本實(shí)用新型涉及樁基工程的模型試驗(yàn)技術(shù)，尤其涉及一種鈣質(zhì)砂動(dòng)靜荷載多功能樁基模型試驗(yàn)裝置，主要涉及樁基模型試驗(yàn)，可模擬施加海洋動(dòng)力環(huán)境中多種復(fù)雜荷載，并獲取模型樁在復(fù)雜荷載作用下樁土相互作用過程的相關(guān)參數(shù)。

背景技術(shù)：

模型試驗(yàn)是通過尺縮的方法，充分考慮幾何相似、物理相似和運(yùn)動(dòng)相似等相似條件，結(jié)合實(shí)際需要人為控制模型物比例、荷載大小、方向、作用點(diǎn)和環(huán)境參數(shù)等條件的一種試驗(yàn)方法。目前關(guān)于樁基模型試驗(yàn)，主要包括靜荷載和動(dòng)荷載兩方面的試驗(yàn)。按照現(xiàn)行的土工規(guī)范進(jìn)行，其中靜荷載試驗(yàn)主要采用液壓千斤頂配合反力梁、百分表的方法對單樁進(jìn)行加載；具體方法又分為慢速荷載維持法和快速荷載維持法。樁基模型試驗(yàn)觀測的主要參數(shù)包括樁基位移沉降與所施加荷載的關(guān)系，通常采用的是百分表的方法，功能上比較單一，且需要對模型樁進(jìn)行長時(shí)間的加載和觀測；手動(dòng)液壓千斤頂由于其自身不具有自動(dòng)保壓功能，在實(shí)際使用過程中，壓力值會(huì)有一定程度的波動(dòng)，導(dǎo)致測定數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。

同時(shí)，由于海洋工程中樁基時(shí)常需要承受復(fù)雜的動(dòng)荷載，例如包括多種方向的循環(huán)荷載，施工建設(shè)中的沖擊荷載，大小方向和頻率常常變化，這使得在開展模型試驗(yàn)的過程中，要充分考慮這些荷載的多變性。例如當(dāng)模擬海洋工程中的波浪荷載和風(fēng)荷載以及海冰沖擊時(shí)，荷載具有周期性，且頻率、能量大小、方向可變。在模擬樁基工程沉樁施工方法過程中，尤其針對打入式樁在沉樁過程中的試驗(yàn)研究，還需要考慮沉樁過程中樁受到的錘擊能量和頻率等因素，同時(shí)需要測定樁身軸力、樁身變形和樁周土土壓力等多種因素。在單樁承載力過程中，有時(shí)還要考慮樁的自身變形和樁-土相互作用的方式問題，例如土體所受壓力和土體自身孔隙水壓力等參數(shù)也需要進(jìn)行測量，現(xiàn)有的樁基模型試驗(yàn)中，一方面對樁基模型試驗(yàn)中荷載的復(fù)雜性考慮較少、另一方面對樁-土相互作用時(shí)土體中相關(guān)參數(shù)的采集也有所欠缺。

涉及海洋工程中的樁基模型試驗(yàn)其所受荷載復(fù)雜，對于荷載的模擬以及施加都有諸多要求，同時(shí)加上采集的參數(shù)數(shù)量較多，為模擬環(huán)境荷載更需要進(jìn)行諸多種類的模型試驗(yàn)，現(xiàn)行的做法往往需要進(jìn)行分開測定，即制作多套模型裝置分別開展試驗(yàn)，這樣不僅耗費(fèi)了時(shí)間，也不能將多種荷載疊加作用的情況進(jìn)行綜合考慮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種鈣質(zhì)砂動(dòng)靜荷載多功能樁基模型試驗(yàn)裝置。

本實(shí)用新型適用于在不同環(huán)境、不同加載周期、不同能量級的沖擊荷載作用下，測量樁體下沉位移、自身變形和樁側(cè)與樁端土壓力變化的情況，采用可方便組合的多種荷載施加部分和方法，便于開展多種類型的樁基模型試驗(yàn)。

具體地說，本裝置包括鈣質(zhì)砂、模型箱、整體支架、水位波動(dòng)部分、豎向荷載施加部分、水平荷載施加部分、液壓加載部分、氣壓加載部分、模型樁、傳感采集系統(tǒng)和液壓升降平臺(tái)；

其位置和連接關(guān)系是：

在整體支架的底部設(shè)置有液壓升降部分，在液壓升降部分上設(shè)置有模型箱，在模型箱內(nèi)盛裝有鈣質(zhì)砂，在鈣質(zhì)砂內(nèi)設(shè)置有模型樁；

水位波動(dòng)部分和模型箱連接；

豎向荷載施加部分、水平荷載施加部分、液壓加載部分和氣壓加載部分的固定端分別置于整體支架上，其活動(dòng)端分別與模型樁連接；

傳感采集系統(tǒng)分別與模型樁和模型箱連接。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果。

①操作簡便，可對模型樁施加多種類型的荷載，例如豎向荷載、水平荷載，并可在不同荷載施加部分間進(jìn)行快速移動(dòng)切換，進(jìn)一步可模擬海洋工程中復(fù)雜的動(dòng)力環(huán)境，便于開展多種類型的樁基模型試驗(yàn)，解決了常規(guī)模型試驗(yàn)需要多套裝置，操作程序復(fù)雜、耗時(shí)耗力的問題；

②區(qū)別于常見樁基模型試驗(yàn)中進(jìn)行挖土埋入式成樁測定承載特性的不足，可直接錘擊式成樁，模擬樁基工程施工中的沉樁過程，并可對錘擊能量、錘擊頻率等參數(shù)進(jìn)行改變，更加符合實(shí)際單樁成樁過程，測定的樁的承載特性更為準(zhǔn)確；

