测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置

摘要

本发明公开了一种水平、竖向循环荷载和冲击荷载作用下海洋工程桩基础加载装置，特别是多荷载耦合作用下海洋工程桩基础‑土动力响应的试验装置及测试方法。该试验装置包括长方体模型箱、模型钢管桩、固定支架、水平循环荷载加载装置、竖向循环荷载加载装置和水平冲击荷载加载装置。本发明考虑了海洋工程桩基础全生命周期的受荷状态，不仅能同时或分别施加水平循环荷载、竖向循环荷载、水平冲击荷载，还能得到多荷载耦合作用下海洋工程桩基础动力响应及桩土相互作用导致的桩周土刚度弱化规律，对海洋工程桩基础设计、施工和维护具有重要意义。

权利要求

1.一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，其特征在于，包括长方体模型箱、模型钢管桩、固定支架、水平循环荷载加载装置、竖向循环荷载加载装置和水平冲击荷载加载装置；

其中，所述模型箱内装填试验模拟的海床地基，试验模拟海床地基中埋置模型钢管桩，所述固定支架放置在平整地面上；

所述水平循环荷载加载装置包括第一电动机、变频调速器、刻度盘、刚性转杆、刚性连杆、滑块、第一弹簧、力传感器、水平循环加载导轨、水平循环加载板、水平循环加载支架、水平加载钢环、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一定滑轮、第二定滑轮、砝码加载盘；其中，所述变频调速器与所述第一电动机连接；所述刻度盘与所述第一电动机的机身焊接连接；所述刚性转杆与所述第一电动机的转轴螺栓连接；所述刚性连杆一端与所述刚性转杆铰接连接，另一端与所述滑块铰接连接；所述刚性转杆、所述刚性连杆、所述滑块、铰接式接头组成曲柄滑块机构；所述滑块放置在所述水平循环加载导轨上；所述第一弹簧一端与所述滑块连接，另一端与所述水平循环加载板连接；所述水平循环加载支架由角钢焊接在所述模型箱两侧顶部外壁上；所述第一定滑轮、所述第二定滑轮安装在水平循环加载支架上；所述水平加载钢环套入所述模型钢管桩的外壁上；所述第一钢丝绳一端与所述循环加载板连接，另一端与所述水平加载钢环连接；所述第二钢丝绳一端与所述砝码加载盘连接，另一端与水平加载钢环连接；所述第一钢丝绳、所述第二钢丝绳上设置有力传感器；

所述竖向循环荷载加载装置包括第二电动机、变频调速器、刻度盘、转盘、第三钢丝绳、第四钢丝绳、第三定滑轮、第四定滑轮、竖向循环加载导轨、小车、竖向循环加载支架、竖向循环加载板、第二弹簧、力传感器；其中所述变频调速器与所述第二电动机连接；所述刻度盘与所述第二电动机的机身焊接连接；所述转盘与所述第二电动机的转轴螺栓连接；所述竖向循环加载导轨焊接在所述固定支架上；所述第三定滑轮焊接在所述竖向循环加载导轨一侧外壁上；所述竖向循环加载支架由角钢焊接在所述模型箱两侧中部外壁上；所述第四定滑轮安装在所述竖向循环加载支架上；所述小车安装在所述竖向循环加载导轨上；所述第三钢丝绳一端与所述转盘连接，另一端绕过所述第三定滑轮与小车连接；所述竖向循环下加载板一端放置在所述模型钢管桩的桩顶，通过卡扣与所述模型钢管桩的侧壁连接，另一端与所述第二弹簧连接；所述竖向循环上加载板一端与所述第二弹簧连接，另一端绕过所述第四定滑轮与小车连接；第四钢丝绳上设置有力传感器；

