具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置。本发明还涉及一种上述具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置的操作方法。

背景技术：

传统打入桩的安装方法一般包括锤击贯入，振动贯入和静压贯入，目前，对于打入桩的贯入安装过程的研究主要采用波动方程为主的打桩分析软件以及现场试验书记采集分析。然而，以波动方程为基础的打桩分析软件由于无法分析桩在贯入过程中的流固耦合等问题而存在局限性，而现场试验受制于采集设备以及经济成本的高昂等因素的影响。因此，一般在进行相关研究过程中，采用数值分析以及室内试验进行精细化研究和对比，从而获取打入桩在安装过程中的桩的承载性能与桩的尺寸，土体的性质等的关系。然而，由于数值技术发展的限制，目前开发的打桩数值分析尚未进行商业化和工业化应用，而1g重力的室内试验由于尺寸效应影响造成试验结果存在一定的不合理性，而土工离心机能够克服尺寸效应的影响同时能够极大的降低现场试验的成本，且由于试验环境可控性高，可多次开展相关试验，从而能够获取有效的对比数据从而为更加精细深入的研究提供了基础；目前，缺乏相关的土工离心机试验仪器开展不同安装方式的打入桩贯入过程的桩土动态响应的试验研究设备和方法。

而且传统的研究设备的打桩锤和模型桩没有很精准稳定的导向，且打桩锤往往需要非常大的体积才能保持力度，因此精度不够，施力方向往往出现偏差。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置，该装置为打入桩在贯入过程中桩土相互作用、土体的动态响应等提供更加直观的室内试验研究手段，并通过土工离心机使得贯入过程的相关规律响应与现场接近，并可通过结构设定对桩锤和桩体的运动进行有效引导，使打桩的过程精度更高，以获取精准的试验数据。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置的操作方法。

为此，本发明提供的具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置，包括：支撑系统，打桩系统，桩土系统及量测采集系统。

支撑系统：包括竖向支撑系统和打桩架支撑系统，竖向支撑系统包括螺纹刚性柱、竖向外支撑架、竖向内支撑架和底部刚性板，竖向支撑系统用于支撑整个试验模型，并与离心机对应装置连接，同时为模型中的打桩架提供支撑平台，竖向外支撑架与螺纹刚性柱活动连接在一起，并通过竖向支架升降电机控制升降；打桩架支撑系统用于支撑打桩架，包括上打桩架外支撑、上打桩架内外支撑、下打桩架内支撑、下打桩架外支撑和上打桩架背支撑和下打桩架背支撑，打桩架支撑系统确保打桩架在打桩过程和土工离心机试验过程中保持稳定。

桩土系统：包括模型桩和模型箱，模型桩的桩顶固定有桩帽，桩帽保护在贯入过程中的模型桩桩头，桩身粘贴有物理力学变量的监测元件，模型箱为半圆柱形、下部闭口上部开口的箱体，半圆部分由高强度和高刚性的钢板组成，箱身布设有排水孔，所述模型箱的半圆切面由高强度树脂透明板组成，模型箱中布设土体，固定支架下方固定有升降电机，升降电机套接在螺纹刚性柱上，升降电机驱动螺母转动实现在螺纹刚性柱上的升降，控制固定支架的高度。

离心机系统：包括离心机，所述支撑系统、打入桩全寿命加载系统、桩土系统固定安装在离心机的试验舱中，通过离心机的运动对试验模型施加超重力，超重力环境下加速流固耦合的时间，加快变化的进程；

量测系统：包括土体监测系统和桩身监测系统，土体监测系统包括土体监测元件17，桩身监测系统包括桩身监测元件，土体监测元件测试土体试样的初始应力应变、孔压状态以及打桩过程中以及完成安装后的相应的物理力学参数，桩身监测元件可采集桩身的变形应力等物理力学参数；

