CN108487335A - 一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法，该装置包括试验箱、试验桩、反力架、上刚性梁、固定杆及上部加载单元，试验箱为方形钢架，上部加载单元主要部件为电动式激振器，利用上刚性梁悬吊于试验箱上方。激振器的动力幅值，加载频率，加载波形等由信号控制器控制。试验桩桩顶设有位移传感器，沿桩身方向设有电阻应变片。该装置可以模拟桩基基础受到的振动荷载的工况，能够调节动荷载的振动幅值和振动频率，且能够测量并自动记录桩顶所受激振力、位移以及桩身应力分布。装置结构简单，能够实现对长期竖向循环荷载作用下的单桩承载力及变形特性的***研究，对桩基础工程设计中桩基承载力及其变形的计算具有重要意义。

Description

一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程、地质工程土工测试技术领域，具体涉及一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法。

背景技术

桩基础作为一种常用的基础形式，被大量用于工程建设中，尤其适用于对沉降控制和承载力有严格要求的工程项目。随着风力发电、海洋工程、新型能源及高速铁路的新建与发展，桩基越来越多承受循环荷载的作用。在循环荷载作用下，桩基承载及变形特性不同于静荷载情况。循环荷载作用下单桩承载及变形特性是非常复杂的桩土相互作用问题，作用机理复杂，影响因素众多。

目前，国内外学者采用物理模型实验、理论分析及数值分析等方法对循环荷载作用下桩的力学特性进行研究。大多数试验仅对桩顶荷载和位移进行了量测，而对桩身轴力、端阻力、桩土界面孔压及土压力等关键物理量的循环变化规律缺乏***试验研究，无法对循环荷载作用下的桩土相互作用特性进行深入了解，对其发生机理更难以给出合理解释。而在沿海地区，因深厚软土的存在，桩基的承载力主要靠桩侧摩阻力提供，桩侧摩阻力在循环荷载作用下会发生变化，从而影响桩基承载力和变形，这将对桩基的工程性质产生不利影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法，以获得振动荷载作用下，单桩桩身不同位置处的应力分布情况，通过获取桩顶、桩身、桩端三处位置的数据，进而分析在不同动荷载振幅和频率的作用下，桩体的承载力和变形特征，同时评估单桩的动承载力大小。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，包括用于装填试验土样的试验箱、设于试验箱内的试验桩、设于试验箱外部的反力架、设于反力架上端的上刚性梁、设于上刚性梁上的固定杆及上部加载单元，所述上部加载单元包括依次连接的激振器、功率放大器和信号发生器，所述激振器安装在所述固定杆的下端，并位于试验桩的上方，所述激振器下端的激振头处设有用于记录激振力大小及波形的拉压传感器，所述试验桩上部的桩头处设有用于测量桩顶位移的位移传感器，所述试验桩下部的桩端处设有用于测量桩端阻力的土压力传感器，所述试验桩的桩身自上而下设有多个用于测试桩身应力分布的电阻应变片，所述拉压传感器、位移传感器、土压力传感器以及电阻应变片均连接动态数据采集仪，并传输至计算机进行显示和处理。

进一步地，是由四根角钢和若干扁钢焊连成的方形钢架，试验箱的四周及底部为与方形钢架焊接的钢板，试验箱的内表面光滑。

进一步地，所述试验箱的底端设有排水阀。

进一步地，所述试验箱的两侧设有底座，所述底座上设有用于固定反力架的卡槽，所述反力架通过螺栓固定于底座上，可通过螺纹杆调整高度。

进一步地，所述上刚性梁通过两侧的上刚性梁卡口设在反力架上，并通过螺纹栓固定。

进一步地，所述上刚性梁的中部设有若干内螺纹孔，所述固定杆穿过内螺纹孔，并通过螺纹栓固定，所述固定杆位置通过不同的内螺纹孔可进行左右移动，实现激振器的横向移动。

进一步地，所述的激振器为电动式激振器。

进一步地，所述的信号发生器可连续地输出任意波形的函数信号。

一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验方法，包括以下步骤：

(a)根据研究目标，确定试样土样，并测定试验土样的含水率、密度，并将试验土样填入试验箱内至所需高度，并分层压实，填筑完毕后，需要对试验土样进行预压固结；

(b)待试验土样固结完成后，采用静力压入的方法进行压桩，压桩的速度100mm/min，压桩时间为8min，通过在桩顶处设置的位移传感器监测桩***移；

(c)压桩完毕，待休止期结束之后，对试验桩进行循环加载试验，开启信号发生器，设置振动波形，打开功率放大器，调节信号幅值大小，开启动态数据采集仪和计算机，记录振动过程中桩顶荷载和桩***移；