所述水平冲击荷载加载装置包括第二电动机、变频调速器、刻度盘、转盘、绕线器、第五钢丝绳、第五定滑轮、撞击脱钩装置、撞击杆、冲击加载小车、冲击加载斜导轨、冲击加载水平导轨、冲击加载板、U型卡扣；其中，所述变频调速器与所述第二电动机连接；所述刻度盘与所述第二电动机的机身焊接连接；所述转盘与所述第二电动机的转轴螺栓连接；所述绕线器通过螺栓安装在所述转盘上；所述第五钢丝绳一端与所述绕线器连接，另一端绕过所述第五定滑轮与所述撞击脱钩装置连接；所述冲击加载斜导轨一端焊接在所述固定支架上，另一端与所述冲击加载水平导轨焊接连接；所述第五定滑轮焊接在所述冲击加载斜导轨一侧外壁上；所述冲击加载板与所述U型卡扣螺栓连接并安装在模型钢管桩的外壁上；所述撞击杆焊接在所述冲击加载斜导轨两侧的顶部外壁上；所述撞击脱钩装置包括拉钩、第一联轴、第二联轴、滑轴、转杆、第三弹簧、拉杆；所述拉钩通过所述第一联轴与所述拉杆连接；所述转杆一端通过所述第二联轴与所述拉杆连接，另一端通过所述第三弹簧与所述拉杆连接；所述拉钩的顶端位于所述第二联轴与所述滑轴之间，所述冲击加载小车安装在所述冲击加载斜导轨上，并与所述拉钩连接。

2.根据权利要求1所述的测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，其特征在于，所述模型箱底部为由砾石、PVC排水管、无纺土工布组成的排水系统。

3.根据权利要求2所述的测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，其特征在于，所述模型箱由角钢骨架和透明有机玻璃组成，且所述角钢骨架的四面通过所述透明有机玻璃密封成型。

4.根据权利要求1所述的测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，其特征在于，所述模型钢管桩由无缝不锈钢材料加工而成，并在所述模型钢管桩外壁上每隔一定距离粘贴一对应变片。

5.根据权利要求1所述的测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，其特征在于，所述固定支架由角钢焊接而成，且所述固定支架放置在平整地面上。

6.根据权利要求1～5任一所述的测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，其特征在于，还包括力传感器、位移传感器、数据采集系统；其中，所述位移传感器安装在所述水平循环加载支架上，用于量测所述模型钢管桩的水平位移；所述力传感器用于记录钢丝绳中输出力的大小。

说明书

测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置

技术领域

[0001] 本发明属于海洋工程基础工程领域，涉及一种水平、竖向循环荷载和冲击荷载作用下海洋工程桩基础加载装置及测试方法，特别是多荷载耦合作用下海洋工程桩基础-土动力响应的试验装置及测试方法。

背景技术

[0002] 近年来，随着“海洋强国”战略构想的提出，海洋工程获得迅速发展，桩基础在近海风机、近海钻井平台、港口码头、跨海大桥等海洋工程中的应用越来越广泛。

[0003] 海洋工程桩基础工作环境复杂、受力形式多样，作为上部结构的支撑构件，承受上部结构传至桩顶端的自重荷载，同时受到风、波浪等水平循环荷载的长期作用。此外，在港口码头、跨海大桥等领域，桩基础还受到上部来往车辆与移动工作机组产生的竖向循环荷载作用。码头结构在工作期间还会受到冰荷载及船的撞击荷载作用。

[0004] 相对于静力荷载，桩基础在循环荷载作用下的性能有所不同，循环荷载作用会破坏桩周土体的结构性，使土体强度降低，同时使桩周土体中的孔隙水压力上升，有效应力降低。二者的综合作用导致土体刚度衰减，桩周土体塑性应变和累积变形增加，桩基承载力降低。已有研究表明，相比于单一循环荷载，桩基础在复合加载条件下往往更容易遭到失稳破坏。

[0005] 而目前相应工程设计中大多沿用单一静力荷载作用下的桩基础设计方法，以极限承载力作为控制指标，通过大幅提高承载力安全储备的方法进行循环荷载作用下桩基础的设计，没有考虑多个循环荷载的耦合作用及循环荷载下桩土相互作用导致的桩周土体刚度弱化，这种设计方法无法对循环荷载导致的累计变形进行预测，亦无法预测多个循环荷载耦合作用导致的桩基承载力弱化程度。

