凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及樁基模擬裝置【技術領域】，特別涉及一種凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置。凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，包括用于向模型樁施加水平加載力的水平加載機構，水平加載機構具有沿加載方向延伸的軸線，還包括用于向模型樁施加豎向加載力的豎向加載機構，水平加載機構有一個或兩個以上，豎向加載機構設在用于補償模型樁的水平位移的行走機構上。該試驗裝置能夠在模擬凍土環(huán)境中樁基受力工況，且與實際工況的相似度高，不僅可單獨完成水平與豎向的靜載實驗，也可完成水平與豎向荷載共同作用的靜載實驗；在進行水平方向的靜動力加載時，可模擬實際工程中上部結構產(chǎn)生的豎向荷載。本發(fā)明為凍土環(huán)境中樁基礎的承載特性研究提供良好的基礎。
【專利說明】凍土環(huán)境中粧基模型試驗裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及樁基模擬裝置【技術領域】，特別涉及一種凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置。
【背景技術】
[0002]目前對于凍土環(huán)境中基樁的荷載傳遞機理、破壞性狀、承載能力以及內力和位移的分析研究大都局限于豎向或水平荷載單獨作用下，在實際工程中基樁單純承受豎向或橫向荷載作用的情況很少，往往在承受軸向荷載的同時，還承受有水平荷載的作用。當水平荷載和豎向荷載共同作用于基樁時，水平荷載將使樁身產(chǎn)生較大的彎矩并發(fā)生撓曲變形。目前對凍土環(huán)境中樁基的試驗研究，采用現(xiàn)場試驗的方法通常不易實現(xiàn)，且操作程序復雜，代價較大，多采用室內試驗的研究方法。
[0003]凍土環(huán)境中樁-土動力相互作用是一個亟須研究的課題，但由于受各種條件的限制，缺乏足夠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，制約了該方向相關理論的研究，因此室內模型試驗變得尤為重要。
[0004]中國期刊文件《巖土力學》第33卷第2期中《凍融條件下模型樁基水平動力試驗研究》一文中，公布了一種樁動力試驗裝置，該動力試驗裝置包括加載框架、土箱和制冷系統(tǒng)，土箱內裝有土體，制冷系統(tǒng)用于調節(jié)土體的溫度而得到凍土，土箱內插裝有豎直設置的模型樁，加載框架上裝配有一個用于向模型樁施加水平加載力的水平加載機構，水平加載機構的軸線沿加載方向延伸，且與模型樁的軸線垂直相交，水平加載機構包括加載軸，加載軸用于直接向模型樁傳遞水平振動載荷，但是，該裝置只能對模型樁進行水平單向振動研究，與實際工況相差較遠。
[0005]現(xiàn)有的樁動力試驗裝置，通常只單獨包括豎向加載機構或水平加載機構，這樣是因為當同時包括豎向加載機構和水平加載機構時，當模型樁發(fā)生水平位移時，豎向加載機構不能隨模型樁水平移動，豎向加載機構會與模型樁分離而不能對模型樁施加豎向作用力。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，以提高試驗裝置模擬樁基實際工況的相似度。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案:凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，包括用于向模型樁施加水平加載力的水平加載機構，水平加載機構具有沿加載方向延伸的軸線，還包括用于向模型樁施加豎向加載力的豎向加載機構，所述水平加載機構有一個或兩個以上，所述豎向加載機構設在用于補償模型樁的水平位移的行走機構上。
[0008]所述水平加載機構包括加載彈簧，加載彈簧的軸線與其所屬水平加載機構的軸線共線。
[0009]水平加載機構還包括加載軸和與加載軸傳動連接的往復驅動機構，加載彈簧設在加載軸與往復驅動機構之間或用于設置在加載軸與模型樁之間。
[0010]往復驅動機構包括旋轉軸和止旋裝配在旋轉軸上的輸出輪，輸出輪具有用于頂壓驅動相應加載軸的外周面。
