模型桩动力循环试验系统.pdf

本发明涉及一种桩基科研试验系统，尤其涉及室内模型桩动力循环试验系统。该试验系统包括模型槽、压力架、加载装置、信号发生系统和数据采集装置，该模型槽采用较大规格的钢槽，其底部为防水结构，且在底部中心位置设有注水管道，槽口均匀布置有多个用于模型槽的吊装以及固定反力架的圆形螺栓孔，该加载装置通过压力架与模型槽连接固定，对桩体施加荷载，数据采集装置通过信号发生系统与受力桩体相连，测得试验数据。本发明采用了较大的模型试验槽，能够最大限度的减小模型试验中普遍存在的“模型箱效应”，且同时集成了具有高精度和长期稳定性的加载装置以及量测装置，能够精确真实的反映模型试验过程中各实测参数的变化。

1、  一种模型桩动力循环试验系统，其特征在于：包括模型槽、压力架、加载装置、信号发生系统和数据采集装置，加载装置通过压力架与模型槽连接固定，对桩体施加荷载，数据采集装置通过信号发生系统与受力桩体相连，测得试验数据。

2、  如权利要求1所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：该模型槽的底部为防水结构，且在底部中心位置设有注水管道，槽口均匀布置有多个用于模型槽的吊装以及固定反力架的圆形螺栓孔。

3、  如权利要求1所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：该模型槽为圆筒形钢槽，其直径大于5倍模型桩的桩径，深度超过一倍桩长。

4、  如权利要求1所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：该加载装置为改进的C.K.C循环三轴仪，其采用了较长的高压导气管件以及量程范围适用于较高压力下的压力传感器。

5、  如权利要求1所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：该加载装置通过气缸控制加载，采用小气缸控制可达到较高的控制精度，采用大气缸控制则可达到最大激振力10kN。

6、  如权利要求1所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：信号发生系统包括应变放大器、压力传感器、位移传感器、应变片，压力传感器、位移传感器和应变片设于气缸下，并将测得信号通过应变放大器放大。

7、  如权利要求6所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：应变放大器连接两片补偿片和两片测试片组成全桥电路，将试验数据放大并传送给与其相连的数据采集装置。