[0006] 因此，需要研制一种可以测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合循环加载装置，研究多荷载耦合作用下海洋工程桩基础动力响应及桩土相互作用导致的桩周土刚度弱化规律，对海洋工程基础设计和维护具有重要意义。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置。

[0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0009] 一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，包括长方体模型箱、模型钢管桩、固定支架、水平循环荷载加载装置、竖向循环荷载加载装置和水平冲击荷载加载装置；

[0010] 其中，所述模型箱内装填试验模拟的海床地基，试验模拟海床地基中埋置模型钢管桩，所述固定支架放置在平整地面上；所述水平循环荷载加载装置包括第一电动机、变频调速器、刻度盘、刚性转杆、刚性连杆、滑块、第一弹簧、力传感器、水平循环加载导轨、水平循环加载板、水平循环加载支架、水平加载钢环、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一定滑轮、第二定滑轮、砝码加载盘；其中，所述变频调速器与所述第一电动机连接；所述刻度盘与所述第一电动机的机身焊接连接；所述刚性转杆与所述第一电动机的转轴螺栓连接；所述刚性连杆一端与所述刚性转杆铰接连接，另一端与所述滑块铰接连接；所述刚性转杆、所述刚性连杆、所述滑块、所述铰接式接头组成曲柄滑块机构；所述滑块放置在所述水平循环加载导轨上；所述第一弹簧一端与所述滑块连接，另一端与所述水平循环加载板连接；所述水平循环加载支架由角钢焊接在所述模型箱两侧顶部外壁上；所述第一定滑轮、所述第二定滑轮安装在水平循环加载支架上；所述水平加载钢环套入所述模型钢管桩的外壁上；所述第一钢丝绳一端与所述循环加载板连接，另一端与所述水平加载钢环连接；所述第二钢丝绳一端与所述砝码加载盘连接，另一端与水平加载钢环连接；所述第一钢丝绳、所述第二钢丝绳上设置有力传感器；

[0011] 所述竖向循环荷载加载装置包括第二电动机、变频调速器、刻度盘、转盘、第三钢丝绳、第四钢丝绳、第三定滑轮、第四定滑轮、竖向循环加载导轨、小车、竖向循环加载支架、竖向循环加载板、第二弹簧、力传感器；其中所述变频调速器与所述第二电动机连接；所述刻度盘与所述第二电动机的机身焊接连接；所述转盘与所述第二电动机的转轴螺栓连接；所述竖向循环加载导轨焊接在所述固定支架上；所述第三定滑轮焊接在所述竖向循环加载导轨一侧外壁上；所述竖向循环加载支架由角钢焊接在所述模型箱两侧中部外壁上；所述第四定滑轮安装在所述竖向循环加载支架上；所述小车安装在所述竖向循环加载导轨上；
所述第三钢丝绳一端与所述转盘连接，另一端绕过所述第三定滑轮与小车连接；所述竖向循环下加载板一端放置在所述模型钢管桩的桩顶，通过卡扣与所述模型钢管桩的侧壁连接，另一端与所述第二弹簧连接；所述竖向循环上加载板一端与所述第二弹簧连接，另一端绕过所述第四定滑轮与小车连接；第四钢丝绳上设置有力传感器；

