本發(fā)明屬于巖土工程模型試驗(yàn)工況模擬領(lǐng)域，涉及復(fù)雜堆載情況下形成的不規(guī)則土表壓力模擬裝置。

技術(shù)背景

土表堆載作用是工程中常見(jiàn)的一種由重力產(chǎn)生的豎向荷載作用形式，可由臨時(shí)的重物堆積產(chǎn)生，例如施工工地中大量建筑材料的堆積；也可能由永久的重物堆積產(chǎn)生，例如碼頭工程中的堆場(chǎng)設(shè)置，道路工程中的高路堤。這種土表的堆積產(chǎn)生的土表壓力會(huì)對(duì)臨近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生明顯的不良作用，特別是在軟土地區(qū)，能夠造成結(jié)構(gòu)物不均勻沉降，發(fā)生傾斜，直至傾覆。在土表堆載對(duì)地下結(jié)構(gòu)作用的研究中，室內(nèi)模型試驗(yàn)是一種公認(rèn)的、代價(jià)較小、易于控制的研究方法。但是如何有效、真實(shí)的模擬土表堆載作用是目前研究工作中主要難題之一。

模型試驗(yàn)中土表堆載的模擬主要涉及堆載壓力平面分布不規(guī)則、不均勻以及高堆載壓力兩方面問(wèn)題。第一，實(shí)際工程中，土表堆載多非大面積規(guī)則分布，例如最常見(jiàn)的土表邊載作用，土表堆載分布在結(jié)構(gòu)物的一側(cè)。更復(fù)雜的情況則是壓力值不均勻的局部堆載，例如不規(guī)則堆場(chǎng)中重物堆積形成的中間大、周邊小的壓力平面分布不規(guī)則、不均勻的堆載作用。由于對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行了縮尺處理，模型試驗(yàn)中這種復(fù)雜的堆積荷載很難直接用實(shí)物堆載進(jìn)行精確模擬。第二，實(shí)際工程中重物堆載往往具有較大的堆積高度，由此形成巨大的堆載壓力值。在模型試驗(yàn)中如果采用常規(guī)的材料（砂、石，金屬粉）堆積模擬土表壓力，則需要較大的材料堆積高度，這也給試驗(yàn)帶來(lái)安裝困難與安全隱患，同時(shí)也限制了復(fù)雜平面分布形式堆載作用的模擬。

為了能在模型試驗(yàn)中更精確的模擬土表復(fù)雜分布形式的堆載作用，并形成顯著的土表堆載壓力值，開(kāi)發(fā)一種適用于模型試驗(yàn)的土表堆載模擬裝置至關(guān)重要。該裝置的運(yùn)用預(yù)計(jì)可以提高模型試驗(yàn)的工作效率和模擬精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題是巖土工程模型試驗(yàn)中土表復(fù)雜堆載作用的高效模擬，提供一種土表堆載的模擬裝置，該裝置通過(guò)組件間相互鎖扣、組合成所需的土表堆載平面分布形式，并且能夠形成較大堆載壓力值。

技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種模擬土表復(fù)雜堆載作用的裝置，設(shè)于模型試驗(yàn)箱內(nèi)，裝置底部設(shè)置于土表，裝置邊緣與試驗(yàn)箱固定連接，裝置是由模塊化的組件相互鎖扣形成的整體結(jié)構(gòu)，所述模塊化的組件是由組件頂蓋、組件上段、組件下段和底板依次連接形成的方筒形氣壓伸縮腔。

具體地，在組件上段頂部設(shè)有平衡梁，平衡梁上安裝有激光位移傳感器，所述組件頂蓋的中部設(shè)有光學(xué)玻璃，底板上設(shè)有立柱和頂盤(pán)，所述激光位移傳感器、光學(xué)玻璃與頂盤(pán)處于同一直線上。通過(guò)激光位移傳感器對(duì)頂盤(pán)的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用于反映底板的位移量。

具體地，所述組件上段的上部設(shè)置有氣道以及線纜開(kāi)孔，氣道通過(guò)高壓氣管連接于高壓空氣泵，所述底板與土體接觸側(cè)設(shè)有壓力傳感器，所述線纜連接壓力傳感器與采集儀，在線纜開(kāi)孔處設(shè)有密封塞。確保組件的氣密性，并在組件上段的頂部設(shè)有用于連接固定臂的固定孔。

具體地，所述組件下段的頂部與組件上段的底部相連，且連接處設(shè)置有沿組件內(nèi)壁分布的三角形加強(qiáng)撐，加強(qiáng)撐與組件內(nèi)部的襯板接觸，所述組件下段的外側(cè)與組件上段的凹臂內(nèi)側(cè)平齊?？梢员ＷC組件相互鎖扣后組件下段的外側(cè)緊貼，所述凹臂的底部有水平擋板。