(d)加大幅值或改变频率，重复上一步骤，直至振动时间或桩顶位移达到要求；

(e)试验结束后，依次关闭功率放大器，信号发生器和动态数据采集仪，根据桩顶动荷载和桩顶位移，计算单桩动承载力极限，根据桩端土压力传感器和桩身电阻应变片，计算得到沿桩身应力分布以及桩侧摩阻力分布情况。

进一步地，步骤(c)输入的循环荷载的一个周期内计算方法为：

其中：

P(t)是高铁荷载幅值；

t是时间；

L是高铁转向架轮对之间的距离；

v是高铁行进速度；

w为高铁荷载对应的频率，w＝v/πD，D是高铁轮对直径。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明适用于小比例尺的任意桩型的单桩循环加载试验，该装置可模拟桩体承受不同振动幅值和频率的荷载的工况，且试验过程中可全面得到桩顶荷载、桩顶位移、桩身应力分布以及桩端所受桩端阻力等多种参数；

2)本发明通过合理设置传感器监测位置，采用电阻应变片和压力传感器的联合布置，实现对沿桩身应力分布的研究，从而计算得到桩侧摩阻力的分布情况。试验装置及试验过程能够保证所采集数据的有效性，且能多角度反应单桩在循环加载条件下的应力分布及变化情况；

3)本发明涉及到的试验装置各试验部件均可拆卸、调节，操作性强，获取试验数据可靠性强，研究单桩在循环荷载下的承载力和沉降变形情况，对桩基础工程的设计具有重要意义。

附图说明

图1为本发明单桩循环加载试验装置的结构示意图；

图2为上刚性梁的俯视图；

图中：1-试验箱、2-试验土样、3-试验桩、4-电阻应变片、5-位移传感器、6-激振器、7-固定杆、8-上刚性梁、9-反力架、10-底座、11-功率放大器、12-信号发生器、13-动态数据采集仪、14-计算机、15-排水阀、16-土压力传感器、17-拉压传感器、18-上刚性梁卡口、19-内螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，该装置包括试验箱1、反力架9、上刚性梁8、固定杆7及上部加载单元，试验箱1由四根角钢和若干扁钢焊连成方形钢架，用于填筑试验土样2，并在试验箱1中进行压桩。试验箱底端设有排水阀15，可利用排水阀门控制排水条件和排水速率。两侧设有固定反力架的底座10，底座10上设有卡槽用于固定反力架。反力架通过螺栓固定于底座上，并可通过自身通过螺纹杆调整高度。

如图2所示，上刚性梁8两侧有上刚性梁卡口18，通过两侧上刚性梁卡口18可架在反力架9上，用螺纹栓固定，可根据实际情况进行拆卸。上刚性梁中部设有若干内螺纹孔19、固定杆7穿过内螺纹孔19，通过螺纹栓固定。

上部加载单元由激振器6、功率放大器11和信号发生器12三部分构成。激振器连接固定杆7，通过固定杆悬吊于试验箱上方。通过改变固定杆位置，可实现激振器的横向移动。可根据试验要求设置不同的荷载波形、幅值和频率。激振器为JZQ-20型电动式激振器，对试验桩提供激振力。功率放大器采用KD5702型功率放大器作为振动试验和振动测量的大功率激振源，可调节3A至15A的输出电流限制保护，并对输出晶体管、散热器进行温度保护，可指示输出晶体管失效和输出信号削波。信号发生器可采用AFG3000C型函数信号发生器，可以连续地输出任意波形的函数信号。函数信号的频率在10MHz内和幅度均可连续调节。通过固定杆悬吊于试验箱上方的激振器连接外设功率放大器11，功率放大器连接信号发生器12。所输入的循环高铁荷载的一个周期内计算方法为：

其中：

P(t)是高铁荷载幅值；

t是时间；

L是高铁转向架轮对之间的距离；

v是高铁行进速度；

w为高铁荷载对应的频率，w＝v/πD，D是高铁轮对直径。

试验土样2为重塑的黏土，土体可设置为单层或多层。试验桩3桩身材料为有机玻璃。

量测设备包括拉压传感器17、土压力传感器16、位移传感器5和电阻应变片4。拉压传感器17用于直接测量作用在桩顶上的荷载。土压力传感器16贴于桩底，测量桩端所受到的端阻力。位移传感器5采用YWC型应变式位移传感器，设置于桩顶，测量桩顶位移。电阻应变片4采用BE120-2DB-P300型电阻应变片，对称分布于桩身两侧，用于测量沿桩身的轴力分布，并用环氧树脂覆盖电阻应变片，进行密封防水处理。量测设备均接于动态采集仪13上，进行信号处理后，输入计算机14进行数据输出显示，和进一步的数据处理。

