振动沉桩模拟设备
技术领域
本实用新型涉及振动沉桩技术领域，尤其涉及一种振动沉桩模拟设备。
背景技术
钢管桩由于具有成桩质量好、桩身抗剪强度高、施工操作简单、可回收等优点而被广泛应用于湖相沉积土层高层及超高层建筑基坑支护工程中。鉴于振动沉桩工艺具有沉桩效率高、环境保护好等突出优点，已被广泛应用于钢管桩沉桩施工领域。桩在沉桩施工中，主要受桩端阻力和桩侧摩擦阻力。振动沉桩实质上是通过桩运动时对桩端土层的冲击力以克服桩端阻力，并通过振动减小桩侧摩擦阻力，从而达到沉桩的效果。
目前国内对振动沉桩工艺的研究仍然不够成熟，钢管桩成桩机理及精细施工控制技术的研究仍落后于实际工程。此外，鉴于振动沉桩的复杂性，现阶段研究振动沉桩机理的试验一般都是做现场原位试验，而现场原位试验需花费大量人力、财力、物力。
实用新型内容
为此，本实用新型提供了一种振动沉桩模拟设备，以解决或至少缓解上面存在的问题。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种振动沉桩模拟设备，包括：桩体；电动式激振器，与所述桩体连接，适于产生激振力并将激振力传递至桩体；以及盛土容器，适于盛装土体，并适于相对所述桩体竖直向上运动，以便模拟所述桩体在激振力作用下的沉桩过程。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，还包括：反力架，适于固定所述电动式激振器；以及导轨，安装在所述反力架上；所述盛土容器可滑动地安装于所述导轨上，并适于沿导轨竖直向上运动。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述导轨为轴承导轨，其包括：导轨本体，与所述反力架固定连接；以及滚珠衬套，可滑动地安装在所述导轨本体上，并通过底座与所述盛土容器固定连接，以便盛土容器相对所述导轨本体运动。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述电动式激振器通过固定座与所述反力架固定连接。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述电动式激振器包括顶杆，所述顶杆与所述桩体连接。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，还包括：压电式力传感器，分别与所述顶杆、桩体的顶部连接，适于采集与所述桩体的受力相关的电流信号。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述顶杆上设有第一螺纹孔；所述压电式力传感器设有第二螺纹孔；所述第一螺纹孔与所述第二螺纹孔通过连接杆固定连接。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述桩体的顶部设有第三螺纹孔；所述压电式力传感器的底部与所述第三螺纹孔固定连接。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，还包括：若干个滑轮，安装在所述反力架上，滑轮上绕设有钢丝绳；所述钢丝绳的一端与所述盛土容器连接，所述钢丝绳的另一端适于悬挂配重载体，以便拉动所述盛土容器相对所述导轨竖直向上运动。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述滑轮设有四个，四个滑轮均匀分布在所述反力架上。
可选地，在根据本实用新型的振动沉桩模拟设备中，所述桩体为钢管桩。
根据本实用新型的技术方案，提供了一种振动沉桩模拟设备，能准确模拟现实中桩体在激振力作用下的振动沉桩过程。具体地，本实用新型通过设置反力架，将电动式激振器和钢管桩均安装在反力架上静止，并通过在反力架上安装导轨，将盛土容器可滑动地安装于导轨，使土体可以相对静止的桩体竖直向上运动。这样，本实用新型避免了电动式激振器的运动，防止因电动式激振器重量和体积较大而造成的结构不稳定问题。从而，本实用新型的振动沉桩模拟设备，结构简单、稳定，而且成本较低。通过本实用新型的振动沉桩模拟设备，能对具有不同物理性质的干砂、湿砂和泥炭质土土样进行振动沉桩试验，根据沉桩试验能确定砂土相对密实度、砂土饱和度、泥炭质土含水量、激振频率和激振力对钢管桩的可打入性的影响，从而确定不同地质条件下的最佳植桩参数(参数包括激振频率、激振力等)，更有利于指导和优化实际植桩过程。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
附图说明
为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。
图1示出了根据本实用新型一个实施例中的振动沉桩模拟设备200的正面结构示意图；
图2示出了根据本实用新型一个实施例中的振动沉桩模拟设备200的侧面结构示意图；
图3示出了根据本实用新型一个实施例中的振动沉桩模拟设备200的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如前文所述，现有技术中用于振动沉桩试验的系统，在使用过程中或多或少存在一定的功能缺陷，因此本实用新型提出了一种性能更优化的振动沉桩模拟设备200。图1至图3分别示出了根据本实用新型一个实施例中的沉桩模拟装置200的结构示意图。
如图1至图3所示，振动沉桩模拟设备200包括反力架250、安装在反力架250上的桩体210和电动式激振器130、以及盛土容器230。电动式激振器 130在输入交变电压时产生激振力。盛土容器230中盛装试验用的土体。电动式激振器130通过固定座139与反力架250固定连接，并安装在反力架250 的上部。固定座139例如是固定方钢，但不限于此。电动式激振器130包括顶杆131，并通过顶杆131与桩体210的顶部连接。这样，电动式激振器130 产生的激振力能通过顶杆131输出并传递至桩体210。
