1.本发明涉及桩模型静力加载试验装置领域，尤其是涉及一种桩单元多向耦合加载试验装置。


背景技术：

2.随着化石能源的日益枯竭，人类急需开发新型能源，其中风能是一种清洁安全、储量巨大的可再生能源。而在我国的风电资源中，尤以近海风能储量大、分布广，且较为稳定。就目前来说，国内外常见的近海风电机组的基础形式，主要有超大直径单桩基础、导管架多桩基础、吸力式桶形基础等。在欧洲的海上风电基础中，采用重力式基础占16％，大直径单桩(monopile)占74％，三脚架基础(tripod)占5％，导管架基础(jacket)占5％，可以看出大直径钢管桩被广泛应用。《中国风电发展线2050》提出，到2050年中国风电装机容量将达10亿千瓦，基本完成了对我国可开发利用风能资源的开采。张智伟(2018)指出，风电开发逐渐从陆地向海洋，从近岸浅海向深远海域发展。
3.研究人员包括davidson(1982)，lam和martin(1986)，gerolymos和gazetas(2006)，lam(2013)已经注意到，对于受水平荷载的沉箱和钻探竖井基础，l/d值类似于一些海上风机单桩的几何尺寸。在水平荷载作用下的响应会受到基础外围土体垂直剪应力产生的影响，以及土体在基础上产生的弯矩和水平力。对于大直径桩，随着l/d的减小，这些附加的桩-土相互作用机制变得越来越重要。因此，它们可能会对海上风电应用中的单桩基础的性能产生重大影响，但在api/dnvgl的p-y曲线方法中将其省略。
4.目前随着上述海上风电的发展，大直径桩以及大直径带翼桩在实际工程中的运用越来越广泛。但是，规范中往往只考虑到土体在桩身水平受荷后的水平刚度，从而忽略土体的转动刚度。诚然，在规范制定时，桩径往往较小，土体转动刚度对于具体计算的影响较小，因而可将其忽略。然而，对于大直径桩以及带翼桩等桩型，在计算桩身水平极限承载力时，则必须考虑土体转动刚度的影响。此外，传统的1g实验受限于仪器尺寸等因素，往往无法还原实际工程中桩土的应力状态，其试验结果往往与理论研究存在较大差异。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种适用范围广、模拟精度高、操作方便的考虑复杂土体环境下的桩单元多向耦合加载试验装置。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.本发明提供了一种桩单元多向耦合加载试验装置，该装置包括桩单元、用于埋置桩单元的模型箱、桩单元连接轴、用于实现桩单元水平移动和转动的移动加载平台、水平荷载施加装置、竖向荷载施加装置、机架、数据采集模块以及控制模块；
8.所述桩单元连接轴的下端连接桩单元，上端连接移动加载平台；所述移动加载平台与水平荷载施加装置连接；所述模型箱、水平荷载施加装置、竖向荷载施加装置固定在机架上；所述控制模块分别与移动加载平台、水平荷载施加装置、竖向荷载施加装置和数据采
集模块连接。
9.优选地，所述模型箱为双层可拆卸模型箱，包括模型箱下层、模型箱上层和模型箱上盖；所述模型箱上盖设有用于桩单元连接轴穿过的通孔；所述桩单元埋置在模型箱下层土体内。
10.优选地，所述模型箱底部固定有用于在施加竖向荷载时避免土体进入桩单元底部的升降机构。
11.优选地，所述水平荷载施加装置包括水平调速电机、滚珠丝杆和线性长滑轨；所述线性长滑轨的端部、滚珠丝杆的端部以及水平调速电机均固定在机架上；
12.所述水平调速电机通过驱动滚珠丝杆转动控制移动加载平台沿着线性长滑轨水平向运动。
13.优选地，所述调速电机包括水平电机控制器、电机和蜗轮蜗杆减速机。
14.优选地，所述移动加载平台上设有转动固件；所述转动固件包括相互连接的转动加载电机和传动转轴；所述传动转轴与桩单元连接轴连接。
15.优选地，所述桩单元连接轴上设有用于测量桩单元所受水平力的微型测力传感器和用于测量桩单元转动弯矩的弯矩传感器；所述微型测力传感器和弯矩传感器通过导线与数据采集模块连接。
16.优选地，所述竖向荷载施加装置包括气缸和竖向荷载输出轴；
17.所述气缸与竖向荷载输出轴连接，所述竖向荷载输出轴与模型箱上盖上设有的竖向荷载传感器相对；
18.所述竖向荷载传感器与数据采集模块连接。
19.优选地，所述竖向荷载施加装置置于线性长滑轨两侧。
