桩基竖向长期沉降特性测试的模型试验装置及其用途.pdf

一种桩基长期沉降特性测试的模型试验装置，包括试验模型箱、加载系统和测试系统，其中，试验模型箱为模型试验装置的主体，用于模拟被测对象；加载系统设置在试验模型箱上，用于对被测对象进行模拟加载；测试系统的测试原件设置在模型箱的被测原件上，用于测试被测对象在动力荷载作用下的响应；所述试验模型箱、加载系统和测试系统相互连接以实现桩基长期沉降特性测试的模型试验。本发明还公开了将其用于模拟桩基在不同土体中、不同列车荷载作用下的竖向长期沉降特性并加以测试的用途。本发明能实现模型桩的竖向动力加载，可测试动载作用下桩身的应力应变，且模型中桩土界面的接触情况与实际相符。

1.  一种桩基长期沉降特性测试的模型试验装置，其特征在于：包括试验模型箱、加载系统和测试系统，其中，试验模型箱为模型试验装置的主体，用于模拟被测对象；加载系统设置在试验模型箱上，用于对被测对象进行模拟加载；测试系统的测试原件设置在模型箱的被测原件上，用于测试被测对象在动力荷载作用下的响应；所述试验模型箱、加载系统和测试系统相互连接以实现桩基长期沉降特性测试的模型试验。

2.  根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述试验模型箱包括模型槽、模型桩、模型土；所述的加载系统包括加载反力架、空气压缩机、高压气管、函数信号发生器、电气比例阀、气缸；所述的测试系统包括机电百分表、电子应变片、动态应变采集仪；其中，所述模型槽设置于加载反力架的下底板中间位置，所述模型桩以模型土分层填筑于模型槽中；通过高压气管依次连接空气压缩机、电气比例阀和气缸；气缸通过螺栓连接于加载反力架的次梁上，使气缸的活塞杆与模型桩的桩帽相接触，通过气压调节使活塞杆对模型桩进行动力加载；通过导线将直流电源、函数信号发生器、电气比例阀的接线端依次连接；通过机电百分表的导线及模型桩中电子应变片引出的导线连接在动态应变采集仪的数据采集端口上。

3.  根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于：所述模型桩为混凝土预制桩；优选的，模型桩直径4cm、桩长为50～60cm、桩身混凝土标号为C30；或者，优选的，所述模型桩桩顶贴有6×4×0.8cm有机玻璃板桩帽；或者，优选的，所述模型桩配有一根光圆钢筋，所述钢筋上每隔15cm贴有一个电子应变片用于测试桩身应力。

4.  根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于：所述模型槽由钢框架和有机玻璃板拼装而成；优选的，模型槽尺寸为800×800×800cm，有机玻璃板板厚1cm；优选的，所述机电百分表的测量量程为0～5cm，测量精度为0.01mm。

5.  根据权利要求2所述的模型试验装置，其特征在于：所述的加载反力架包括底板、反力梁和连接杆，反力梁和底板通过连接杆进行连接，反力梁的高度可以调节，所述连接杆直径3.2cm，长1.5m，螺纹杆数量为4根。

6.  根据权利要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述的电气比例阀的气压调节范围为0～1MPa，最大流量为5000L/min，信号输入范围为0～10VDC；或者，优选的，所述函数信 号发生器的输出信号频率范围为0.1～100Hz；或者，优选的，所述气缸的缸径5cm，气压使用范围0～5MPa；或者，优选的，活塞杆行程8cm，在次梁上的位置可以调节；或者，优选的，所述高压气管的最小使用气压≥2MPa。