[0011]輸出輪包括輪芯和套在輪芯上的減摩軸承，輸出輪的外周面由減摩軸承的外周面構成。
[0012]所述水平加載機構的數(shù)量為一個。
[0013]所述豎向加載機構包括可上下移動的螺旋千斤頂。
[0014]所述行走機構包括導軌和滑動導向裝配于導軌上的滑塊結構，滑塊結構與豎向加載機構相連，導軌的軸線與水平加載機構的軸線平行。
[0015]所述導軌為反力梁，滑塊結構包括找正箱，找正箱上開設有供反力梁通過的讓位結構，找正箱內設有滾桿，滾桿的軸線沿反力梁的寬度方向延伸，反力梁的下側具有與滾桿滾動配合的上配合面，找正箱的上部設有上部軸承，上部軸承的軸線沿反力梁的寬度方向延伸，反力梁的下側具有與上部軸承滾動導向配合的下配合面，找正箱通過上部軸承懸掛在反力梁上。
[0016]所述找正箱上設有用于限制找正箱向反力梁兩側移動的限位軸承，限位軸承的軸線上下延伸，限位軸承設于反力梁的兩側面且與反力梁滾動配合。
[0017]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置能夠在模擬凍土環(huán)境中樁基受力工況，且與實際工況的相似度高，不僅可單獨完成水平與豎向的靜載實驗，也可完成水平與豎向荷載共同作用的靜載實驗；在進行水平方向的靜動力加載時，可模擬實際工程中上部結構產(chǎn)生的豎向荷載。本發(fā)明為凍土環(huán)境中樁基礎的承載特性研究提供良好的基礎。
[0018]進一步的，由于水平加載機構包括加載彈簧，因此通過改變加載彈簧的剛性系數(shù)可以實現(xiàn)加載的振動載荷幅值的改變。
[0019]進一步的，減摩軸承與加載軸之間的摩擦力小，能夠保證在振動過程中減摩軸承與加載軸穩(wěn)定接觸并傳遞載荷。
[0020]進一步的，行走機構包括導軌和滑塊，其工作原理和結構簡單，便于加工。
[0021]進一步的，限位軸承可限制找正箱向反力梁兩側移動，即可避免找正箱發(fā)生側移，進而能避免豎向加載機構發(fā)生側移，提高了試驗精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置的實施例1的主視圖；
圖2是本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置的實施例1的后視圖；
圖3是本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置的實施例1的左視圖(帶剖視)；
圖4是本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置的實施例1的俯視圖；
圖5是制冷系統(tǒng)的結構示意圖；
圖6是豎向加載機構的主視圖；
圖7是豎向加載機構的左視圖；
圖8是行走機構的橫剖視圖；
圖9是行走機構的縱剖視圖； 圖10是行走機構的俯視圖；
圖11是水平荷載加載機構的結構示意圖；
圖12是軸向支座與底座的連接結構示意圖；
圖13是底座的結構不意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置的實施例1，如圖1-13所示:該凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置包括土箱1、加載框架2、模型樁3、水平加載機構4、豎向加載機構101、冷卻系統(tǒng)102和行走機構103。
[0024]土箱I為正方體結構，土箱I內充裝有土體11。模型樁3上下延伸，模型樁3設有土箱I內，模型樁3位于土箱I的中心位置處，模型樁3的下部埋于土箱I中而被土箱I中的土體固定，模型樁3的上部從土箱I內的土體中伸出，模型樁的上端的周面上設有位移傳感器104，位移傳感器104用于測試模型樁的水平位移和豎直位移。
[0025]加載框架固設于土箱的外周。加載框架2為鋼制材料。水平加載機構4和豎向加載機構101裝配于加載框架2上。
[0026]水平加載機構4用于向模型樁施加水平加載力，水平加載機構4具有沿加載方向延伸的軸線。水平加載機構4的軸線與模型樁3的軸線呈垂直設置。水平加載機構的數(shù)量為一個。在本實施例中，水平加載機構的軸線左右延伸。
