模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，包括模型箱，所述模型箱內(nèi)下部布設(shè)地基土，所述地基土上布設(shè)墊層，所述模型箱頂部由蓋板封閉；所述地基土內(nèi)由墊層向下豎直埋設(shè)多個樁體，樁體、墊層和地基土形成復(fù)合地基，在所述樁體上設(shè)置與上位機(jī)連接的測試裝置。適用于模擬和追溯復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心模型試驗；測試裝置中PIV標(biāo)記點、應(yīng)變片的設(shè)置位置，能較為準(zhǔn)確地模擬測量樁體處的軸力與彎矩等分布規(guī)律，更好地指導(dǎo)實踐工作。
【專利說明】
模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種離心試驗的試驗測試系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種用于模擬和追溯復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)巖土工程室內(nèi)試驗是在常重力條件下進(jìn)行的，由于無法或很難再現(xiàn)現(xiàn)場實際尺寸條件，因此常為縮尺模型，依據(jù)土體自重應(yīng)力，縮尺模型帶來的是土體深度h的倍縮，進(jìn)而改變土體自重應(yīng)力場，對以自重為主要荷載的結(jié)構(gòu)，不能反映原型應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致模型試驗無法模擬原型所發(fā)生的現(xiàn)象。土工離心模型試驗?zāi)軌蛘鎸嵞M重力場的存在，再現(xiàn)工程實際應(yīng)力狀態(tài)，被廣大學(xué)者公認(rèn)是目前進(jìn)行巖土工程技術(shù)研究中最先進(jìn)、最有效的試驗方法，土工離心模型試驗相對于原型觀測、室內(nèi)常重力場試驗機(jī)數(shù)值分析模擬方法具有不可替代和獨特的優(yōu)勢。
[0003]隨復(fù)合地基理論日漸成熟，大量多高層建筑采用了CFG粧復(fù)合地基。目前，國內(nèi)外缺乏針對側(cè)向開挖條件下既有復(fù)合地基力學(xué)性狀及其基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)理論的研究使工程界缺乏正確進(jìn)行此類基坑工程設(shè)計的理論和方法，設(shè)計人員一般忽略既有復(fù)合地基增強(qiáng)體，無視既有群粧能夠減少支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的有利作用，而把復(fù)合地基看成原狀土，保守的進(jìn)行基坑工程設(shè)計，造成了大量的資源浪費。
[0004]測量系統(tǒng)是試驗取得成功的前提保證，其工作狀態(tài)和性能直接關(guān)系試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，甚至決定一次試驗的成敗，量測儀器的發(fā)展除了表現(xiàn)為功能的增強(qiáng)外，還表現(xiàn)為體積和質(zhì)量的減少，這些發(fā)展大大地降低了其自身對試驗結(jié)果的影響。隨著當(dāng)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，該技術(shù)也已逐漸應(yīng)用到了離心模型試驗中，利用數(shù)字照相技術(shù)把試驗過程記錄成為高清晰度的數(shù)字圖像，然后利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行分析可得出相應(yīng)的位移曲線，擴(kuò)散曲線等，該方法的精度已經(jīng)達(dá)到毫米級，它作為一種新型非接觸式量測技術(shù)目前正在被廣泛使用。本實用新型提出了一種便于在離心機(jī)模型試驗用于的量測系統(tǒng)，能夠很好的和用于模擬和追溯復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心模型試驗相匹配，其構(gòu)造簡單，造價低廉，量測結(jié)果精確。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，通過設(shè)置帶有測試裝置的試驗系統(tǒng)，可配合其他荷載施加系統(tǒng)，用于對復(fù)合地基基坑豎向荷載傳遞機(jī)理的研究，對建立以保證復(fù)合地基安全為目標(biāo)的基坑支護(hù)設(shè)計理論和方法，具有緊迫的工程價值和長遠(yuǎn)的理論意義。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術(shù)方案:
