CN116591231A - 一种气压式水平竖直组合荷载实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气压式水平竖直组合加载实验装置，属于土工模型实验技术领域；包括模型箱，模型桩，模型箱框梁上部右部的水平竖直加载***和模型箱右侧的控制***，加载装置包括气压缸，传动杆，活塞，压力的传感器以及连接传感器和传动杆的杆帽接头，气体从气压泵阀口经传送管输送至气压缸上下气腔内，缸内气体的压强差推动活塞给模型桩施加水平竖直两个方向的作用力，控制***主要包括电脑和气压泵；实验加载装置即能进行单一方向加载实验，也能够完成水平竖直双向加载要求，适用实验范围宽泛，自动化程度高，人工操作简单便捷，实验数据精确。
Description
技术领域
本发明属于土工模型实验技术领域，涉及到一种模型桩组合加载装置，具体是一种气压式水平竖直组合荷载实验装置。
背景技术
近些年来，桥梁，港口，近海平台等工程之中，桩基础因其本身结构简单，承重性能良好等优点被广泛应用，建筑物中起支撑作用的桩基除了要承受自身重量和上部荷载之外，还会受到海浪，狂风，洪水所带来的水平荷载的作用，竖直方向和水平方向荷载同时作用并不等于单一方向荷载先后叠加，而为保证大型建筑和近海平台的稳定使用，水平竖直双向荷载下的桩基承载性能研究就迫在眉睫，且具有十分重大工程实际研究价值。
现场实地进行水平竖直组合荷载试验是研究该问题最直接的做法，但成本过高，操作步骤复杂且实验数据难以准确测量，所以同样可以获得桩基承载性能模型桩组合加载实验就脱颖而出，通过按比例缩小原有荷载大小和桩基尺寸，并按原先作用方向加载，便可取得模型桩的承载性能数据。
现有的水平竖直组合加载实验装置采用砝码-滑轮-铁丝加载***有很多不足之处亟需改进：1杠杆铁丝滑轮在加载过程中会产生无法避免的较大摩擦，且人工多次增添砝码会出现微小扰动，且操作步骤复杂；2通过砝码质量大小推论加载力实际数值存在差值，无法精确计算；3水平竖直加载位置固定，只能对单一固定位置模型桩基进行加载实验。
发明内容
针对以上不足之处，本发明提供了一种气压式水平竖直组合荷载实验装置来解决上述铁丝滑轮摩擦，人工扰动，操作步骤繁琐，实验加载不贴合实际情况，模型桩位置固定等一系列问题。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种气压式水平竖直组合荷载实验装置包括模型箱，模型桩，模型箱框梁上部右部的水平竖直加载***和模型箱右侧的控制***，加载***包括气压缸，传动杆，活塞，压力的传感器以及连接传感器和传动杆的杆帽接头，气体从气压泵阀口经传送管输送至气压缸上下气腔，缸内气体的压强差推动活塞给模型桩施加水平竖直两个方向的作用力，控制***主要包括电脑和气压泵。
作为本案的优化方案，控制***包括电脑，连接电脑和气压泵的数据导线，气体输送管，气压泵，气压泵上有气体开关按钮和气体输送速率快慢按钮。
作为本案的优化方案，气体通过输送管进入加载***，气压缸由活塞分成上下封闭气腔，上下气腔内不同帕斯卡的气压为达到气压一致，迫使活塞相对移动推拉传动杆为模型桩施加水平竖直两个方向作用力。
作为本案的优化方案，加载***在模型箱上部为模型桩提供竖直方向作用力，同时也能在模型箱右部提供水平方向作用力，两个加载***都是在框架上由滑轮固定连接，上部和右部加载***皆可通过滑轮在框架上下左右移动，可以给不同位置尺寸的模型桩加载。
作为本案的优化方案，传动杆底端有杆帽接头以及测量传动杆力大小的压力传感器，压力传感器位于模型桩与杆帽接头之间。
作为本案的优化方案，气压泵能将电脑下达的电子信息指令等比例转化为气体压强信息，气压缸由不同大小压强差再将气压信息转变为所需施加荷载值。
作为本案的优化方案，电脑，上下气腔压强大小和压力传感器示数可以通过数值化形式直观显示在电脑屏幕上。
本发明的有益效果具体如下：
1、能够有效模拟建筑物底部桩基承承受双向荷载的实际情况，即对模型桩施加水平竖直方向的荷载作用力，能够获得桩基在双向作用下的桩土相互作用情况和桩土抵抗破坏最大有效承载力。
2、水平竖直加载***能够通过滑轮沿着框架上下左右移动，给不同深度不同位置的模型桩进行加载。
3、加载装置动力来自气压，同时由电脑控制，气压泵开关释放，气压速率可控，气压压强和压力荷载数值大小皆可在电脑上显示，大大提高了实验准确性。
4、使用了自动化设备：压力的传感器，电脑，气压泵，气压缸，去除人工手动添加操作部分，一些传统实验中不可避免的摩擦扰动得以去除，简化试验步骤，保证实验结果的正确性。
附图说明
图1为本发明水平竖直组合加载实验装置的结构示意图；
图2为本发明水平竖直组合加载实验装置的上部俯视图；
图3为本发明水平竖直组合加载实验装置的气压泵处的放大示意图；