[0027]水平加載機構4均包括加載彈簧5、加載軸6和往復驅動機構。加載彈簧5的軸線與其所屬水平加載機構的軸線共線。往復驅動機構與加載軸6傳動連接，加載彈簧5設在加載軸6與模型樁3之間。加載彈簧5上靠近往復驅動機構的一側的端部設有卡環(huán)7?？ōh(huán)7固設于加載軸6上，加載彈簧5的一端為固定端、另一端為自由端，加載彈簧的固定端通過卡環(huán)7固定裝配在加載軸6上,加載彈簧5的自由端朝向模型樁3。通過卡環(huán)7可以限制加載彈簧5的固定端朝向往復驅動機構一側移動。將加載彈簧朝向模型樁一側的運動定義為正向移動，將加載彈簧遠離模型樁一側的運動定義為反向移動。在本實施例中，通過卡環(huán)7可以限制加載彈簧5的方向移動。
[0028]往復驅動機構包括旋轉軸81和止旋裝配在旋轉軸81上的輸出輪82，輸出輪81具有用于頂壓驅動相應加載軸6的外周面。在本實施例中，輸出輪82包括輪芯821和套在輪芯821上的減摩軸承822，輸出輪82的外周面由減摩軸承822的外周面構成。該輪芯821為偏心輪，在使用時，通過更換不同大小的偏心輪的方法，可實現(xiàn)不同的偏心距，從而可改變輸入荷載的大小。在其它實施例中，輸出輪還可以不包括減摩軸承，輸出輪的外周面由輪芯的外周面構成。
[0029]在本實施例中，旋轉軸81為電機軸，旋轉軸81上連接有用于驅動旋轉軸81轉動的電機91，電機91固設于電機臺座92上，電機臺座92與加載框架2固定連接，電機91通過電機臺座92固定裝配在加載框架2上，電機臺座92由鋼板焊接而成。電機91上連接有數(shù)字式變頻控制儀93，通過數(shù)字式變頻控制儀93可控制電機91的轉速，進而可實現(xiàn)不同的加載頻率和加速度。在其它實施例中，旋轉軸還可以采用其它的動力源，如油缸。
[0030]在本實施例中，加載軸6上套設有用于限制加載軸6徑向位置的軸向支座61。每個加載軸6上設有兩個沿加載軸的軸線間隔設置的軸向支座61。軸向支座61具有用于穿裝加載軸的軸孔611，該軸孔611內設有儲油結構。儲油結構可注入潤滑油，能起到減少加載軸與軸向支座之間的摩擦力。該儲油結構為儲油槽，該儲油槽為環(huán)形凹槽6111，環(huán)形凹槽內設有鋼珠6112。鋼珠可減小軸向支座與加載軸之間的摩擦力。在其它實施例中，儲油槽還可以弧形凹槽；或儲油結構還可以為儲油孔；或者還可以省去該儲油結構。電機臺座92上固設有底座62，軸向支座61固定裝配在底座62上。底座62設于軸向支座61的下部，兩者之間通過螺栓固連在一起。軸向支座61通過底座62固定裝配于電機臺座92上。底座62包括支撐平臺621和設于支撐平臺621下部的支撐桿622，該支撐桿622為空心結構。
[0031]系統(tǒng)輸入的水平振動荷載幅值的改變可通過兩種方法實現(xiàn):一是通過更換不同大小的偏心輪或通過調整偏心輪上的OA線與豎直方向OB線之間的夾角α的大小來實現(xiàn)，當α=0°時,偏心距最大,加載軸的行程最大,荷載幅值最大；當α =180°時,偏心距最小,力口載軸的行程最小，荷載幅值最??；二是通過改變加載彈簧的剛度系數(shù)來實現(xiàn)。
[0032]系統(tǒng)輸入的水平荷載頻率和加速度可通過數(shù)字式變頻控制儀調節(jié)，從而可實現(xiàn)無級變速及加速度的大小改變。
[0033]豎向加載機構101用于向模型樁施加豎向加載力，行走機構103用于補償模型樁的水平位移，豎向加載機構101設在行走機構103上。
[0034]豎向加載機構101包括可上下移動的螺旋千斤頂1011，螺旋千斤頂1011的下部設有壓力傳感器1012，該壓力傳感器1012用于讀取所施加豎向靜荷載的大小。
[0035]行走機構103包括導軌和滑動導向裝配于導軌上的滑塊結構，滑塊結構與豎向加載機構相連，導軌的軸線與水平加載機構的軸線平行。在本實施例中，導軌為反力梁1031，反力梁1031固定裝配于加載框架上，反力梁1031的截面為方形，滑塊結構包括找正箱1032，找正箱1032上開設有供反力梁1031通過的讓位結構，該讓位結構為讓位槽1033，在其它實施例中，還可以為讓位孔。找正箱1032內滾動裝配有滾桿1034，滾桿1034的軸線沿反力梁1031的寬度方向延伸，反力梁1031的下側具有與滾桿1034滾動配合的上配合面，找正箱1032的上部設有上部軸承1035，上部軸承1035的軸線沿反力梁1031的寬度方向延伸，反力梁1031的下側具有與上部軸承1035滾動導向配合的下配合面，找正箱通過上部軸承懸掛在反力梁上。找正箱1032上設有用于限制找正箱向反力梁前后兩側移動的限位軸承1036，限位軸承1036的軸線上下延伸，限位軸承1036設于反力梁的兩側面且與反力梁滾動配合。找正箱1032與螺旋千斤頂1011之間通過上下延伸的擴大頭1013連接。在本實施例中，上部軸承1035有兩個，分別位于反力梁1031的前、后兩側；限位軸承1036有四個，其中兩個位于反力梁1031的前側且間隔設置，另兩個位于反力梁1031的后側且間隔設置；滾桿1034的兩端通過端部軸承1037裝配于找正箱1032上。