8、  如权利要求7所述的模型桩动力循环试验系统，其特征在于：该补偿片设在非受力的另一模型桩体上，并埋置于受力桩体远处。

模型桩动力循环试验系统
技术领域
本发明涉及一种桩基科研试验系统，尤其涉及室内模型桩动力循环试验系统。
背景技术
目前，在进行地下桩基的研究中，模型试验是广为应用的研究手段。随着近年来诸如海洋石油钻井平台、大型吊装机械厂房、高速铁路以及高压输电塔等高、大、深、重建(构)筑物的大量兴建，建(构)筑基桩所承受的荷载不再仅局限于静载，还承受巨大的风暴荷载、波浪荷载、机械荷载、车辆荷载以及风荷载等动荷载的作用，其受力往往具有如下特点：(1)循环荷载频率较低；(2)加载的时间相对较短；(3)基桩循环位移幅值大。因此，在前述所介绍的重大高深建(构)筑物建造中，进行基桩承载力设计时，除应符合规范中有关静力荷载的要求之外，有必要考虑循环荷载效应。
在桩基工程中，由于进行群桩或者单桩试验需要花费大量的人力、物力和时间，或因场地条件等因素的限制无法进行原位试验。在这种情况下，模型试验成为研究、探索和解决问题的一种有效方法。桩的模型试验是根据桩基的实际工作状态，进行合理全面的构思，建立与原形具有相似性规律的模型，借助科学仪器和设备，人为的控制试验条件，研究桩基在某一或某些情况时的受力变形特性的试验。它在装基础的理论研究应用、设计以及施工阶段都占有重要的地位。它不仅为桩基的理论研究提供试验数据和试验论证，而且为工程设计提供依据进而指导工程实践。
研究、开发满足相似准则的模型试验，对学术研究和工程建设具有重要意义。模型试验的基本原则是使模型与原形具有全面相似性，即模型试验的相似律。它是将模型试验的各个物理量按一定的关系联系在一起，以全面代表实际原形。常用的相似律有力学相似和几何相似。通常将量纲分析法用于相似模型的试验研究，可用来确定相似判断，进行模型设计。
以往研究使用的设备中存在如下局限：第一，模型槽的尺寸较小，一般大小的钢槽难以模拟实际无限大的地层情况及其力学特性，因而不能真实反映实际桩-土相互作用。若进行原型桩或现场模型试验，费用昂贵且试验条件往往不稳定，很难得到满意的试验结果；第二，静力研究可通过砝码准确进行加载，然而动力研究所用的加载设备在控制精度和长期稳定性上稍显不足。
发明内容
本发明的目的在于开发一种可供科研用的模型桩动力循环试验系统，它不但能够精确控制试验的加载条件，得到高精度的测量结果，最大限度的减小以往试验中由于模型箱尺寸太小带来的“模型箱效应”，而且具有可靠的长期稳定性，能够用于较长周期的试验研究。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
模型桩动力循环试验系统，包括模型槽、压力架、加载装置、信号发生系统和数据采集装置，加载装置通过压力架与模型槽连接固定，对桩体施加荷载，数据采集装置通过信号发生系统与受力桩体相连，测得试验数据。
进一步，该模型槽的底部为防水结构，且在底部中心位置设有注水管道，槽口均匀布置有多个用于模型槽的吊装以及固定反力架的圆形螺栓孔。
该模型槽为圆筒形钢槽，其直径大于5倍模型桩的桩径，深度超过一倍桩长。
该加载装置为改进的C.K.C循环三轴仪，其采用了较长的高压导气管件以及量程范围适用于较高压力下的压力传感器。
该加载装置通过气缸控制加载，采用小气缸控制可达到较高的控制精度，采用大气缸控制则可达到最大激振力10kN。
信号发生系统包括应变放大器、压力传感器、位移传感器、应变片，压力传感器、位移传感器和应变片设于气缸下，并将测得信号通过应变放大器放大。
应变放大器连接两片补偿片和两片测试片组成全桥电路，将试验数据放大并传送给与其相连的数据采集装置。
该补偿片设在非受力的另一模型桩体上，并埋置于受力桩体远处。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：本发明采用了较大的模型试验槽，能够最大限度的减小模型试验中普遍存在的“模型箱效应”，且同时集成了具有高精度和长期稳定性的加载装置以及量测装置，能够精确真实的反映模型试验过程中各实测参数的变化，对进行严谨的科学研究具有重要的意义。另外，通过注水管道控制实验的含水条件，可以灵活的选择饱水试验或者干土试验。
附图说明
图1为反力架主支撑架左视结构示意图。
图2为连接反力架与加载装置的钢板结构示意图。
图3为反力架主支撑架俯视结构示意图。
图4为安装钢板后的反力架的主视结构示意图。
图5为安装钢板后的反力架的俯视结构示意图。
图6为安装钢板后的反力架的左视结构示意图。
图7为本发明实施例试验系统的俯视结构示意图。
图8为本发明实施例试验系统的主视结构示意图。
图9为本发明实施例试验系统的左视结构示意图。
图10为本发明全桥电路图。
图11为YEC DASP数据采集系统。
图12为本发明试验系统示意图。
图13为砂土(饱和)静载Q-S曲线。
图14为砂土(饱和)静载S-log(t)曲线。
图15为砂土(饱和，50％Qus)加载-循环曲线。
图16为荷载-循环曲线(局部)。
图17为砂土(饱和，50％Qus)位移-循环曲线。
图18为沉降-循环曲线(局部)。
图19为砂土(饱和，50％Qus)Q-S曲线。