③傳感數(shù)據(jù)采集部分，可對樁基模型試驗(yàn)中樁-土相互作用過程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過埋設(shè)傳感器，可實(shí)時(shí)獲取樁-土相互作用過程中土體所受壓力、土體孔隙水壓力、土體加速度和樁身變形等相關(guān)參數(shù)；

④充分考慮了樁在特定海洋環(huán)境中所受波浪荷載的情況，由于海洋環(huán)境中所受波浪荷載實(shí)際是多向荷載，現(xiàn)有樁基模型試驗(yàn)往往將其考慮為單一方向荷載，較為單一，本實(shí)用新型中的多向荷載施加部分在現(xiàn)有樁基模型試驗(yàn)中較少，可對模型樁施加大小、頻率不同的圓周多向荷載，模擬波浪荷載的多向性；

⑤水位波動(dòng)部分可模擬潮汐作用導(dǎo)致的水位升降問題，水位升降引起鈣質(zhì)砂間細(xì)小顆粒的流動(dòng)，從而改變級配狀態(tài)，進(jìn)一步影響樁基周圍土的性質(zhì)，進(jìn)一步影響鈣質(zhì)砂中樁的承載特性的問題，可對樁基模型試驗(yàn)中的鈣質(zhì)砂土的水位進(jìn)行控制。

總之，本裝置可對模型樁施加多種類型的荷載，尤其可模擬施加海洋動(dòng)力環(huán)境中多種復(fù)雜荷載，獲取模型樁在復(fù)雜荷載作用下樁土相互作用過程的相關(guān)參數(shù)。

附圖說明

圖1是本裝置的結(jié)構(gòu)方框圖，

圖1.1是整體支架的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖1.2是本裝置的組裝示意圖；

圖2.1是模型箱0000的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2.2是模型箱0000的結(jié)構(gòu)示意圖(不同角度)；

圖3水位波動(dòng)部分2000的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)3100的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是豎向打入式動(dòng)力單元3110的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是豎向打入式支撐單元3120的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是脫扣裝置單元3130的結(jié)構(gòu)爆炸圖；

圖8是豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元3200的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加單元4100的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是支撐單元4210的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是動(dòng)力單元4220的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是第1、2、3圓筒以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是液壓站5100的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是液壓靜荷載施加方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15是液壓沖擊荷載施加方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖16是氣壓靜荷載施加方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖17是氣壓循環(huán)靜荷載施加放式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖18是氣壓沖擊荷載施加方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖19是7000模型樁的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖20是傳感器探頭布置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖21是液壓升降部分9000的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖22是氣缸工作原理圖。

