本實用新型屬于室內模型試驗用設備技術領域，具體涉及一種適用于室內樁基模型試驗的豎向加載裝置。

背景技術：

由于受試驗規模、試驗場所、設備容量和試驗經費等各種條件的限制，結構試驗較多采用縮小比例的模型試驗。樁基模型試驗作為科研人員用于研究樁基作用機理的一個有效方法，可以根據需要較準確的設定和控制邊界條件、樁土材料特性，在研究樁—土相互作用時具有較強的針對性和目的性。按照相似理論制作模型樁，通過加載裝置對模型樁進行加載，預先埋設量測裝置，從而研究樁身在受荷情況下的作用機理。樁基模型試驗的加載裝置能否合理準確的對模型樁進行加載是實現樁基研究目的的一個重要前提。

室內模型試驗裝置現有豎向加載裝置一般有堆配重加載、杠桿加載、千斤頂加載、油缸加載、伺服電機加載等。

1.堆配重加載，是一種將重物直接堆載至模型樁上部的靜載堆載式試驗裝置。這種裝置的優點是操作簡單，實用方便；缺點是配重需堆放在模型樁上方，所需空間大。

2.杠桿加載，是一種將杠桿一端固定，中部設置有傳力桿，另一端懸掛加載重物的試驗裝置。這種裝置的優點是較小的模擬重物荷載就可以在樁頂達到較大的荷載；缺點是隨著載荷和模型樁沉降的逐漸增大，杠桿與水平面夾角逐漸變化，實際施加在樁頂的荷載值大于或小于計算值，導致樁頂荷載不精確。

3.千斤頂加載、油缸加載和伺服電機加載，是一種在模型箱四周或模型箱上安裝反力架，反力架下部安裝千斤頂、油缸或是伺服電機對模型樁進行加載的試驗裝置。專利申請號201310689235.1，采用模型箱側壁焊接立柱，立柱與反力蓋板焊接，反力蓋板下安裝千斤頂加載模型樁。專利申請號201410107849.9，采用加載橫梁、并聯油缸和油缸底架組成反力架，加載橫梁下安裝有壓力傳感器和傳力基座。通過兩套并聯油缸，采用液壓方式對垂直放置于模型箱土中的空心管樁加載。通過調節油壓控制壓樁速度，保證樁身的勻速下沉。專利申請號201410328079.0，采用定位裝置根據模型樁的位置確定加載位置，豎向加載裝置連接電動缸對模型樁施加載荷，可控制加載速度和加載載荷的大小。這些裝置的優點是機械設備操作簡單，精度較高；缺點是缺少樁基定位裝置或樁基定位裝置移動不便，均需在模型樁樁頂安裝有力傳感器，傳感器率定值對實際施加在樁頂的荷載值有較大影響，持續施加恒載存在困難，且需給千斤頂和油缸提供反力，裝置復雜。

綜上，現有的豎向加載裝置存在許多不足：

1.所需模擬重物重量較大，模擬重物所需空間較大。

2.大多采用千斤頂、油缸等設備給模型樁施加載荷，隨著載荷和模型樁沉降的增大，這些設備施加恒載存在困難。

3.缺少樁基定位裝置或樁基定位裝置移動不便，對模型試驗中不同位置的模型樁進行加載存在困難。

4.反力架需提供較大的反力，裝拆不易，安裝位移傳感器不方便。

5.傳感器率定值對實際施加在模型樁樁頂的荷載值有較大影響，加載過程中存在精度較低的問題。

6.加載過程中缺少加載導向裝置，存在穩定性不足的問題。

技術實現要素：

為克服現有加載技術上的不足，本實用新型將上述加載裝置的優點結合在一起，提供了一種適用于室內樁基模型試驗的豎向加載裝置。

本實用新型采用如下技術方案：一種適用于室內樁基模型試驗的豎向加載裝置，包括內裝有土的模型箱，在模型箱中插入模型樁，在模型箱頂部設置有四根立柱，在立柱之間設置有加載橫梁；在每根立柱的底部固定設置有兩塊綴板，綴板向下延伸出立柱的部分設置有供對穿螺桿穿過的通孔；在模型箱左右兩側頂部設置有縱向導槽，前后移動深溝球軸承外圈與縱向導槽滑配；對穿螺桿穿過綴板上的通孔與兩個前后移動深溝球軸承的內圈焊接在一起，使立柱沿縱向導槽前后滾動；帶有口字型通道的橫向定位箱套裝在加載橫梁上，橫向定位箱沿加載橫梁橫向移動；在加載橫梁兩端固定設置有橫梁定滑輪，在模型箱上設置有三角架，鋼索一端固定在三腳架上，鋼索另一端繞過橫梁定滑輪固定在加載箱上。

