一种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置及方法与流程

1.本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置及方法。


背景技术：

2.随着高铁建设密度提高，并行运营的高铁线路日渐增多。在运营期间，既有线路桩基础承担上部结构和行车荷载，控制地基土变形，保证高铁平稳运行。然而，随着新建高铁线路开始运营，新建线路行车动载对既有线路桩基承载状态的扰动剧烈，安全隐患高，是当前相关研究的重要内容。
3.受限于监测技术与安全因素，工作中的既有桩基无法监测，物理模型试验是该类研究中的重要手段。当前，新建线路行车动载作用下既有桩基承载状态物理模型试验面临两大问题：一方面，要完整模拟两条并行线路基础，即使按照一定比例缩小尺寸也需要大型试验场地，试验条件要求严格；另一方面，通过进一步缩小模型尺寸解决场地问题会有让扰动作用大幅失真的可能。上述问题一定程度上源于模型箱的尺寸限制，试验过程可控程度低、成本高，且难以还原现场工程状况。数值模拟或现场监测可以获取行车动载在两条并行线之间地基土产生的动载激振响应，在此基础上通过模型试验装置还原这一地基土的侧向动载激振分布，进而研究新建线路行车动载对既有线路桩基承载状态的扰动是一条重要技术路线。现今研究中，模型试验装置侧向变形加载多为整体液压推移加载，侧向变形模拟粗糙，不能还原现场工程状况，精确侧向动载激振分布模拟的模型试验装置研究尚为空白。
4.因此，研发一种行车动载下桩基侧向地基土扰动试验模型装置，充分利用有限的试验空间，最大程度保证既有桩基的尺寸，并突出动载下既有桩基承载状态研究，具有重要的实际应用意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置，包括试验箱、竖向加载机构、蜂巢式侧向加载机构和控制组件，所述试验箱内部通过限位框架分成第一区域和第二区域，所述试验箱的第一区域内填装土体，所述土体内埋设承载桩模型，所述竖向加载机构设置于承载桩模型上方，所述蜂巢式侧向加载机构设置于试验箱的第二区域内，所述蜂巢式侧向加载机构包括若干个顶伸筒以及控制顶伸筒水平伸缩的拉伸组件，各所述顶伸筒呈阵列排布安装于限位框架上，所述承载桩模型周边设有用于监测土体侧移引起承载桩模型动载响应的传感器组件，所述竖向加载机构、拉伸组件及传感器组件均与控制组件电连接。
7.进一步的，所述试验箱为采用碳钢钢板焊接而成的上方敞口的长方体结构。
8.进一步的，所述试验箱的底部以及蜂巢式侧向加载机构安装侧采用整体钢板，其
余侧采用镂空钢板，所述镂空钢板的镂空位置处内侧安装钢化玻璃。
9.进一步的，所述竖向加载机构包括龙门架和杠杆加载组件，所述龙门架安装于试验箱上方，所述龙门架上设有加载孔，所述杠杆加载组件包括动力杆、压杆、砣挂和砝码，所述动力杆一端部通过铰座安装于龙门架上，动力杆另一端部开设有承载孔，所述砣挂的挂钩端连接于承载孔上，所述砝码安装于砣挂上，所述压杆的一端连接于动力杆的中部，压杆另一端竖直穿过龙门架的加载孔延伸抵压于承载桩模型上。
10.进一步的，所述动力杆的中部开设变力臂槽，所述压杆的端部设有轴承，所述轴承内环与所述变力臂槽通过变位螺栓固定连接。
11.进一步的，所述试验箱的上部设有滑动槽，所述龙门架的下部通过高强度螺栓滑动连接于试验箱的滑动槽上。
12.进一步的，所述限位框架上表面中部焊接有截面为l形的加固刚配件，所述限位框架接触土体一侧面胶封有非金属蒙皮。
13.进一步的，所述拉伸组件包括直线电机和拉线式位移传感器，所述试验箱的侧板上设有安装孔，所述直线电机和拉线式位移传感器安装于安装孔上，所述直线电机的推杆端部水平延伸至顶伸筒内部并焊接于顶伸筒上靠近土体一侧面中心位置，所述拉线式位移传感器的拉线水平延伸至顶伸筒内部并焊接于顶伸筒上靠近土体一侧面上，所述直线电机、拉线式位移传感器与顶伸筒的数量相同且一一对应，所述直线电机和拉线式位移传感器均与控制组件电连接。