圖中：

A—鈣質(zhì)砂；

0000—模型箱，

0001—第1水位管，0002—第1萬向輪，0003—箱固定環(huán)扣，0004—進(jìn)水口，

0005—出砂口，0006—箱體；

1000—整體支架；

2000—水位波動(dòng)部分

2100—門吊，

2101—第1環(huán)扣，2102—手拉葫蘆，2103—第2萬向輪，2104—門型支架；

2200—水箱，

2201—第2環(huán)扣，2202—出水口，2203—出水管，2204—第2水位管，

2205—水箱箱體；

3000—豎向荷載施加部分，

3100—豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)，

3110—豎向打入式動(dòng)力單元，

3111—無級調(diào)速電機(jī)，3112—鏈輪，3113—鏈條、3113a—鏈條附件，

3120—豎向打入式支撐單元，

3121—上板，3122—下板，3123—Z向支撐圓桿，3124—重錘導(dǎo)軌，

3125—法蘭盤

3130—脫扣裝置單元，

3131—重錘，3132—滑塊，3133—卡片，3134—圓棒，3135—第1彈簧，

3136—方桿，3137—梯形臺(tái)，3138—第2彈簧、3132a—矩形凹槽；

3200—豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元，

3201—第1荷載安裝槽鋼，3202—第1槽鋼安裝孔,3203—第1荷載安裝孔；

4000—水平荷載施加部分

4100—水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加單元，

4101—第2荷載安裝槽鋼，4102—第2槽鋼安裝孔，4103—第2荷載安裝孔

4200—水平多向荷載施加系統(tǒng)，

4210—支撐單元，

4211—環(huán)形軌道，4212—十字板，4213—固定絲桿,4214—第3荷載安裝槽鋼,

4215—第3荷載安裝孔；

4220—?jiǎng)恿卧?/p>

4221—直流電機(jī)，4222—萬向節(jié)，4223—第1圓筒，4224—第2圓筒，

4225—第3圓筒，4226—平板，4227—第1小型氣缸，4228—第2小型氣缸，

4229—第1軸承，4230—第2軸承，4231—第1通氣管，4232—第2通氣管，

4233—樁帽套；

4223a—第1圓筒通氣孔，4224b—第2圓筒通氣孔，

4225c—第3圓筒通氣孔，4225d—第3圓筒通氣孔；

5100—液壓站，5000—液壓加載部分，

5101—風(fēng)冷機(jī)，5102—回油閥，5103—輸油閥，5104—調(diào)壓閥，

5105—數(shù)顯壓力表，5106—調(diào)壓旋鈕，5107—油箱，5108—液壓缸；

5200—電路控制單元，

5201—第1時(shí)間繼電器，5202—第1直流電源。

6000—?dú)鈮杭虞d部分，

6100—?dú)鈮合到y(tǒng)，

6101—空氣壓縮機(jī)，6102—?dú)鈮赫{(diào)壓閥，6103—?dú)飧组_關(guān)，6104—?dú)飧祝?/p>

6200—?dú)鈮弘娐房刂茊卧?/p>

6201—第2直流電源，6202—電氣比例閥，6203—函數(shù)信號發(fā)生器，

6204—電磁閥，6205—第2時(shí)間繼電器；

7000—模型樁，

7001—第1樁身，7002—第2樁身，7003—樁帽，7004—樁靴，7005—樁底，

7006—絲桿；

8000—傳感采集部分，

a—應(yīng)變采集器，b—土壓力采集器，c—孔隙水壓力采集器，d—加速度采集器，

e—計(jì)算機(jī)；

a1-應(yīng)變片，b1-微型土壓力傳感器，c1-微型孔隙水壓力傳感器，d1-加速度傳感器；

9000—液壓升降部分，

9001—液壓升降平臺(tái)，9002—液壓升降桿，9003—模型箱固定孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明：

1、總體

如圖1、圖1.1、圖1.2，本實(shí)用新型包括鈣質(zhì)砂A、模型箱0000、整體支架1000、水位波動(dòng)部分2000、豎向荷載施加部分3000、水平荷載施加部分4000、液壓加載部分5000、氣壓加載部分6000、模型樁7000、傳感采集系統(tǒng)8000和液壓升降平臺(tái)9000；

其位置和連接關(guān)系是：

在整體支架1000的底部設(shè)置有液壓升降部分9000，在液壓升降部分9000上設(shè)置有模型箱0000，在模型箱0000內(nèi)盛裝有鈣質(zhì)砂A，在鈣質(zhì)砂A內(nèi)設(shè)置有模型樁7000；

水位波動(dòng)部分2000和模型箱0000連接；

豎向荷載施加部分3000、水平荷載施加部分4000、液壓加載部分5000和氣壓加載部分6000的固定端分別置于整體支架1000上，其活動(dòng)端分別與模型樁7000連接；

傳感采集系統(tǒng)8000分別與模型樁7000和模型箱0000連接。

工作機(jī)理是：

整體支架1000是基礎(chǔ)性承載的框架平臺(tái)，在內(nèi)部設(shè)置模型箱0000，模型箱0000內(nèi)部盛裝鈣質(zhì)砂A，在鈣質(zhì)砂A中埋置模型樁7000；豎向荷載施加部分3000和水平施加部分4000可通過人為安裝的方式分別置于整體支架1000上，分別形成相應(yīng)方向的加載，對模型樁7000施加豎向或水平向的荷載；液壓加載部分5000和氣動(dòng)加載部分6000是提供荷載的動(dòng)力源，氣動(dòng)加載部分6000提供低幅值大小的荷載，液壓加載部分5000提供中高幅值大小的荷載；模型樁7000是被施加荷載的部分，荷載可通過氣動(dòng)加載部分6000進(jìn)行施加，也可通過液壓加載部分5000進(jìn)行施加，具體要根據(jù)所需模擬的荷載來進(jìn)行確定；傳感采集部分8000涵蓋多種傳感器例如應(yīng)變片、土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)、土面加速度傳感器和計(jì)數(shù)器等，其中應(yīng)變片貼于模型樁7000內(nèi)壁，用于測量模型樁7000的樁身應(yīng)變，土壓力盒、孔隙水壓力計(jì)、土面加速度傳感器置于模型箱0000內(nèi)的鈣質(zhì)砂A內(nèi)，分別測定對應(yīng)的參數(shù)；水位波動(dòng)部分2000是用于模擬海洋工程環(huán)境中的水位上升或下降方式，通過起吊來實(shí)現(xiàn)；液壓升降平臺(tái)9000通過液壓進(jìn)行升降，可實(shí)現(xiàn)對模型箱0000位置的調(diào)整。

2、功能塊

1)模型箱0000

如圖2.1、2.2，模型箱0000包括第1水位管0001、第1萬向輪0002、模型箱固定環(huán)扣0003、進(jìn)水口0004、出砂口0005和箱體0006；

箱體0006為一長方形容器；

在箱體0006側(cè)壁設(shè)置有第1水位管0001、進(jìn)水口0004、出砂口0005和4個(gè)模型箱固定環(huán)扣0003；在箱體0006底部四角設(shè)置有第1萬向輪0002。

工作機(jī)理：

所述模型箱0000為長1500mm，寬1200mm，高1100mm的長方形箱；模型箱0000側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水口0004，底部四面裝有第1萬向輪0002，側(cè)面安裝有第1水位管0001，并設(shè)置有出砂口0005；所述的出砂口0005上設(shè)置有出水口，可同時(shí)進(jìn)出水；所述的第1水位管0001制作過程如下：在箱體0006底部開一小孔，在小孔處焊接一小段彎管，在彎管口插上一根與箱體0006等高的透明玻璃管，再將彎管與玻璃管連接處用密封膠密封；進(jìn)一步考慮箱體0006自身剛度問題，在箱體0006內(nèi)外焊接有角鋼，以減少箱體0006的變形。

2)整體支架1000

整體支架1000是本裝置的支撐體。

如圖1.1，整體支架1000是由工字鋼和絲杠等組成的支架結(jié)構(gòu)。

如圖1.2，整體支架1000分為四個(gè)空間，四個(gè)空間分別安裝豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)3100、豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元3200、水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加單元4100和水平多向荷載施加系統(tǒng)4200，四個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)工作。

3)水位波動(dòng)部分2000

如圖3，水位波動(dòng)部分2000包括門吊2100和水箱2200；

在門吊2100內(nèi)設(shè)置有水箱2200；

(1)門吊2100

如圖3，門吊2100包括第1環(huán)扣2101、手拉葫蘆2102、第3萬向輪2103和門型支架2104；

在門型支架2104的上橫梁中間下部依次設(shè)置有第1環(huán)扣2101和手拉葫蘆2102，在門型支架2104的底部設(shè)置有4個(gè)第3萬向輪2103。