本方案的具體特點還有，立柱包括在模型箱頂部左端設置前后布置的左前立柱和左后立柱，在模型箱頂部右端設置有前后布置的右前立柱和右后立柱，在左前立柱和左后立柱之間以及右前立柱和右后立柱之間設置有加載橫梁；在左前立柱和左后立柱以及右前立柱和右后立柱上分別設置有用以容納豎向移動深溝球軸承外圈的立柱左豎向凹槽和立柱右豎向凹槽。豎向移動深溝球軸承內圈與軸是緊配合，然后將軸固定在加載橫梁上，4個豎向移動深溝球軸承軸的軸向垂直于立柱，可沿立柱左豎向凹槽豎向滾動，4個豎向移動深溝球軸承的軸向水平且平行于立柱，可沿立柱右豎向凹槽豎向滾動。

在加載橫梁上設置有用以容納上橫向移動深溝球軸承外圈的加載橫梁橫向凹槽，上橫向移動深溝球軸承內圈與軸是緊配合，然后將軸固定在橫向定位箱口字型通道頂部，4個上橫向深溝球軸承21可沿加載橫梁凹槽橫向滾動。下橫向移動深溝球軸承內圈與軸是緊配合，然后將軸固定在橫向定位箱口字型通道底部，4個下橫向深溝球軸承22可沿加載橫梁凹槽橫向滾動。

在橫向定位箱兩側頂部安裝有橫向制動螺栓，通過橫向制動螺栓頂持加載橫梁進而鎖死橫向定位箱；在左前立柱和右前立柱，左后立柱和右后立柱上分別固定安裝有縱向移動滑塊，縱向移動滑塊可沿縱向導槽滑動，在縱向移動滑塊上安裝有縱向制動螺栓，通過旋緊縱向制動螺栓頂持模型箱進而鎖死左前立柱、左后立柱、右前立柱，右后立柱。根據模型樁的位置，橫向定位箱，左前立柱和左后立柱以及右前立柱和右后立柱移動到合適位置后，擰緊4個橫向制動螺栓和4個縱向制動螺栓使橫向定位箱和立柱定位。

所述三角架定滑輪為單輪式不銹鋼旋轉滑輪，在加載箱中設置有模擬重物。

橫梁定滑輪為雙輪式不銹鋼旋轉滑輪，在三腳架上設置有三腳架定滑輪，三角架定滑輪為單輪，鋼索一端固定在三腳架上，另一端依次繞過橫梁定滑輪、三腳架定滑輪和橫梁定滑輪后固定在加載箱上。