[0007]模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，包括模型箱，所述模型箱內(nèi)下部布設(shè)地基土，所述地基土上布設(shè)墊層，所述模型箱頂部由蓋板封閉;所述地基土內(nèi)由墊層向下豎直埋設(shè)多個粧體，粧體、墊層和地基土形成復(fù)合地基，在所述粧體上設(shè)置與上位機(jī)連接的測試裝置。整個試驗系統(tǒng)可根據(jù)需求設(shè)置用于測試復(fù)合地基中地基土變形位移數(shù)據(jù)等的測試系統(tǒng)，可以模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理，研究復(fù)合地基的力或者位移產(chǎn)生的變化，從而更好的指導(dǎo)實踐。
[0008]所述測試裝置包括用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧軸力分布和地基土荷載分擔(dān)的軸力應(yīng)變片和/或用于輔助獲得基粧模型粧彎矩分布及變化規(guī)律的彎矩應(yīng)變片;通過布置在粧體上的軸力應(yīng)變片，獲得荷載施加過程中粧軸力分布和粧土荷載分擔(dān)，及在這過程中引起的復(fù)合地基粧體軸力變化，模擬豎向荷載對復(fù)合地基承載力影響;通過布置在粧體上的彎矩應(yīng)變片，獲得豎向荷載引起的基粧模型粧彎矩分布及變化規(guī)律，進(jìn)而分析粧體的變形規(guī)律。
[0009]所述軸力應(yīng)變片均勻設(shè)置在多個粧體中的設(shè)定的若干粧體上，所述彎矩應(yīng)變片均勻設(shè)置在其他粧體上;此外，軸力應(yīng)變片在基粧模型粧兩側(cè)對稱設(shè)置，彎矩應(yīng)變片布置在基粧模型粧粧身兩側(cè)。根據(jù)離心模型試驗的特點，選取復(fù)合地基中間位置處的幾個粧體布置軸力應(yīng)變片，用于測量粧體的軸力應(yīng)變值。根據(jù)離心模型試驗的特點，選取幾根其它典型位置處粧體布置彎矩應(yīng)變片，注意結(jié)合試驗?zāi)康暮托枰_定彎矩應(yīng)變片朝向以測得需要方向的彎矩應(yīng)變值，所有應(yīng)變片均以全橋方式布置。
[0010]所述測試裝置還包括在地基土中布設(shè)多個用于測量地基土壓力值的土壓力傳感器;所述土壓力傳感器為T型土壓力傳感器，在地基土分層澆置過程中根據(jù)試驗?zāi)康暮托枰砸欢ㄩg距豎直布置于復(fù)合地基中，根據(jù)試驗?zāi)康暮托枰_定T型土壓力傳感器的朝向，以便測得試驗需要方向的土壓力值。
[0011 ]為了便于觀察，所述模型箱由透明材料制成;模型箱厚度為3?5_。
[0012]所述模型箱的外側(cè)設(shè)置多個PIV標(biāo)記點，PIV標(biāo)記點的位置與至少一個用于記錄地基土位移的攝像裝置相對應(yīng)；用于記錄模擬過程中的土體位移場，攝像裝置安裝在離心機(jī)大梁上。
[0013]所述PIV標(biāo)記點設(shè)置于透明材料制成的板上，所述板與模型箱的外側(cè)壁相平行設(shè)置;PIV標(biāo)記點根據(jù)試驗?zāi)康暮托枰砸欢ㄩg距布置在一塊比模型箱側(cè)壁一側(cè)略小且厚度為3-5mm的透明材質(zhì)板正面上，并將布置了 PIV標(biāo)記點的透明材質(zhì)板背面豎向靠置在模型箱側(cè)壁一側(cè)。
[0014]所述墊層為粗砂制成的褥墊層。