(2)水箱2200

如圖3，水箱2200包括第2環(huán)扣2201、出水口2202、出水管2203、水位管2204和水箱箱體2205；

水箱箱體2205為一圓筒形容器，在水箱箱體2205側(cè)面設(shè)置水位管2204，在水箱箱體2205底部設(shè)置有出水口2202，在水箱箱體2205的側(cè)壁上部設(shè)置有第2環(huán)扣2201，第2環(huán)扣2201與手拉葫蘆2102相連。

工作原理：

水位波動(dòng)部分2000是用于模擬海洋工程環(huán)境中的水位上升或下降方式，通過水箱2200的起吊來實(shí)現(xiàn)；水箱2200的出水口2202與模型箱0000的進(jìn)水口0004相連，通過水箱2200的升降控制模型箱0000內(nèi)的水位。

3)豎向荷載施加部分3000

豎向荷載施加部分3000包括豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)3100和豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元3200。

豎向荷載施加部分3000可實(shí)現(xiàn)施加豎向靜荷載、豎向沖擊荷載、以及豎向打入式荷載，包括對長期循環(huán)荷載的施加，同時(shí)對荷載頻率、大小、加載方式進(jìn)行改變，上部設(shè)置有壓力傳感器和精密位移計(jì)，可用于掌握靜壓荷載下的實(shí)時(shí)受力和沉降變形情況。

(1)豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)3100

如圖4，豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)3100包括豎向打入式動(dòng)力單元3110，豎向打入式支撐單元3120和脫扣裝置單元3130；

豎向打入式支撐單元3120內(nèi)安裝有豎向打入式動(dòng)力單元3110和脫扣裝置單元3130，豎向打入式動(dòng)力單元3110和脫扣裝置單元3130相連。

(1-1)豎向打入式動(dòng)力單元3110

如圖5，豎向打入式動(dòng)力單元3110包括無級調(diào)速電機(jī)3111、鏈輪3112和鏈條3113；

無級調(diào)速電機(jī)3111通過鏈條3113和鏈輪3112連接；

所述的鏈條3113側(cè)面設(shè)置有有鏈條附件3113a，鏈條附件3113a在矩形凹槽3132a內(nèi)滑動(dòng)。

(1-2)豎向打入式支撐單元3120

如圖6，豎向打入式支撐單元3120包括上板3121、下板3122、Z向支撐圓桿3123、3根重錘導(dǎo)軌3124和法蘭盤3125；

4根Z向支撐圓桿3123固定在上板3121與下板3122的四角之間，3根重錘導(dǎo)軌3124呈等邊三角形均布穿過上板3121與下板3121，由法蘭盤3125固定。

(1-3)脫扣裝置單元3130

如圖7，脫扣裝置單元3130包括重錘3131、滑塊3132、卡片3133、圓棒3134、第1彈簧3135、方桿3136、梯形臺(tái)3137和第2彈簧3138；

所述重錘3131為一空心鐵棒，其外表面有等間距排列的凹槽；

所述滑塊3132為一中間有方孔的方形鐵塊，其背面設(shè)置有矩形凹槽3132a；

在方桿3136的上部設(shè)置有梯形臺(tái)3137；

在滑塊3132上部裝有卡片3133，圓棒3134穿過滑塊3132和卡片3133后其下端連接有第1彈簧3135；

在滑塊3132和卡片3133側(cè)面分別設(shè)置兩個(gè)第2彈簧3138，第2彈簧3138一端連接滑塊3132側(cè)面后部，另一端連接卡片3133側(cè)面后部；

方桿3136穿過滑塊3132和卡片3133上的方孔，卡片3133卡進(jìn)凹槽內(nèi)。

豎向打入式樁基動(dòng)荷載系統(tǒng)3100工作原理如下：

所述重錘導(dǎo)軌3124由三根長桿構(gòu)成，穿過上板3211下板3122，由兩個(gè)法蘭盤3122固定；三根長桿圍成一個(gè)等邊三角形，中間可剛好通過重錘3131；

所述無級調(diào)速電機(jī)3111可進(jìn)行無級變速，設(shè)置在下板3122上，無級調(diào)速電機(jī)3111通過鏈條3113和鏈輪3112連接；

所述方桿3136固定在上板3121與下板3122之間，方桿3136一側(cè)安裝有可調(diào)高度的梯形臺(tái)3137；

所述滑塊3132中心有方孔，可套在方桿3136上滑動(dòng)；背面有一矩形凹槽3132a，與鏈條3113上的鏈條附件3113a連接；

所述卡片3133在滑塊3132上方，在第1彈簧3135的作用下可彈出，卡住重錘凹槽；

所述重錘3131為鋼制空心圓棒，頂部有螺旋封蓋，重錘3131內(nèi)可裝入重物，如鐵砂等，可改變重錘3138的質(zhì)量；重錘3131外表面排布著凹槽，卡片3133彈出時(shí)，卡片3133前段插入凹槽中，重錘3131可隨滑塊3132滑動(dòng)；

