一种基桩自平衡静载试验机理演示的独立柱悬挂装置的制作方法

本发明涉及一种用于基桩自平衡静载试验的机理演示装置，属于土木工程领域。

背景技术：

桩基承载力自平衡试验,理论上存在一个“平衡点”,但在工程实践中,是很难界定这个准确位置的,因为其计算所需要的资料里面存在一定的误差。通常我们会根据勘察报告的有关资料,结合工程实践经验,来确定荷载箱的位置。具体而言,可以根据勘察报告所提供的各个土层的摩阻系数,以及端阻系数,来进行计算,选取一个上下阻力基本均衡的位置放置荷载箱。由于大量的自平衡项目,是用于桩基承载力的验证,上述方法是比较普遍的估算“平衡点”的方法。关于基桩自平衡静载试验的理论是通过将桩侧阻力假设为若干个弹簧受压变形而具有恢复趋势的弹性力。但是，一直以来，这种假设停留在理论图示上，没有制作出具体的模型。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种基桩自平衡静载试验机理演示的独立柱悬挂装置，可以在实验室内将基桩自平衡静载试验的机理直观的、完整的进行演示。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基桩自平衡静载试验机理演示的独立柱悬挂装置，包括荷载箱、基准梁和位移测试装置，还包括支架和弹性装置，支架固定在基准梁下方，作为基准梁的支撑，荷载箱位于基准梁与支架之间；弹性装置为两个，安装在支架上，一个位于荷载箱上板上方，另一个位于荷载箱下底板下方，且在荷载箱的作用下产生弹性形变，通过弹性装置的弹性形变及位移测试装置测得的位移量来得到荷载箱处于平衡点时的桩基承载力。

优选的，支架包括独立立柱和下支架底板，独立立柱起限位及导向作用，其依次穿过开设在荷载箱上板、下底板对应位置的通孔，顶端与基准梁固定，底端与下支架底板固定；下支架底板作为支架的底座。

优选的，弹性装置包括弹簧和弹簧固定板，弹簧套装在独立立柱上，其包括弹簧ⅰ、弹簧ⅱ，弹簧ⅰ位于弹簧固定板与上板之间，弹簧固定板安装在独立立柱上，用于对弹簧ⅰ进行限位，弹簧ⅱ位于下底板与下支架底板之间。

优选的，在独立柱悬挂装置的初始状态，弹簧ⅰ、弹簧ⅱ等长。

优选的，在弹簧ⅰ与上板之间安装可动板ⅰ，在弹簧ⅱ与下底板之间安装可动板ⅱ；可动板ⅰ、可动板ⅱ均套装在独立立柱上。

优选的，所述独立柱悬挂装置设定三个基准面，荷载箱中活塞与缸体贴合面为基准面一，位移测试装置中位移计底部为基准面二，可动板ⅱ底部为基准面三。

优选的，在弹簧ⅱ与下支架底板之间安装有弹簧固定板。

优选的，通孔围绕荷载箱轴心均匀分布，独立立柱为两个，且相对设置在荷载箱轴线的两侧。

优选的，在下支架底板的底部安装有滚轮。

优选的，位移测试装置包括上位移丝、下位移丝、滑轮和位移计，上位移丝的一端与上板固定，另一端穿过滑轮与位移计连接；下位移丝的一端与下底板固定，另一端穿过滑轮与位移计连接；滑轮固定在基准梁上。

原理：模拟桩基承载力自平衡试验中上下位移的检测，通过基准面的设定，将荷载箱工作时产生的位移量，由隐性基准面转换为显性基准梁，活塞和缸体之间的行程可通过上下位移丝传递到位移计上产生绝对位移量，从而将隐性的位移关系转换为显性的位移量；模拟桩基承载力自平衡试验，找到“平衡点”，通过弹簧ⅰ套入独立立柱内，弹簧ⅰ向下的力与缸体向上的力抵消，弹簧ⅱ套入独立立柱内，弹簧ⅱ向上的力与活塞向下的力抵消，独立立柱起到限位及导向作用，使其保持“平衡点”位置，通过弹簧ⅰ受力计算和弹簧ⅱ受力计算出力的平衡点，并得出实际数据。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、可以将桩基承载力自平衡试验理论上存在的“平衡点”通过该装置进行完整、直观的演示；

