[发明专利]一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台

说明书

技术领域

本发明涉及基础工程技术领域，具体涉及一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台。

背景技术

随着桥梁建设从内陆走向外海，深水、软基、强风、急流、波浪、强震等建设条件更加复杂，所需的桥梁跨径也越来越大。与中小跨径桥梁基础相比，长大桥梁深水基础不仅需要承受更大的竖向荷载，还由于面临船撞、强震、大风、巨浪等灾害作用产生的巨大水平力，这些水平力及其引起的附加弯矩对基础的作用甚至能达到与竖向力相同的量级，基础的受力模式和承载性能明显异于常规的内河及陆上的桥梁基础，竖向力、多点水平力、弯矩、扭矩等的共同静、动力作用是长大桥深水基础的主要特点，也是目前国内外研究较薄弱的部分。

由于土体材料的各向异性和分布的不均匀性，岩土工程领域的各种理论及数值模拟方法均存在诸多假定。因此，模型试验是研究地基基础的最有效方法之一，跨海工程或长大桥梁在初步设计、施工图设计及施工阶段都要安排相关的深水基础模型试验，用于检验基础受力性能及关键工艺的可靠性、校核理论分析与数值模拟结果的合理性、为设计施工提供技术支撑。国内外常用的深水基础模型试验主要有离心模型试验、室内及现场比尺模型试验等几类。离心模型试验优点在于可以用较小的模型重现原型应力场，其不足之处在于土的颗粒尺寸效应，此外由于模型尺寸较小，测量仪器的选择、布置和埋设比较困难；现场模型试验与原型的一致性较好，但费用昂贵、周期长、干扰因素多，多数作为一些重要工程的最终验证。所以，利用模型试验平台开展大比尺或足尺模型试验是揭示桥梁深水基础承载性能、检验理论设计方法、开发新型结构的有效手段，在国内外已得到广泛应用。

目前国内已有的试验平台如大型桩基模型试验系统、地基与边坡工程模型试验平台等规模较大，能开展大比尺模型试验研究，但试验对象主要针对常规的建筑结构基础等主要承受上部结构及基础自重荷载为主，试验平台偏重于竖向荷载模拟，无法实现真三维加载。部分试验平台在技术上进行了改良，实现了多向加载和水位模拟等功能。如城市地下工程模拟试验系统，可对多种类型的城市地下工程实现三维加载及地下水影响模拟试验，但这类试验平台的槽体结构为较小尺寸的钢结构，加载能力有限，且水平向作动器需沿立柱安装而无法灵活调整加载位置，可实现的加载方式仍较为单一。

因此，重点突破现有基础试验平台加载方式单一、偏重于竖向力作用模拟等薄弱环节，开发可移动式多点加载装置和水位模拟系统，搭建一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，既能针对深水基础的特点模拟多方向静动力荷载，又能开展不同地质及水位条件下多类型基础多工况试验，对于基础工程的发展具有重要意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有土工模型试验技术的不足，本发明的主要目的是提供一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，使其能够模拟竖向、横桥向、纵桥向所受的竖向力、水平力、弯矩、扭矩单一或组合工况的静动力作用，能够比较真实地模拟三向静动力作用下地基土-水-桥梁深水基础-桥塔(墩)的相互作用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种桥梁深水基础三向静动力加载模型试验平台，该平台包括：用于设置地基土30、水位31、深水基础模型32和桥塔模型33的试验基槽1；安装于试验基槽1的顶部用于给模型施加竖向静动力作用的竖向加载系统2；安装于试验基槽1的内侧壁上部用于给模型施加两个及以上水平向静动力作用的水平双向加载系统3；以及安装于试验基槽1的底部及外侧壁外侧用于试验基槽1内给排水及试验水位控制的水位模拟系统4。

上述方案中，所述试验基槽1包括实体钢筋混凝土底板5、实体钢筋混凝土侧壁板6和带加载孔的反力墙7。在所述试验基槽1外围上部沿带加载孔的反力墙7布置有安装操作室8，作为将水平双向加载系统3安装在带加载孔的反力墙7上的操作空间。

上述方案中，所述竖向加载系统2包括横梁9、立柱10、滑动导轨11、双向滑动板12、竖向电液伺服作动器13和球形铰14，其中：横梁9安装在立柱10上，安装位置能够沿立柱10上下调整；立柱10安装在滑动导轨11上；滑动导轨11预埋于试验基槽1的顶部；双向滑动板12固定于横梁9上；竖向电液伺服作动器13安装在双向滑动板12上；球形铰14位于竖向电液伺服作动器13的下端。在水平高频动载作用下，竖向电液伺服作动器13上端用球形铰14替代双向滑动板12，加载过程中通过控制系统实时计算修正水平向电液伺服作动器17的荷载值，消除竖向电液伺服作动器13角度变化引起的荷载偏差。