[0015]所述粧體的表面涂覆有增加摩擦系數(shù)的環(huán)氧涂層，環(huán)氧涂層中帶有砂子;為了增加基粧模型粧表面的摩擦系數(shù)，需要在其表面涂一層厚度在0.5mm左右厚度的環(huán)氧涂層，在環(huán)氧涂層干凝前灑上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系數(shù)，其間距根據(jù)實際間距按照加速度比例系數(shù)確定或根據(jù)實驗需要確定。
[0016]所述粧體為CFG粧，由鋁合金管按照抗壓剛度等效制成。
[0017]所述粧體的底部呈圓錐體;便于插入地基土中，上端封口，其長度根據(jù)離心機(jī)離心加速度比例大小確定。
[0018]本實用新型的有益效果為:
[0019]I)本實用新型中的試驗裝置原理簡單，結(jié)構(gòu)構(gòu)造清晰，便于安裝制造，造價低廉。
[0020]2)通過地基土、粧體和褥墊層共同形成復(fù)合地基作為實際工況的施工環(huán)境，與實際施工工況一致，符合地基土實際應(yīng)力變化，通過整個試驗裝置的研究，獲得的數(shù)據(jù)具有實際研究意義。
[0021 ] 3)根據(jù)實際施工環(huán)境制作的試驗裝置，利用粧體代替實際中的基粧，雖結(jié)構(gòu)簡單，但實用性高，有利于實際工況的研究。
[0022]4)適用于模擬和追溯復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心模型試驗；測試裝置中PIV標(biāo)記點、應(yīng)變片的設(shè)置位置，能較為準(zhǔn)確地測量模擬粧體處的軸力與彎矩等分布規(guī)律，更好地指導(dǎo)實踐工作。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型的俯視圖；
[0024]圖2為圖1中1-1剖面圖；
[0025]圖3為圖2中2-2剖面圖；
[0026]圖4是本實用新型中軸力應(yīng)變片在基粧模型粧的布置圖；
[0027]圖5是本實用新型中彎矩應(yīng)變片在基粧模型粧的布置圖；
[0028]圖6是本實用新型中應(yīng)變片在基粧模型粧的布置俯視圖；
[0029]圖7是本實用新型中應(yīng)變片在基粧模型粧的布置側(cè)視圖；
[0030]圖8是本實用新型中應(yīng)變片的布置結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖中，1、模型箱;2、地基土;3、CFG粧;4、褥墊層;5、加載氣囊;6、蓋板;7、螺栓;8、充氣孔接頭;9、PIV標(biāo)記點；10、土壓力傳感器;11、軸力應(yīng)變片；12、彎矩應(yīng)變片；13、環(huán)氧涂層；14、軸力應(yīng)變片布置粧，町、1?2、1?、1?4均為應(yīng)變片。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。
[0033]實施例:
[0034]如圖1-圖2所示，用于模擬和追溯復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，包括模型箱I，模型箱I內(nèi)下部布設(shè)地基土2，地基土2上布設(shè)褥墊層4，模型箱I頂部由蓋板6封閉；地基土2內(nèi)由褥墊層4向下豎直埋設(shè)多個CFG粧3，CFG粧3、褥墊層4和地基土2形成復(fù)合地基，在CFG粧3上設(shè)置與上位機(jī)連接的測試裝置。整個試驗系統(tǒng)可根據(jù)需求設(shè)置用于測試復(fù)合地基中地基土變形位移數(shù)據(jù)等的測試系統(tǒng)，可以模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理，研究復(fù)合地基的力或者位移產(chǎn)生的變化，從而更好的指導(dǎo)實踐。本實用新型中地基模型是用來模擬豎向荷載傳遞機(jī)理的，加設(shè)測試系統(tǒng)可以測試模擬試驗工程中某些變化參數(shù)。
[0035]為了便于觀察，模型箱I的一側(cè)由透明材質(zhì)的有機(jī)玻璃制成。
[0036]地基土2取現(xiàn)場原形土去除土中大顆粒雜質(zhì)，利用烘烤箱對土樣進(jìn)行烘干處理后，用一點式砂雨法分層澆置而成，控制落距、出砂孔尺寸和出沙頭總流量以達(dá)到目標(biāo)相對密實度。