[0012] 所述水平冲击荷载加载装置包括第二电动机、变频调速器、刻度盘、转盘、绕线器、第五钢丝绳、第五定滑轮、撞击脱钩装置、撞击杆、冲击加载小车、冲击加载斜导轨、冲击加载水平导轨、冲击加载板、U型卡扣；其中，所述变频调速器与所述第二电动机连接；所述刻度盘与所述第二电动机的机身焊接连接；所述转盘与所述第二电动机的转轴螺栓连接；所述绕线器通过螺栓安装在所述转盘上；所述第五钢丝绳一端与所述绕线器连接，另一端绕过所述第五定滑轮与所述撞击脱钩装置连接；所述冲击加载斜导轨一端焊接在所述固定支架上，另一端与所述冲击加载水平导轨焊接连接；所述第五定滑轮焊接在所述冲击加载斜导轨一侧外壁上；所述冲击加载板与所述U型卡扣螺栓连接并安装在模型钢管桩的外壁上；所述撞击杆焊接在所述冲击加载斜导轨两侧的顶部外壁上；所述撞击脱钩装置包括拉钩、第一联轴、第二联轴、滑轴、转杆、第三弹簧、拉杆；所述拉钩通过所述第一联轴与所述拉杆连接；所述转杆一端通过所述第二联轴与所述拉杆连接，另一端通过所述第三弹簧与所述拉杆连接；所述拉钩的顶端位于所述第二联轴与所述滑轴之间，所述冲击加载小车安装在所述冲击加载斜导轨上，并与所述拉钩连接。

[0013] 通过采用上述技术方案，本发明的有益效果如下：

[0014] 本发明所述的多荷载耦合加载装置可以克服现有技术存在的缺陷，尽可能完整地模拟海洋工程桩基础全生命周期的受荷状态，提供一种多荷载耦合作用下海洋工程桩基础-土动力响应的试验装置及测试方法。

[0015] 优选的，所述模型箱底部为由砾石、PVC排水管、无纺土工布组成的20cm厚的排水系统。

[0016] 优选的，所述模型箱尺寸为：3m×1.2m×1.6m(长×宽×高)，由角钢骨架和透明有机玻璃组成，所述角钢骨架的四面通过所述透明有机玻璃密封成型。

[0017] 优选的，所述模型钢管桩由无缝不锈钢材料加工而成，壁厚2.5mm，在所述模型钢管桩外壁上每隔一段距离粘贴一对应变片，更优选的，所述距离为5cm。

[0018] 优选的，所述固定支架由10mm厚的角钢焊接而成，放置在平整地面上。

[0019] 优选的，所述多荷载耦合加载装置还包括力传感器、位移传感器、数据采集系统，且该加载装置的实测数据由力传感器、位移传感器、应变片并通过相应的数据采集系统获得；所述位移传感器安装在水平循环加载支架上，用于量测模型钢管桩的水平位移，力传感器用于记录钢丝绳中输出力的大小，应变片用于量测泥面以下桩身的应变大小。

[0020] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，不仅适用范围广、模拟精度高，还考虑海洋工程桩基础全生命周期的受荷状态，既能同时或分别施加水平循环荷载、竖向循环荷载、水平冲击荷载，又能得到多荷载耦合作用下海洋工程桩基础动力响应及桩土相互作用导致的桩周土刚度弱化规律，该加载装置对海洋工程基础设计和维护具有重要意义。

附图说明

[0021] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0022] 附图1为多荷载耦合加载装置示意图。

