打入桩全寿命周期土工离心机试验装置及其操作方法与流程

本发明涉及一种打入桩全寿命周期土工离心机试验装置。本发明还涉及一种上述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置的操作方法。

背景技术：

目前，对于桩的全寿命周期承载性能的研究主要集中在运营期间的桩土响应，然而对于打入桩而言，其打入过程中桩周土物理力学参数如孔压等对于服役运营期间的桩周土的有效应力状态影响显著，而对于部分桩基础，如海上风电桩基础，其服役期一般在20-50年，在完成服役期后需要进行拔除，故有必要开展服役期的桩土响应对于拔除作业的影响。因此，开展打入桩从贯入安装-服役运营-退役拔出全寿命的桩土响应有利于分析对于桩的承载性能发展演化研究，桩的尺寸优化设计等。然而，目前缺乏相关的分析手段，全寿命现场试验研究由于成本极其高昂几乎不太现实，而数值技术以及理论方法均存在局限而无法实现全寿命的连续性的研究，而现有的室内试验由于尺寸效应的影响而无法进行精细的分析桩土相互作用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种打入桩全寿命周期土工离心机试验装置，该装置能够对桩的全寿命周期承载性能进行试验研究，并依托设备的改进获得更加精准的数据和更直观的图像资料。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种上述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置的操作方法。

为此，本发明提供的打入桩全寿命周期土工离心机试验装置，其特征是：包括支撑系统、打入桩全寿命加载系统、桩土系统、离心机系统和量测采集系统；

支撑系统：包括竖向支撑系统和打桩架支撑系统，竖向支撑系统主要包括螺纹刚性柱、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的提供支撑平台，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；

打入桩全寿命加载系统：包括打桩架、打桩设备和水平加载系统，所述打桩架支撑系统与竖向支撑系统连接，打桩架上标有标尺，打桩设备包括打桩锤导轨、打入桩导轨和竖向加载设备，竖向加载设备下部安装打桩锤垫，水平加载系统模拟桩服役期间的组合荷载的作用的桩土响应；通过伺服和计算机调整竖向加载设备的加载模式；

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，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，桩身监测元件采集桩身的变形应力等物理力学参数。

优选的，采用高速摄像机或高速数码相机透过高强度树脂透明板拍摄打桩过程中的桩土相互作用的变形特征。

优选的，所述打桩架支撑系统配置打桩架上外支撑、打桩架上内外支撑、打桩架下内支撑、打桩架下外支撑、打桩架上背支撑、打桩架下背支撑用于支撑打桩架，所述打桩架左侧的所述上外支撑、打桩架上内外支撑、打桩架下内支撑和打桩架下外支撑均为长杆，右侧的的所述上外支撑、打桩架上内外支撑、打桩架下内支撑和打桩架下外支撑均为短杆，使所述打桩架离中心模型箱的中间位置并促使所述打桩锤导轨和打入桩导轨处于所述桩体正上方。

优选的，所述打桩架上外支撑一端连接所述螺纹刚性柱、另一端连接在所述打桩架的上端，所述打桩架下外支撑一端连接所述螺纹刚性柱、另一端连接所述打桩架的下端，所述打桩架上内外支撑的一端连接所述打桩架支撑系统、另一端连接所述打桩架的中上部，所述打桩架下内支撑一端连接所述打桩架支撑系统、另一端连接所述打桩架的中下部。

优选的，所述模型箱配置有固定支架，固定支架的内侧端压紧在所述模型箱上，固定支架的另一端固定在固定支架升降电机上，固定支架升降电机配置螺母与螺纹刚性柱套接，通过驱动螺母沿螺纹刚性柱上下移动；所述竖向外支撑架配置有竖向支架升降电机，水平加载伺服电机固定在打桩架上并通过水平传力刚杆横向驱动所述模型桩。

本发明提供的一种上述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置的操作方法，包括以下步骤：

一、根据原位尺寸和土工离心机的量级，确定各个系统的尺寸，布置位置；

二、确定全寿命加载周期，从而设定加载设备加载模式，

三、安装支撑系统，桩土系统和量测系统；

四、安装打入桩全寿命加载系统，加载系统为离心机，所述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置固定安装在离心机的试验舱中，各系统调试就位；

五、开展土工离心机试验。

优选的，所述步骤具体为：

一、确定试验装置各系统的尺寸和布置：试验拟分析原位饱和黏土中大直径开口桩基础全寿命周期桩土响应，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，安装方式采用锤击贯入，拔出方式采用静压；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个光栅光纤点，底部沿直径方向均匀布置10个光栅光纤点，沿圆弧方向布置15列光栅光纤土压力微型盒和渗压计；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竖向分布在打桩架上，打桩架沿长度方向对称的固定在竖向支撑系统中；