采用上述单桩循环加载试验装置模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验，其方法包括如下步骤：

步骤1：根据研究目标，确定试样土样，并测定试验图样含水率、密度，并将试样土样2填入试验箱内至所需高度，并分层压实。填筑完毕后，需要对试验土样2进行预压固结。

步骤2：待试验土样固结完成后，采用静力压入的施工方法进行压桩，压桩的速度100mm/min，压桩时间为8min。在桩顶设置位移传感器，监测桩***移。

步骤3：压桩完毕，待休止期结束之后，对试验桩进行了循环加载试验。开启信号发生器12，设置振动波形，打开功率放大器11，调节信号幅值大小，开启动态数据采集仪13和计算机14，记录振动过程中桩顶荷载和桩***移。

步骤4：加大幅值，或改变频率，重复上一步骤，直至振动时间或桩顶位移达到要求。

步骤5：试验结束后，依次关闭功率放大器11，信号发生器12和动态数据采集仪13。根据桩顶动荷载和桩顶位移，计算单桩动承载力极限，根据桩端土压力传感器和桩身电阻应变片，计算得到沿桩身应力分布以及桩侧摩阻力分布情况；

还包括步骤6：根据试验设计，取试验箱中试验土样2，进行液塑限、抗剪强度指标等基本物理力学性质指标试验。通过对比桩周土和远端土的性质，从振动影响角度研究单桩振动前后周围试验土样的变化。

Claims (10)

1.一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，包括用于装填试验土样(2)的试验箱(1)、设于试验箱(1)内的试验桩(3)、设于试验箱(1)外部的反力架(9)、设于反力架(9)上端的上刚性梁(8)、设于上刚性梁(8)上的固定杆(7)及上部加载单元，所述上部加载单元包括依次连接的激振器(6)、功率放大器(11)和信号发生器(12)，所述激振器(6)安装在所述固定杆(7)的下端，并位于试验桩(3)的上方，

其特征在于，所述激振器(6)下端的激振头处设有用于记录激振力大小及波形的拉压传感器(17)，所述试验桩(3)上部的桩头处设有用于测量桩顶位移的位移传感器(5)，所述试验桩(3)下部的桩端处设有用于测量桩端阻力的土压力传感器(16)，所述试验桩(3)的桩身自上而下设有多个用于测试桩身应力分布的电阻应变片(4)，所述拉压传感器(17)、位移传感器(5)、土压力传感器(16)以及电阻应变片(4)均连接动态数据采集仪(13)，并传输至计算机(14)进行显示和处理。

2.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述试验箱(1)是由四根角钢和若干扁钢焊连成的方形钢架，试验箱(1)的四周及底部为与方形钢架焊接的钢板，试验箱(1)的内表面光滑。

3.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述试验箱(1)的底端设有排水阀(15)。

4.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述试验箱(1)的两侧设有底座(10)，所述底座(10)上设有用于固定反力架(9)的卡槽，所述反力架(9)通过螺栓固定于底座(10)上，可通过螺纹杆调整高度。

5.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述上刚性梁(8)通过两侧的上刚性梁卡口设在反力架(9)上，并通过螺纹栓固定。

6.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述上刚性梁(8)的中部设有若干内螺纹孔(19)，所述固定杆(7)穿过内螺纹孔(19)，并通过螺纹栓固定，所述固定杆(7)位置通过不同的内螺纹孔可进行左右移动，实现激振器(6)的横向移动。

7.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述的激振器(6)为电动式激振器。

8.根据权利要求1所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，其特征在于，所述的信号发生器(12)可连续地输出任意波形的函数信号。

9.一种如权利要求1-8任一项权利要求所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)根据研究目标，确定试样土样(2)，并测定试验土样(2)的含水率、密度，并将试验土样(2)填入试验箱(1)内至所需高度，并分层压实，填筑完毕后，需要对试验土样(2)进行预压固结；

(b)待试验土样(2)固结完成后，采用静力压入的方法进行压桩，压桩的速度100mm/min，压桩时间为8min，通过在桩顶处设置的位移传感器(5)监测桩***移；

(c)压桩完毕，待休止期结束之后，对试验桩(3)进行循环加载试验，开启信号发生器(12)，设置振动波形，打开功率放大器(11)，调节信号幅值大小，开启动态数据采集仪(13)和计算机(14)，记录振动过程中桩顶荷载和桩***移；

(d)加大幅值或改变频率，重复上一步骤，直至振动时间或桩顶位移达到要求；

(e)试验结束后，依次关闭功率放大器(11)，信号发生器(12)和动态数据采集仪(13)，根据桩顶动荷载和桩顶位移，计算单桩动承载力极限，根据桩端土压力传感器(16)和桩身电阻应变片，计算得到沿桩身应力分布以及桩侧摩阻力分布情况。

10.根据权利要求9所述的一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验方法，其特征在于，步骤(c)输入的循环荷载的一个周期内计算方法为：

其中：

P(t)是高铁荷载幅值；

t是时间；

L是高铁转向架轮对之间的距离；

v是高铁行进速度；

w为高铁荷载对应的频率，w＝v/πD，D是高铁轮对直径。