2、便携、易操作；

3、位移量的测定既可用基准面为参照转换，也可通过上、下端弹簧受力计算推算出位移量数据。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是本发明实施例初始状态示意图；

图3是本发明实施例工作状态示意图；

图4是本发明实施例位移关系示意图；

图5是本发明实施例向上运行力的平衡点示意图；

图6是本发明实施例向下运行力的平衡点示意图；

图中，1-基准梁；2-滑轮；3-位移计；4-上位移丝；5-下位移丝；6-上板钢筋笼；7-上板；8-刚性连接件；9-下底板；10-下底板钢筋笼；11-下支架底板；12-滚轮；13-独立立柱ⅰ；14-弹簧固定板ⅰ；15-弹簧ⅰ；16-可动板ⅰ；17-活塞；18-缸体；19-可动板ⅱ；20-弹簧ⅱ；21-弹簧固定板ⅱ；22-独立立柱ⅱ。

具体实施方式

需要说明的是，在本实施例中，方位词“上”、“下”、“顶”、“底”等均是依照附图所示进行描述，不构成对本发明的限制。另外，在本实施例中，“连接”、“固定”等可以是焊接、通过某一连接件连接或直接连接，在没有说明的情况下，本领域普通技术人员应该做符合本实施例的理解。

下面结合附图1-6对本发明做进一步详述：一种基桩自平衡静载试验机理演示的独立柱悬挂装置，包括荷载箱、基准梁1、位移测试装置、支架和弹性装置；支架固定在基准梁1下方，作为基准梁的支撑，荷载箱位于基准梁1与支架之间；弹性装置为两个，安装在支架上，一个位于荷载箱上板上方，另一个位于荷载箱下底板下方，且在荷载箱的作用下产生弹性形变，通过弹性装置的弹性形变及位移测试装置测得的位移量来得到荷载箱处于平衡点时的桩基承载力。

在本实施例中，荷载箱包括上板7、下底板9、千斤顶和刚性连接件8；千斤顶为多个，均匀布设在上板7与下底板9之间，其包括活塞17和缸体18，缸体18底部开口，活塞17置于缸体18内，通过外部加载装置向荷载箱推入高压液体时，荷载箱打开，缸体18和活塞17拉开距离，即缸体18向上移动，活塞17向下移动；上板7位于缸体上方，随缸体18一起向上移动；下底板9位于活塞下方，随活塞17一起向下移动；刚性连接件8安装在上板7与下底板9之间，其包括固定柱和活动柱，固定柱的高度与上板7、下底板9之间的距离相等，其顶部与上板7固定，且内部中空，活动柱滑动安装在固定柱内，其底部与下底板9固定；当荷载箱打开时，固定柱随上板7向上移动，活动柱随下底板9向下移动。上板7的上方固定上板钢筋笼6，下底板9的下方固定下底板钢筋笼10。

在本实施例中，基准梁1位于荷载箱的正上方，其轴线与荷载箱轴线垂直。

在本实施例中，位移测试装置包括上位移丝4、下位移丝5、滑轮2和位移计3，上位移丝4的一端与上板7固定，另一端穿过滑轮2与位移计3连接；下位移丝5的一端穿过上板7上的通孔与下底板9固定，另一端穿过滑轮2与位移计3连接；滑轮2固定在基准梁1上。为了提高位移量准确性，位移测试装置为两个，分别设置在基准梁的两端，且上位移丝4、下位移丝5保持竖直。

在本实施例中，支架包括独立立柱和下支架底板11，独立立柱起限位及导向作用，其上设置有外螺纹，独立立柱柱体依次穿过开设在荷载箱上板7、下底板9对应位置的通孔，顶端与基准梁1焊接固定，底端穿过开设在下支架底板11上的通孔，通过与之适配的螺母实现与下支架底板11的固定连接；下支架底板11作为支架的底座；荷载箱上的通孔围绕其轴心均匀分布，且可沿独立立柱上下移动；独立立柱为两个，包括独立立柱ⅰ13、独立立柱ⅱ22，独立立柱ⅰ13、独立立柱ⅱ22相对设置在荷载箱轴线的两侧。

