專利名稱：可模擬地層抗力的彈性加載裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明渉及一種試驗(yàn)裝置，具體地說(shuō)，是涉及一種用于試驗(yàn)地下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的加載裝置。
背景技術(shù)：
地層對(duì)地下結(jié)構(gòu)而言，既是荷載的來(lái)源，同時(shí)也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生約束作用(地層抗力)。 具體而言，由于地層是由具有一定剛度的可以變形的土體組成的，則當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)由于變形， 產(chǎn)生向土體側(cè)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)土體施加作用力，土體會(huì)發(fā)生壓縮變形。同時(shí)，土體由 于壓縮變形反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約束作用，約束結(jié)構(gòu)的繼續(xù)變形，也即地層抗力。因此，在 地下工程領(lǐng)域，在對(duì)埋于地層中的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)與地層間的 相互作用(地層抗力)，以模擬地下結(jié)構(gòu)實(shí)際的力學(xué)反應(yīng)。
目前，進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，通常是采用千斤頂直接加載。如圖1所示，以四點(diǎn)加載為例，加 載方法通常是利用剛性的千斤頂(包括一個(gè)固定座1和一個(gè)加載頭2)從四個(gè)方向直接對(duì)地下 結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，這種加載裝置及加載方法在以下文獻(xiàn)中都有記載姚振綱，劉祖華編著.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn).上海同濟(jì)大學(xué)出版社，1996. [2]何英杰，張述琴，呂國(guó)梁.穿黃隧道內(nèi)外襯聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院 院報(bào)，2002，增19: P64-67.王如路，宋博，王祺，鄭彬.雙圓盾構(gòu)隧道襯砌錯(cuò)縫拼裝整環(huán)試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)分析[J].地下 工程與隧道，2001， (1): P12-15, P21.王華譯.隧道襯砌模型試驗(yàn)[J].隧道譯叢，1994， (3): P58-60.
這種加載裝置和方法用于模擬地上結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)是合理的。但是，當(dāng)用于模擬地下結(jié)構(gòu) 的受力狀態(tài)時(shí)，卻不能反應(yīng)出地層與結(jié)構(gòu)間的相互作用，不能體現(xiàn)地層抗力這一地下結(jié)構(gòu)特 有的荷載來(lái)源。總結(jié)起來(lái)，現(xiàn)有的加載裝置和方法用于地下結(jié)構(gòu)加載時(shí)存在如下缺點(diǎn)及不足:
(1) 由于千斤頂剛度大，使得結(jié)構(gòu)無(wú)法變形；同時(shí)，即使縮回千斤頂使得結(jié)構(gòu)可以變形，
但是結(jié)構(gòu)在變形的同時(shí)卻沒(méi)有相應(yīng)的土體抗力施加到結(jié)構(gòu)上，不符合地層與土體相互 作用的實(shí)際情況。
(2) 不能直接對(duì)高溫試驗(yàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。如果用來(lái)對(duì)高溫試驗(yàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，則
需要對(duì)千斤頂采取降溫保護(hù)措施，才能保證加載的正確性，增加了試驗(yàn)成本和工作量。
(s)幼能單一，不能同時(shí)得到加載點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的實(shí)形。細(xì)巢薷要得到j(luò)]n載點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的變形，
需要額外布置測(cè)點(diǎn)。同時(shí)，在某些情況下，由于千斤頂與變形測(cè)點(diǎn)在空間位置上的干
擾，使得測(cè)試變形不能實(shí)現(xiàn)。
(4)不能方便的得到實(shí)際施加到結(jié)構(gòu)上的荷載。如果需要得到實(shí)際施加到結(jié)構(gòu)上的荷載， 則需要另外布置測(cè)力計(jì)，增加了試驗(yàn)的工作量和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠模擬地層抗力，同時(shí)可以測(cè)量結(jié)構(gòu)變形和荷載 大小的加載裝置。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 一種可模擬地層抗力的彈性加載裝 置，包括固定座和加載頭，還有一個(gè)彈性裝置，所述彈性裝置包括傳力桿、彈簧和加載桿， 傳力桿的后端與加載頭相連接，傳力桿的前端通過(guò)彈簧與加載桿相連接，在固定座和加載桿 之間連接有位移計(jì)。