計算堆載模擬重物重量后，模型箱兩側的加載箱同時堆放模擬重物。

本實用新型的技術方案還可以這樣實現的：圓形鋼柱和立柱有不同長度的規格，和橫向定位箱采用螺栓連接。

本實用新型的有益效果是：1.本實用新型的加載裝置采用加載橫梁兩側的滑輪懸掛加載箱，可實現施加較小的模擬重物載荷達到模型樁樁頂較大的載荷的目的，節省堆載空間；

2.本實用新型設置的豎向移動深溝球軸承，摩阻力小，能保證加載過程中的荷載的精確性和加載裝置的穩定性；

3.本實用新型可通過移動橫向定位箱和立柱，可對不同位置模型樁進行加載；

4.本實用新型采用模擬重物堆載模擬荷載，能保證加載過程中荷載的恒定性；

5.本實用新型加載箱懸掛在加載橫梁下方，不占用樁基上方空間，避免了現有杠桿加載的缺點；

6.本實用新型各構件有較多的尺寸規格，適用于各種比例的樁基豎向加載模型試驗；

7.本實用新型采用機械螺栓連接，裝拆方便，可循環使用。

附圖說明

圖1為模型試驗用豎向加載裝置主視圖，其中滑輪組采用不銹鋼旋轉滑輪·單輪結構。圖2為模型試驗用豎向加載裝置主視圖，其中滑輪組采用不銹鋼旋轉滑輪·雙輪結構。圖3為圖1的右視圖。圖4為圖1中橫向定位箱與加載橫梁局部結構示意圖。圖5為圖1中A-A剖面橫向定位箱側視詳圖。圖6為橫梁定滑輪為雙輪的結構示意圖。圖7為三角架滑輪結構示意圖。圖8為圖1中綴板6處對穿螺桿連接關系局部結構示意圖。圖9為綴板結構示意圖。圖10為圖3中豎向移動深溝球軸承連接關系和對穿螺桿連接關系結構示意圖。圖11為圖1中B-B剖面圖，即加載橫梁橫向凹槽結構示意圖。圖12為圖1中右前立柱豎向凹槽俯視圖。圖13為圖1中加載橫梁橫向凹槽俯視圖。圖14為豎向移動深溝球軸承右前立柱安裝位置示意圖。

圖中：1-模型箱；2-模型樁；3-圓形鋼柱；4-橫向定位箱；5-加載橫梁；6-綴板；7-加載箱；8-模擬重物；9-左前立柱；10-左后立柱；11-右前立柱；12-右后立柱；13-橫梁定滑輪；14-三角架；15-三角架定滑輪；16-豎向移動深溝球軸承；17-縱向導槽；18-縱向制動螺栓；19-縱向移動滑塊；20-對穿螺桿；21-上橫向移動深溝球軸承；22-下橫向移動深溝球軸承；23-橫向制動螺栓；24-土；25-加載橫梁橫向凹槽；26-立柱左豎向凹槽；27-立柱右豎向凹槽。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。

豎向為圖1和圖2中所示垂直上下方向，橫向為圖1和圖2中左右方向，縱向為前后方向。如圖1，圖2，圖3所示，一種適用于室內樁基模型試驗的豎向加載裝置，包括內裝有土20的模型箱1，在模型箱1中插入模型樁2，橫向定位箱4下部設置圓形鋼3柱用以模型樁2的加載，在模型箱頂部設置有四根立柱，立柱包括在模型箱頂部左端設置前后布置的左前立柱9和左后立柱10，在模型箱頂部右端設置有前后布置的右前立柱11和右后立柱12，在左前立柱9和左后立柱10之間以及右前立柱11和右后立柱12之間設置有加載橫梁5；在每根立柱的底部固定設置有兩塊綴板6，綴板6向下延伸出立柱的部分設置有供對穿螺桿20穿過的通孔；在模型箱1左右兩側頂部設置有縱向導槽17，前后移動深溝球軸承外圈與縱向導槽17滑配；對穿螺桿20穿過綴板6上的通孔與2個前后移動深溝球軸承的內圈焊接在一起，使立柱可沿縱向導槽17前后移動。

如圖12，圖14所示，在左前立柱9和左后立柱10以及右前立柱11和右后立柱12上分別設置有用以容納豎向移動深溝球軸承外圈的立柱左豎向凹槽26和立柱右豎向凹槽27。如圖10，圖14所示，豎向移動深溝球軸承內圈與軸是緊配合，然后將軸固定在加載橫梁5上，4個豎向移動深溝球軸承軸16軸向垂直于立柱，可沿立柱左豎向凹槽26豎向滾動，4個豎向移動深溝球軸承16軸向水平且平行于立柱，可沿立柱右豎向凹槽27豎向滾動。

如圖4，圖5所示，帶有口字型通道的橫向定位箱4套裝在加載橫梁5上，橫向定位箱4可沿加載橫梁5橫向移動；在加載橫梁5上設置有用以容納上橫向移動深溝球軸承21外圈的加載橫梁橫向凹槽25，上橫向移動深溝球軸承21內圈與軸是緊配合，然后將軸固定在橫向定位箱4口字型通道頂部，4個上橫向深溝球軸承21可沿加載橫梁凹槽25橫向滾動。下橫向移動深溝球軸承22內圈與軸是緊配合，然后將軸固定在橫向定位箱4口字型通道底部，4個下橫向深溝球軸承22可沿加載橫梁凹槽25橫向滾動。

