一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置及其安装方法与流程

本发明一种涉及桩土摩擦室内试验装置，特别涉及一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置，还涉及一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置的安装方法。

背景技术：

由于桩基础支撑结构以及所处环境（如海洋环境）的影响，会受到水平荷载的作用，且常常承受水平循环荷载的作用，如海洋和河流中的波浪荷载，目前，对于这方面的研究较多，大部分的研究主要关注桩周土在水平循环荷载作用下的弱化特性，然而实际上桩土接触摩擦特性亦会随着水平循环荷载作用下而发生变化。另一方面，为了研究水平荷载作用下桩土剪切接触的极限状态，需要开展极限单调水平作用下桩土接触特性研究。但是，目前缺乏相关的室内试验装置，且缺乏直观的研究桩土剪切摩擦特性的室内试验装置。本发明公开了桩基础在水平循环和单调荷载作用下桩土剪切摩擦的室内试验装置及使用方法。

技术实现要素：

鉴于背景技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置，该试验装置能够该试验装置能够开展不同土性和不同桩基础形式水平循环和单调作用下的桩土接触摩擦室内试验，能够直观的展现桩土接触演化特性，揭示桩在水平荷载作用下桩土接触的动态剪切摩擦规律。

为此，本发明提供的一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置，包括反力系统和模型箱，所述模型箱内装填有土体和多个土体物理力学参数采集元件，所述反力系统上设置有加载系统，所述加载系统位于模拟箱上方并与之对应，所述模型箱朝向加载系统的端面为开口端，模拟桩一端部安装与加载系统上，模拟桩其他部分插入土体置于模拟箱内，所述模拟桩的桩身设有多个物理力学状态采集元件，所述模拟桩顶部设置有水平位移计，所述加载系统具备循环力加载和持续力加载功能。

本发明中，水平加载系统中水平加载伺服电机通过计算机控制加载模式，选择水平循环力加载或单调持续力加载功能，以及选择选择位移或者力控制加载量级。通过水平加载伺服电机来模拟桩体承受水平循环荷载或单调持续极限荷载，直观展现桩体在水平循环或单掉荷载作用下桩土接触的动态剪切摩擦规律，可直观观察桩身物理响应以及土体的变形特征等。通过土体物理力学参数采集元件与外界计算机采集仪器连接进行数据采集工作，为理论和数值分析验证提供合理的试验对比数据。

附图说明

图1为本发明中一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置的剖面结构示意图；

图2为图1中的一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置的俯视结构示意图；

图3为图1中的一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置的模拟箱的横剖面结构示意图；

图4为图1中的一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置的水平加载支架的结构示意图。

具体实施方式

参照图1-图4所示，本发明中提供的一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置，包括反力系统1和模型箱2，所述模型箱2内装填有土体3和多个土体物理力学参数采集元件4，所述土体物理力学参数采集元件4可选为土压力传感器或渗压计或光纤微型土压力盒。所述反力系统1上设置有可升降加载系统，所述加载系统位于模拟箱上方并与之对应。所述模型箱1朝向加载系统的端面为开口端，模拟桩5一端部安装与加载系统上，所述模拟桩5插入土体并置于模拟箱内，所述模拟桩5顶部设置有水平位移计6，所述水平位移计6为百分表或电子位移采集装置，所述模拟桩5上的设有若干桩身物理力学状态采集元件7，桩身物理力学状态采集元件7采用fbg光栅光纤元件。水平位移计6通过人工纪录或计算机自动记录水平位移，土体物理力学参数采集元件4和桩身物理力学状态采集元件7与外界计算机采集仪器连接进行数据的采集工作。加载系统具备循环力加载和持续力加载功能，循环力加载为在一个循环周期时间内出现不同的加载力，加载周期循环往复。

所述反力系统1包括反力架8、螺纹刚性柱9和刚性底座10，所述刚性底座10固定在螺纹刚性柱9底部，所说反力架8连接在螺纹刚性柱9上并通过主电动升降机11控制反力架升降，所述反力架8朝向模拟箱2的端部固定有千斤顶反力框12。所述模型箱2通过刚性块26固定安装在刚性底座10上，安装模拟箱时，通过主电动升降机11将反力架8调到最高位置，再放置模拟箱2，并通过刚性块26将模拟箱2安装固定在刚性底座10。

所述模拟箱2呈半圆柱体，模拟箱由刚性钢板13和透明板14组成，所述刚性钢板13与透明板14连接处具有隔水橡胶垫15并通过胶水连接，所述透明板14为高强度树脂透明板。所述模拟桩5与透明板14接触的一面粘贴有橡胶皮，所述模拟桩5与透明板14之间涂抹润滑油，尽可能的降低模拟桩5与透明板14之间的摩擦。所述刚性钢板13分布由若干排水孔16，刚性板13外侧布置有若干微型槽17，所述微型槽孔17与排水孔16连接。排水孔16数量和布置根据试验要求的排水要求设置。当试验要求为不排水工况时，将排水孔16密封；当试验要求对土体进行排水固结，可进行真空预压等方法进行固结加固，通过排水孔16和微型槽17将土体中的水排出进行土体排水固结。开展排水和不排水两种工况的相关室内试验。