所述脫扣裝置單元3130工作原理如下：

滑塊3132隨鏈條3113上下滑動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最低點(diǎn)時(shí)，圓棒3134被下板3122抬起，卡片3133在第2彈簧3138的作用下彈出，卡住重錘3131上的凹槽，使重錘3131與滑塊3132一同向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)滑塊通過方桿3136上的梯形臺(tái)3137時(shí)，卡片3133被梯形臺(tái)3137頂回，在第1彈簧3136的作用下，圓棒3134向下伸出，圓棒帽卡住卡片3133，使其不能伸出。重錘3131落下；脫扣裝置單元3130工作時(shí)，重錘3131被抬高的距離為下板3122和梯形臺(tái)3137的高度差，可以滿足每次錘擊的高度保持一致。通過調(diào)整方桿上梯形臺(tái)3137的位置，即可控制錘擊的高度。

(2)豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元3200

如圖8，豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元3200包括第1荷載安裝槽鋼3201、第1槽鋼安裝孔3202和第1荷載安裝孔3203；

在第1荷載安裝槽鋼3201的兩端分別設(shè)置有第1槽鋼安裝孔3202，在第1荷載安裝槽鋼3201的中間設(shè)置有第1荷載安裝孔3203；第1荷載安裝槽鋼3201安裝在整體支架1000的Y向固定槽鋼上，第1荷載安裝孔3203安裝在氣缸6104 或液壓缸5108上。

豎向沖擊荷載和靜荷載施加單元3200工作原理如下：

所述第1荷載安裝槽鋼通過第1槽鋼固定孔固定在Y向固定槽鋼上；

所述第1荷載安裝孔可安裝氣缸6104或液壓缸5108；所述氣缸6104可通過氣壓加載部分6000對模型樁7000施加豎向沖擊荷載和豎向靜荷載；所述液壓缸6104可通過液壓加載部分5000對模型樁7000施加豎向沖擊荷載和豎向靜荷載；

所述氣缸6104可施加較小的豎向沖擊荷載和豎向靜荷載，一般為1噸以下；

所述液壓缸5108可施加1噸以上的豎向沖擊荷載和豎向靜荷載。

4)水平荷載施加部分4000

水平荷載施加部分4000包括水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加單元4100和水平多向荷載施加系統(tǒng)4200；

(1)水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加單元4100

如圖9，水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加單元4100包括第2荷載安裝槽鋼4101、第2槽鋼安裝孔4102和第2荷載安裝孔4103；

在第2荷載安裝槽鋼4101的兩端分別設(shè)置有第2槽鋼安裝孔4102，在第2荷載安裝槽鋼4101的中間設(shè)置有第2荷載安裝孔4103；第2荷載安裝槽鋼4101安裝在整體支架1000的Z向支撐絲桿之間，第2荷載安裝孔4103安裝氣缸6104或液壓缸5108上。

(2)水平多向荷載施加系統(tǒng)4200

水平多向荷載施加系統(tǒng)4200包括水平多向荷載支撐單元4210和水平多向荷載動(dòng)力單元4220；

水平多向荷載動(dòng)力單元4220內(nèi)設(shè)置有水平多向荷載支撐單元4210。

(2-1)水平多向荷載支撐單元4210

如圖10，水平多向荷載支撐單元4210包括環(huán)形軌道4211、十字板4212、固定絲桿4213、第3荷載安裝槽鋼4214和第3荷載安裝孔4215；

在環(huán)形軌道4211內(nèi)部設(shè)置有十字板4212，在十字板4212的一橫板上設(shè)置有兩根固定絲桿4213并連接第3荷載安裝槽鋼4214，在第3荷載安裝槽鋼4214兩端分別設(shè)置有第3荷載安裝孔4215。

(2-2)水平多向荷載動(dòng)力單元4220

如圖11、圖12，水平多向荷載動(dòng)力單元4220包括直流電機(jī)4221、萬向節(jié)4222、第1圓筒4223、第2圓筒4224、第3圓筒4225、平板4226、第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228、第1軸承4229、第2軸承4230、第1通氣管4231、第2通氣管4232和樁帽套4233；

在第1圓筒4223底部嵌有第1滾珠軸承4229，第1滾珠軸承4229與第1通氣管4231上端連接；

在第2圓筒4224底部嵌有第2滾珠軸承4230,第2滾珠軸承4230與第2通氣管4232上端連接；

從上到下，直流電機(jī)4221、萬向節(jié)4222、第1圓筒4223、第2圓筒4224、平板4226依次連接，在平板4226上的左、右兩邊分別設(shè)置有第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228；

第3圓筒4225上端與第2通氣管4232連接，中部螺紋與第1通氣管4231下端配合；

樁帽套4233上端面與第3圓筒4225的下端面連接；

第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228前端分別設(shè)置有帶滾珠軸承的y型接頭；第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228的固定端與平板4226連接，活動(dòng)端與環(huán)形軌道4211連接。

*直流電機(jī)4221是一種通用件，是動(dòng)力源；

*萬向節(jié)4222是一種通用件，起連接和傳遞動(dòng)力的作用；

*第1圓筒4223、第2圓筒4224、第3圓筒4225分別為三個(gè)內(nèi)徑不同的圓筒；在第1、2圓筒4223、4224側(cè)壁分別設(shè)置有兩個(gè)通氣孔4223a、4224b，在第3圓筒4225側(cè)壁設(shè)置有兩個(gè)通氣孔4225c、4225d，其中通氣孔4225c位于第3圓筒上部，通氣孔4225d位于第3圓筒下部，第3圓筒4225內(nèi)壁中部有螺紋；

*第1通氣管4231為一鐵質(zhì)圓管，其底部有外螺紋；第2通氣管4232為一內(nèi)徑大于第1通氣管4231的鐵質(zhì)圓管。

工作原理：

所述水平荷載施加部分4000可實(shí)現(xiàn)施加水平靜荷載、水平?jīng)_擊荷載和水平多向荷載，包括對長期循環(huán)荷載的施加，同時(shí)對荷載頻率、大小、加載方式進(jìn)行改變，上部設(shè)置有壓力傳感器和精密位移計(jì)，可用于掌握靜壓荷載下的實(shí)時(shí)受力和變形變形情況。

