[发明专利]多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统

权利要求书

1.一种多功能荷载钙质砂桩基模型试验系统，其特征在于：

本系统包括试验对象——桩基单元（000）；

设置有支架（100）、桩基压力室单元（200）、动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、水压力加载单元（600）、动力源单元（700）、土体固结应力比施加单元（800）和扭转荷载施加单元（900）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）；

其位置和连接关系是：

支架（100）包括回型支架、丝杠（120）、支撑板（130）和滑道（140）；

支架（100）通过回型支架、丝杠（120）和支撑板（130）连接构成一个整体；在支架（100）上设置有上、中、下回型支架（111、112、113），在上回型支架（111）上设置有滑道（140）；

在上回型支架（111）的下面分别设置有动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）和扭转荷载施加单元（900）；

在中回型支架（112）的上面设置有桩基压力室单元（200），在桩基压力室单元（200）内置有桩基单元（000）；

在中回型支架（112）的下面设置有应变控制单元（500）和土体固结应力比施加单元（800）；

在下回型支架（113）的上面设置有水压力加载单元（600）；

支撑板（130）上开有孔以便应变控制单元（500）工作时不会受到回型支架的摩擦阻尼，支撑板（130）上开有凹槽以便固结应力比施加单元（800）与应变控制单元（500）进行切换；

设置在支架（100）外的动力源单元（700）通过管筒分别与动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、水压力加载单元（600）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）连通，提供动力；

水压力加载单元（600）通过管筒与桩基压力室单元（200）连通，提供孔隙水压力和土体外部围压；

动静荷载施加单元（300）、锤击荷载施加单元（400）、应变控制单元（500）、土体固结应力比施加单元（800）及扭转荷载施加单元（900）的活动部分分别与桩基压力室单元（200）相连，提供多种荷载；

在支架（100）外还设置有数据采集仪（1000）和计算机（1100），桩基压力室单元（200）、数据采集仪（1000）和计算机（1100）依次连接，获取试验数据；

所述的桩基单元（000）是本系统的试验对象，包括桩侧土（010）、桩端土（020）、橡皮膜（030）、土样帽（040）和模型桩（050）；

土样帽（040）、桩侧土（010）和桩端土（020）依次连接成一个圆柱体，在圆柱体的外壁包裹有橡皮膜（030），模型桩（050）的下部依次插入土样帽（040）和桩侧土（010）；

模型桩（050）包括模型桩上帽（051）、销钉（052）、模型桩左半部分（0531）、模型桩右半部分（0532）、模型桩下帽（054）、土压力盒（055）和应变片（056）、出线孔（057）、水平尺（058）、电位移计（059）、齿轮（0510）、扭转固定螺丝（0511）；

模型桩左半部分（0531）和模型桩右半部分（0532）通过销钉（052）连接在一起，成为一个固定体；

模型桩上帽（051）和模型桩下帽（054）分别为下、上凸体结构，分别位于模型桩（050）的顶部和底部；

应变片（056）贴在模型桩左半部分（0531）和模型桩右半部分（0532）的内壁上，土压力盒（055）置于模型桩下帽（054）中；位于应变片（056）端部的引线从开设在模型桩左半部分（0531）上的出线孔（057）引出，与数据采集仪（1000）连接；

土压力盒（055）与数据采集仪（1000）连接；

扭转固定螺丝（0511）穿过齿轮（0510）和水平尺（058）的一端和模型桩上帽（051）的中心连接固定，在水平尺（058）的另一端连接有电位移计（059），电位移计（059）通过磁性表座固定在支架（100）上；

应变片（056）用于测定模型桩（050）的桩身应变，土压力盒（055）用于测定模型桩下帽（054）处的桩端土（020）的压力变化，电位移计（059）用于测定模型桩上帽（051）处的竖向沉降；

所述的桩基压力室单元（200）包括上部玻璃罩（220）、底盘（230）和密封件（240）；

上部玻璃罩（220）和底盘（230）上下连接成一个容器，在容器内装入桩基单元（000），模型桩（050）和上部玻璃罩（220）之间通过密封件（240）密封；

所述的动静荷载施加单元（300）包括上下连接的动静气缸（310）和动静传力杆（320）；

动静气缸（310）通过螺母与支架（100）的上回型支架（111）紧密连接；动静气缸（310）的活动端连接有动静传力杆（320）；

所述的锤击荷载施加单元（400）包括依次连接的锤击第1气缸（410）、锤击第1传力杆（420）、连接盘（430）、锤击第2气缸（440）、锤击第2传力杆（450）和夯击模块（460）；