图4为本发明水平竖直组合加载实验装置的模型桩接触部分的放大示意图；
图中：1、模型箱，2、模型桩，3、模型箱框梁，4、框架，5、滑轮，6、传动杆，7、压力传感器，8、杆帽接头，9、气压缸，10、活塞，11、下部气腔，12、上部气腔，13、传送管，14、传送管，15、气压泵，16、气体开关按钮，17、气压输送速率快慢按钮，18、数据传导线，19、电脑。
具体实施方式
为了进一步完整阐述本发明，现利用说明书附图叙述其目的及相关作用。
如图1-4所示，一种水平竖直组合加载实验装置能实现对模型桩进行水平竖直方向的加载，模拟现实建筑物底端桩基础承受上部和水平方向所受作用力情况。装置包括模型箱1，模型箱内预埋的模型桩2，以及构成箱体的框梁3，框梁上的框架4上部和右部的水平竖直加载***，加载***中的气压缸9与框架之间通过滑轮5连接固定，在电脑19控制气压从气压泵15阀口输出，经过输送管13、14进入加载***气压缸9中，缸内上下气腔出现不同大小帕斯卡的气压迫使活塞10推动传动杆6按要求方向移动，同时传动杆6上有着连接杆帽组件8，组件与模型桩2之中还有测量压力大小的传感器7，测量模型桩2所受水平竖直力的强弱，进一步分析得到桩土相互作用情况和引起破坏时最大极限承载力。
具体的，如图1和图3所示，电脑19通过气压泵15输出气压，气压泵上有着气体开关按钮16和气体速率快慢按钮17，按下按钮控制气压强弱，同时电脑也将显示输送气压具体数值，气压泵给气压腔上下两部分输送不同帕斯卡的气压，气压强的部分体积小，气压弱的部分体积大，气压腔上下两部分气体为达到一致气压平衡会挤压活塞10，活塞移动出现气压强的部分体积大，气压弱的部分体积小，活塞10移动推动传动杆6一起运动，至此模型桩形成水平竖直两个方向的作用力。
进一步的，试验加载装置具体工作过程为(以竖直方向加载为例)，电脑19通过数据连接线18用电子信号的方式给气压泵15下达指令，气压泵15通过接收到不同频率波段的电子信息随后调节输送气压泵15阀口大小，于是阀口输出不同大小帕斯卡气压到气压缸9的上下气腔两部分11、12，气压泵15具体作用为把电脑19下达指令信息调整为所需竖直方向加载作用力等效气压信息，然后将电子频率信息转换为气压的等比例输送，气压泵15内部芯片传递信号给气压泵15电磁部分，从而增强磁性或是减弱磁性，磁性相应变化导致阀口阀门尺寸扩张或是紧缩，造成输送气压速率规模不一，由此完成了电信号到气压信号的转变。
进一步的，如图2所示加载***与框架4用滑轮5进行固定连接，由此滑轮5可以在框架上自由移动，竖直加载装置可以沿着框架左右移动，同样水平加载***也可以沿着框架上下进行滑动，滑轮的移动可以让装置对任一位置的模型桩进行实验操作，改善了以前老式装置只能给固定位置长度桩基加载情况，值得注意的是实验时需要固定住滑轮，不能让其移动，若发生移动加载则出现力作用点偏离中心。
进一步的，如图4所示，以竖直加载部分与模型桩2之间连接固定组件为例，连接固件主要有杆帽接头8，压力传感器7和传动杆6，传动杆6底部与杆帽接头8锚紧连接，模型桩2上部固接着压力传感器7，压力传感器7在杆帽接头8的下侧位置，杆帽接头8与压力传感器7固定夹紧之前需要对准压力传感器7的中心，通过杆帽使传动杆底部与模型桩夹紧稳定，水平方向加载***连接组件同样如此，这样操作使得水平竖直组合加载作用中心点更加简单直接对准模型桩2。
实验步骤如下：
步骤1，根据研究目标制作模型桩2和确定试验砂土样本,将在模型箱1底部中填入试验砂土，采用半埋法埋桩，每5cm填入由相对应砂土密度反算得到的一定质量砂土，填入相应砂土后用抹泥刀平整压实，同时在埋桩过程中运用水平仪和水准泡辅助模型桩2竖直埋入。
步骤2，静置10小时，待模型桩2与试验土样完全粘结成自然状态后开始安装实验装置，按照模型桩长度尺寸安装框架4和水平竖直加载装置，稳定固接好框架4和滑轮5，气压泵15下部的传动杆6要完全贴合杆帽接头8且杆帽接头8也需对准压力传感器7中心区域，稳固锚紧传感器使之一直位于模型桩2上，检查连接气压泵15和气压缸9之间的输送管13、14，输送管管口从气压泵15阀口出发至气压缸气腔上下两部分11、12结束，最后连上电脑19与气压泵15之间的数据连接线18。
步骤3，对模型桩2进行水平竖直组合加载试验，转动气压泵15上的气压开关按钮16，启动电脑19下达气压释放气压的电子信号指令，不同频率段的电子信号通过数据连接线18传递至气压泵15，气压泵15分析转变气压泵内电磁部分，利用扩张或是缩小阀口尺寸使电子信息转化为气压大小，不同帕斯卡气压进入气压缸上下气腔内部11、12，气压缸上下两部分气压为达到一致气压平衡会挤压活塞10，活塞10带动传动杆6一起运动，压力传感器7会将传动杆的推力数值在电脑19上精确显示，至此模型桩形成水平竖直两个方向的作用力。
