一种螺旋桩施工和竖向承载力试验装置

摘要

本发明属于螺旋桩施工与试验技术领域，公开了一种螺旋桩施工和竖向承载力试验装置，由搭设实验槽上的支架和安装在支架上的动力装置构成，动力装置包括连接部分、提供竖向动力部分和控制扭矩部分，提供竖向动力部分和控制扭矩部分均通过PCL控制，PCL协调螺旋桩安装过程中竖向速度和扭转速度之间的比值，并在螺旋桩安装到位后停止控制扭矩部分，通过提供竖向动力部分测量螺旋桩的竖向承载力。本发明能够满足螺旋桩安装过程中旋转速度与下降速度的比例关系，更好的完成安装，并且可以测量不同的安装速度对于安装过程的影响；还能够在安装在位后停止扭转并进行竖向承载力试验，从而完成螺旋桩的安装和承载力的测量。

说明书

技术领域

本发明属于螺旋桩施工与试验技术领域，具体的说，是涉及一种依靠扭转和施加极小压力而安装的螺旋桩施工和竖向加载试验装置。

背景技术

随着人类社会的发展，城市中楼宇间的距离越来越狭窄，利用常规的桩基作为基础在施工过程造成的土体扰动过大，对于临近建筑的影响太大，可能会造成建筑物的不规则沉降，从而对建筑物造成危害。螺旋桩的施工过程不仅快速，对于周边土体的扰动也十分微弱，同时对于同样直径情况下的螺旋桩其竖向承载力远大于常规的桩基。

不仅如此，现在螺旋桩也开始越来越多的应用到海上风电领域，由于海上的气候变化莫测，对于其桩基的施工要求十分严格，需要在一个平静的海况下进行施工，因此施工效率就极为重要，而螺旋桩的施工效率极高，其施工效率是常规桩基的数十倍。但是现阶段对于螺旋桩的研究相对传统桩基的研究还较少。为了更好的研究螺旋桩的施工过程和受力过程，需要更完善的研究设备。

发明内容

本发明旨在根据现有试验槽尺寸而设计提出一种不仅能够同时控制螺旋桩扭转速度和在竖直方向下降速度的螺旋桩安装，并且还能在安装到位后对竖直方向进行定速和定载荷控制的试验装置；该装置能够最大程度的模拟桩基受到竖向荷载的情况并提高试验效率，不会像常规桩基的竖向荷载试验过程中需要安装反力锚，减少了对试验桩周围土体的扰动，并免去了安装反力锚的时间和成本，能够更加准确的分析研究螺旋桩的安装和受力问题，从而提升螺旋桩施工的深度和准确度。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种螺旋桩施工和竖向承载力试验装置，由搭设实验槽上的支架和安装在支架上的动力装置构成；

所述动力装置包括通过四根长固定光轴连接的上固定板和下固定板，上固定板和下固定板通过直线轴承安装有四根竖直设置的可移动直线光轴，四根所述可移动直线光轴由上到下依次穿过上固定板和下固定板，且底端固定连接有下移动板；所述下移动板设置在所述下固定板下方，所述下固定板中部开设有中心孔，所述下移动板通过穿过中心孔的四根竖直设置的所述短固定光轴连接有上移动板，所述上移动板设置在所述上固定板和所述下固定板之间；

所述上固定板安装有竖向伺服电机和电动推杆，所述竖向伺服电机为所述电动推杆提供动力，所述电动推杆底端穿过所述上固定板且通过法兰连接有拉压力传感器，所述拉压力传感器下部通过法兰连接在所述上移动板上端面；

所述上移动板下端面通过法兰连接有扭矩伺服电机，所述扭矩伺服电机下端通过法兰连接有扭矩传感器，所述扭矩传感器下端通过法兰连接在螺旋桩顶部，所述扭矩传感器的上部的法兰和下部的法兰之间由四根扭矩支撑轴支撑；所述扭矩伺服电机设置在所述下移动板上方，所述扭矩传感器设置在所述下移动板下方；

所述竖向伺服电机和所述扭矩伺服电机均通过PCL控制，PCL用于协调螺旋桩安装过程中所述竖向伺服电机提供的竖向速度和所述扭矩伺服电机提供的扭转速度之间的比值，并在螺旋桩安装到位后停止所述扭矩伺服电机，通过所述竖向伺服电机测量所述螺旋桩的竖向承载力。