[0036]冷卻系統(tǒng)102用于將土體11制備為凍土，并能調節(jié)凍土的溫度。由于冷卻系統(tǒng)102包括制冷管1021，制冷管1021圍設于土體的外周，制冷管1021上設有毛細管1022，土體11與土箱I的內壁之間設有保溫材料1023，土箱I的外部設有冷凝器1024，冷凝器1024與制冷管1021的一端連接，冷凝器1024通過進氣管1026與壓縮機1027相連，壓縮機1027通過出氣管1025與制冷管1021的另一端連接，壓縮機1027上還連接有溫控器1028，溫控器1028上連接有溫度傳感器1029，該溫度傳感器設于土體11內。
[0037]采用本發(fā)明的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置的實施例1進行試驗時的試驗過程如下: 在運行試驗前，首先進行對箱體I中的凍土的溫度進行調節(jié)。施加載荷前，首先完成對土體的冷卻，先將制冷系統(tǒng)內充入制冷劑，啟動壓縮機1027，根據(jù)所需要的土體負溫環(huán)境，由溫控器1028設定壓縮機工作的上限及下限溫度，將常溫制冷劑加壓后，使之通過進氣管1026流入冷凝器1024，借助散熱片散熱后，氣態(tài)制冷劑冷凝成液態(tài)。高壓液態(tài)的制冷劑通過毛細管1022進入制冷管1021后，壓力急劇減小，蒸發(fā)變成氣體，伴隨著該過程將土體內部的熱量帶走，之后制冷劑通過出氣管1025進入壓縮機1037，如此循環(huán)，達到冷卻土體的目的，通過溫控器1028調節(jié)獲得不同溫度的凍土。試驗過程中可制作一層塑料薄膜，在土體凍結過程中嚴密覆蓋于試驗箱上部敞口處，使樁-土體系與外界熱空氣隔開，僅處于制冷系統(tǒng)所營造的負溫環(huán)境中。
[0038]一、向靜荷載施加的操作步驟:
擰動螺旋千斤頂，通過調節(jié)螺紋的長度實現(xiàn)不同的豎向力，通過壓力傳感器來讀取所施加豎向壓力的大小，通過位移傳感器測得模型樁的沉降量。通過溫控器調節(jié)獲得不同溫度的凍土。
[0039]二、水平靜荷載施加的操作步驟:
在水平方向上，切斷電機的電源，用扳手擰緊電機軸并緩慢轉動，電機軸帶動偏心輪轉動，減摩軸承822與加載軸6的端部接觸并推動加載彈簧5將荷載施加給模型樁。通過溫控器1028調節(jié)獲得不同溫度的凍土。
[0040]三、豎向和水平靜載共同作用操作步驟:
在水平方向上，用扳手擰緊電機軸并緩慢轉動，電機軸帶動偏心輪轉動，減摩軸承822與加載軸6的端部接觸并推動加載彈簧5將荷載施加給模型樁。在豎直方向上，擰動螺旋千斤頂，通過調節(jié)螺紋的長度實現(xiàn)不同的豎向力，通過壓力傳感器來讀取所施加豎向壓力的大小。加載過程中當模型樁產(chǎn)生水平位移時，找正箱會緊隨模型樁沿反力梁移動產(chǎn)生同樣方向的水平位移，同時保證施加的豎向靜荷載不間斷。通過溫控器儀調節(jié)獲得不同溫度的凍土。
[0041]四、考慮豎向荷載作用下水平動荷載操作步驟:
進行加載試驗前，先將模型樁埋置在凍土中，將電機接通電源。
[0042]在水平方向，啟動電機，電機軸帶動偏心輪轉動，減摩軸承822與加載軸6的端部接觸并推動加載彈簧5將荷載施加給模型樁。
[0043]在豎直方向，當模型樁產(chǎn)生水平方向上的位移時，找正箱內的滾杠與反力梁接觸并沿反力梁方向產(chǎn)生相同的位移，滑動箱上部設置的四個限位軸承會嚴格限制了找正箱的橫向側移，兩個上部向軸承使找正箱能懸掛在反力梁上并沿縱向移動，從而實現(xiàn)豎向荷載穩(wěn)定不間斷的施加，且作用在樁頂?shù)淖饔命c不改變。豎向荷載的大小主要通過螺旋千斤頂?shù)穆菟〝Q緊長度決定，其大小由連接在螺旋千斤頂下端的壓力傳感器測量讀取。
