[实用新型]一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及桩基工程的模型试验技术，尤其涉及一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置，主要涉及桩基模型试验，可模拟施加海洋动力环境中多种复杂荷载，并获取模型桩在复杂荷载作用下桩土相互作用过程的相关参数。

背景技术

模型试验是通过尺缩的方法，充分考虑几何相似、物理相似和运动相似等相似条件，结合实际需要人为控制模型物比例、荷载大小、方向、作用点和环境参数等条件的一种试验方法。目前关于桩基模型试验，主要包括静荷载和动荷载两方面的试验。按照现行的土工规范进行，其中静荷载试验主要采用液压千斤顶配合反力梁、百分表的方法对单桩进行加载；具体方法又分为慢速荷载维持法和快速荷载维持法。桩基模型试验观测的主要参数包括桩基位移沉降与所施加荷载的关系，通常采用的是百分表的方法，功能上比较单一，且需要对模型桩进行长时间的加载和观测；手动液压千斤顶由于其自身不具有自动保压功能，在实际使用过程中，压力值会有一定程度的波动，导致测定数据不准。

同时，由于海洋工程中桩基时常需要承受复杂的动荷载，例如包括多种方向的循环荷载，施工建设中的冲击荷载，大小方向和频率常常变化，这使得在开展模型试验的过程中，要充分考虑这些荷载的多变性。例如当模拟海洋工程中的波浪荷载和风荷载以及海冰冲击时，荷载具有周期性，且频率、能量大小、方向可变。在模拟桩基工程沉桩施工方法过程中，尤其针对打入式桩在沉桩过程中的试验研究，还需要考虑沉桩过程中桩受到的锤击能量和频率等因素，同时需要测定桩身轴力、桩身变形和桩周土土压力等多种因素。在单桩承载力过程中，有时还要考虑桩的自身变形和桩-土相互作用的方式问题，例如土体所受压力和土体自身孔隙水压力等参数也需要进行测量，现有的桩基模型试验中，一方面对桩基模型试验中荷载的复杂性考虑较少、另一方面对桩-土相互作用时土体中相关参数的采集也有所欠缺。

涉及海洋工程中的桩基模型试验其所受荷载复杂，对于荷载的模拟以及施加都有诸多要求，同时加上采集的参数数量较多，为模拟环境荷载更需要进行诸多种类的模型试验，现行的做法往往需要进行分开测定，即制作多套模型装置分别开展试验，这样不仅耗费了时间，也不能将多种荷载叠加作用的情况进行综合考虑。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种钙质砂动静荷载多功能桩基模型试验装置。

本实用新型适用于在不同环境、不同加载周期、不同能量级的冲击荷载作用下，测量桩体下沉位移、自身变形和桩侧与桩端土压力变化的情况，采用可方便组合的多种荷载施加部分和方法，便于开展多种类型的桩基模型试验。

具体地说，本装置包括钙质砂、模型箱、整体支架、水位波动部分、竖向荷载施加部分、水平荷载施加部分、液压加载部分、气压加载部分、模型桩、传感采集系统和液压升降平台；

其位置和连接关系是：

在整体支架的底部设置有液压升降部分，在液压升降部分上设置有模型箱，在模型箱内盛装有钙质砂，在钙质砂内设置有模型桩；

水位波动部分和模型箱连接；

竖向荷载施加部分、水平荷载施加部分、液压加载部分和气压加载部分的固定端分别置于整体支架上，其活动端分别与模型桩连接；

传感采集系统分别与模型桩和模型箱连接。

与现有技术相比，本实用新型具有下列优点和积极效果。

①操作简便，可对模型桩施加多种类型的荷载，例如竖向荷载、水平荷载，并可在不同荷载施加部分间进行快速移动切换，进一步可模拟海洋工程中复杂的动力环境，便于开展多种类型的桩基模型试验，解决了常规模型试验需要多套装置，操作程序复杂、耗时耗力的问题；

②区别于常见桩基模型试验中进行挖土埋入式成桩测定承载特性的不足，可直接锤击式成桩，模拟桩基工程施工中的沉桩过程，并可对锤击能量、锤击频率等参数进行改变，更加符合实际单桩成桩过程，测定的桩的承载特性更为准确；

③传感数据采集部分，可对桩基模型试验中桩-土相互作用过程进行数据采集，通过埋设传感器，可实时获取桩-土相互作用过程中土体所受压力、土体孔隙水压力、土体加速度和桩身变形等相关参数；

④充分考虑了桩在特定海洋环境中所受波浪荷载的情况，由于海洋环境中所受波浪荷载实际是多向荷载，现有桩基模型试验往往将其考虑为单一方向荷载，较为单一，本实用新型中的多向荷载施加部分在现有桩基模型试验中较少，可对模型桩施加大小、频率不同的圆周多向荷载，模拟波浪荷载的多向性；