水平?jīng)_擊荷載和靜荷載施加系統(tǒng)4100工作原理如下：

所述第2荷載安裝槽鋼通過第2槽鋼固定孔固定在Z向支撐絲桿之間。

所述第2荷載安裝孔可安裝氣缸6104或液壓缸5108；所述氣缸6104可通過氣壓加載部分6000對模型樁7000施加水平?jīng)_擊荷載和水平靜荷載；所述液壓缸5108可通過液壓加載部分5000對模型樁7000施加水平?jīng)_擊荷載和水平靜荷載；

所述氣缸6104可施加較小的水平?jīng)_擊荷載和水平靜荷載，一般為1噸以下；

所述液壓缸5108可施加1噸以上的水平?jīng)_擊荷載和水平靜荷載。

水平多向荷載系統(tǒng)4200工作原理如下：

所述水平多向荷載系統(tǒng)4200其主要包括直流電機(jī)4221、第1圓筒4223、第2圓筒4224、第1氣缸4233、平板4211和第3圓筒4226等；

第1圓筒4224側(cè)壁設(shè)有兩通氣孔4224a，分別通過導(dǎo)氣管與兩氣缸連接，兩孔與內(nèi)部空腔連通，空腔下部不封閉，其上部與萬向節(jié)4222連接，下部套合有第1軸承4229，第1軸承4229內(nèi)徑與第1通氣管4231上部套合；

第2圓筒4224內(nèi)徑比第1圓筒4223內(nèi)徑大，側(cè)壁設(shè)有兩通氣孔孔4224b，分別通過氣管與兩氣缸另外一個(gè)接口連接，其上部內(nèi)徑與第1圓筒4223下部直徑通過銷釘套合，下部內(nèi)徑與第2軸承4230套合，第2軸承4230內(nèi)徑與第2通氣管4232上部套合；

第1軸承4229和第2軸承4230起連接和減少摩擦的作用；

平板4226設(shè)置在第2圓筒4224和第3圓筒4225之間，并通過螺絲固定在第2圓筒4224下部，主要起支撐作用；

第3圓筒4225的內(nèi)徑略小，內(nèi)部分為兩個(gè)空腔，側(cè)壁有兩個(gè)通氣孔4235c、4235d；

第3圓筒的上空腔和下空腔之間通過螺紋和第1通氣管4231下部連接，從而使第1通氣管4231內(nèi)部和第3圓筒4225的下空腔連通；

第2通氣管的上部和第2軸承的內(nèi)徑套合，下部與第3圓筒上空腔內(nèi)徑套合，使第2通過管內(nèi)部氣體與第3圓筒上空腔內(nèi)氣體連通；

第1通氣管4231在其中部穿過第2軸承4229和第2通氣管4232并將第1通氣管4231內(nèi)氣體和第2通氣管4232內(nèi)氣體隔開；

第1圓筒4223、第2圓筒4224、第3圓筒4225、第1通氣管4231和第2通氣管4232起連接和導(dǎo)氣的作用；

第1小型氣缸4227和第2小型氣缸4228設(shè)置在平板4226兩端，第1小型氣缸4227和第2小型氣缸4228前端分別設(shè)置有帶滾珠軸承的y型接頭；

第1小型氣缸4227和第2小型氣缸4228固定端與平板4226連接，活動(dòng)端與環(huán)形軌道4211內(nèi)壁連接，主要用來產(chǎn)生水平多向動(dòng)荷載；

樁帽套4233和模型樁7000上端連接；

當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，萬向節(jié)4222、第1圓筒4223、第2圓筒4224、平板4226、第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228一起轉(zhuǎn)動(dòng)；第3圓筒4225通氣時(shí)，第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228伸出，第1小型氣缸4227、第2小型氣缸4228前端作用于環(huán)形軌道4211，施加反力與模型樁7000；

所述動(dòng)水平荷載系統(tǒng)4200，其特征在于可實(shí)現(xiàn)周期性旋轉(zhuǎn)的水平荷載施加，同時(shí)可對旋轉(zhuǎn)周期，荷載大小，對稱性進(jìn)行改變。

5)液壓加載部分5000

如圖13、圖14、圖15，液壓加載部分5000包括相互連接的液壓站5100和液壓電路控制系統(tǒng)5200，液壓電路控制系統(tǒng)5200控制液壓站5100。

所述液壓站5100是一種外購件，包括風(fēng)冷機(jī)5101、回油閥5102、輸油閥5103、調(diào)壓閥5104、數(shù)顯壓力表5105、調(diào)壓旋鈕5106、油箱5107和液壓缸5108；

所述液壓電路控制系統(tǒng)5200包括相互連接第1時(shí)間繼電器5201和第1直流電源5202。

液壓電路控制單元有兩種連接方式：沖擊荷載連接方式和靜荷載連接方式。

*沖擊荷載連接方式：如圖15，第1直流電源5202與第1時(shí)間繼電器5201和調(diào)壓閥5104連接，第1時(shí)間繼電器5201分別與輸油閥5103與回油閥5102連接。

*靜荷載連接方式：如圖14，第1直流電源5202分別與輸油閥5103和調(diào)壓閥5104連接。

工作原理：

所述風(fēng)冷機(jī)5101為液壓站5100降溫，所述調(diào)壓閥5104可以調(diào)節(jié)液壓站5100輸出壓力，所述數(shù)顯壓力表5105可觀察液壓站5100輸出壓力；所述第1直流電源5202為調(diào)壓閥、輸油閥5103、回油閥5102和第1時(shí)間繼電器5201提供24V電壓。