在使用过程中，为了方便移动，在下支架底板11的底部安装滚轮12。

在本实施例中，弹性装置包括弹簧和弹簧固定板，弹簧套装在独立立柱上，且可在荷载箱的作用下拉伸或压缩，其包括弹簧ⅰ15、弹簧ⅱ20；弹簧固定板包括弹簧固定板ⅰ14、弹簧固定板ⅱ21；弹簧ⅰ15位于弹簧固定板ⅰ14与上板7之间，弹簧固定板ⅰ14安装在独立立柱上，通过螺母固定实现对弹簧ⅰ15的限位，弹簧ⅱ20位于下底板9与弹簧固定板ⅱ21之间，弹簧固定板ⅱ21与下支架底板11之间安装螺母，从而将弹簧固定板ⅱ21与下支架底板11隔离开。

为了将弹簧ⅰ15、弹簧ⅱ20的弹力更好的传递到上板7与下底板9上，在上板7上方设置可动板ⅰ16，在下底板9下方设置可动板ⅱ19，可动板ⅰ16、可动板ⅱ19均套装在独立立柱上，可动板ⅰ16可随着上板7一起向上移动，可动板ⅱ19可随着下底板9一起向下移动。即弹簧ⅰ15的顶端抵靠在弹簧固定板ⅰ14的下表面，底端抵靠在可动板ⅰ16的上表面，弹簧ⅱ20的顶端抵靠在可动板ⅱ19的下表面，底端抵靠在弹簧固定板ⅱ21的上表面。而且，如图2所示，初始状态时，独立柱悬挂装置中弹簧ⅰ15的长度为l1，弹簧ⅱ20的长度为l2，当活塞行程为0时，l1＝l2，即弹簧ⅰ15、弹簧ⅱ20在独立柱悬挂装置的初始状态等长。如图3所示，工作状态时，独立柱悬挂装置中弹簧ⅰ15的压缩量为δl1，弹簧ⅱ20的压缩量为δl2，活塞的行程为δs时，δl1+δl2＝δs。

工作原理：如图3所示，基准面一设定位置为活塞与缸体贴合面，基准面二设定位置为位移计底部，基准面三设定位置为可动板ⅱ底部。通过三个基准面的设定将隐性的位移关系转换为显性的位移量。如图4所示，通过外部加载装置向荷载箱推入高压液体；荷载箱打开，缸体和活塞拉开距离，以基准面一、二、三作为参考面，获得δs1、δs2位移量，δs为活塞行程即δs＝δs1+δs2；弹簧通过独立柱的限位及导向作用，使得荷载箱打开后，弹簧产生压缩量，获得δl1、δl2，因此，δl1+δl2＝δs1+δs2＝δs。

根据胡克的弹性定律指出:在弹性限度内,弹簧的弹力f和弹簧的长度x成正比,即f＝-kx,k是物质的弹性系数,它由材料的性质所决定,负号表示弹簧所产生的弹力与其伸长(或压缩)的方向相反。如图5-6所示。

将缸体为研究对象，f1为缸体向上的力；f2为缸体向下的力；p为压力；s为面积；

向上运行力的平衡点计算:(公式1)

f＝p·s-f＝ma

p·s-kδl1＝ma

p·s-kδl1＝0

p·s＝kδl1

∑f1＝0

向下运行力的平衡点计算:(公式2)

p·s+mg-f＝ma

p·s+mg-kδl2＝0

p·s+mg＝kδl2

∑f2＝0

位移量计算：(公式3)

f1＝p·s

f2＝p·s

f1＝f2

f1+kδl1＝0

f2+kδl2＝0

δl1＝δl2

通过上述公式(1)、(2)计算向上、向下的力确定力的平衡点，公式(3)推理可确定各基准面的位移关系，将荷载箱加载时的位移量从位移计处显示，且数据无误；加载压力值可通过弹簧力转换。

上述实施例仅仅是本发明的优选实施方式，不构成对本发明的限制。本领域普通技术人员应该理解的是，在不脱离本发明原理的基础上所做的任何引申、变形、等同替换等均在本发明的保护范围内。

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