如圖4，圖5所示，橫在橫向定位箱4兩側頂部安裝有橫向制動螺栓23，通過橫向制動螺栓23頂持加載橫梁5進而鎖死橫向定位箱4；如圖10所示，在左前立柱9和右前立柱11，左后立柱10和右后立柱12上分別固定安裝有縱向移動滑塊19，縱向移動滑塊19可沿縱向導槽17滑動，在縱向移動滑塊19上安裝有縱向制動螺栓18，通過旋緊縱向制動螺栓19頂持模型箱1進而鎖死左前立柱9、左后立柱10、右前立柱11，右后立柱12。根據模型樁2的位置，橫向定位箱4，左前立柱9和左后立柱10以及右前立柱11和右后立柱12移動到合適位置后，擰緊4個橫向制動螺栓23和4個縱向制動螺栓18使橫向定位箱4和立柱定位。

如圖1，在加載橫梁5兩端固定設置有橫梁定滑輪13，在模型箱1上設置有三角架14，鋼索一端固定在三腳架14上，鋼索另一端繞過橫梁定滑輪13固定在加載箱7上，所述橫梁定滑輪13為單輪，在加載箱7中設置有模擬重物8。在三腳架14上設置有三角架定滑輪15。所述三角架14采用圓鋼，圓鋼縱向長度同所述的模型箱1的縱向長度，焊接在模型箱1上。

如圖2，橫梁定滑輪13為雙輪式不銹鋼旋轉滑輪，采用螺栓錨固于所述的加載橫梁5上。在三腳架14上設置有三腳架定滑輪15，三角架定滑輪15為單輪，鋼索一端固定在三腳架14上，另一端依次繞過橫梁定滑輪13、三腳架定滑輪15和橫梁定滑輪13后固定在加載箱7上。

計算堆載模擬重物重量8后，模型箱1兩側的加載箱7同時堆放模擬重物8。

下面就模擬重物重量及加載方式具體說明：

滑輪組采用不銹鋼旋轉滑輪·單輪：

如圖1所示，加載橫梁左側滑輪中心距模型樁中心的水平距離為x₁，加載橫梁右側滑輪中心距模型樁中心的水平距離為x₂，左側加載箱模擬重物重量為m₁，右側加載箱模擬重物重量為m₂，若模型樁需分n級加載，樁頂荷載為F，則可根據以下方程組計算：

解之得 m₁=Fx₂/2n(x₁+x₂)，m₂=Fx₁/2n(x₁+x₂)

每級荷載施加時，需在模型箱左側和右側同時分別堆載重量為Fx₂/2n(x₁+x₂)和m₂=Fx₁/2n(x₁+x₂)的模擬重物，傳統的堆配重加載方式每級荷載施加時所需模擬重物重量為F/n，采用本裝置，若x₁=x₂，則m₁=F/4n，m₂=F/4n。易看出，與傳統的堆配重加載方式相比，在樁頂施加相同的荷載，這種裝置的模擬重物重量僅為傳統方法的1/4。

滑輪組采用不銹鋼旋轉滑輪·雙輪

如圖2所示，加載橫梁左側滑輪中心距模型樁中心的水平距離為x₁，加載橫梁右側滑輪中心距模型樁中心的水平距離為x₂，左側加載箱模擬重物重量為m₁，右側加載箱模擬重物重量為m₂，若模型樁需分n級加載，樁頂荷載為F，則可根據以下方程組計算：

解之得 m₁=Fx₂/4n(x₁+x₂)，m₂=Fx₁/4n(x₁+x₂)

每級荷載施加時，需在模型箱左側和右側同時分別堆載重量為Fx₂/4n(x₁+x₂)和Fx₁/4n(x₁+x₂)的模擬重物。傳統的堆配重加載方式每級荷載施加時所需模擬重物重量為F/n，采用本裝置，若x₁=x₂，則m₁=F/8n，m₂=F/8n。易看出，與傳統的堆配重加載相比，在樁頂施加相同的荷載，這種裝置的模擬重物重量僅為傳統方法的1/8。