二、确定全寿命加载周期并设定加载模式：采用贯入方式为锤击，服役期间桩承受上部竖向静载和水平循环荷载作用，拔出方式为静载，根据不同加载阶段的荷载不同选择不同的加载模式，选用对应的竖向加载，水平加载和竖向拔出模式，均为伺服控制，竖向加载装置在贯入安装阶段为锤击；在服役运营阶段为静载，在退役拔出阶段通过自动卡扣或者电磁通电磁力与桩垫固定进而静载拔出；

三、安装支撑系统，桩土系统和量测系统；

四、安装打入桩全寿命加载系统，加载系统为离心机，所述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置固定安装在离心机的试验舱中，各系统调试就位；

五、开展土工离心机试验：其中土工离心机为加载重力为150g，加载后开展锤击贯入试验，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；其次，完成贯入后，开展长期承载性能试验，研究桩受组合荷载的桩土相互作用试验，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,进而完成全寿命的承载特性的土工离心机试验研究。

优选的，所述竖向加载设备根据试验过程中桩处于何种阶段确定加载模式，贯入安装期选择锤击锤、振动锤和静压锤，锤击锤采用液压锤，液压锤采用电磁冲击方式驱动，服役营运期采用静载模式，退役拔出期的拔除方式可采用振动拔出和静载拔出，拔出设备采用电磁控制，可通过电流改变控制锤垫的磁力，保证桩帽、桩垫和锤垫以及模型桩在拔出过程中固定成一体，并采用自动卡固装备进行固定。

本发明的技术效果：

1）本发明中通过将主体试验装置与离心机固定结合，通过离心机施加超重力环境，超重力环境下加速流固耦合的时间，加快变化的进程，接近实际流固耦合的土体的物理力学状态，从而能够开展打入桩全寿命周期的桩土相互作用的土工离心机试验；

2）通过高速摄像机或数码相机透过半圆形切面状的高强度树脂透明板观测全寿命过程中桩土变形特性等，并可分阶段进行相关试验；

3）采用不同方式实施贯入、拔出的拔出土工离心机试验，为打入桩全寿命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；

4）克服传统的缺乏相关的土工室内试验的装置及相应的使用方法的现状，提供一种可开展打入桩全寿命周期桩土相互响应规律研究的土工离心机试验装置以及使用方法，该土工离心机试验是一个有效的成本相对较低的分析打入桩全寿命桩土相互响应的研究手段。

附图说明

图1为本发明提供的打入桩全寿命周期土工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图1中的竖向支撑系统的俯视图。

图4图2中的打桩架支撑系统的俯视图。

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，本发明提供的打入桩全寿命周期土工离心机试验装置，其特征是：包括支撑系统、打入桩全寿命加载系统、桩土系统、离心机系统和量测采集系统；

支撑系统：包括竖向支撑系统和打桩架支撑系统，竖向支撑系统主要包括螺纹刚性柱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的提供支撑平台，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；

打入桩全寿命加载系统：包括打桩架8（打桩架由特制的刚性钢板制作而成）、打桩设备（如打桩锤，振动锤和静压设备）和水平加载系统（如水平加载伺服电机30和水平传力刚杆31），所述打桩架支撑系统与竖向支撑系统连接，打桩架8上标有标尺，打桩设备包括打桩锤导轨9、打入桩导轨10和竖向加载设备11，竖向加载设备11下部安装打桩锤垫12，水平加载系统模拟桩服役期间的组合荷载的作用的桩土响应；为了保证打桩过程的稳定性，若采用锤击贯入时，模型桩需要铺设13-桩垫，而若采用静压和振动贯入则不需要13-桩垫，若采用振动贯入则模型桩的14-桩帽和桩锤之间需要进行固定。通过伺服和计算机控制11-竖向加载设备的加载模式的不同，如贯入安装阶段可设为锤击，振动和静压，服役运营阶段可为静载，循环加载和扭转，退役拔出阶段可为静载和振动。这些加载模式可以任意组合，并且同一个阶段内的加载模式亦可相互组合；

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（通过排水孔控制贯入安装过程中排水工况，可对土体进行初始的加固处理以及分析完成安装后不同排水工况下的桩土响应），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（土体20可以为黏土亦可以为砂土），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，模型箱18通过固定支架21和底部刚性支撑块23支撑，并通过高强度铆钉25与竖向支撑系统固定。