夯击模块（460）由夯击杆（461）和小车（462）构成，在夯击杆（461）上设置有小车（462）；

在夯击杆（461）内部开有通孔，且其通孔直径略大于动静传力杆（320）的直径；锤击第1气缸（410）可以控制锤击第1传力杆（420）沿竖直方向移动，锤击第1 传力杆（420）控制连接盘（430）从而控制锤击第2气缸（440）上下移动，锤击第2气缸（440）上下移动则可以控制锤击第2传力杆（450）上下移动；当夯击模块（460）夯击到模型桩（050）时，锤击第 2气缸（440）使锤击第2传力杆（450）伸出以夹持夯击杆（461），此时锤击第1气缸（410）控制锤击第 2气缸（440）上升，进而控制夯击模块（460）以动静传力杆（320）为轴并沿着滑道（140）滑行上升，上升到锤击第1 气缸（410）最大回缩位置时，锤击第2气缸（440）回缩松开夯击模块（460）进而释放夯击模块（460）使其以动静传力杆（320）为轴并沿着滑道（140）滑行自由下落夯击模型桩（050）；夯击到模型桩（050）时锤击第1气缸（410）伸出锤击第1传力杆（420）控制锤击第2气缸（440）下降，当锤击第1气缸（410）伸出到最大行程时，锤击第2气缸（440）伸出锤击第2传力杆（450）夹持夯击模块（460）的夯击杆（461），此即为一个夯击循环；通过锤击第1气缸（410）的最大行程一定以保证每次夯击模块（460）下落的距离相同进而保证每次施加的冲击能量相同；当要施加动荷载时需通过电磁阀结合具体装置尺寸及实验对冲击能量的要求和冲击频率的要求来设置电磁阀进而来控制锤击第1气缸（410）、锤击第2气缸（440）的具体伸出缩回时间及以满足上述循环要求；当施加动荷载时还需提前调节时间继电器时间以控制动静传力杆（320）伸出长度并通过关闭动静气缸（310）固定动静传力杆（320）的伸出长度，其中调节动静传力杆（320）伸出长度以保证动静传力杆（320）与模型桩（050）有一定距离以避免其作用于模型桩（050）；同时夯击杆（461）中心开了圆形通孔且其直径略大于动静传力杆（320）的直径，以使夯击杆（461）与动静传力杆（320）同心且两者接触少，进而在一定程度上保证夯击杆（461）下落的垂直度且可以减少下落过程中的摩擦阻尼；当夯击模块（460）上下移动的过程中小车（462）沿着滑道（140）上下滑动，从而可以再次保证夯击模块（460）移动过程中的垂直度也可以降低其移动过程中的摩擦阻尼；

应变控制单元（500）包括步进电机（510）、电机驱动器（520）、电机控制器（530）、承载圆盘（540）和应变连接板（550）；

电机控制器（530）、电机驱动器（520）、步进电机（510）、应变连接板（550）和承载圆盘（540）依次连接；

应变连接板（550）与支架（100）的中回型支架（112）通过螺栓螺母连接；

所述的水压力加载单元（600）包括围压孔水压力气缸（610）、孔压孔水压力气缸（620）、围压孔加水气缸（630）、孔压孔加水气缸（640）、围压孔管筒（650）、孔压孔管筒（660）、围压孔活塞杆（670）、孔压孔活塞杆（680）和底板（690）；

围压孔水压力气缸（610）、围压孔活塞杆（670）、围压孔加水气缸（630）、围压孔管筒（650）依次连接；

孔压孔水压力气缸（620）、孔压孔活塞杆（680）、孔压孔加水气缸（640）、孔压孔管筒（660）依次连接；

底板（690）作为水压力加载单元（600）的支撑体；

围压孔水压力气缸（610）向右运动排气时通过围压孔活塞杆（670）带动围压孔加水气缸（630）吸水，然后围压孔水压力气缸（610）吸气带动围压孔加水气缸（630）推水，从而对上部玻璃罩（220）内桩基单元（000）中的橡皮膜（030）外面施加外部压力，模拟真实土体受到的周围土体的压力；

孔压孔水压力气缸（620）排气时通过孔压孔活塞杆（680）带动孔压孔加水气缸（640）吸水，然后孔压孔水压力气缸（620）吸气带动孔压孔加水气缸（640）推水，从而对桩基单元（000）中的橡皮膜（030）内的钙质砂施加内部孔隙水压力；

所述的固结应力比施加单元（800）包括压力传递支架（810）、应力比连接板（820）和压力施加模块（830）；

其位置和连接关系是：

在压力传递支架（810）上开有凹槽与压力施加模块（830）相连，在压力施加模块（830）的上方设置有应力比连接板（820）；应力比连接板（820）通过螺栓螺母与中回型支架（112）相连；

压力传递支架（810）呈长方形，在压力传递支架（810）中间开设有比模型桩（050）直径略大、比土样帽（040）直径略小的孔洞，与土样帽（040）连接；

应力比连接板（820）是一块长方形板；

压力施加模块（830）包括气缸（831）、压力传感器（832）、T字形铁尺（833）和第1、2位移计（8341、8342）；

其位置和连接关系是：

气缸（831）、压力传感器（832）和T字形铁尺（833）依次连接，在T字形铁尺（833）的两端分别设置有第1、2位移计（8341、8342）；

所述的扭转荷载施加单元（900）包括左连接杆（910）、扭转荷载左半部分（920）、扭转荷载右半部分（940）、右连接杆（930）；

扭转荷载左半部分（920）和扭转荷载右半部分（940）分别置于桩基压力室单元（200）的两侧；通过其上部设置的左连接杆（910）和右连接杆（930）与上回型支架（111）相连；齿轮（0510）与模型桩（050）的模型桩上帽（051）通过扭转固定螺丝（0511）连接；

扭转荷载左半部分（920）由左气缸（921）、第1左扭转压力传感器（922）、左扭转T字形铁尺（924）和左齿条（925）依次连接构成，扭转左第1位移计（9231）和扭转左第2位移计（9232）分别设置于左扭转T字形铁尺（924）的两端；

扭转荷载右半部分（940）由右气缸（941）、第2右扭转压力传感器（942）、右扭转T字形铁尺（944）和右齿条（945）依次连接构成，扭转右第3位移计（9431）和扭转右第4位移计（9432）分别设置于右扭转T字形铁尺（944）的两端。