[发明专利]一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法

说明书

本发明涉及一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法，该装置包括试验箱、试验桩、反力架、上刚性梁、固定杆及上部加载单元，试验箱为方形钢架，上部加载单元主要部件为电动式激振器，利用上刚性梁悬吊于试验箱上方。激振器的动力幅值，加载频率，加载波形等由信号控制器控制。试验桩桩顶设有位移传感器，沿桩身方向设有电阻应变片。该装置可以模拟桩基基础受到的振动荷载的工况，能够调节动荷载的振动幅值和振动频率，且能够测量并自动记录桩顶所受激振力、位移以及桩身应力分布。装置结构简单，能够实现对长期竖向循环荷载作用下的单桩承载力及变形特性的系统研究，对桩基础工程设计中桩基承载力及其变形的计算具有重要意义。

技术领域

本发明属于岩土工程、地质工程土工测试技术领域，具体涉及一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法。

背景技术

桩基础作为一种常用的基础形式，被大量用于工程建设中，尤其适用于对沉降控制和承载力有严格要求的工程项目。随着风力发电、海洋工程、新型能源及高速铁路的新建与发展，桩基越来越多承受循环荷载的作用。在循环荷载作用下，桩基承载及变形特性不同于静荷载情况。循环荷载作用下单桩承载及变形特性是非常复杂的桩土相互作用问题，作用机理复杂，影响因素众多。

目前，国内外学者采用物理模型实验、理论分析及数值分析等方法对循环荷载作用下桩的力学特性进行研究。大多数试验仅对桩顶荷载和位移进行了量测，而对桩身轴力、端阻力、桩土界面孔压及土压力等关键物理量的循环变化规律缺乏系统试验研究，无法对循环荷载作用下的桩土相互作用特性进行深入了解，对其发生机理更难以给出合理解释。而在沿海地区，因深厚软土的存在，桩基的承载力主要靠桩侧摩阻力提供，桩侧摩阻力在循环荷载作用下会发生变化，从而影响桩基承载力和变形，这将对桩基的工程性质产生不利影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置及方法，以获得振动荷载作用下，单桩桩身不同位置处的应力分布情况，通过获取桩顶、桩身、桩端三处位置的数据，进而分析在不同动荷载振幅和频率的作用下，桩体的承载力和变形特征，同时评估单桩的动承载力大小。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟高铁荷载的单桩竖向循环加载试验装置，包括用于装填试验土样的试验箱、设于试验箱内的试验桩、设于试验箱外部的反力架、设于反力架上端的上刚性梁、设于上刚性梁上的固定杆及上部加载单元，所述上部加载单元包括依次连接的激振器、功率放大器和信号发生器，所述激振器安装在所述固定杆的下端，并位于试验桩的上方，所述激振器下端的激振头处设有用于记录激振力大小及波形的拉压传感器，所述试验桩上部的桩头处设有用于测量桩顶位移的位移传感器，所述试验桩下部的桩端处设有用于测量桩端阻力的土压力传感器，所述试验桩的桩身自上而下设有多个用于测试桩身应力分布的电阻应变片，所述拉压传感器、位移传感器、土压力传感器以及电阻应变片均连接动态数据采集仪，并传输至计算机进行显示和处理。

进一步地，是由四根角钢和若干扁钢焊连成的方形钢架，试验箱的四周及底部为与方形钢架焊接的钢板，试验箱的内表面光滑。

进一步地，所述试验箱的底端设有排水阀。

进一步地，所述试验箱的两侧设有底座，所述底座上设有用于固定反力架的卡槽，所述反力架通过螺栓固定于底座上，可通过螺纹杆调整高度。

进一步地，所述上刚性梁通过两侧的上刚性梁卡口设在反力架上，并通过螺纹栓固定。

进一步地，所述上刚性梁的中部设有若干内螺纹孔，所述固定杆穿过内螺纹孔，并通过螺纹栓固定，所述固定杆位置通过不同的内螺纹孔可进行左右移动，实现激振器的横向移动。

进一步地，所述的激振器为电动式激振器。

进一步地，所述的信号发生器可连续地输出任意波形的函数信号。