7.  根据权利要求5所述的模型试验装置，其特征在于：所述机电百分表固定于所述反力梁上，所述机电百分表的表针与模型桩的桩帽相接触以测试桩顶沉降。

8.  权利要求1至7中任一所述的模型试验装置的用途，其特征在于：将其用于模拟桩基在不同土体中、不同列车荷载作用下的竖向长期沉降特性并加以测试。

9.  根据权利要求8所述的用途，其特征在于：所测试的项目包括桩顶沉降和桩身应力。

10.  根据权利要求8所述的用途，其特征在于：加载频率范围达到0.1～100Hz，单次试验中的加载次数达到2万次。

桩基竖向长期沉降特性测试的模型试验装置及其用途
技术领域
本发明属于高速铁路工程领域，涉及模拟实验装置，尤其是桥梁桩基竖向长期沉降特性测试的模拟试验装置。
背景技术
为了减少线路整体及不均匀沉降，提高列车行车安全性，桩基在高速铁路工程中得到了广泛应用。与其他工程相比，此类工程中的桩基不仅要承受上部的结构荷载，还要承受列车运行所产生的动力荷载，在长期的动力荷载作用下，桩基的沉降变形特性逐渐被业内专家所关注。
对于这类桩基竖向长期沉降特性问题的研究，由于现场试验通常难以实现，缺乏现场实测数据，制约了问题的研究进展，所以，室内模型试验变得尤为重要。
目前，国内外用于桩基沉降特性研究的模型试验装置一般由模型桩、模型土、模型槽、数据采集系统、试验加载系统组成。其中，模型桩多采用钢管或铝管进行模拟，能够考虑材料强度及几何尺寸的相似比例关系，由于钢管和铝管的外表面较为光滑，桩土界面的接触情况与现实相差较远；模型土可根据实际情况选择砂土、粉土或粘性土；模型槽一般为空心的长方体或圆柱体结构，由钢框架及钢板拼接而成；数据采集系统一般由位移计、应变计和信号采集仪组成；试验加载装置，多以简单的竖向或水平向静力加载为主，难以模拟高速列车的荷载特点进行动力加载，少数实现桩基动力加载的试验装置也只是简单的位移控制式往复加载，如中国水电顾问集团华东勘测设计研究院专利(授权公告号CN203432852U)“桩基室内模型试验水平静力荷载及循环荷载施加装置”，该装置包括摆臂、固定连接于摆臂下表面正中心的滚轴、位于滚轴正下方的滚动齿轮、以及缠绕于滚轴和滚动齿轮上实现传动连接的传力带，同时滚动齿轮下方联接有平动传力杆，平动传力杆一端依次连接应力传感器和试验模型桩，通过传力杆对模型桩进行往复加载，这种机械式的加载系统结构复杂，加载频率小，单次试验的循环加载次数小，加载精度也难以保障。
综上所述，目前仍缺乏一种用于研究列车荷载作用下桩基竖向长期沉降特性的模型试验装置，一种能够反应真实的桩土接触、桩顶所受荷载与列车荷载相接近的模型试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试桩基竖向长期沉降特性的模型试验装置及其用途，能够实现不同土体中、不同列车荷载作用下桩基的竖向长期沉降特性测试，所测试的项目包括桩顶沉降和桩身应力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种桩基长期沉降特性测试的模型试验装置，包括试验模型箱、加载系统和测试系统，三者分别具备不同的功能，试验模型箱为模型试验装置的主体，用于模拟被测对象；加载系统设置在试验模型箱上，用于对被测对象进行模拟加载；测试系统的测试原件设置在模型箱的被测原件上，用于测试被测对象在动力荷载作用下的响应。
所述的模型箱包括模型槽、模型桩、模型土；所述的加载系统包括加载反力架、空气压缩机、函数信号发生器、电气比例阀、气缸；所述的测试系统包括机电百分表、电子应变片、动态应变采集仪。
所述的模型桩采用混凝土预制而成，模型桩被模型土分层填筑于模型槽中。所述的模型桩直径4cm、桩长50cm～60cm、混凝土标号C30，模型桩桩顶贴有一长6cm宽4cm厚0.8cm的有机玻璃板作为桩帽，所述模型桩中间配有一根光圆钢筋，所述的光圆钢筋上每间隔15cm贴有一个电子应变片，所述的电子应变片连有金属导线并从光圆钢筋一端引出，所述金属导线与动态应变采集仪的采集端口连接在一起。
所述的模型槽放置于加载反力架的底板正中间，模型槽由钢框架和有机玻璃板拼装而成，其特征在于：模型槽尺寸为800×800×800(cm)，所述的钢框架采用∠30×30×3角钢焊接而成，所述的有机玻璃板板厚1cm。
所述的加载反力架包括底板、反力梁和连接杆，其特征在于反力梁和底板通过连接杆进行连接，所述的连接杆为4根直径3.2cm长1.5m的螺纹杆，反力梁的高度可通过连接杆上的螺母进行调节。
所述的反力梁由主梁和次梁通过螺栓连接而成，所述的主梁由四根工字钢焊接成“口”字形状，尺寸为840×840(cm)，所述的次梁为两根长840cm的工字钢，通过螺栓连接在主梁上，所述的主梁设置多组螺栓孔，次梁在主梁上的位置可以进行调节。