图20为砂土(饱和，50％Qus)Q-S曲线前20循环。
附图标记：1、钢槽 2、反力架主支撑架 3、钢板 4、螺栓孔
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。
1、量纲分析法原理
物理量所属于的种类，成为该物理量的量纲。目前使用的基本量纲共有七个，分别是：长度、质量、时间、电流、温度、数量、发光强度。它们之间是相互独立的。动力学问题中，使用长度L，质量M和时间T这三个基本量纲。静力学比其少一个时间T作为基本量纲。不同量纲的物理量不能进行加减运算，任何一个正确的物理方程其进行加减的各项的量纲一定相同，这就是量纲的和谐性，它是量纲分析的基础。
任何量纲和谐的物理方程都可表示为一组无量纲数群之间的函数，组成的无量纲数群的数目等于影响该过程的物理量的数目减去用于表示这些物理量的基本量纲的数目。量纲分析法用于相似模型的试验研究，可用来确定相似判断，进行模型设计。具体的方法称为π定理，内容如下：
若物理方程
f(q₁，q₂，…，q_n)＝0                           (1)
共含有n个物理量，其中有k个为基本量，且保持量纲的和谐性，则这个无理方程可以简化为
F(1，1，…，1，π_k+1，π_k+2，…，π_n)＝0           (2)
式中的π_k+1，π_k+2，...，π_n是由方程中的物理量所构成的无量纲积，即相似判据。式中，
π m = q m q 1 x m 1 q 2 x m 2 · · · q k x mk , m = k + 1 , k + 2 , · · · , n - - - ( 3 ) ]]>
2、量纲分析方法的一般步骤：
通过试验找出影响某一物理现象的所有独立因素，写出一般函数关系式；
确定k个基本物理量及其基本量纲；
按式(3)依次写出其它各物理量分别与该k个基本物理量组成的n-k个无量纲数群；
根据量纲和谐原则列出量纲和谐方程组，联立求解，确定待定参数x_1m，x_2m，…，x_km，得出各无量纲数群的具体形式；
根据上述结果，写出准数关联式。
3、具体计算步骤
(1)根据相似准则，列出模型试验相关参数表达式：
f(σ，ε，E，μ，l，ρ，a，P，T)＝0                (4)
上式中参数分别为：σ应力；ε应变；E弹性模量；μ泊松比；l长度；ρ密度；a加速度；P力；T时间。
(2)选出长度l、密度ρ、加速度a为基本量群的物理量，其量纲分别是：L，M/L³，L/T²，满足相互独立且至少出现一次的条件。
π 1 = σ l α ρ β a χ = FL - 2 L α ( M / L 3 ) β ( L / T 2 ) χ , ]]>若要此式成为无量纲参数，必须有α＝1，β＝1，x＝1。故有 π 1 = σ lρa , ]]>可得C_σ＝C_lC_ρC_a。
π₂＝ε，有C_ε＝1。
π 3 = E l α ρ β a χ = M / ( LT 2 ) L α ( M / L 3 ) β ( L / T 2 ) χ , ]]>得到 π 3 = E lρa , ]]>可得C_E＝C_lC_ρC_a。
π₄＝μ，有C_μ＝1。
π 5 = P l α ρ β a χ = M LT - 2 L α ( M / L 3 ) β ( L / T 2 ) χ , ]]>得到 π 5 = P l 3 ρa , ]]>可得 C P = C l 3 C ρ C a . ]]>
π 6 = T l α ρ β a χ = T L α ( M / L 3 ) β ( L / T 2 ) χ , ]]>得到 π 6 = T l 0.5 a - 0.5 , ]]>可得 C T = C l / C a . ]]>
根据拟选用的参数(几何相似比C_l，密度相似比C_ρ，模量相似比C_E)，即可确定出其他的相似比C_a，C_σ，C_P，C_T，这样可得到模型试验的各相似比。根据这些相似比，就可以初步确定试验的加载条件、模型材料等。
4、试验用模型槽及反力架
在模型试验中，只能在有限尺寸的容器里来模拟无限的地层。由于压桩挤土作用，土体受到桩身挤压产生侧向以及竖向的变形，使得桩土的受力特性会受到较小容器壁限制的影响。因此，必须尽可能选择较大的容器来模拟无限的地层，以减少边界效应带来的不利影响，其直径至少要超过5倍模型桩的桩径。另外，根据桩基工程经验，选用钢槽的深度应超过一倍桩长。
本试验采用的是圆筒形钢槽1，该钢槽1用30mm厚钢板制成。内径为1.6m，槽内深度为1400mm，槽外高度为1600mm。该圆筒形钢槽1能够最大限度的克服“模型箱效应”所带来的不利影响。圆筒形钢槽的槽口均匀布置了40个圆形螺栓孔4，用来钢槽的吊装以及固定反力架。
反力架是用来连接钢槽与C.K.C循环三轴仪的加载装置的设备，是整个系统开发中最为关键的一个环节，设计反力架的依据主要有以下几点：
(1)能够提供足够的反力，保证加载装置正常工作的基本要求。
(2)自身的变形满足试验精度要求。由于本次试验对变形的量测有着较高的要求，因此作为基准的反力架必须能够保证自身在加载时所产生的变形远小于桩顶位移。
(3)易于安装且能够保证安装的位置。