所述沖擊荷載連接方式原理如下：

所述第1直流電源5202與第1時(shí)間繼電器5201相連，第1時(shí)間繼電器5201控制輸油閥5103與回油閥5102的開關(guān)；所述第1時(shí)間繼電器5201可根據(jù)時(shí)間控制電路的通斷，當(dāng)輸油閥5103工作時(shí)，回油閥5102斷開；當(dāng)回油閥5102工作時(shí)，輸油閥5103斷開；

所述輸油閥5103工作時(shí)，液壓缸5108伸出；所述回油閥5102工作時(shí)，液壓缸5108縮回；

所述調(diào)壓閥旋鈕5106可調(diào)節(jié)液壓站5100油壓大?。?/p>

所述沖擊荷載連接方式可提供較大壓力的周期性沖擊荷載；

所述靜荷載連接方式原理如下：

所述第1直流電源5202與輸油閥5103相連，輸油閥5103工作時(shí)液壓缸5108伸出。所述調(diào)壓閥旋鈕5106調(diào)節(jié)液壓站5100油壓大小。

6)氣壓加載部分6000

如圖16、圖17、圖18，氣壓加載部分6000包括相互連接的氣壓系統(tǒng)6100和氣壓電路控制系統(tǒng)6200；氣壓電路控制系統(tǒng)6200控制氣壓系統(tǒng)6100。

(1)氣壓系統(tǒng)6100

如圖16，所述的氣壓系統(tǒng)6100包括依次連接的空氣壓縮機(jī)6101、氣壓調(diào)壓閥6102、氣缸開關(guān)6103和氣缸6104。

(2)氣壓電路控制系統(tǒng)6200

如圖17，所述的氣壓電路控制系統(tǒng)6200包括直流電源6201、電氣比例閥6202、函數(shù)信號發(fā)生器6203、電磁閥6204和時(shí)間繼電器6205；

所述氣壓電路控制系統(tǒng)6200有兩種連接方式：沖擊荷載連接方式和靜荷載連接方式。

*如圖18，所述沖擊荷載連接方式：直流電源6201、時(shí)間繼電器6205和電磁閥6204依次電路連接；空氣壓縮機(jī)6101、氣壓調(diào)壓閥6102、氣缸開關(guān)6103 和氣缸6104依次氣路連通。

所述靜荷載連接方式可分為兩種：恒壓靜壓荷載和循環(huán)靜壓荷載。

所述恒壓靜壓荷載連接方式為：如圖16，空氣壓縮機(jī)6101、調(diào)壓閥6102和氣缸6104依次連通。調(diào)壓閥控制輸出氣壓大小。

所述循環(huán)靜壓荷載連接方式為：如圖17，直流電源6201、電氣比例閥6202和函數(shù)信號發(fā)生器6203依次電路連接；空氣壓縮機(jī)6101、氣壓調(diào)壓閥6102、電氣比例閥6202和氣缸6104依次氣路連通。

工作原理如下：

所述空氣壓縮機(jī)6101提供氣壓源，所述氣壓調(diào)壓閥6102調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)6101輸出氣壓大小，所述氣缸開關(guān)6103可控制氣缸伸縮；所述第2直流電源6201為電氣比例閥6202，函數(shù)信號發(fā)生器，電磁閥6204和第2時(shí)間繼電器6205提供24V電壓。

所述沖擊荷載連接方式工作原理如下：

所述空氣壓縮機(jī)6101、氣壓調(diào)壓閥6102、氣缸開關(guān)6103和氣缸依次相連，氣缸開關(guān)6103上安有電磁閥6204，電磁閥6204由時(shí)間繼電器控制；

所述時(shí)間繼電器可通過時(shí)間控制電磁閥6204的通斷，從而控制氣缸6104的伸縮；

所述恒壓靜壓荷載連接方式工作原理為：氣壓調(diào)壓閥6102可調(diào)節(jié)空氣壓縮機(jī)6101的輸出壓力，從而施加靜荷載。

所述循環(huán)靜壓荷載連接方式工作原理如下：

所述函數(shù)信號發(fā)生器6203的作用是提供變化的電壓信號；

所述電氣比例閥6202的作用是在接受電壓信號后改變輸出空氣壓力值的大小，其特點(diǎn)是隨著電壓信號的線性變化，提供線性變化的空氣壓力；

所述循環(huán)靜壓荷載連接方式可由函數(shù)信號發(fā)生器6203控制循環(huán)荷載的大小與周期。

7)模型樁7000

如圖19，模型樁7000包括第1樁身7001、第2樁身7002、樁帽7003、樁靴7004、樁底7005和絲桿7006；

第1樁身7001和第2樁身7002為一鋼管的兩半；通過絲桿7006合為一體；

在第1樁身7001的頂端連接有樁帽7003，在第1樁身7001的底端依次連接有樁底7005和樁靴7004，在第1樁身7001的上部設(shè)置有出線孔7001A；

在第1、2樁身7001、7002的兩端設(shè)置有固定孔B。

工作原理：所述模型樁7000為空心鋼管，采用無縫切割方法進(jìn)行模型樁對開，對開后在模型樁內(nèi)壁貼有應(yīng)變片，具體按照應(yīng)變片粘貼規(guī)范進(jìn)行。樁身兩瓣薄管壁上開設(shè)有對穿對應(yīng)的固定孔B，通孔之間通過絲桿7006連接固定。