打桩系统：包括打桩架、打桩设备和贯入和拔出动力设备，打桩架通过打桩架支撑系统与竖向支撑系统连接，打桩设备包括打桩锤导轨、打入桩导轨和贯入和拔出动力设备，拔出动力设备11配置有动机系统和打桩锤，打桩锤下部安装打桩锤垫；拔除方式采用振动拔出或静载拔出，拔出设备下端部设置有锤垫，锤垫导电产生电磁吸力，通过电流改变控制锤垫的磁力，桩帽采用可被磁吸的材料制成，锤垫通电后磁吸在桩帽上，桩帽、桩垫和锤垫以及模型桩在拔出过程中固定成一体。

优选的，所述打桩锤导轨包括四面维护的竖向孔，打桩锤置于竖向孔中，打桩锤导轨中心设置有打入桩导轨，打入桩导轨两侧采用竖向肋板连接在打桩锤导轨内侧壁上，打入桩导轨上下两侧具有侧面开口，所述打桩锤横截面呈工字型，打桩锤具有向下的锤击端，锤击端的截面与所述打入桩导轨匹配，所述锤击端置入打入桩导轨中，打桩锤的上下窄部处于所述侧面开口处，所述打桩锤的上下宽部贴着所述打桩锤导轨的内壁设置。

本发明提供的一种具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置的操作方法，包括以下步骤：

一、确定试验装置各系统的尺寸和布置情况，试验分析原位饱和黏土中大直径开口桩基础贯入以及拔出过程，其中土工离心机为150g，桩的原位尺寸为桩径8m、桩长80m、壁厚为9cm，饱和黏土为海洋饱和黏土，其中的流体为海水，模型桩的尺寸设置为直径为5.34cm、桩长为53.34cm、壁厚为0.6mm，桩身均匀对称布设光栅光纤点每边各10个，土体中的光栅光纤土压力微型盒和渗压计分别对称布置3列，两种测试元件间隔布置，共12列，每列沿高度方向8个，模型箱的尺寸为直径1.5m、高1.0m，排水孔沿模型箱高度方向均匀布置10个，底部沿直径方向均匀布置10个，沿圆弧方向布置15列，打桩架长度为1.2m、宽度为0.25m，打桩锤导轨和打入桩导轨均匀对称的分布在打桩架上，打桩架沿长度方向对称的固定在竖向支撑系统中；

二、安装支撑系统，桩土系统、量测系统和离心机系统；

三、打桩系统：模型桩采用锤击贯入土体，拔出方式采用静压，选用对应的打桩锤和拔出设备，两者均为伺服控制；

四、开展锤击贯入试验，通过无线采集系统采集监测数据，通过高清高速计算机记录锤击贯入过程，通过无线伺服控制控制打桩锤的锤击贯入；

五、完成贯入后，开展长期承载性能试验，通过伺服控制让打桩锤设备与桩头抱紧，经过试验要求的时长后，期间数据始终在保持采集状态，伺服控制转化为拔出模式，并开展拔出试验，通过无线采集系统采集相关数据，并用高速摄像机记录拔出过程。

优选的，采用锤击贯入时，模型桩需要铺设桩垫；采用静压和振动贯入时，则不需要桩垫；采用振动贯入则模型桩的桩帽和桩锤之间需要进行固定。

优选的，所述竖向支撑系统和打桩架支撑系统采用8#b-12#b的高强度工字钢通过铆钉锚固而成，打桩架支撑系统与打桩架亦是通过铆钉锚固。

本发明的技术效果：

1）本发明能够开展打入桩在不同的安装方式的贯入以及不同拔出方式的拔出土工离心机试验，为打入桩的贯入全过程和拔出过程的桩土相互动态响应的研究提供了有效的试验装置和方法；