14.进一步的，所述传感器组件包括多个应变片和多个压力传感器，各所述应变片粘贴于承载桩模型周四侧，所述压力传感器布设于承载桩模型底部以及顶伸筒上对应土体的一侧。
15.另外，本发明还提供了一种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验方法，包括如下步骤：s1、组装上述的行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置；s2、基于数值模拟或现场监测采集运营行车动载下地基侧面激振数据；s3、利用步骤s2获得的数据，通过控制组件控制蜂巢式侧向加载机构模拟运营行车动载下地基侧面产生的激振响应；s4、通过相似理论计算并利用竖向加载机构对承载桩模型施加荷载，同时传感器组件持续采集蜂巢式侧向加载机构试验过程中土体侧移引起的承载桩模型的动载响应数据，当传感器组件获取数据变化规律不再改变时，完成一次试验数据采集，并依此采集数据计算获得承载桩模型的承载状态数据；s5、采集完成后，竖向加载机构和蜂巢式侧向加载机构复位至初始状态，并取出土体、承载桩模型和传感器组件；s6、更换承载桩模型后，重复步骤s2-s5，输入不同动载地基侧面激振数据，即可获得行车动载产生的侧向动载激振扰动下既有桩基承载状态变化数据。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果：(1)本发明提供的这种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置能三维模拟行车动载下临近地基土的激振分布，避免同时搭建两条并行路基模型，充分利用有限的试验空间，最大程度保证既有桩基的尺寸，突出动载下既有桩基承载状态研究。
17.(2)本发明提供的这种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置中竖向加载机构可调整其在试验箱上的安装位置，方便重新制备模型及设置不同加载工况（中心加载或偏心加载），同时采用杠杆加载组件的结构设计，使得桩顶竖向加载机构自身阻力臂与动力臂的比例可变，加载值范围得以极大提升，试验可控程度高、成本低，可反复高效利用。
18.(3)本发明提供的这种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置中侧向变形加载方式为蜂巢式液压加载，侧向动载激振分布模拟三维且精细，可以更好地还原现场工程状况。
19.以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
20.图1是本发明行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置的结构示意图；图2是本发明行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置的侧面示意图；图3是本发明行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置的剖面示意图；图4是本发明中蜂巢式侧向加载机构的结构示意图；图5是本发明行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验方法的流程图。
21.附图标记说明：1、试验箱；2、土体；3、滑动槽；4、龙门架；5、砣挂；6、承载孔；7、动力杆；8、控制组件；9、轴承；10、变力臂槽；11、加载孔；12、铰座；13、移动槽；14、压杆；15、承载桩模型；16、限位框架；17、加固钢配件；18、拉伸组件；19、顶伸筒；20、砝码；21、非金属蒙皮；22、应变片；23、压力传感器；24、直线电机；25、推杆；26、拉线式位移传感器；27、拉线。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