[0023] 附图2为水平循环荷载加载装置示意图。

[0024] 附图3为曲柄滑块机构示意图(刚性转杆转至0°时)。

[0025] 附图4为曲柄滑块机构示意图(刚性转杆转至180°时)。

[0026] 附图5为竖向循环荷载加载装置示意图。

[0027] 附图6为竖向循环荷载加载原理示意图。

[0028] 附图7为水平冲击荷载加载装置示意图。

[0029] 附图8为水平冲击荷载加载原理示意图。

[0030] 图中：1、模型箱；2、排水系统；3、模型钢管桩；4、水平循环加载支架；5、水平加载钢环；6、第一定滑轮；7、第一钢丝绳；8、力传感器；9、第二定滑轮；10、第二钢丝绳；11、砝码加载盘；12、位移传感器；13、水平循环加载板；14、第一弹簧；15、滑块；16、水平循环加载导轨；17、铰接式接头；18、刚性连杆；19、刚性转杆；20、转轴；21、第一电动机；22、刻度盘；23、第二电动机；24、变频调速器；25、转盘；26、绕线器；27、第三钢丝绳；28、第三定滑轮；29、竖向循环加载导轨；30、小车；31、第四定滑轮；32、第四钢丝；33、竖向循环上加载板；34、第二弹簧；
35、竖向循环下加载板；36、卡扣；37、竖向循环加载支架；38、固定支架；39、第五钢丝绳；40、第五定滑轮；41、撞击杆；42、冲击加载斜导轨；43、拉杆；44、第三弹簧；45、转杆；46、滑轴；
47、拉钩；48、第一联轴；49、第二联轴；50、冲击加载小车；51、冲击加载水平导轨；52、冲击荷载加载板；53、U型卡扣。

具体实施方式

[0031] 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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 本发明实施例公开了一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，不仅结构紧凑、设计合理，而且适用范围广，模拟精度高，其对海洋工程基础设计和维护具有重要意义。

[0033] 一种测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置，包括长方体模型箱1、模型钢管桩3、固定支架38、水平循环荷载加载装置、竖向循环荷载加载装置和水平冲击荷载加载装置。

[0034] 长方体模型箱1尺寸为：3m×1.2m×1.6m(长×宽×高)，由角钢骨架和透明有机玻璃组成，角钢骨架的四面通过透明有机玻璃密封成型，模型箱1内装填试验模拟的海床地基，海床地基底部为由砾石、PVC排水管、无纺土工布组成的20cm厚的排水系统2；模型钢管桩3由无缝不锈钢材料加工而成，壁厚2.5mm，在模型钢管桩3外壁上每隔5cm粘贴一对应变片，埋置于海床地基顶端中部；固定支架38由10mm厚的角钢焊接而成，放置在平整地面上。由图1、图2所示，水平循环荷载加载装置包括第一电动机21、变频调速器24、刻度盘22、刚性转杆19、刚性连杆18、滑块15、第一弹簧14、力传感器8、水平循环加载导轨16、水平循环加载板13、水平循环加载支架4、水平加载钢环5、第一钢丝绳7、第二钢丝绳10、第一定滑轮6、第二定滑轮9、砝码加载盘11。

[0035] 其中，变频调速器24与第一电动机21连接，刻度盘22与第一电动机21的机身焊接连接，刚性转杆19与第一电动机21的转轴20螺栓连接，刚性连杆18一端与刚性转杆19铰接连接，另一端与滑块15铰接连接，刚性转杆19、刚性连杆18、滑块15、铰接式接头17组成曲柄滑块机构；滑块15放置在水平循环加载导轨16上，第一弹簧14一端与滑块15连接，另一端与水平循环加载板13连接；水平循环加载支架4由8mm厚角钢焊接在模型箱1两侧顶部外壁上，第一定滑轮6、第二定滑轮9安装在水平循环加载支架4上；水平加载钢环5套入模型钢管桩3外壁上，第一钢丝绳7一端与水平循环加载板13连接，另一端与水平加载钢环5连接，第二钢丝绳10一端与砝码加载盘11连接，另一端与水平加载钢环5连接；第一钢丝绳7、第二钢丝绳上10设置有力传感器。

[0036] 由图1、图5所示，竖向循环荷载加载装置包括第二电动机23、变频调速器24、刻度盘22、转盘25、第三钢丝绳27、第四钢丝绳32、第三定滑轮28、第四定滑轮31、竖向循环加载导轨29、小车30、竖向循环加载支架37、竖向循环上加载板33、第二弹簧34、竖向循环下加载板35、力传感器8。