本發(fā)明的加載裝置與現(xiàn)有的裝置相比，有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)
(1) 由于在加載頭與結(jié)構(gòu)之間設(shè)置了彈性裝置，可以模擬地層抗力的作用，從而更真實(shí)地 反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地下時(shí)的受力狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整彈簧剛度系數(shù)可以模擬具有不同基床 系數(shù)的地層與結(jié)構(gòu)間的相互作用。
(2) 使用時(shí)，只需連續(xù)記錄位移計(jì)的讀數(shù)，就可以得到準(zhǔn)確的任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形和實(shí)際 作用到結(jié)構(gòu)上的荷載值。
(3) 由于彈性裝置的隔離作用，可以方便地對(duì)高溫試驗(yàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。 作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述傳力桿的前端還設(shè)有一段導(dǎo)向桿，加載桿的中心設(shè)
有導(dǎo)向孔與所述導(dǎo)向桿滑動(dòng)配合，所述彈簧套在導(dǎo)向桿的外面。這種結(jié)構(gòu)可以使傳力桿與加 載桿之間相互導(dǎo)向，保證荷載的有效傳遞，提高裝置的穩(wěn)定性。
作為上述技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述傳力桿與加載桿之間還連接有刻度指示尺。該指 示尺用以指示彈簧的變形量，利用該變形量可以方便地指示出初始荷載的大小，而無(wú)需另外 布置測(cè)力計(jì)。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1是利用現(xiàn)有加載裝置對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn)的示意圖(以四點(diǎn)加載為例)。 圖2是利用本發(fā)明加載裝置對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn)的示意圖(以四點(diǎn)加載為例)。 圖3是本發(fā)明彈性加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是利用本發(fā)明加載裝置對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載、測(cè)量結(jié)構(gòu)變形和荷載大小的原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示，本發(fā)明的彈性加載裝置包括一個(gè)千斤頂，其上設(shè)有固定座1和加載頭2，彈 性裝置由傳力桿3、彈簧4和加載桿5構(gòu)成，傳力桿3的后端與加載頭2相連接，傳力桿3的 前端通過(guò)彈簧4與加載桿5相連接，為了導(dǎo)向和便于彈簧的安裝，傳力桿3的前端固連一段 導(dǎo)向桿31，加載桿5的中心設(shè)有導(dǎo)向孔51與所述導(dǎo)向桿31滑動(dòng)配合，彈簧4套在導(dǎo)向桿31 的外面并被壓縮在傳力桿3和加載桿5之間。在固定座1、傳力桿3和加載桿5上分別固定一 根固定架9，其中加載桿5和傳力桿3上的兩根固定架9之間連接有刻度指示尺6，用于指示 彈簧4的壓縮量；在固定座1和加載桿5的兩根固定架9之間通過(guò)連接桿8連接有位移計(jì)7， 位移計(jì)7可以顯示加載桿5相對(duì)于固定座1的位移，該位移也就是結(jié)構(gòu)在加載后的變形量。 如圖2所示，由于彈性裝置的存在，使用本加載裝置時(shí)，結(jié)構(gòu)可以向地層側(cè)變形，在變形的 同時(shí)由于壓縮彈簧而受到額外的彈簧作用力(即地層抗力)，較好的模擬了地層抗力對(duì)結(jié)構(gòu)變 形的約束。
為了清楚地理解本發(fā)明的彈性加載裝置，下面對(duì)其作用原理和使用方法進(jìn)一步說(shuō)明。 假設(shè)試驗(yàn)中對(duì)結(jié)構(gòu)需要施加的初始荷載為P。，則為了達(dá)到這個(gè)荷載值，使千斤頂加壓壓
縮彈簧，利用刻度指示尺6使得彈簧的初始?jí)嚎s量為A,。(此時(shí)實(shí)際施加到結(jié)構(gòu)上的荷載即為
初始設(shè)計(jì)值戶。)
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
式中，ic一彈簧的剛度。
同時(shí)，由于通過(guò)壓縮彈簧對(duì)結(jié)構(gòu)施加了初始荷載尸。，則該荷載引起的結(jié)構(gòu)的初始變形為
A2。， A^可以由下式求得
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
式中，"一當(dāng)通過(guò)壓縮彈簧對(duì)結(jié)構(gòu)施加了荷載P。時(shí)位移計(jì)7的讀數(shù)；C/,。一位移計(jì)7的初始
讀數(shù)。其中，"，c/,?？梢杂晌灰朴?jì)7連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄得到。