26.如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置，包括试验箱1、竖向加载机构、蜂巢式侧向加载机构和控制组件8，所述试验
箱1内部通过限位框架16分成第一区域和第二区域，所述试验箱1的第一区域内填装土体2，所述土体2内埋设承载桩模型15，所述竖向加载机构设置于承载桩模型15上方，所述蜂巢式侧向加载机构设置于试验箱1的第二区域内，所述蜂巢式侧向加载机构包括若干个顶伸筒19以及控制顶伸筒19水平伸缩的拉伸组件18，各所述顶伸筒19呈阵列排布安装于限位框架16上，所述承载桩模型15周边设有用于监测土体侧移引起承载桩模型15动载响应的传感器组件，所述竖向加载机构、拉伸组件18及传感器组件均与控制组件8电连接。在本实施例中，通过竖向加载机构给承载桩模型15提供桩顶荷载，同时通过蜂巢式侧向加载机构模拟侧向动载激振分布，实现三维模拟行车动载下临近地基土的激振分布，避免同时搭建两条并行路基模型，充分利用有限的试验空间，最大程度保证既有桩基的尺寸，突出动载下既有桩基承载状态研究。
27.可选的实施方式，如图1所示，所述试验箱1为上方敞口的长方体结构，采用厚度为10mm的碳钢钢板焊接成形；所述试验箱1的底部以及蜂巢式侧向加载机构安装侧采用整体钢板，其余侧采用镂空钢板，其镂空形状可以采用但不限于正方形或圆形，所述镂空钢板的镂空位置处内侧安装钢化玻璃，用于试验过程土体2变形以及监测仪器、加载装置的状态观察，所述试验箱1的尺寸依据试验方案具体确定。
28.如图1和图2所示，所述竖向加载机构采用厚度为10mm的普通碳钢钢板焊接切割成形，具体包括龙门架4和杠杆加载组件，所述龙门架4安装于试验箱1上方，龙门架4由承载板与四个承力柱焊接而成，其长度为试验箱1的1/4，宽度与试验箱1一致，所述龙门架4的承载板中间开设加载孔11，加载孔11右侧开有移动槽13，长度约为承载板宽度的1/4且两端不开口；优化的，可在试验箱1上部前后镂空钢板的顶部边缘位置开设滑动槽3，滑动槽3高度约为镂空钢板的顶部边缘宽度的1/3，长度约为试验箱1长度的2/3，同时在龙门架4下部的承力柱上开设固定孔，固定孔直径与滑动槽3高度一致，通过高强度螺栓旋紧穿过固定孔和滑动槽而将龙门架4固定于试验箱1上方某一位置，并且通过高强度螺栓可调节龙门架4在滑动槽3中固定的位置，实现竖向加载机构左右调整位置，方便重新制备模型及设置不同加载工况（中心加载或偏心加载）。
29.具体的，所述杠杆加载组件包括动力杆7、压杆14、砣挂5和砝码20，所述动力杆7一端部通过铰座12安装于龙门架4上，铰座12限位安装于龙门架4的移动槽13中，动力杆7另一端部开设有承载孔6，所述砣挂5的挂钩端连接于承载孔6上，所述砝码20安装于砣挂5上，通过增减砝码20为整个机构提供荷载；所述压杆14的一端连接于动力杆7的中部，压杆14另一端竖直穿过龙门架4的加载孔11延伸抵压于承载桩模型15上。优化的，所述动力杆7的中部开设变力臂槽10，所述压杆14的端部设有轴承9，所述轴承9内环与所述变力臂槽10通过变位螺栓固定连接；其中，所述轴承9内环宽度略大于外环以保证压杆14的自由转动。在本实施例中，所述杠杆加载组件可以通过松紧变位螺栓调整压杆14顶部位于变力臂槽10的位置，配合动力杆7端部铰座12在移动槽13中的滑动，实现竖向加载机构自身阻力臂与动力臂比例的变化，极大提升桩顶加载值范围。
30.可选的实施方式，如图1和图2所示，所述限位框架16采用加厚钢板焊接而成，宽度约为100mm，限位框架16上表面中部焊接有截面为l形的加固钢配件17，防止限位框架16挠曲变形；所述限位框架16接触土体2一侧面胶封有非金属蒙皮21，非金属蒙皮21可以是柔性硅胶布或者橡胶纤维织物等材质，表面涂抹有润滑油，以保证土体2在其表面自由滑动。