20.优选地，所述桩单元包括普通桩和异型桩；所述异型桩包括带翼桩、复合桶以及膨大桩。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.1)本发明从桩单元的角度出发，从微观、局部层面探究桩的荷载位移响应，不仅可对桩单元施加水平位移，而且能通过调节水平电机以及转动电机，同时模拟桩单元水平-旋转耦合作用，实现水平和倾斜位移同步加载，进而模拟桩在实际受荷状态下同时产生水平位移和桩身转角的情况，探究了土体的水平刚度以及转动刚度的影响；与现有技术相比，本发明能在1g重力条件下，对于桩单元模型进行水平、旋转加载试验，具有模拟精度高，试验设备体积小，土体加荷方便快捷，试验过程操作简单，试验结果直观，可视性高等优点；
23.2)本发明设计的竖向荷载施加装置，在试验过程中可以自由调整竖向荷载数值，复现不同深度下土体的真实应力状态，从而模拟不同深度下的桩身荷载-位移响应；
24.3)在传统的试验方法中，在试验中模型桩顶部受到水平方向静力荷载，并不能直接获得桩身某点的水平刚度(p-y曲线)，而是需要通过一定的计算得到转动刚度(m-θ曲线)的数值解，但通过本发明的试验装置获得的水平力与水平位移即为实际意义上桩身的水平刚度(p-y曲线)，从而节约了大量的计算；
25.4)本发明设计的试验装置可以测算得到不同应力状态下土体的水平刚度(p-y曲线)和转动刚度(m-θ曲线)，从而结合土体多弹簧效应的理论框架(同时考虑p-y曲线和m-θ曲线)，模拟现实桩身各个深度的荷载-位移响应，得到桩身任意点的水平刚度(p-y曲线)和
转动刚度(m-θ曲线)；
26.5)本发明的试验装置设有控制模块为集成中控台，在试验过程中，能够精确控制水平以及转动加载的位移、荷载施加的速度，具有荷载输出稳定，加载角度控制精准，试验操作方便快捷，试验效率高等优点；
27.6)本发明可用于海洋环境中各类大直径桩的荷载位移响应试验。
附图说明
28.图1为本发明装置的三维结构示意图；
29.图2为本发明的模型箱结构示意图；
30.图3为本发明装置的侧视图；
31.图4为本发明装置的俯视图；
32.图5为设备移动加载平台的构造细节图；
33.图6为带翼桩结构示意图；
34.图7为复合桶结构示意图；
35.图8为膨大桩结构示意图；
36.其中：1-桩单元、2-模型箱、21-模型箱下层、22-模型箱上层、23-模型箱上盖、231-通孔、232-竖向荷载传感器、24-升降机构、3-桩单元连接轴、31-微型测力传感器、32-弯矩传感器、4-移动加载平台、41-转动固件、411-旋转加载电机、412-传动转轴、413-履带、5-水平加载单元、51-水平调速电机、511-蜗轮蜗杆减速机、52-滚珠丝杆、53-线性长滑轨、6-竖向荷载施加装置、61-气缸、62-竖向荷载输出轴、63-气缸固定板、7-机架。
具体实施方式
37.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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
38.如图1所示，本发明的桩单元多向耦合加载试验装置包括桩单元1、用于埋置桩单元1的模型箱2、桩单元连接轴3、用于实现桩单元1水平移动和转动的移动加载平台4、水平荷载施加装置5、竖向荷载施加装置6、机架7、数据采集模块以及控制模块；
39.所述桩单元连接轴3的下端连接桩单元1，上端连接移动加载平台4；所述移动加载平台4与水平荷载施加装置5连接；所述模型箱2、水平荷载施加装置5、竖向荷载施加装置6固定在机架7上；所述控制模块分别与移动加载平台4、水平荷载施加装置5、竖向荷载施加装置6和数据采集模块连接；所述控制模块为可编程控制器。
40.所述模型箱2为双层可拆卸模型箱，包括模型箱下层21、模型箱上层22和模型箱上盖22；所述模型箱上盖22设有用于桩单元连接轴3穿过的通孔231和竖向荷载传感器232；所述桩单元1埋置在模型箱下层21的土体内。所述竖向荷载传感器232与数据采集模块连接。
41.模型箱参数设置为：直径为800mm，包括两层，其中下层高度为100mm，上层高度为150mm。
42.所述模型箱2需要保证良好的密闭性，防止水和黏土漏出，机架7和线性长滑轨53
设有预设的强度以提供水平荷载施加装置5和竖向荷载施加装置6所需的反力。考虑到各种土体的物理力学性质不一，在实际试验过程中，为复现土体的真实应力状态，施加不同的竖向应力将导致土体压缩量不同。为保证每次复现真实应力状态下的试验土体的高度一致，本实施例中模型箱2分为两层，模型箱下层21内含有试验的桩单元1，模型箱上层22为辅助层，在竖向荷载施加后，土体受压缩变形稳定完毕后可拆除模型箱上层22，刮平高出模型箱下层21高度的土体，实现土样高度均匀、土面平整。
