[发明专利]基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明是关于海洋桩基工程研究领域，涉及一种基于模型箱试验的二维水平双向循环荷载加载装置及试验方法。

背景技术

随着海洋开发建设的不断拓展，以桩为基础的海洋工程建设越来越多，如海上风力发电机、海洋石油钻井平台、输电塔等。在海上的特殊环境下，如风浪的长期循环荷载作用，给桩基础的设计带来了很大挑战。循环荷载作用会导致桩周土体累积变形和塑性应变增加，使得上部结构倾斜过大，桩周土体刚度下降，桩基承载力降低。

由于海上自然状况的复杂，作用于桩基水平方向的波浪荷载、风荷载等方向具有不可确定性，海上平台桩基有很大一部分情况下承受着水平双向的循环荷载，相对于以往的一维水平循环加载研究，施加双向水平循环荷载对于海洋桩基循环弱化规律的研究更具真实性和准确性。双向加载作用使得桩的承载力较单向荷载作用下有明显改变。在双向循环荷载作用下，桩的强度和刚度较单向循环荷载作用有较大的区别。

然而目前对于受双向水平循环荷载的桩的研究非常有限，在实际工程中为了确保安全，采取放大安全系数的办法，从而产生了较大的浪费。因此，研究桩基在双向水平循环荷载作用下的性状改变，对于提高社会效益和经济利益都有较大的益处。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置及试验方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于模型箱的水平双向循环荷载加载装置，包括模型箱、加载系统和监测系统，各系统的具体结构和连接关系为：

所述模型箱为顶部开口的立方体箱型结构，其内部下侧装填土层，土层表面与箱体上缘之间的空间装水；在模型箱相邻的两条边缘上分别装有一个第一定滑轮；模型箱的中央设有一根模型桩，其下半部分竖直插入土层中；

所述加载系统包括两套完全相同的加载组件：加载组件中有一个力循环控制加载装置，力循环控制加载装置包括固定的底座，底座上设置两个与转轴相连的支架；该转轴贯穿设于长方形平衡双梁上的通孔，使平衡双梁能以转轴为中心进行摆动；转轴两侧的平衡双梁是不对称的，其中稍短一侧平衡双梁的端部装有平衡砝码；稍长一侧平衡双梁的端部上方装有电机，电机轴竖直向下穿过平衡双梁的端部；一根水平方向的转杆，其一端固定在电机轴的端部，另一端固定装有一个砝码；在电机与平衡双梁的转轴之间，固定设有一个与转轴平行的横杆，横杆上装有第二定滑轮；平衡双梁上装有电机的一端远离模型桩，装有平衡砝码的一端靠近模型桩；第一钢绞线的一端通过第二定滑轮固定在底座上，另一端固定在模型桩顶部的拉环上；第二钢绞线的一端固定在模型桩顶部的拉环上，另一端通过第一定滑轮后连接配重砝码；第一钢绞线与第二定滑轮、模型桩、第二钢绞线、第一定滑轮所形成的连线是一条垂直于模型箱边缘的直线，且两套加载组件中的该连线也是相互垂直的；

所述监测系统包括数据收集器，数据收集器通过电缆分别连接至测力计、应变片和位移传感器；其中，测力计有两个，分别装在两套加载组件中的第一钢绞线上；应变片有多个，粘贴在位于土层内的模型桩外侧的受荷载轴线上，并且在桩长方向均匀排列，在桩径方向上的排列与水平双向受荷方向相同；位移传感器装在模型桩与模型箱内壁之间的线缆上，该线缆位于第二钢绞线的下方。

本发明中，在模型箱相邻的两条垂直边缘上各装有一根水平方向的长杆，所述第一定滑轮装在长杆的中间。

本发明中，所述用于安装位移传感器的连线有多根，每根线缆上各装有一个位移传感器；所述线缆位于模型桩露出土层的部分，上下相邻两根线缆之间间隔10cm。

本发明中，所述模型箱的四个侧面和底部均为钢板；四个侧面的底部设有均匀布置的排水孔，排水孔中装有滤网。

本发明中，所述模型桩为空心钢管，与各应变片相接的电缆在穿过模型桩的内腔后与数据收集器相接。

本发明中，所述模型桩顶部的拉环包括扣于模型桩顶部的钢制帽状本体，其外侧连接有相互垂直四个方向的圆形拉环。

本发明中，所述数据收集器是计算机。

本发明进一步提供了利用前述装置进行波浪荷载加载试验的方法，包括以下步骤：

(1)填土

土层分为下层的砂砾层与上层的黏土层；先在模型箱中铺设厚度10cm的砂砾层，然后在砂砾层上铺设透水土工布，再装填黏土；黏土的装填按层进行，每填土15～20cm压实并注水，使土体充分饱和；静置后再填下一层黏土，每层土装填完成后，保证土层的表面水平，且在继续装填之前进行刮毛处理，避免人为分层；土层最终的上表面低于模型箱的上缘至少10cm以上；