(4)满足不同加载及不同环境下的试验要求。由于加载试验经历时间可能较久，特别是在夏季，白天与夜间温差较大，因此其自身在温度影响下的变形更是要考虑在内。
结合以往试验经验，并使用有限元软件进行计算分析后，确定反力架的设计图如图1-图6所示。并选取型号为20的标准槽钢作为反力架主支撑架2(如图3)，连接主支撑架与C.K.C加载装置的是2块410mm×246mm×28mm的钢板3(如图2)以及2根500mm长，直径36mm的丝杆。计算得到该反力架在2000N压力作用下变形小于0.01mm，完全能够满足试验的精度要求。
对钢槽底部进行防水处理，并在槽底部中心位置预设了注水管道。通过控制注水速率使其缓缓从底部注水管道注入钢槽，能够使得土体均匀饱和，可用来进行饱和土的试验研究。还可在桩周布置高灵敏度的孔压计，分析循环加载过程中孔隙水压的变化及其对桩-土间相互作用的影响。
5、试验加载及控制设备
C.K.C循环三轴仪是室内土工三轴试验用仪器，用来测土的动模量、阻尼比以及液化强度等参数。现将美国加州土工仪器公司制造的C.K.C循环三轴仪的气动加载装置进行改装，作为该系统的加载设备。本发明中C.K.C循环三轴仪采用了较长的高压导气管件，使得C.K.C循环三轴仪能够在最高1MPa的气压下工作，且高压气体传输距离也由原先的2m增加至50m，大大的扩展了其工作范围和安全系数。由于原配压力传感器量程限制，不适用于较高压力作用下的模型试验，故使用了下述JHBS6010型压力传感器取代了原配压力传感器，量程由25kg扩展至200kg。C.K.C循环三轴仪通过气缸控制加载，使用小气缸可达到较高的控制精度，其最大激振力是大气缸的0.25倍，而使用大气缸能够达到的最大激振力为10kN(该两个气缸均为标准配件)；可施加静载及动载，动载可为方波、谐波、三角波等多种形式，频率为0-2Hz；精度可控制在仪器荷载、位移最大量程的0.1％，荷载及位移的最大量程分别为2000N，25mm。无论是加载的波形、频率以及大小，均能够较好地满足试验的加载需要。因此选取其部分元件作为试验的加载设备，通过反力架将加载装置与模型试验槽固定后的结构图如图7-图9。
6、试验数据采集设备
试验系统可实时测量并记录加载的大小、模型桩顶位移以及模型桩身应变曲线。主要由信号发生系统和数据采集系统组成。信号发生系统包括应变放大器、传感器(压力传感器、位移传感器、应变片)。数据采集系统包括数据采集器、电脑以及数据采集软件。采用的压力传感器是JHBS6010型的量程为200kg的压力传感器，配置了变送器以提高信号的灵敏度。输入桥压为12V，输出信号为5V。综合精度为0.1％(F·S)。
位移传感器采用C.K.C本身的高精度电感式动态位移传感器。灵敏度为600mV/mm，最大量程为50mm。
采用的应变放大器是江苏联能电子技术有限公司(原扬州二厂)制造的YE-3817C型应变放大器，数据采集装置为Ua302采集器，通过YE-20093桥盒连接受力桩，连接两片补偿片和两片测试片组成全桥电路，如图10。由应变放大器通过专用七芯端子接入数据采集装置。这样做既消除了温度变化对模型应变的影响，又能够放大信号。其中，A、D为测试片，B、C为补偿片，补偿片贴在另一根模型桩上，并埋置在距离加载桩远处。得到的放大电压信号为：
U o = KU i 2 ϵ ]]>
其中，K为应变片的灵敏系数。可根据需求选择不同灵敏度的应变片以达到最佳试验效果。
试验中各物理量均由YEC DASP数据采集系统采集11。该系统由电脑、Ua302数据采集盒、YE3817C动态应变放大器和数据采集软件组成。
系统运行时，经过YE3817C动态应变放大器放大后的信号通过Ua302数据采集盒传入电脑，而后可通过采集软件显示、记录、保存以及分析采集到的试验数据。
7、试验仪器使用方法
模型试验系统结构如图12所示。空气压缩机为气压缸提供动力，电控调压阀控制加载的大小和周期。位于气压缸下的压力传感器、测量桩顶沉降的位移传感器以及桩身的应变片产生的电信号通过应变放大器放大信号后，再通过信号采集器将信号送入电脑。试验开始前需要进行各传感器的标定。
根据试验需要，预先在模型试验槽中放入试验用土，待其固结完成后将制作好的模型桩埋至预定位置。
根据相似法则并结合试验经验，确定模型试验的加载条件，包括加载的周期、大小，并确定循环加载次数。
打开空气压缩机，通过电控调压阀将加载大小调整至试验计划大小，选择需要的加载波形，设定加载频率。
打开数据采集软件，设定记录文件，开始记录数据。数据开始记录后运行加载设备加载。
实施例：
1、饱和砂土静力试验
通过主水管道饱和试验槽中的砂土，并通过静置15天使其超孔隙水压力消散，砂土固结。
然后通过砝码对模型桩加载，得到饱和砂土静力加载沉降时间特性统计表(表1)，以及加载时间Q-S曲线(图13)和沉降时间对数S-log(t)曲线(图14)。可确定饱和砂土的极限承载力为500N。
表1 砂土(饱和)静力加载沉降时间特性统计

2、饱和砂土动力试验
根据静力加载试验确定的单桩极限承载力，及动力试验荷载施加方法，可得到预估恒定静荷载Qm为125N，以及各分组试验中循环荷载Qc的大小。可确定本次试验的加载方案如下表。
表2 砂土(饱和)动力循环试验加载方案