所述樁帽7003、樁靴7004和樁底7005車有外螺紋，可與第1樁身7001兩端的內(nèi)螺紋配合。

8)傳感采集部分8000

如圖1，所述的傳感采集部分8000包括應(yīng)變采集器a、土壓力采集器b、孔隙水壓力采集器c、加速度采集器d和計(jì)算機(jī)e；

應(yīng)變采集器a、土壓力采集器b、孔隙水壓力采集器c、加速度采集器d，其各自的傳感器探頭a1、b1、c1、d1分別置于模型箱0000內(nèi)的鈣質(zhì)砂A中；其各自的輸出端均與計(jì)算機(jī)e連接；

如圖20，傳感器探頭a1、b1，c1，d1布置如下：

應(yīng)變采集器a輸入端連接有應(yīng)變片a1，應(yīng)變片a1貼于模型樁7000內(nèi)壁，對稱進(jìn)行布置；

土壓力采集器b輸入端連接有微型土壓力傳感器b1，微型土壓力傳感器b1分別置于模型箱0000內(nèi)模型樁7000周圍的鈣質(zhì)砂A中，沿深度方向和水平方向布置；

孔隙水壓力采集器c輸入端連接有微型孔隙水壓力傳感器c1，微型孔隙水壓力傳感器c1分別置于模型箱0000內(nèi)模型樁7000周圍的鈣質(zhì)砂A中，沿深度方向和水平方向布置；

加速度采集器d輸入端連接有加速度傳感器d1，加速度傳感器d1分別置于模型箱0000內(nèi)模型樁7000周圍的鈣質(zhì)砂A表層位置，位于模型樁7000周圍、成對稱分布。

(1)應(yīng)變片采集器a

應(yīng)變片采集器a為通用件，其作用為采集測量應(yīng)變片a1的傳感數(shù)據(jù)，其輸入端連接應(yīng)變片a1，其輸出端連接計(jì)算機(jī)e；

應(yīng)變片a1是電阻式傳感器，其作用為測量樁身的變形，其主要原理是應(yīng)變片變形量與其自身可測電阻阻值變化成比例關(guān)系，進(jìn)一步通過樁身變形量可分析模型樁受力狀態(tài)。

應(yīng)變片a1與模型樁7000通過膠水粘結(jié)在第1樁身7001和第2樁身7002內(nèi)壁，對稱均勻分布。

(2)土壓力采集器b

土壓力采集器b為通用件，其作用為采集微型土壓力傳感器b1的傳感數(shù)據(jù)，其輸入端連接微型土壓力傳感器b1，其輸出端連接計(jì)算機(jī)e；

微型土壓力傳感器b1是電阻式傳感器；

微型土壓力傳感器b1主要用于采集模型樁7000因受荷載與鈣質(zhì)砂A發(fā)生樁土相互作用時(shí)該點(diǎn)土體所受壓力變化；

微型土壓力傳感器b1其主要原理是將土體所受壓力變化轉(zhuǎn)換為內(nèi)部傳感器阻值的變化，進(jìn)一步通過分析得到該點(diǎn)土體壓力狀態(tài)；

微型土壓力傳感器b1埋置于模型樁7000周圍的鈣質(zhì)砂A中，位于模型樁7000樁側(cè)，并沿深度方向和水平方向均勻布置。

(3)孔隙水壓力采集器c

孔隙水壓力傳感器c為通用件，其作用為采集微型孔隙水壓力傳感器c1的傳感數(shù)據(jù)，其輸入端連接微型孔隙水壓力傳感器c1，其輸出端連接計(jì)算機(jī)e；

微型孔隙水壓力傳感器c1是電阻式傳感器；

微型孔隙水壓力傳感器c1主要用于采集模型樁7000因受荷載與鈣質(zhì)砂A發(fā)生樁土相互作用時(shí)該點(diǎn)土體處孔隙間水壓力變化，其主要原理是該點(diǎn)土體對壓力盒工作面的孔隙水壓力變化，轉(zhuǎn)換為微型土壓力內(nèi)部傳感器阻值的變化，進(jìn)一步通過分析得到該點(diǎn)土體孔隙間水壓力狀態(tài)；

微型孔隙水壓力傳感器c1埋置于模型樁7000周圍的鈣質(zhì)砂A中，位于模型樁7000樁側(cè)，并沿深度方向和水平方向均勻布置。

(4)加速度采集器d

加速度采集器d為通用件，其作用為采集加速度傳感器d1的傳感數(shù)據(jù)，其輸入端連接加速度傳感器d1，其輸出端連接計(jì)算機(jī)e；

加速度傳感器d1其主要作用是用于測定模型樁在受到?jīng)_擊荷載下土體表面振動(dòng)加速度；

加速度傳感器d1埋置于模型樁7000周圍的鈣質(zhì)砂A土體表面，位于模型樁7000樁側(cè)，并沿水平方向呈120°均勻布置。

(5)計(jì)算機(jī)f

計(jì)算機(jī)f為通用件，其主要作用為儲(chǔ)存土工數(shù)字采集儀e傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)f上安裝有相應(yīng)的傳感器采集軟件。

10)液壓升降部分9000

如圖21，液壓升降部分9000包括液壓升降平臺(tái)9001、液壓升降桿9002；

在液壓升降平臺(tái)9001上設(shè)置有模型箱固定孔9003，液壓升降桿9002設(shè)置于液壓升降平臺(tái)9001下。

工作機(jī)理：

液壓升降部分9000可實(shí)現(xiàn)對模型箱0000的位置調(diào)整；液壓升降部分9000通過液壓升降桿9002實(shí)現(xiàn)升降，液壓升降平臺(tái)9001上設(shè)置的模型箱固定孔9003用來固定模型箱0000。