2）通过可通过高速摄像机或数码相机直观观测贯入和拔出过程中桩土变形特性等，且拔出和贯入可分开进行试验；

3）该装置为打入桩在贯入过程中桩土相互作用、土体的动态响应等提供更加直观的室内试验研究手段，并通过土工离心机使得贯入过程的相关规律响应与现场接近；

4）通过结构设定对桩锤和桩体的运动进行有效引导，使打桩的过程精度更高，以获取精准的试验数据。

附图说明

图1为本发明提供的具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置的结构剖视示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明竖向支撑系统的俯视图。

图4为本发明打桩架支撑系统的俯视图。

图5为本图1中的打桩锤导轨、打入桩导轨和打桩锤的横向截面示意图。

图6为图5中的桩锤的俯视示意图。

图7为图6的侧视图。

图8为打桩锤、打入桩导轨和模型桩的结构关系示意图，其中打桩锤尚未进入打入桩导轨。

图9为打桩锤、打入桩导轨和模型桩的结构关系示意图，其中打桩锤深入打入桩导轨中。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参照图1-4所示，本发明提供的具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置，包括：支撑系统，打桩系统，桩土系统及量测采集系统。

支撑系统：包括竖向支撑系统和打桩架支撑系统，竖向支撑系统包括螺纹刚性柱1、竖向外支撑架2、竖向内支撑架3和底部刚性板24，竖向支撑系统用于支撑整个试验模型，并与离心机对应装置连接，同时为模型中的打桩架提供支撑平台，竖向外支撑架2与螺纹刚性柱1活动连接在一起，并通过竖向支架升降电机29控制升降；打桩架支撑系统用于支撑打桩架，包括上打桩架外支撑4、上打桩架内外支撑5、下打桩架内支撑6、下打桩架外支撑7和上打桩架背支撑26和下打桩架背支撑27，打桩架支撑系统确保打桩架在打桩过程和土工离心机试验过程中保持稳定。

桩土系统：包括模型桩15和模型箱18，模型桩15的桩顶固定有桩帽14，桩帽14保护在贯入过程中的模型桩桩头，桩身粘贴有物理力学变量的监测元件（桩身应变应力等，如桩身监测元件16、光栅光纤监测元件），模型箱18为半圆柱形、下部闭口上部开口的箱体，半圆部分由高强度和高刚性的钢板组成，箱身布设有排水孔19，所述模型箱18的半圆切面由高强度树脂透明板28组成，模型箱18中布设土体20，固定支架21下方固定有升降电机22，升降电机22套接在螺纹刚性柱1上，升降电机22驱动螺母转动实现在螺纹刚性柱1上的升降，控制固定支架的高度21。

离心机系统：包括离心机，所述支撑系统、打入桩全寿命加载系统、桩土系统固定安装在离心机的试验舱中，通过离心机的运动对试验模型施加超重力，超重力环境下加速流固耦合的时间，加快变化的进程；

量测系统：包括土体监测系统和桩身监测系统，土体监测系统包括土体监测元件17，桩身监测系统包括桩身监测元件16，土体监测元件17测试土体试样的初始应力应变、孔压状态以及打桩过程中以及完成安装后的相应的物理力学参数，桩身监测元件16可采集桩身的变形应力等物理力学参数；

其特征是：打桩系统：包括打桩架9、打桩设备和贯入和拔出动力设备11，打桩设备即对桩施力的机构，其包含打桩锤、振动锤和静压设备等，打桩架9由特制的刚性钢板制作而成，打桩架9通过打桩架支撑系统与竖向支撑系统连接，打桩架9上标有标尺，打桩架9上的标尺能够让试验者在试验过程中有效掌握桩体进入的数据以便与其他数据组合形成数据模型，打桩设备包括打桩锤导轨9、打入桩导轨10和贯入和拔出动力设备11，拔出动力设备11配置有动机系统和打桩锤，贯入和拔出动力设备11根据贯入方式和把拔除方式的不同，可选择锤击锤，振动锤和静压锤，锤击锤可采用液压锤，动力采用柴油液压或电磁冲击方式，打桩锤下部安装打桩锤垫12；拔除方式采用振动拔出或静载拔出，拔出设备下端部设置有锤垫，锤垫导电产生电磁吸力，通过电流改变控制锤垫的磁力，桩帽采用可被磁吸的材料制成，锤垫通电后磁吸在桩帽上，桩帽、桩垫和锤垫以及模型桩在拔出过程中固定成一体，其固定方式采用自动卡固装备进行固定，以保证打桩过程的稳定性，该固定方式为现有技术范畴。