[0037] 其中，变频调速器24与第二电动机23连接，刻度盘22与第二电动机23的机身焊接连接，转盘25与第二电动机23的转轴20螺栓连接，竖向循环加载导轨29焊接在固定支架38上，第三定滑轮28焊接在竖向循环加载导轨29一侧外壁上；竖向循环加载支架37由8mm厚角钢焊接在模型箱1两侧中部外壁上，第四定滑轮31安装在竖向循环加载支架37上；小车30安装在竖向循环加载导轨29上，第三钢丝绳27一端与转盘25连接，另一端绕过第三定滑轮28与小车30连接；竖向循环下加载板35一端放置在模型钢管桩3桩顶，通过卡扣36与模型钢管桩3侧壁连接，另一端与第二弹簧34连接；竖向循环上加载板33一端与第二弹簧34连接，另一端绕过第四定滑轮31与小车30连接；第四钢丝绳32上设置有力传感器8。

[0038] 由图1、图7所示，水平冲击荷载加载装置包括第二电动机23、变频调速器24、刻度盘22、转盘25、绕线器26、第五钢丝绳39、第五定滑轮40、撞击脱钩装置、撞击杆41、冲击加载小车50、冲击加载斜导轨42、冲击加载水平导轨51、冲击加载板52、U型卡扣53。

[0039] 其中，变频调速器24与第二电动机23连接，刻度盘22与第二电动机23的机身焊接连接，转盘25与第二电动机23的转轴20螺栓连接；绕线器26通过螺栓安装在转盘25上，第五钢丝绳39一端与绕线器26连接，另一端绕过第五定滑轮39与撞击脱钩装置连接；冲击加载斜导轨42一端焊接在固定支架上，另一端与冲击加载水平导轨51焊接连接；第五定滑轮40焊接在冲击加载斜导轨42一侧外壁上；冲击加载板52与U型卡扣53螺栓连接并安装在模型钢管桩3外壁上，撞击杆41焊接在冲击加载斜导轨42两侧顶部外壁上，撞击脱钩装置包括拉钩47、第一联轴48、第二联轴49、滑轴46、转杆45、第三弹簧44、拉杆43，拉钩47通过第一联轴48与拉杆43连接，转杆45一端通过第二联轴49与拉杆43连接，另一端通过第三弹簧44与拉杆43连接，拉钩47的顶端位于第二联轴49与滑轴46之间，冲击加载小车50安装在冲击加载斜导轨42上，与拉钩47连接。

[0040] 试验系统的实测数据由力传感器8、位移传感器12、应变片并通过相应的数据采集系统获得；位移传感器12安装在水平循环加载支架4上，用于量测模型钢管桩3的水平位移，力传感器8用于记录钢丝绳中输出力的大小，应变片用于量测泥面以下桩身的应变大小。

[0041] 由本发明专利提供的测试海洋工程桩基础-土动力响应的多荷载耦合加载装置可按以下步骤进行相关试验的操作：

[0042] (1)在模型钢管桩3外壁上每隔5cm粘贴一对应变片；设置模型箱1底部排水系统2，在模型箱1底部铺设5cm外径的PVC排水管，排水管上预留有小孔；在铺上一层粒径为2～3cm的碎石，在碎石层顶部铺一层土工布，这样形成了一个厚度大约为20cm的排水系统；将要模拟的海床土填入模型箱，控制填入海床土的厚度约为1.2m，在海床土中埋置装有应变片的模型钢管桩3；

[0043] (2)如图1所示，在水平循环支架上4安装位移传感器12，在第一钢丝绳7、第二钢丝绳10、第四钢丝绳32上安装力传感器8，在试验前检验位移传感器12、力传感器8、应变片及数据采集系统是否正常；