步骤4，试验过程中，宜按实验需要,首先确定需要施加的荷载大小和方向，以1000N水平竖直加载为例，首先电脑发出1000N的电子频率波段信息，气压泵接收信息，将其转换为气体相差1000N等比例的气压形式，气压差推动传动管维持固定荷载，通过观察试验土体变化情况，在电脑19按《建筑地基基础设计规范》记录相关测试传感器7的读数和气压缸9示数，记录记录实验数据。
步骤5，实验结束后，利用空气压缩机以一定速率排空气压缸9内气压，至压力传感器示数为0，整理数据连接线18和输送管13、14，依次关闭所有设备电源，将将气压缸9和气压泵15转移到安全位置，随后清理装置灰尘沙粒。
步骤6进行下一组实验时，重复以上步骤1-5，直至所有实验组全部完成。
以上所述仅是本发明实施范例,并不会局限本发明,应当指出对于本领域的技术人员来说,在本发明所提供的技术启示下,所做出的其它等同变型和改进,均应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种气压式水平竖直组合加载实验装置，其特征在于，包括模型箱(1)，模型桩(2)，模型箱框梁(3)上部右部的水平竖直加载***和模型箱(1)右侧的控制***，加载***包括气压缸(9)，传动杆(6)，活塞(10)，压力的传感器(7)以及连接传感器和传动杆的杆帽接头(8)，气体从气压泵阀口经传送管(13、14)输送至气压缸上下气腔(11、12)，缸内气体的压强差推动活塞(10)给模型桩(2)施加水平竖直两个方向的作用力，控制***主要包括电脑(19)和气压泵(17)。
2.根据权利要求1所述的一种气压式水平竖直组合荷载实验装置，其特征在于，控制***包括电脑(19)，连接电脑(19)和气压泵(15)的数据导线(18)，气体输送管(13、14)，气压泵(15)，气压泵(15)上有气体开关按钮(16)和气体输送速率快慢按钮(17)。
3.根据权利要求1所述的一种气压式水平竖直组合荷载实验装置，其特征在于，气体通过输送管(13、14)进入加载***，气压缸(9)由活塞(10)分成上下封闭气腔(11、12)，上下气腔内不同帕斯卡的气压为达到气压一致，迫使活塞(10)相对移动推拉传动杆(6)为模型桩(2)施加水平竖直两个方向作用力。
4.根据权利要求1所述的一种气压式水平竖直组合荷载实验装置，其特征在于，加载***在模型箱(1)上部为模型桩(2)提供竖直方向作用力，同时也能在模型箱(1)右部提供水平方向作用力，两个加载***都是在框架(4)上由滑轮(5)固定连接，上部和右部加载***皆可通过滑轮(5)在框架(4)上下左右移动，可以给不同位置尺寸的模型桩(2)加载。
5.根据权利要求1所述的一种气压式水平竖直组合荷载实验装置，其特征在于，传动杆底端有杆帽接头(8)以及测量传动杆力大小的压力传感器(7)，压力传感器(7)位于模型桩(2)与杆帽接头(8)之间。
6.根据权利要求1所述的一种气压式水平竖直组合荷载实验装置，其特征在于，气压泵(15)能将电脑(19)下达的电子指令信息等比例转化为气体压强信息，气压缸(9)由不同大小压强差值再将气压信息转变为所需施加荷载。
7.根据权利要求1所述的一种气压式水平竖直组合荷载实验装置，其特征在于，电脑(19)，上下气腔(11、12)压强大小和压力传感器(7)示数可以通过数值化形式直观显示在电脑(19)屏幕上。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116908003A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 四川炬原玄武岩纤维科技有限公司 | 一种玄武岩化粪池荷载试验检测装置及方法 |
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2023
- 2023-04-18 CN CN202310430344.5A patent/CN116591231A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116908003A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 四川炬原玄武岩纤维科技有限公司 | 一种玄武岩化粪池荷载试验检测装置及方法 |
| CN116908003B (zh) * | 2023-09-14 | 2023-11-21 | 四川炬原玄武岩纤维科技有限公司 | 一种玄武岩化粪池荷载试验检测装置及方法 |
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