本实用新型是通过桩体210与土体的相对运动来模拟桩体210在激振力作用下的沉桩过程。电动式激振器130、桩体210均固定于反力架250上，为静止状态。盛土容器230可相对桩体210竖直向上运动，也就相当于桩体210 在激振力作用下相对盛土容器230中的土体竖直向下运动，从而能实现模拟桩体210在激振力作用下的沉桩过程。
根据一种实施方式，桩体210例如是钢管桩，从而通过本实用新型的振动沉桩模拟设备200可模拟现实中钢管桩的振动沉桩过程，但本实用新型不限于此。
应当指出，现有技术中的振动沉桩机结构，一种是将电动式激振器悬吊起来，从而在电动式激振器启动后难免会产生较大的晃动，稳定性极差；另一种是采用桩架导向式进行沉桩模拟，需要设置让电动式激振器上下运动的导轨，由于电动式激振器的重量和体积较大，所需的导轨和试验平台较大，从而导致试验的经济成本增加。而实用新型的上述设置，能避免电动式激振器130的运动，不仅结构简单、稳定，而且成本较低。
需要说明的是，电动式激振器130包括顶杆131、与顶杆131连接的弹簧、驱动线圈、芯杆、永磁体、铁芯。当电动式激振器130的驱动线圈接入经功率放大器120放大的交变电压时，电动式激振器130中会产生稳定的磁场，在磁场作用下，交变电压信号会产生相应的交变力，该交变力可推动电动式激振器130运动，该交变力近似等于通过顶杆131传递的激振力。
根据一个实施例，如图1和图2所示，振动沉桩模拟设备200还包括安装在反力架250上的导轨240。盛土容器230可滑动地安装于导轨240，并沿导轨240竖直向上运动。
根据一种实施方式，如图2和图3所示，导轨240为轴承导轨，其包括固定在反力架250上的导轨本体245、以及滚珠衬套241。导轨本体245可通过支撑座与反力架250固定连接。滚珠衬套241可滑动地安装在导轨本体245 上，从而能沿导轨本体245竖直运动。盛土容器230通过底座234与滚珠衬套241固定连接，从而能随滚珠衬套241相对导轨本体245竖直运动。
进一步地，如1所示，振动沉桩模拟设备200还包括若干个滑轮260，若干个滑轮260分别安装在反力架250上的适当位置。滑轮260上绕设有钢丝绳263，钢丝绳263的一端与盛土容器230连接，钢丝绳263的另一端适于悬挂配重载体。这样，配重载体能通过钢丝绳263拉动盛土容器230及土体相对导轨本体245竖直向上运动。具体地，配重载体例如是具有确定重力值的砝码265。
优选地，振动沉桩模拟设备200包括四个滑轮260，具体地，通过在反力架250上前后左右四个位置分别焊接一个角钩，每个角钩用于悬挂一个滑轮 260，从而使四个滑轮260分别安装在反力架250上的相应位置。这样，共有四条悬挂配重载体的钢丝绳263与盛土容器230连接，其中，盛土容器230 的两侧各分布有两条悬挂有配重载体的钢丝绳263，从而能保证盛土容器230 受到稳定、平衡的向上拉力。
应当理解，当配重载体作用在钢丝绳上的力在竖直方向的分力大于盛土容器230、土体、底座234、滚珠衬套241的总重力时，盛土容器230受到竖直向上的合力(拉力)，从而盛土容器230及其盛装的土体便会在拉力作用下沿导轨本体245竖直向上运动，并运动至逐渐与钢管桩210的桩端(即是图中所示的钢管桩210的底端)接触，从而能模拟现实振动沉桩机中的静定荷载F0。
需要说明的是，在通过本实用新型的振动沉桩模拟设备200进行振动沉桩的模拟试验中，钢管桩210为静止状态，土体相对于钢管桩210做竖直向上的运动。若以运动的土体为参照对象，对钢管桩210进行受力分析，则在沉桩模拟过程中，钢管桩210相对于土体做竖直向下的运动。这样，钢管桩 210的桩侧摩擦阻力和桩端阻力的方向为竖直向上，电动式激振器130作用在钢管桩210顶部上的激振力的方向为竖直向下，通过配重载体砝码265模拟的静定荷载F0对应转化为于电动式激振器130中与顶杆131相连的弹簧的弹力，弹力方向为竖直向下。当竖直向下的激振力与弹簧弹力之和大于竖直向上的桩侧摩擦阻力与桩端阻力之和时，钢管桩210在合力作用下会逐渐沉入土体中。由此可知，本实用新型的振动沉桩模拟设备200中钢管桩210的受力情况与现实振动沉桩中钢管桩的受力情况相同。
根据一个实施例，振动沉桩模拟设备200还包括压电式力传感器310。压电式力传感器310分别与电动式激振器130的顶杆131、钢管桩210的顶部固定连接，从而能采集与钢管桩210顶部的受力相关的电流信号。通过采集与钢管桩210顶部的受力相关的电流信号，便于在振动沉桩试验中监测钢管桩 210顶部的受力情况。例如，通过增设电荷放大器和动态信号测试分析系统，将电荷放大器的输入端与压电式力传感器310连接，电荷放大器的输出端与动态信号测试分析系统连接。从而，压电式力传感器310输出的电流经过电荷放大器放大后输出给动态信号测试分析系统，由动态信号测试分析系统根据放大后的电流信号动态监测钢管桩210顶部的受力情况。
根据一种实施方式，电动式激振器130的顶杆131上设有第一螺纹孔，压电式力传感器310的顶部设有第二螺纹孔，通过将第一螺纹孔与第二螺纹孔用适配的连接杆固定连接，从而能实现电动式激振器130与压电式力传感器310的固定连接。另外，钢管桩210的顶部设有第三螺纹孔，通过将压电式力传感器310的底部与第三螺纹孔固定连接，使压电式力传感器310与钢管桩210的顶部固定连接。通过上述设置，使压电式力传感器310分别与电动式激振器130的顶杆131、钢管桩210的顶部固定连接，从而能采集与钢管桩210顶部的受力(激振力)相关的电流信号。
本说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解。此外，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