[0037]如圖3-圖5所示，測試裝置包括應(yīng)變片，應(yīng)變片分為軸力應(yīng)變片11和彎矩應(yīng)變片12，選取CFG復(fù)合地基中間位置處的幾個CFG粧3上布置軸力應(yīng)變片11，用于測量CFG粧3的軸力應(yīng)變值，布置軸力應(yīng)變片11的CFG粧3為軸力應(yīng)變片布置粧14。選取幾根其它典型位置處CFG粧3布置彎矩應(yīng)變片12，注意結(jié)合試驗?zāi)康暮托枰_定彎矩應(yīng)變片朝向以測得需要方向的彎矩應(yīng)變值，所有應(yīng)變片均以全橋方式布置。通過布置在復(fù)合地基CFG粧3上的軸力應(yīng)變片11，獲得荷載施加過程中粧軸力分布和粧土荷載分擔(dān)，研究加載對復(fù)合地基承載力影響；通過布置在復(fù)合地基CFG粧3上的彎矩應(yīng)變片12，獲得加載引起的復(fù)合地基CFG粧3彎矩分布及變化規(guī)律，進(jìn)而分析復(fù)合地基CFG粧3隨加載的變形規(guī)律。
[0038]測試裝置還包括在地基土2中布設(shè)多個用于測量地基土壓力值的土壓力傳感器10，如圖2所示，土壓力傳感器10為T型土壓力傳感器，在地基土 2分層澆置過程中根據(jù)試驗?zāi)康暮托枰砸欢ㄩg距布置于CFG復(fù)合地基中，根據(jù)試驗?zāi)康暮托枰_定T型土壓力傳感器的朝向以便測得試驗需要方向的土壓力值。土壓力傳感器10在地基土2分層澆置過程中布置于地基土2中，獲得對應(yīng)位置處土壓力值，研究加載對主動區(qū)土體側(cè)壓力的影響，并與推導(dǎo)結(jié)果對比。根據(jù)實驗需要測定的土壓力方向確定T型土壓力傳感器的朝向，若試驗需要測定豎向土壓力值，將T型土壓力傳感器豎向直立放置并且端面朝上，若試驗需要測定水平土壓力值，將T型土壓力傳感器側(cè)向放置并且端面朝向水平方向。
[0039]在模型箱I有機(jī)玻璃一側(cè)設(shè)置多個PIV標(biāo)記點9，PIV標(biāo)記點9部分用攝像機(jī)照下來，用matlab軟件分析照片得到土體位移場;PIV標(biāo)記點9用于記錄和測試加載過程中的土體位移參數(shù)，分析獲得加載引起的整個地基土體變形趨勢;攝像裝置安裝在離心機(jī)大梁上，用于拍攝整個離心模型實驗過程。PIV標(biāo)記點9根據(jù)試驗?zāi)康暮托枰砸欢ㄩg距布置在一塊比模型箱I有機(jī)玻璃一側(cè)略小、厚度為3_5mm的有機(jī)玻璃正面上，并將布置了PIV標(biāo)記點9的有機(jī)玻璃背面豎向靠置在模型箱I有機(jī)玻璃一側(cè)，用于記錄加載過程中的土體位移參數(shù)。
[0040]在CFG粧3表面涂覆有增加摩擦系數(shù)的環(huán)氧涂層13，環(huán)氧涂層13中帶有砂子;為了增加CFG粧3表面的摩擦系數(shù)，需要在其表面涂一層厚度在0.5_左右厚度的環(huán)氧涂層13，在環(huán)氧涂層12干凝前灑上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系數(shù)，其間距根據(jù)實際間距按照加速度比例系數(shù)確定或根據(jù)實驗需要確定。
[0041 ]離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)的制作方法，具體步驟如下:
[0042]I)根據(jù)加速度比例系數(shù)，設(shè)置符合要求高度的CFG粧3，在CFG粧3上布置測試裝置；
[0043]2)在模型箱I內(nèi)采用砂雨法設(shè)置設(shè)定厚度的地基土 2;
[0044]3)在地基土 2中設(shè)置多根CFG粧3并繼續(xù)采用砂雨法澆砂至地基土 2高度與CFG粧3的頂端齊平;在地基土 2內(nèi)布置土壓力傳感器10。
[0045]4)在嵌有CFG粧3的地基土2頂部采用砂雨法設(shè)置粗砂作為褥墊層4;在模型箱I內(nèi)褥墊層上放置加載氣囊5，加載氣囊5的充氣孔接頭8外露與充氣裝置連接。
[0046]5)在模型箱I上端設(shè)置蓋板6，蓋板6與模型箱I用螺栓7堅固。
[0047]在步驟I)和步驟4)中均采用一線點式砂雨法，控制落距、出沙孔尺寸和出沙頭總流量以達(dá)到目標(biāo)相對密實度。