所述支架包括两个纵向钢管，两根所述纵向钢管之间焊接有等距离间隔设置的多个横向钢管。

所述下固定板底面固定有支撑底座，支撑底座坐落于所述支架并与所述支架焊接固定。

所述竖向伺服电机提供1-2.5t的拉压力。

所述电动推杆的行程为0-1m。

所述拉压力传感器的量程为0-2t。

所述扭矩伺服电机提供0-400Nm的扭矩。

所述扭矩传感器的测量扭矩范围为0-400Nm。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种新型的螺旋桩施工和竖向承载力试验装置，该装置能够精确的控制螺旋桩的扭转速度和竖向移动速度，从而满足螺旋桩安装过程中旋转速度与下降速度的比例关系，更好的完成螺旋桩的安装，并且可以改变螺旋桩的安装速度，从而测量不同的安装速度对于安装过程的影响；还能够在安装在位后停止扭转并施加竖向力或者是施加竖向位移，以便进行竖向承载力试验，从而完成螺旋桩的安装和承载力的测量。

附图说明

图1是本发明所提供的螺旋桩施工和竖向承载力试验装置的结构示意图；

图2是支架的结构示意图；

图3是动力装置的结构示意图；

图4-1至图4-3是动力装置的局部特写示意图。

图中：1、支架；2、动力装置；3、电动推杆；4、可移动直线光轴；5、竖向伺服电机；6、长固定光轴；7、短固定光轴；8、扭矩伺服电机；9、拉压力传感器；10、扭矩传感器；11、螺旋桩；12、上固定板；13、支撑底座；14、下固定板；15、长固定光轴固定孔；16、支撑底座固定孔；17、直线轴承固定孔；18、中心孔；19、上移动板；20、下移动板；21、扭矩支撑轴；22、直线轴承。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供了一种螺旋桩施工和竖向承载力试验装置，由支架1和动力装置2构成。

如图2所示，支架1包括两根长4m的纵向钢管，两根纵向钢管之间焊接有四根1m长的横向钢管，横向钢管垂直于纵向钢管且等距离间隔设置；支架1其以纵向钢管两端放置在实验槽承台上进行安装，因此纵向钢管的长度根据实验槽的尺寸设定，横向钢管对两根纵向钢管起支撑和加强作用。支架1搭设在4m长的实验槽之上，纵向钢管两端与实验槽承台相接触的位置上方放置有混凝土配重块，通过混凝土配重块提供支撑反力，以保证整个实验装置的稳定性。

如图3所示，动力装置2由连接部分、提供竖向动力部分和控制扭矩部分构成。

如图4-1至图4-3所示，连接部分包括上固定板12、下固定板14、长固定光轴6、支撑底座13、直线轴承23、可移动直线光轴4、上移动板19、下移动板20、短固定光轴7。

上固定板12和下固定板14相互平行且均为水平设置，上固定板12和下固定板14通过四根竖直设置的长固定光轴6连接。上固定板12和下固定板14分别对应地设置有四个长固定光轴固定孔15，同时四根长固定光轴6上下两端钻孔并攻丝，通过穿过长固定光轴固定孔15的螺丝将长固定光轴6的两端分别与上固定板12和下固定板14固定连接。

下固定板14底部安装有两个支撑底座13，两个支撑底座13分别固定连接在下固定板14两端。下固定板14上设置有四个支撑底座固定孔16，支撑底座13通过穿过支撑底座固定孔16的螺丝和螺母固定于下固定板14。两个支撑底座13底面坐落于支架1的两根纵向钢管上并与纵向钢管焊接固定，支撑底座13对整个动力装置2进行支撑。

上固定板12和下固定板14在相对于长固定光轴固定孔15靠内的位置分别对应地设置有四个直线轴承固定孔17，直线轴承固定孔17上安装有直线轴承23。四根竖直设置的可移动直线光轴4由上到下依次穿过安装在上固定板12和下固定板14的直线轴承23，从而保证提供竖向动力部分中电动推杆3、拉压力传感器9以及控制扭矩部分的直线运动。四根可移动直线光轴4底部固定连接于下移动板20，下移动板20能够随可移动直线光轴4作上下直线运动，其运动距离为电动推杆3的行程。