所述加载系统包括竖向加载系统和水平加载系统18，所述竖向加载系统包括半环形千斤顶19，所述半环形千斤顶19为半环形特型液压千斤顶，所述半环形千斤顶19固定在反力系统的千斤顶反力框12上，所述半环形千斤顶19置于模拟箱9上方的中心位置，所述半环形千斤顶19下端部加载于土体上表面，半环形千斤顶19用于提供稳定的上覆压力，保证土体的初始应力状态与现场接近。根据试验要求采用人工或计算机智能控制半环形千斤顶，若为土工离心机试验则对需要采用伺服控制千斤顶，且尽可能采用机械控制。

所述水平加载系统18包括水平加载支架20、两个水平加载伺服电机21和水平加载传力刚性杆22，所述水平加载支架20与反力系统1的螺纹刚性柱9连接并通过次电动升降机23控制水平加载系统18升降，通过次电动升降机23控制水平加载系统18升降调整水平加载系统的高度，保持与模拟桩5保持垂直和合适的加载位置。所述两个水平加载伺服电机21分别设置于水平加载支架20的两端，所述水平加载传力刚性杆22两端分别连接在两端的水平加载伺服电机21上，所述水平加载传力刚性杆22上设置有桩帽24，所述水平加载支架20与桩帽24对应的位置开设有槽孔25，模拟桩5一端穿过槽孔25与桩帽24连接，所述模拟桩5在弧形槽孔25内循环位移加载或持续力加载，所述水平加载系统18设置于靠近透明板14的位置，透过透明板14可观察到模拟桩5与周边土体接触的状态。

一种水平循环/单调作用下桩土摩擦室内试验装置的安装方法，步骤如下:

(1)根据试验要求，确定模拟桩5、模拟箱2和反力系统1的尺寸，并确定排水孔16的布置和数量，土体物理力学状态采集元件4和桩身物理力学状态采集元件7的数量和布置位置，并将桩身物理力学采集元件7按数量和位置要求铺设在模拟桩的桩身上；

(2)搭建反力系统，将反力架8和千斤顶反力框架12通过铆钉锚固成一体，反力架8与螺纹刚性柱9连接并通过主电动升降机11控制升降，反力架和千斤顶反力框架通过主电动升降机22调至最高位置，放置模型箱2并通过刚性块26将模型箱固定在刚性底座10上。并将环形千斤顶固定在千斤顶反力框架上；

(3)安装水平加载支架20，水平加载支架20与螺纹刚性柱连接并安装次电动升降机23，通过次电动升降机控制水平加载支架20的升降，先将水平加载支架20调节到最高位置；

(4)在模型桩5的桩身铺设模型桩身物理力学状态采集元件7，在模型箱2中铺设土体及土体内布置土体物理力学状态采集元件4，将铺设有桩身物理力学采集元件的模拟桩5布置在土体中，根据试验和土性的不同对进行试验的土体进行预处理，如排水固结等，土体排水固结时可采用真空预压固结系统；

(5)安装水平加载系统，将水平加载伺服电机21分别安装在水平加载支架两侧，安装桩帽，并将水平加载传力刚性杆22两端分别与两侧水平加载伺服电机21连接安装就位；

(6)通过主电动升降机控制环形千斤顶19升降，将环形千斤顶19调整至环形千斤顶下端面抵于土体表面上，通过次电动升降机控制桩帽，将桩帽调整至模拟桩上方并于模拟桩安装固定，各个系统调整到合适位置，并开展实验。完成上述工作的各个系统调整到合适位置，并开展实验。

所述模拟箱2内土体可根据实际土体选用不同土性的土体，如砂土和黏土，构建土体的应力状态。模型桩5根据实际的桩尺寸和桩型，选用不同的桩基础形式。模拟桩5根据试验的要求确定桩身粘贴桩身物理力学状态采集元件7布置的数量和位置。水平加载系统18中水平加载伺服电机21通过计算机控制加载模式，选择水平循环力加载或单调持续力加载功能，以及选择选择位移或者力控制加载量级。当水平加载伺服电机21使用水平循环力加载功能工作时，带动桩帽进行水平循环位移，模拟桩在桩帽作用下在弧形槽孔范围内进行水平循环位移，模拟桩体承受水平循环力荷载。当水平加载伺服电机21使用持续荷载功能时，模拟桩承受单调持续力荷载。

透过透明板14直观展现模拟桩5在水平循环或单掉荷载作用下模拟桩与土体接触的动态剪切摩擦规律，直观观察桩身物理响应以及土体的变形特征等，开展不同土性和不同桩基础形式水平循环或单调作用下的桩土剪切接触摩擦室内试验。为了能够实时采集直观的桩土接触特性，可采用高速高清数码相机记录试验中桩土接触摩擦过程。土体物理力学参数采集元件4和桩身物理力学参数采集元件7与外界计算机采集仪器连接进行数据采集工作，为理论和数值分析验证提供合理的试验对比数据。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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