同時(shí)，如附圖4所示，在試驗(yàn)過(guò)程中，任何時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形a,均可以由位移計(jì)7測(cè)得。 當(dāng)測(cè)得了住意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形a,后，根據(jù)彈簧的初始變形a,。、結(jié)構(gòu)的初始變形a,?？梢?br> 方便的得到任意時(shí)刻彈簧的變形A,:
=a10_(a2-a20) (3)
式中，a,—任意時(shí)刻彈簧的變形；a,—任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形。
根據(jù)式(3)，則可求得任意時(shí)刻的彈簧彈力戶(即實(shí)際作用在結(jié)構(gòu)上的荷載) =a:(a10 — (a2 — a20))=夂(厶10 + a20 — a2) (4)
式中，p—任意時(shí)刻的彈簧彈力(即實(shí)際作用在結(jié)構(gòu)上的荷載)。
根據(jù)公式(4)，試驗(yàn)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)有向地層側(cè)變形的趨勢(shì)時(shí)，通過(guò)壓縮彈簧，可以向地層側(cè) 產(chǎn)生變形增量(厶2。-a2);同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)壓縮彈簧，使得彈簧產(chǎn)生壓縮增量5 =厶2()-a2，該
壓縮增量使得彈簧產(chǎn)生彈力增量^戶-a^-k(am-a》作用在結(jié)構(gòu)上，該力即為基于文克爾
假定的地層抗力。這樣就模擬了地層與結(jié)構(gòu)間的相互作用，體現(xiàn)了地層抗力的作用。
同時(shí)，試驗(yàn)中，可以借助位移計(jì)7實(shí)時(shí)測(cè)得結(jié)構(gòu)任意時(shí)刻的變形么2;并根據(jù)測(cè)得的結(jié)構(gòu)
變形^和己知的彈簧初始?jí)嚎s量a,。、結(jié)構(gòu)初始變形z^，代入式(4)得到任意時(shí)刻彈簧的
實(shí)際彈力(也即作用在結(jié)構(gòu)上的實(shí)際荷載)。
本加載裝置的使用方法為根據(jù)需要模擬的地層的基床系數(shù)，選定合適的彈簧剛度《。借助 刻度指示尺6的指示，壓縮彈簧4使得彈簧彈力達(dá)到試驗(yàn)中需要施加的荷載。在加載過(guò)程中，
連續(xù)記錄位移計(jì)7的讀數(shù)(包括初始讀數(shù)f/,。)。這樣，不僅得到了任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形，同
時(shí)，根據(jù)公式(4)可以求得任意時(shí)刻彈簧的實(shí)際彈力(也即作用在結(jié)構(gòu)上的實(shí)際荷載)。實(shí) 際使用中，各測(cè)量值均以圖4中所示的方向?yàn)檎?；?dāng)實(shí)際變形方向與圖4中所示方向相反時(shí)， 則以負(fù)數(shù)代入。
權(quán)利要求
1.一種可模擬地層抗力的彈性加載裝置，包括固定座(1)和加載頭(2)，其特征是還包括一個(gè)彈性裝置，所述彈性裝置包括傳力桿(3)、彈簧(4)和加載桿(5)，傳力桿(3)的后端與加載頭(2)相連接，傳力桿(3)的前端通過(guò)彈簧(4)與加載桿(5)相連接，在固定座(1)和加載桿(5)之間連接有位移計(jì)(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可模擬地層抗力的彈性加載裝置，其特征是所述傳力桿(3)的 前端還設(shè)有一段導(dǎo)向桿(31),加載桿(5)的中心設(shè)有導(dǎo)向孔(51)與所述導(dǎo)向桿(31) 滑動(dòng)配合，所述彈簧(4)套在導(dǎo)向桿(31)的外面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可模擬地層抗力的彈性加載裝置，其特征是所述傳力桿(3) 與加載桿(5)之間還連接有刻度指示尺(6)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于試驗(yàn)地下結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的可模擬地層抗力的彈性加載裝置，包括固定座和加載頭，還有一個(gè)彈性裝置，所述彈性裝置包括傳力桿、彈簧和加載桿，傳力桿的后端與加載頭相連接，傳力桿的前端通過(guò)彈簧與加載桿相連接，在固定座和加載桿之間連接有位移計(jì)。本發(fā)明的加載裝置和方法與現(xiàn)有的裝置相比，由于巧妙利用了彈簧的特性，不僅可以模擬地層抗力的作用，從而更真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地下時(shí)的受力狀態(tài)。而且，使用時(shí)，只需連續(xù)記錄位移計(jì)的讀數(shù)，就可以得到準(zhǔn)確的任意時(shí)刻結(jié)構(gòu)的變形和實(shí)際施加到結(jié)構(gòu)上的荷載。同時(shí)由于彈性裝置的隔離作用，本加載裝置可以方便地對(duì)高溫試驗(yàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。
文檔編號(hào)E02D33/00GK101113596SQ200610029309
公開(kāi)日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者丁文其, 堅(jiān) 姚, 健 強(qiáng), 曾令軍, 朱合華, 閆治國(guó) 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)