[0044] (3)水平单向循环加载试验，如图2、图3、图4所示，第一钢丝绳7一端与水平加载钢环5相连，另一端与水平循环加载板13相连，调节第一电动机21的位置，使第一弹簧14处于原长状态时，刚性转杆19与刚性连杆18连接的铰处于刻度盘上的0°位置，然后通过变频调速器24设置加载频率，开动第一电动机21，刚性连杆18带动曲柄滑块机构中的滑块15沿水平循环加载导轨16运动，滑块15往复运动过程中引起第一弹簧14长度变化，由于刚性转杆19与刚性连杆18连接的铰处于刻度盘22上的0°位置时第一弹簧14处于原长状态，这样滑块
15在水平循环加载导轨16上往复运动过程中第一弹簧14将始终处于伸长状态，伸长的第一弹簧14通过相连的水平循环加载板13在第一钢丝绳7中输出方向不变、大小变化的水平单向循环力，通过与第一钢丝绳7相连的水平加载刚环5完成水平单向循环荷载的施加；

[0045] (4)水平双向循环加载试验，如图2、图3、图4所示，在步骤(3)水平单向循环加载试验装置的基础上，在水平加载钢环5的另一侧连接第二钢丝绳10，第二钢丝绳10绕过第二定滑轮9连接砝码加载盘11，保持第一电动机21的位置和转速不变，在砝码加载盘11上放置重为mg的质量块( 其中p为第一电动机的输出功率，n为第一电动机的转速，r为刚性转杆的长度)，这样保证了当刚性转杆19转至45°和135°位置时，与水平加载钢环5两侧相连的第一钢丝绳7、第二钢丝绳10中输出的力大小相等、方向相反，此时系统输出的力为零，刚性转杆19转动过程中，与水平加载钢环5相连的第一钢丝绳7与第二钢丝绳10中力的差值即为系统输出的水平循环力，从而完成水平双向循环荷载的施加；

[0046] (5)竖向循环加载试验，如图5、图6所示，第二弹簧34两端分别与竖向循环上加载板33、竖向循环下加载板35连接，竖向循环下加载板35一端放置在模型钢管桩3桩顶，通过卡扣36与模型钢管桩3侧壁连接；竖向循环上加载板33与第四钢丝绳32连接，第四钢丝绳32绕过第四定滑轮31与小车30的一端连接；小车30的另一端与第三钢丝绳27连接，第三钢丝绳27绕过第三定滑轮28与转盘25上的铰连接；通过变频调速器24设置加载频率，开动第二电动机23，转盘25转动，通过与转盘25上的铰相连的第三钢丝绳27带动小车30在竖向循环加载导轨29上往复运动，引起与竖向循环上加载板33相连的第二弹簧34伸长或压缩，通过竖向循环下加载板35对模型钢管桩3施加竖向循环荷载；

[0047] (6)水平冲击加载试验，如图7、图8所示，第五钢丝绳39一端与转盘25上的绕线器26连接，另一端绕过第五定滑轮40与撞击脱钩装置的拉杆43连接；冲击加载小车50与撞击脱钩装置的拉钩47连接；撞击杆41焊接在冲击加载斜导轨42两侧顶部外壁上；冲击加载板
52与U型卡扣53螺栓连接并安装在模型钢管桩3外壁上；通过变频调速器24设置加载频率，开动第二电动机23，转盘25带动绕线器26转动，连接在绕线器26上的第五钢丝绳39通过撞击脱钩装置的拉钩47带动冲击加载小车50沿倾角为θ的冲击加载斜导轨42向上运动，此时撞击脱钩装置的转杆45在第三弹簧44的作用下处于垂直状态，拉钩47末端位于拉杆43上的第二联轴49与滑轴46之间，使拉钩47卡住固定，当转杆45运动至撞击杆41处，转杆45与撞击杆41发生碰撞，转杆45克服第三弹簧44弹力并绕第二联轴49顺时针转动，滑轴46向拉钩47顶端滑动，带动拉钩47绕第一联轴48顺时针转动，使冲击加载小车50脱钩。冲击加载小车50脱钩后沿冲击加载斜导轨42向下运动，进入冲击加载水平导轨51，撞击冲击加载板52，完成水平冲击荷载的施加。

[0048] (7)试验时，力传感器8、位移传感器12、应变片与相应的数据采集系统连接，并与计算机连接，即可即时记录试验加载时模型钢管桩-土的动力响应。

[0049] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。