43.所述桩单元1，可视为实体桩的一个薄层切片，旨在从微观局部的角度解释不同埋深下的桩身荷载位移响应关系。
44.在转动过程中，桩单元1的上下表面均不与土直接接触，以免转动过程中受到土的阻力，即让桩单元1转动的时候受到的阻力全部来自于桩单元1的侧面土体。
45.所述水平荷载施加装置5包括水平调速电机51、滚珠丝杆52和线性长滑轨53；所述线性长滑轨53的端部、滚珠丝杆52的端部以及水平调速电机51均固定在机架7上；
46.所述水平调速电机51通过驱动滚珠丝杆52转动，从而控制移动加载平台4沿着线性长滑轨53水平向运动。所述调速电机51包括水平电机控制器、电机和蜗轮蜗杆减速机511。水平电机控制器控制移动加载平台4以一定的速度前进、后退。通过改变电机的旋转速度来控制水平运动的速率。
47.所述移动加载平台4上设有包含减速装置的转动固件；所述转动固件包括相互连接的转动加载电机411和传动转轴412；所述传动转轴412与桩单元连接轴3连接。
48.所述桩单元连接轴3上设有用于测量桩单元1所受水平力的微型测力传感器31和用于测量桩单元1转动弯矩的弯矩传感器32；所述微型测力传感器31和弯矩传感器32通过导线与数据采集模块连接。
49.所述竖向荷载施加装置6包括气缸61、竖向荷载输出轴62和气缸固定板63；其中气缸61通过气缸固定板63固定在机架7上。所述模型箱上盖23上设有竖向荷载传感器232；所述气缸61、竖向荷载输出轴62和竖向荷载传感器232自上而下依次排列；所述竖向荷载施加装置6置于线性长滑轨53两侧。
50.所述模型箱2底部固定有用于在施加竖向荷载时避免土体进入桩单元1底部的升降机构24。在施加竖向荷载，复现土体原状应力状态时可避免土体进入桩单元1下部，在开始加载后可下降一定的深度，保证桩单元1水平以及转动的过程中，所受的土体作用力只来源于桩侧壁的桩土接触。
51.本实施例中桩单元的多向耦合加载试验过程具体为：
52.如图2、3、4所示，本实施例采用预埋式加载，试验之前通过将桩单元1与桩单元连接轴3连接，安装好桩单元1；为了确保施加竖向荷载复现土体原位应力状态时过程中土体不进入桩单元1底部，在桩单元1底部安装升降装置24，在模型箱2中填入黏土。
53.试验准备开始前，施加桩单元1顶部的初始荷载，使土体和桩单元1共同受竖向应力作用。
54.开始竖向加荷后，通过竖向荷载施加装置6施加轴向力，复现土体原位应力状态，在试验过程中，可根据实际需要调整竖向轴向力的大小，具体过程为：
55.通过气缸61施加竖向荷载于模型箱上盖23，再通过模型箱上盖23均匀施加于土体之上，模型箱上盖23上附有竖向荷载传感器232，实时调控竖向荷载大小，以适应不同的应
力状态。
56.桩单元1通过桩单元连接轴3与移动加载平台4连接。移动加载平台4上设有转动固件41，转动固件41包括旋转加载电机411、传动转轴412和履带413，通过控制旋转加载电机411控制桩单元1倾斜转动。移动加载平台4与滚珠丝杆52相连接，水平调速电机51经联轴器与滚珠丝杆52相连接，通过滚珠丝杆52施加水平位移，实现桩单元1的前进和后退。
57.如图5所示，本实施例通过旋转加载电机411控制桩单元1在水平位移的过程中实现倾斜向耦合加载，在水平加载过程中计算得到桩身的荷载位移曲线，求得土体的水平刚度。基于桩单元1的倾斜角度和弯矩还可测得土体的转动刚度，在土体的水平刚度已知的情况下，可探究二者耦合的影响。其中桩单元1转动的角度和其转动过程中所受的弯矩分别由控制模块和桩单元连接轴3上的弯矩传感器32获取。
58.通过调节不同的竖向荷载，可以探究不同深度下土体的应力状态对于桩单元荷载响应的影响。通过测得的水平刚度和转动刚度，结合竖向的应力状态，可以直接计算得到桩身任意深度的p-y曲线和m-θ曲线，进而在多弹簧理论的框架下对桩顶变形进行预测。
59.实施例2
60.所述升降机构24的下端通过螺丝固定在模型箱2的下表面，其上端与桩单元1接触；其余设置与实施例1相同。
61.通过旋转升降机构24下端的螺丝控制升降机构24升降，以实现升降机构24与桩单元1的接触与分离。
62.实施例3
63.如图6所示，所述桩单元1为带翼桩，研究土体转动刚度对其水平承载力的影响，其余设置与实施例1相同。
64.实施例4
65.如图7所示，所述桩单元1为复合桶，研究土体转动刚度对其水平承载力的影响，其余设置与实施例1相同。
66.实施例5
67.如图8所示，所述桩单元1为膨大桩，研究土体转动刚度对其水平承载力的影响，其余设置与实施例1相同。
68.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。