[0048]步驟1)-3)的具體操作過程為:根據(jù)加速度比例系數(shù)，預(yù)先計算好CFG粧3高度h2，取地基土 2高度hl+CFG粧高度h2為CFG粧3高度的兩倍左右，即取hi =h2，并在模型箱I壁對應(yīng)位置hl、h2處標(biāo)記刻度，將預(yù)先制備好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I內(nèi)，在地基土高度hi略高處后停止砂雨法置砂，利用水平細(xì)線找齊CFG粧3上端，布置各個CFG粧3于地基土 2中，水平細(xì)線齊平預(yù)定位置h3下端處，再次利用砂雨法在復(fù)合地基區(qū)澆砂于模型箱I中至高度h3下端處;在安裝CFG粧3的同時，CFG粧3兩側(cè)對稱設(shè)置軸力應(yīng)變片10，在CFG粧3粧身兩側(cè)布置彎矩應(yīng)變片11，并在地基土2中設(shè)置土壓力傳感器1。
[0049]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.模擬復(fù)合地基豎向荷載傳遞機(jī)理的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，包括模型箱，所述模型箱內(nèi)下部布設(shè)地基土，所述地基土上布設(shè)墊層，所述模型箱頂部由蓋板封閉；所述地基土內(nèi)由墊層向下豎直埋設(shè)多個粧體，粧體、墊層和地基土形成復(fù)合地基，在所述粧體上設(shè)置與上位機(jī)連接的測試裝置。2.如權(quán)利要求1所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述測試裝置包括用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧軸力分布和地基土荷載分擔(dān)的軸力應(yīng)變片和/或用于輔助獲得基粧模型粧彎矩分布及變化規(guī)律的彎矩應(yīng)變片。3.如權(quán)利要求2所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述軸力應(yīng)變片均勻設(shè)置在多個粧體中的設(shè)定的若干粧體上，所述彎矩應(yīng)變片均勻設(shè)置在其他粧體上。4.如權(quán)利要求1或2所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述測試裝置還包括在地基土中布設(shè)多個用于測量地基土壓力值的土壓力傳感器。5.如權(quán)利要求1或2所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述模型箱由透明材料制成，所述粧體的底部為圓錐體。6.如權(quán)利要求1或2所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述模型箱的外側(cè)設(shè)置多個PIV標(biāo)記點，PIV標(biāo)記點的位置與至少一個用于記錄地基土位移的攝像裝置相對應(yīng)。7.如權(quán)利要求6所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述PIV標(biāo)記點設(shè)置于透明材質(zhì)制成的板上，所述板與模型箱的外側(cè)壁相平行設(shè)置。8.如權(quán)利要求1所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述墊層為粗砂制成的褥墊層。9.如權(quán)利要求1或3所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述粧體的表面涂覆有增加摩擦系數(shù)的環(huán)氧涂層，環(huán)氧涂層中帶有砂子。10.如權(quán)利要求1或3所述的離心試驗?zāi)Ｐ蜏y試系統(tǒng)，其特征是，所述粧體為CFG粧，由鋁合金管按照抗壓剛度等效制成。
【文檔編號】E02D33/00GK205530403SQ201620388499
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月30日
【發(fā)明人】李連祥, 李先軍, 黃佳佳, 劉兵
【申請人】山東大學(xué)