所述的加载系统包括空气压缩机，空气压缩机通过高压气管与电气比例阀的进气口连接，所述电气比例阀的调节气压范围为0～1MPa，最大流量为5000L/min，输入电压范围为0～10VDC，所述电气比例阀的出气口通过高压气管与气缸连接，所述高压气管的最小使用气压≥2MPa，电气比例阀通过金属导线与函数信号发生器连接，所述函数信号发生器的输出信号频率范围为0.1～100Hz，所述的气缸通过螺栓固定于加载反力架的次梁上，使气缸的活塞杆与模型桩桩帽相接触，次梁上设置多组螺栓孔，气缸在次梁上的位置可以进行调节，所述 气缸的特点在于：缸径5cm，使用气压范围为0～5MPa，活塞杆行程8cm。
所述的机电百分表通过表座固定于所述反力梁的次梁上，所述机电百分表的表针与模型桩的桩帽相接触，所述的机电百分表与动态应变采集仪的采集端口相连接，所述机电百分表的测量量程为0～5cm，测量精度为0.01mm。
上述模型试验装置的用途，将其用于模拟桩基在不同土体中、不同列车荷载作用下的竖向长期沉降特性并加以测试。
所测试的项目包括桩顶沉降(例如0～5cm)和桩身应力。
加载频率范围达到0.1～100Hz，单次试验中的加载次数达到2万次。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：可以实现模型桩的竖向动力加载，测试不同特点的列车荷载条件下桩基的竖向长期沉降特性；模型桩采用混凝土配筋预制，配筋上粘贴有应变片，可测试动载作用下桩身的应力应变，且模型中桩土界面的接触情况与实际相符，能够真实的模拟桩基在长期列车荷载作用下的竖向沉降特性。
附图说明
图1是本发明装置实施例的总安装示意图。
图2是本发明实施例中加载反力架的结构示意图。
图3是本发明实施例中反力梁的构造示意图。
图4是本发明实施例中模型桩的构造示意图。
图5是本发明实施例中底板的结构示意图一(平面图)。
图6是本发明实施例中底板的结构示意图二(侧立面图)。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种桩基竖向长期沉降特性测试的模型试验装置，其中包括：模型槽1、模型桩2、模型土3、加载反力架4、空气压缩机5、电气比例阀6、直流电源7、函数信号发生器8、动态应变采集仪9、气缸10、机电百分表11、表座12、高压气管13、金属导线14；模型槽1放置于加载反力架4的下底板中间位置，将模型桩2用模型土3分层填筑于模型槽1中；用高压气管13依次连接空气压缩机5、电气比例阀6和气缸10，并将气缸10用螺栓连接于加载反力架4的次梁上，使气缸10的活塞杆与模型桩2桩帽相接触，通过气压调解使活塞杆对模型桩2进行动力加载；用金属导线14将直流电源7、函数信号发生器8、电气比例阀6的接线端依次连接；通过函数信号发生器8对加载波形进行控制，将机电百分表11的导线及模型桩2中电子应变片引出的导线连接在动态应变 采集仪9的数据采集端口上。
如图2所示，所述模型桩2，桩身采用混凝土预制而成，中间配有直径0.6cm的钢筋201，钢筋上贴有电子应变片202，电子应变片用于测试桩身应力。
如图3所示，其中包括：加载反力梁401，底板402，连接杆403，螺母404，加载反力梁401与底板402之间通过四根连接杆403进行连接，加载反力梁401与底板402通过螺母404进行固定，加载反力梁401的高度可以通过螺母404进行调节。
如图4所示，其中包括：主梁401a，次梁401b，小号螺栓孔401c，大号螺栓孔401d，主梁401a由工字钢焊接而成，正方形形状，所述小号螺栓孔401c共八组32个，主梁401a上的八组小号螺栓孔401c用于固定次梁401b，次梁401b上的三组小号螺栓孔401c用于固定气缸10，所述的大号螺栓孔401d用于连接加载反力梁401和连接杆403。
图5为加载反力架4的底板402的结构图一(平面图)，如图5所示，所述底板402为格构板形式，表面为钢板402a，中间为钢板402a焊接而成的格构，四个边角处设有大号螺栓孔402b，大号螺栓孔402b用于连接底板402和连接杆403。
图6为加载反力架4的底板402的结构图二(侧立面图)，如图6所示，底板402由钢板402a焊接而成，底板的边角处设有大号螺栓孔402b。
本发明试验装置的连接及试验步骤为：
将模型槽1固定在加载反力架4的底板402上，在模型槽1内设置模型桩2并填筑模型土3，填筑完成后，将机电百分表11通过表座12固定在加载反力梁401上使之与模型桩2的桩帽203相接触；
采用高压气管13依次连接空气压缩机5、电气比例阀6、气缸10，并将气缸10作为动力输出装置固定在加载反力梁401的次梁401b上，并使之与模型桩2桩帽203接触，随后依次用金属导线14连接直流电源7、函数信号发生器8、电气比例阀6等电子原件；
将电子应变片202与机电百分表11的导线引出并与动态应变采集仪9相连接；
打开空气压缩机5、动态应变采集仪9及函数信号发生器8的电源开关；
对函数信号发生器8设置输出信号波形，开始加载并测量桩顶位移与桩身应变。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。