上移动板19设置在上固定板12和下固定板14之间，下移动板20设置在下固定板14下方，下固定板14中部开设有矩形的中心孔18。上移动板19和下移动板20相互平行且均为水平设置，上移动板19和下移动板20通过穿过中心孔18的四根短固定光轴7连接。下移动板20无法穿过下固定板14的中心孔18，始终位于下固定板14下方。

提供竖向动力部分包括竖向伺服电机5、电动推杆3和拉压力传感器9，竖向伺服电机5能够提供拉压力为1.5t，电动推杆3最大行程控制在1m，拉压力传感器9的量程为2t。竖向伺服电机5安装在上固定板12上部，通过履带将动力传输给电动推杆3，以便控制电动推杆3的升降。电动推杆3安装于上固定板12，且其推杆底端穿过上固定板12。拉压力传感器9设置在上固定板12下方，其上部通过法兰和电动推杆3底部相连接，其下部通过法兰和上移动板19上表面连接。

控制扭矩部分包括扭矩伺服电机8、扭矩传感器10和扭矩支撑轴21，扭矩伺服电机8能够提供400Nm的扭矩，扭矩传感器10能够测量400Nm的扭矩。扭矩伺服电机8设置在上移动板19和下移动板20之间，其上端通过法兰连接在上移动板19下表面，其下端通过法兰与扭矩传感器10的上端连接。扭矩传感器10设置在下移动板20下方，其上端通过法兰与扭矩传感器10连接，下端通过法兰连接在螺旋桩11的顶端。扭矩传感器10上部的法兰和下部的法兰之间由四根扭矩支撑轴21支撑，用于承受由于土体带来的竖向反力，保证扭矩传感器10只受到扭力作用。

电动推杆3、拉压力传感器9、扭矩传感器10与螺旋桩11同轴线，并且上固定板12、下固定板14、四根长固定光轴6、两个支撑底座13、四根可移动直线光轴4、上移动板19、下移动板20、四根短固定光轴7以及四根扭矩支撑轴21的对称线均与螺旋桩11同轴线，四根长固定光轴6、四根可移动直线光轴4、四根短固定光轴7和四根扭矩支撑轴21的轴线与螺旋桩11轴线平行，上固定板12、下固定板14、上移动板19、下移动板20坐在平面与螺旋桩11轴线垂直。

竖向伺服电机5和扭矩伺服电机8均通过PCL控制，PCL协调竖向速度和扭转速度之间的比值，保证螺旋桩11安装过程中的扭转速度和下降速度按照一定比例来进行，从而使得螺旋桩11顺利安装到位。螺旋桩11安装到位后停止扭转，通过固定竖向荷载来分级加载测量螺旋桩11桩基的竖向承载力。

本发明的螺旋桩施工和竖向承载力试验装置，其施工和试验过程如下：

支架1预先安装在4m*4m的实验槽之上，随后将动力装置2安装在支架1上并将支撑底座13与支架1焊接以便进一步固定两者。将所需实验的螺旋桩11通过法兰和螺栓与装置下端的扭矩传感器10连接，在连接完成后通过PCL同时控制竖向伺服电机5和扭矩伺服电机8。

上固定板12、下固定板14以及两者之间的长固定光轴6保持位置不变，竖向伺服电机5驱动电动推杆3向下运动，电动推杆3带动拉压力传感器9、上移动板19、短固定光轴7、下移动板20、可移动直线光轴4、扭矩伺服电机8、扭矩传感器10、扭矩支撑轴21一同直线下降，下降速度由竖向伺服电机5控制，同时扭矩伺服电机8控制螺旋桩11在下降过程中的旋转速度，从而顺利的完成螺旋桩的安装。在螺旋桩11的安装过程中，拉压力传感器9测试安装过程中土体提供的反力大小并通过数据采集装置输出，扭矩传感器10测试安装过程所需的扭矩大小并通过数据采集装置输出。

在完成安装工作之后，扭矩传感器10停止提供进一步的扭矩，只是由竖向伺服电机5施加竖向荷载或者控制竖向速度来测量螺旋桩11的竖向承载力，拉压力传感器9测量竖向伺服电机5所提供的荷载大小并通过数据采集装置输出。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。