具體地，所述底板的上部邊緣連接有可進(jìn)行縱向伸縮的伸縮段，伸縮段位于加強(qiáng)撐下部且上端連接襯板，襯板通過(guò)襯板螺栓與組件上段的內(nèi)壁連接，襯板緊貼組件上段的底部?jī)?nèi)側(cè)且?guī)в幸欢ǖ膬?nèi)凹弧度?？杀ＷC上緊襯板螺栓后組件內(nèi)部的氣密性。

具體地，所述模塊化組件的外側(cè)壁上具有用于相互鎖扣連接成整體的凹臂和凸臂，所述裝置邊緣的組件通過(guò)固定臂連接試驗(yàn)箱外壁。

本發(fā)明同時(shí)提供一種模擬土表復(fù)雜堆載作用的方法，在模型試驗(yàn)箱內(nèi)安裝上述裝置，高壓空氣泵產(chǎn)生的氣壓帶動(dòng)底板豎向沉降，組件內(nèi)氣壓由組件頂蓋處的壓力表監(jiān)測(cè)，實(shí)際作用于土表的底板處壓力值由壓力傳感器獲取，通過(guò)調(diào)節(jié)不同位置組件的壓力值及沉降值，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜分布形式的堆載作用模擬。

使用時(shí)，通過(guò)組件上段的外側(cè)凹臂與另一個(gè)組件上段的外側(cè)凸臂鎖扣形成整體結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)底部設(shè)置于土表且通過(guò)邊緣位置組件的固定臂固定于試驗(yàn)箱外壁確保整體結(jié)構(gòu)豎向穩(wěn)定。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著的進(jìn)步：

1.本發(fā)明通過(guò)組件相互鎖扣，組成整體結(jié)構(gòu)后進(jìn)行工作，相比常規(guī)的土表重物堆載的設(shè)置方式，這種多個(gè)組件配合使用的方式可以靈活的實(shí)現(xiàn)平面不規(guī)則分布的堆載作用，并且每個(gè)組件可以獨(dú)自模擬施加土表壓力作用，加載方式可靠性高，且組件間不同的壓力組合可以模擬堆載壓力的平面不均勻分布工況。

2.本發(fā)明的組件通過(guò)內(nèi)置氣囊結(jié)構(gòu)，充入高壓空氣實(shí)現(xiàn)土表堆載的模擬。該方法相比傳統(tǒng)的重物堆載模擬土表堆載，可以實(shí)現(xiàn)更大的荷載值，并且通過(guò)調(diào)整組件內(nèi)的氣壓值，可以便捷實(shí)現(xiàn)堆載隨時(shí)間變化的工況模擬。

3.本發(fā)明組件設(shè)置了壓力表，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)組件內(nèi)部的氣壓狀況，并且通過(guò)測(cè)定底板內(nèi)壓力傳感器的數(shù)值，精確控制作用在土表的壓力值，消除了傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)M中試驗(yàn)箱邊壁摩擦對(duì)堆載效果的影響。

4.本發(fā)明設(shè)置了激光位移傳感器和高強(qiáng)光學(xué)玻璃，相比傳統(tǒng)裝置，能夠無(wú)接觸、高精度地測(cè)定試驗(yàn)中加載過(guò)程中底板沉降，結(jié)合多個(gè)組件的沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠獲得土表堆載作用下整個(gè)土表沉降的面分布。

5.本發(fā)明組件邊壁設(shè)置了凹、凸臂，可以實(shí)現(xiàn)便捷的拆卸、組合，通過(guò)相互組合能夠適用于不同形狀的試驗(yàn)箱，而已有的相關(guān)裝置多只能適用于特定的試驗(yàn)箱。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例一的組件剖立面圖；

圖2為圖1的a-a的剖視圖；

圖3為圖1的b-b的斷面圖；

圖4為圖1的c-c的斷面圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例二的組合結(jié)構(gòu)剖立面圖；

圖6圖5的俯視圖；

圖中：1-高壓空氣泵；2-高壓氣管；3-頂盤(pán)；4-立柱；5-凹臂；6-襯板；7-伸縮段；8-平衡梁；9-壓力表；10-激光位移傳感器；11-光學(xué)玻璃；12-組件頂蓋；13-頂蓋螺栓；14-采集儀；15-線纜；16-平衡梁螺栓；17密封塞；18-組件上段；19-凸臂；20-襯板螺栓；21-加強(qiáng)撐；22-組件下段；23-底板；24-壓力傳感器；25-固定孔；26-固定底座；27-固定臂。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

