、2位移計（8341、8342）；

其位置和連接關系是：

氣缸（831）、壓力傳感器（832）和T字形鐵尺（833）依次連接，在T字形鐵尺（833）的兩端分別設置有第1、2位移計（8341、8342）；

所述的扭轉荷載施加單元（900）包括左連接桿（910）、扭轉荷載左半部分（920）、扭轉荷載右半部分（940）、右連接桿（930）；

扭轉荷載左半部分（920）和扭轉荷載右半部分（940）分別置于樁基壓力室單元（200）的兩側；通過其上部設置的左連接桿（910）和右連接桿（930）與上回型支架（111）相連；齒輪（0510）與模型樁（050）的模型樁上帽（051）通過扭轉固定螺絲（0511）連接；

扭轉荷載左半部分（920）由左氣缸（921）、第1左扭轉壓力傳感器（922）、左扭轉T字形鐵尺（924）和左齒條（925）依次連接構成，扭轉左第1位移計（9231）和扭轉左第2位移計（9232）分別設置于左扭轉T字形鐵尺（924）的兩端；

扭轉荷載右半部分（940）由右氣缸（941）、第2右扭轉壓力傳感器（942）、右扭轉T字形鐵尺（944）和右齒條（945）依次連接構成，扭轉右第3位移計（9431）和扭轉右第4位移計（9432）分別設置于右扭轉T字形鐵尺（944）的兩端。