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，接近实际流固耦合的土体的物理力学状态。

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。

参照图2所示，为了能够实时采集直观的桩土接触特性，上述装置中，采用高速摄像机或高速数码相机透过高强度树脂透明板28拍摄打桩过程中的桩土相互作用的变形特征。

参照图1、图2、图3、图4所示，上述打桩架支撑系统2（即横向架）配置打桩架上外支撑4、打桩架上内外支撑5、打桩架下内支撑6、打桩架下外支撑7、打桩架上背支撑26、打桩架下背支撑27用于支撑打桩架8，所述打桩架8左侧的所述上外支撑4、打桩架上内外支撑5、打桩架下内支撑6和打桩架下外支撑7均为长杆，右侧的的所述上外支撑4、打桩架上内外支撑5、打桩架下内支撑6和打桩架下外支撑7均为短杆，使所述打桩架8离中心模型箱18的中间位置并促使所述打桩锤导轨9和打入桩导轨10处于所述桩体正上方，能够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。

参照图1、图2、图3、图4所示，所述打桩架上外支撑4一端连接所述螺纹刚性柱1、另一端连接在所述打桩架8的上端，所述打桩架下外支撑7一端连接所述螺纹刚性柱1、另一端连接所述打桩架8的下端，所述打桩架上内外支撑5的一端连接所述打桩架支撑系统2、另一端连接所述打桩架8的中上部，所述打桩架下内支撑6一端连接所述打桩架支撑系统2、另一端连接所述打桩架8的中下部。

参照图1、图2所示，上述模型箱18配置有固定支架21，固定支架21的内侧端压紧在所述模型箱18上，固定支架21的另一端固定在固定支架升降电机22上，固定支架升降电机22配置螺母与螺纹刚性柱1套接，通过驱动螺母沿螺纹刚性柱1上下移动；所述竖向外支撑架2配置有竖向支架升降电机29，；水平加载伺服电机30固定在打桩架8上并横向驱动所述模型桩15。

参照图1-4所示，本发明提供的一种权利要求1所述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置的操作方法，包括以下步骤：

一、根据原位尺寸和土工离心机的量级，确定各个系统的尺寸，布置位置；

二、确定全寿命加载周期（如贯入-服役或贯入-服役-拔出等），从而设定加载设备加载模式，

三、安装支撑系统，桩土系统和量测系统；

四、安装打入桩全寿命加载系统，加载系统为离心机，所述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置固定安装在离心机的试验舱中，各系统调试就位；

五、开展土工离心机试验。

参照图1-4所示，上述方法的步骤具体为：

一、确定试验装置各系统的尺寸和布置：试验拟分析原位饱和黏土中大直径开口桩基础全寿命周期桩土响应，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，安装方式采用锤击贯入，拔出方式采用静压；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个光栅光纤点，底部沿直径方向均匀布置10个光栅光纤点，沿圆弧方向布置15列光栅光纤土压力微型盒和渗压计；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均匀对称的竖向分布在打桩架8上，打桩架8沿长度方向对称的固定在竖向支撑系统中（竖向支撑系统和打桩架支撑系统有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。）；

二、确定全寿命加载周期并设定加载模式：采用贯入方式为锤击，服役期间桩承受上部竖向静载和水平循环荷载作用，拔出方式为静载，根据不同加载阶段的荷载不同选择不同的加载模式，选用对应的竖向加载，水平加载和竖向拔出模式，均为伺服控制，竖向加载装置在贯入安装阶段为锤击；在服役运营阶段为静载，在退役拔出阶段通过自动卡扣或者电磁通电磁力与桩垫固定进而静载拔出；

三、安装支撑系统，桩土系统和量测系统；

四、安装打入桩全寿命加载系统，加载系统为离心机，所述打入桩全寿命周期土工离心机试验装置固定安装在离心机的试验舱中，各系统调试就位；

五、开展土工离心机试验：其中土工离心机为加载重力为150g，加载后开展锤击贯入试验，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；其次，完成贯入后，开展长期承载性能试验，研究桩受组合荷载（竖向静载和水平循环荷载作用下）的桩土相互作用试验，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。进而完成全寿命的承载特性的土工离心机试验研究。

参照图1、图2所示，上述方法中：所述竖向加载设备11根据试验过程中桩处于何种阶段确定加载模式，贯入安装期选择锤击锤、振动锤和静压锤，锤击锤采用液压锤（如柴油液压锤），液压锤采用电磁冲击方式驱动，服役营运期采用静载模式，退役拔出期的拔除方式可采用振动拔出和静载拔出，拔出设备采用电磁控制，可通过电流改变控制锤垫的磁力，保证桩帽，桩垫和锤垫以及模型桩在拔出过程中固定成一体，可以采用自动卡固装备进行固定。

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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