本實(shí)施例的模擬土表復(fù)雜堆載作用的裝置的組件如圖1、圖2、圖3和圖4所示，組件整體呈矩形桶狀，由組件頂蓋12、組件上段18、組件下段22和底板23組成。組件頂蓋12為矩形鋼板，通過(guò)頂蓋螺栓13連接于組件上段18的頂部，頂蓋螺栓13沿組件頂蓋12的邊緣等間距分布。組件頂蓋12頂部安裝有壓力表9，用于組件內(nèi)部氣壓的監(jiān)測(cè)。組件頂蓋12中部鑲嵌有高強(qiáng)度的光學(xué)玻璃11。組件上段18由鋼板圍成矩形，其外側(cè)分別設(shè)置兩個(gè)凹臂5和兩個(gè)凸臂19，凹臂5和凸臂19由鋼板切割而成，凹臂5兩側(cè)有伸臂且底部有水平擋板，凸臂19可以由上往下插入凹臂5內(nèi)部并且到達(dá)凹臂5底部的水平擋板。組件上段18上部設(shè)置有氣道和線纜開(kāi)孔，氣道通過(guò)高壓氣管2連接至高壓空氣泵1，線纜15兩端分別與壓力傳感器24及采集儀14相連，線纜開(kāi)孔處設(shè)置了密封塞17確保組件的氣密性。矩形鋼板制成的固定底座26通過(guò)平衡梁螺栓16與組件上段18的頂部相連，固定底座26上方設(shè)置有長(zhǎng)條形鋼質(zhì)平衡梁8，平衡梁8中間固定有激光位移傳感器10，激光位移傳感器10豎直位于光學(xué)玻璃11正上方。組件下段22由鋼板圍成矩形且頂部與組件上段18的底部相連，并且在連接處設(shè)置有三角形的鋼質(zhì)加強(qiáng)撐21，加強(qiáng)撐21沿組件下段22內(nèi)壁均勻分布，組件下段22的外側(cè)與凹臂5內(nèi)側(cè)平齊，可以保證組件相互鎖扣、連接后相鄰組件的組件下段22的外側(cè)相互緊貼。襯板6通過(guò)襯板螺栓20固定于組件上段18的內(nèi)壁，襯板6為鋼質(zhì)薄板帶有一定的內(nèi)凹弧度，可保證上緊襯板螺栓20后組件內(nèi)部的氣密性。襯板6下部緊貼加強(qiáng)撐21且底部與伸縮段7相連，伸縮段7為柔性橡膠材質(zhì)，可以提供豎向的伸縮位移，伸縮段7底部連接底板23的邊緣。底板23為矩形鋼板且位于組件下段22的內(nèi)部且能沿組件下段22的內(nèi)壁上下移動(dòng)，底板23的底部中間與土體接觸側(cè)設(shè)置有壓力傳感器24，壓力傳感器24通過(guò)線纜15與采集儀14相連，底板23的頂部中間設(shè)置有豎直的鋼質(zhì)圓立柱4，立柱4頂部固定圓盤(pán)狀鋼頂盤(pán)3。頂盤(pán)3中心軸線、光學(xué)玻璃11中心軸線與激光位移傳感器10的激光射線在同一豎直線上。

實(shí)施例二

發(fā)明實(shí)施例的模擬土表復(fù)雜堆載作用的裝置配合模型試驗(yàn)箱使用，模擬中間大四周小的土表堆載。如圖5和圖6所示，由安裝在組件外壁的凹臂和凸臂將單個(gè)組件相互鎖扣、連接成整體結(jié)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明裝置的預(yù)定功能。整體結(jié)構(gòu)的平面形狀根據(jù)所模擬的土表堆載平面分布情況確定，且由邊緣位置組件的固定臂固定于模型試驗(yàn)箱壁上，用以確保整體結(jié)構(gòu)豎向穩(wěn)定。

通過(guò)9個(gè)組件相互鎖扣、連接形成整體結(jié)構(gòu)，外側(cè)組件通過(guò)固定臂固定于模型試驗(yàn)箱壁上。中間組件施加較大氣壓值，形成較大土表堆載作用，外側(cè)組件施加較小氣壓值，形成較小土表堆載作用。組件內(nèi)壓入高壓空氣后，底板帶動(dòng)立柱和頂盤(pán)下移，通過(guò)激光位移傳感器可獲得底板的沉降值，組件對(duì)土表作用產(chǎn)生的壓力可由采集儀采集壓力傳感器的數(shù)據(jù)獲知，通過(guò)監(jiān)測(cè)壓力表和調(diào)節(jié)高壓空氣泵，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的土表堆載作用實(shí)時(shí)控制。

在本發(fā)明的描述中，還需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號(hào)和字母在下面的附圖中表示類(lèi)似項(xiàng)，因此，一旦某一項(xiàng)在一個(gè)附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時(shí)慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。