31.具体的，顶伸筒19采用坚硬金属材质制成内部中空结构，且各顶伸筒19尺寸相同，各顶伸筒19箍设于限位框架16内侧，其在限位框架16上呈阵列式水平排布，且相互无缝密切接触。同时在与顶伸筒19对应等高位置的试验箱1侧板上开设有安装孔，并在安装孔内对应安装拉伸组件18，如图4所示，所述拉伸组件18包括直线电机24和拉线式位移传感器26，所述直线电机24的推杆25端部水平延伸至顶伸筒19内部并焊接于顶伸筒19上靠近土体2一侧面中心位置，所述拉线式位移传感器26的拉线27水平延伸至顶伸筒19内部并焊接于顶伸筒19上靠近土体2一侧面的任意位置，所述直线电机24、拉线式位移传感器26与顶伸筒19的数量相同且一一对应，所述直线电机24和拉线式位移传感器26均与控制组件8电连接；通过控制组件8控制直线电机24上的推杆25伸缩，从而间接控制阵列式水平排布的顶伸筒19的水平伸缩，并依据拉线式位移传感器26监测数值反馈水平加载状态，相应调整，基于此模拟行车动载在地基土中产生的动载激振响应。
32.具体的，如图3所示，所述传感器组件包括多个应变片22和多个压力传感器23，各所述应变片22预先粘贴于承载桩模型15桩周四侧，用于监测承载桩模型15桩体的变形和弯矩，所述压力传感器23布设于承载桩模型15底部以及顶伸筒19上对应土体2的一侧，用于监测桩端与侧向土压力。进一步的，如承载桩模型15为群桩承台，另外还在承台底部加压力传感器；如预制承载桩模型15为桩板结构，另外还在桩-板连接处加压力传感器。
33.在本实施例中，该行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置的所有涉电装置均通过控制组件8与实验室市政电网电连接，保证装置的用电需求。
34.如图5所示，采用上述实施例中行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置进行试验的具体工作过程如下：s1、组装上述的行车动载下桩基侧向地基土扰动模型试验装置。
35.具体的，在试验箱1内限位框架16左侧（即第一区域）分层填筑土体2，在土体2内任意位置（依据研究需求而定）埋设有承载桩模型15，在承载桩模型15周围布设好传感器组件并与控制组件8电连接；松开穿过固定孔与滑动槽3的高强度螺栓，调节竖向加载机构至承载桩模型15顶部后再旋紧固定；松开杠杆加载组件上的变位螺栓，调节轴承9内环至变力臂槽10设定位置后旋紧固定；将压杆14放到承载桩模型15顶部后，通过控制组件8为整体模型装置连接电源。
36.s2、基于数值模拟或现场监测采集运营行车动载下地基侧面激振数据。
37.s3、利用步骤s2获得的数据，通过控制组件8控制蜂巢式侧向加载机构模拟运营行车动载下地基侧面产生的激振响应。具体的，通过控制组件8控制直线电机24上的推杆25伸缩，从而间接控制阵列式水平排布的顶伸筒19的水平伸缩，并依据拉线式位移传感器26监测数值反馈水平加载状态，相应调整，基于此模拟行车动载在地基土中产生的动载激振响应。
38.s4、通过相似理论计算并利用竖向加载机构对承载桩模型15施加荷载，同时传感器组件持续采集蜂巢式侧向加载机构试验过程中土体2侧移引起的承载桩模型15的动载响应数据，具体包含桩端压力、桩体的变形和弯矩等，当传感器组件获取数据变化规律不再改变时，完成一次试验数据采集，并依此采集数据计算获得承载桩模型15的承载状态数据，包括桩的内力（轴力，弯矩，剪力）、桩侧摩阻力（通过应变和荷载换算）及桩端压力。
39.s5、采集完成后，通过控制组件8控制竖向加载机构和蜂巢式侧向加载机构复位至
初始状态，并取出土体2、承载桩模型15和传感器组件。
40.s6、更换承载桩模型15后，重复步骤s2-s5，输入不同动载地基侧面激振数据，即可获得行车动载产生的侧向动载激振扰动下既有桩基承载状态变化数据。
41.以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。