[0044]在其它實施例中，加載彈簧還可以設置在加載軸與模型樁之間，此時，使用時加載軸直接向模型樁施加水平振動載荷；此外，還可以在加載彈簧的兩端均設置卡環(huán)，或僅在加載彈簧上靠近往復驅動機構的一側的端部上設置用于限制加載彈簧朝向往復驅動機構一側移動的卡環(huán)。
[0045]在其它實施例中，還可以省去加載彈簧。
[0046]在其它實施例中，水平加載機構還可以是曲柄滑塊機構或絲杠螺母機構。[0047]在其它實施例中，水平加載機構還可以為兩個或兩個以上，各個水平加載機構的軸線除了共面垂直交叉外，還可以有空間垂直和交叉的情況；相鄰水平加載機構的軸線之間的夾角還可以為除O度和180度以外的其它數(shù)值。
[0048]在其它實施例中，加載框架還可以其它金屬制成，如銅、鋁合金等。
[0049]在其它實施例中，還可以省去端部軸承；還可以省去限位軸承。
[0050]在其它實施例中，導軌和滑塊結構還可以采用其它的配合結構，如導軌的下端面上設有導槽，滑塊結構的上部的兩側具有凸部，凸部伸入導槽內且與導槽滑動配合；或滑塊結構的兩側壁上開設有滑槽，滑動結構上具有與滑槽配合的插入配合結構。
【權利要求】
1.凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，包括用于向模型樁施加水平加載力的水平加載機構，水平加載機構具有沿加載方向延伸的軸線，其特征在于:還包括用于向模型樁施加豎向加載力的豎向加載機構，所述水平加載機構有一個或兩個以上，所述豎向加載機構設在用于補償模型樁的水平位移的行走機構上。
2.根據(jù)權利要求1所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:所述水平加載機構包括加載彈簧，加載彈簧的軸線與其所屬水平加載機構的軸線共線。
3.根據(jù)權利要求2所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:水平加載機構還包括加載軸和與加載軸傳動連接的往復驅動機構，加載彈簧設在加載軸與往復驅動機構之間或用于設置在加載軸與模型樁之間。
4.根據(jù)權利要求3所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:往復驅動機構包括旋轉軸和止旋裝配在旋轉軸上的輸出輪，輸出輪具有用于頂壓驅動相應加載軸的外周面。
5.根據(jù)權利要求4所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:輸出輪包括輪芯和套在輪芯上的減摩軸承，輸出輪的外周面由減摩軸承的外周面構成。
6.根據(jù)權利要求1所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:所述水平加載機構的數(shù)量為一個。
7.根據(jù)權利要求1所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:所述豎向加載機構包括可上下移動的螺旋千斤頂。
8.根據(jù)權利要求6所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:所述行走機構包括導軌和滑動導向裝配于導軌上的滑塊結構，滑塊結構與豎向加載機構相連，導軌的軸線與水平加載機構的軸線平行。
9.根據(jù)權利要求8所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:所述導軌為反力梁，滑塊結構包括找正箱，找正箱上開設有供反力梁通過的讓位結構，找正箱內設有滾桿，滾桿的軸線沿反力梁的寬度方向延伸，反力梁的下側具有與滾桿滾動配合的上配合面，找正箱的上部設有上部軸承，上部軸承的軸線沿反力梁的寬度方向延伸，反力梁的下側具有與上部軸承滾動導向配合的下配合面，找正箱通過上部軸承懸掛在反力梁上。
10.根據(jù)權利要求9所述的凍土環(huán)境中樁基模型試驗裝置，其特征在于:所述找正箱上設有用于限制找正箱向反力梁兩側移動的限位軸承，限位軸承的軸線上下延伸，限位軸承設于反力梁的兩側面且與反力梁滾動配合。
【文檔編號】E02D33/00GK103821186SQ201410047786
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月11日 優(yōu)先權日:2014年2月11日
【發(fā)明者】呂冰, 高笑娟, 王丹 申請人:河南科技大學