参照图1、2、图5、图6、图7、图8所示，为了使桩锤和模型桩能够更加精准的打入土体，所述打桩锤导轨9包括四面维护的竖向孔91，打桩锤30置于竖向孔中，打桩锤导轨9中心设置有打入桩导轨10，打入桩导轨10两侧采用竖向肋板92连接在打桩锤导轨9内侧壁上，打入桩导轨10上下两侧具有侧面开口93，所述打桩锤30横截面呈工字型，打桩锤30具有向下的锤击端301，锤击端301的截面与所述打入桩导轨10匹配，所述锤击端301置入打入桩导轨10中，打桩锤30的上下窄部302处于所述侧面开口93处，所述打桩锤30的上下宽部303贴着所述打桩锤导轨9的内壁设置。上述构造中工字型的打桩锤30被精准引导，并且在打桩锤30重心处设置打入桩导轨10和锤击端301，即确保打桩锤30的体积和重量，又确保锤击位置处于打桩锤30的重心位置以下，从而更加高效和精准。

参照图1-4所示，本发明提供的上述具有不同安装和拔出方式的打入桩离心机试验装置的操作方法，包括以下步骤：

一、确定试验装置各系统的尺寸和布置情况，试验拟分析原位饱和黏土中大直径开口桩基础贯入以及拔出过程，其中土工离心机为150g，桩的原位尺寸为桩径8m、桩长80m、壁厚为9cm，饱和黏土为海洋饱和黏土，其中的流体为海水，模型桩15的尺寸设置为直径为5.34cm、桩长为53.34cm、壁厚为0.6mm，桩身均匀对称布设光栅光纤点每边各10个，土体中的光栅光纤土压力微型盒和渗压计分别对称布置3列，两种测试元件间隔布置，共12列，每列沿高度方向8个，模型箱的尺寸为直径1.5m、高1.0m，排水孔沿模型箱高度方向均匀布置10个，底部沿直径方向均匀布置10个，沿圆弧方向布置15列，打桩架8长度为1.2m、宽度为0.25m，打桩锤导轨9和打入桩导轨10均匀对称的分布在打桩架9上，打桩架8沿长度方向对称的固定在竖向支撑系统中；

二、安装支撑系统，桩土系统、量测系统和离心机系统；其中所述竖向支撑系统和打桩架支撑系统采用8#b-12#b的高强度工字钢通过铆钉锚固而成，打桩架支撑系统与打桩架亦是通过铆钉锚固，螺纹刚性柱1的高度为1.8m，直径1.2cm。

三、打桩系统：模型桩采用锤击贯入土体，拔出方式采用静压，选用对应的打桩锤和拔出设备，两者均为伺服控制；采用锤击贯入时，模型桩需要铺设桩垫13；采用静压和振动贯入时，则不需要桩垫13；采用振动贯入则模型桩的桩帽14和桩锤之间需要进行固定。

四、开展锤击贯入试验，通过无线采集系统采集监测数据，通过高清高速计算机记录锤击贯入过程，通过无线伺服控制控制打桩锤的锤击贯入；

五、完成贯入后，开展长期承载性能试验，通过伺服控制让打桩锤设备与桩头抱紧，经过试验要求的时长后，期间数据始终在保持采集状态，伺服控制转化为拔出模式，并开展拔出试验，通过无线采集系统采集相关数据，并用高速摄像机记录拔出过程，通过无线采集系统能够在不干扰试验装置的情况下实时收集数据，且通过高速摄像机记录拔出过程能够更好的观察和印证理论模型。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

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