本發(fā)明涉及土木工程試驗(yàn)，尤其是涉及一種全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、由于具備較高的承載力和良好經(jīng)濟(jì)性，深基礎(chǔ)等地下結(jié)構(gòu)在海上風(fēng)電、港口碼頭、軌道交通、高層建筑等各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。深基礎(chǔ)等地下結(jié)構(gòu)的尺寸取決于地質(zhì)條件、建筑物類(lèi)型以及荷載大小等因素，具體地，地下結(jié)構(gòu)一般會(huì)受到來(lái)自各個(gè)方向的荷載，包括上部結(jié)構(gòu)等豎向抗壓荷載、抵抗水浮力和風(fēng)力等其他外力作用的豎向抗浮荷載，以及來(lái)自側(cè)向的土壓力、波浪力、風(fēng)力、地震等水平荷載。

2、現(xiàn)有有關(guān)地下結(jié)構(gòu)或地基的試驗(yàn)裝置主要有兩類(lèi)，一類(lèi)是模型試驗(yàn)裝置，此類(lèi)裝置的原理為相似比理論，具備小巧簡(jiǎn)捷的特點(diǎn)，常采用伺服電機(jī)進(jìn)行加載，但其施加的荷載與真實(shí)荷載并不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，無(wú)法真實(shí)地反映深基礎(chǔ)在實(shí)際工況下的受荷響應(yīng)，試驗(yàn)精度不高。另一類(lèi)為足尺試驗(yàn)裝置，此類(lèi)裝置往往尺寸較大，荷載與實(shí)際工況貼近，但現(xiàn)有的這類(lèi)裝置均無(wú)法模擬地下深達(dá)幾十米甚至上百米處的真實(shí)三維土體圍壓，部分裝置施加荷載的方向單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)的加載或沖擊及振動(dòng)加載，自動(dòng)化程度不高，部分裝置則無(wú)法模擬多場(chǎng)耦合下的深基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一，為此，本發(fā)明提出一種全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置及方法，能夠真實(shí)地模擬出深地工況下地下結(jié)構(gòu)、土和水之間的相互作用，確保各工況下深基礎(chǔ)受力變形規(guī)律研究的準(zhǔn)確性。

2、根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，包括：主體框架，主體框架具有容置槽；核心筒，核心筒可升降地設(shè)置在容置槽中，核心筒具有試驗(yàn)槽，試驗(yàn)槽用于容納試驗(yàn)結(jié)構(gòu)、土體和水體，以模擬試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的外部受力環(huán)境，核心筒包括多個(gè)核心單元，多個(gè)核心單元拼接形成空心圓筒狀，多個(gè)核心單元沿軸向依次連接，相鄰兩個(gè)核心單元之間活動(dòng)連接；加載機(jī)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)設(shè)置在主體框架上，加載機(jī)構(gòu)位于核心筒的周側(cè)，加載機(jī)構(gòu)用于對(duì)核心筒和試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多軸加載；監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與試驗(yàn)結(jié)構(gòu)連接，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的位移、變形和應(yīng)力變化數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)與加載機(jī)構(gòu)連接，控制系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)連接，控制系統(tǒng)用于操控加載機(jī)構(gòu)和監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，并對(duì)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、匯總和分析。

3、根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，至少具有如下有益效果：將土體均勻填入試驗(yàn)槽中并向試驗(yàn)槽內(nèi)添加水體，把試驗(yàn)結(jié)構(gòu)置入土體內(nèi)部后，調(diào)整并啟動(dòng)加載機(jī)構(gòu)，以模擬三維土體的真實(shí)圍壓情況，當(dāng)加載機(jī)構(gòu)對(duì)核心筒進(jìn)行側(cè)向加載時(shí)，相鄰的兩個(gè)核心單元發(fā)生相對(duì)位移并且互不斷開(kāi)，形成柔性連接以確保二者之間的密封性，根據(jù)不同的施工工況調(diào)整加載機(jī)構(gòu)的荷載類(lèi)別、方向和大小，進(jìn)而施加于結(jié)構(gòu)與地基，由此能夠模擬多種結(jié)構(gòu)施工和運(yùn)營(yíng)全生命周期的受力響應(yīng)，重現(xiàn)周邊附加荷載變化、地層開(kāi)挖或回填等不同工況下對(duì)結(jié)構(gòu)與地基的受力環(huán)境，解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置無(wú)法搭建結(jié)構(gòu)與地基在深地中真實(shí)受力環(huán)境的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)土體在側(cè)限條件下應(yīng)力變形特性的真實(shí)模擬，從而提高對(duì)各工況下結(jié)構(gòu)與地基受力變形規(guī)律研究的準(zhǔn)確性。

4、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，核心單元包括多個(gè)單元板，多個(gè)單元板圍合形成空心柱狀，相鄰兩個(gè)單元板之間活動(dòng)連接，上下相鄰的兩個(gè)單元板之間活動(dòng)連接。

5、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，相鄰兩個(gè)核心單元之間通過(guò)第一折疊連接件柔性連接，第一折疊連接件用于確保相鄰的兩個(gè)核心單元在發(fā)生相對(duì)位移時(shí)保持密封。

6、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，相鄰兩個(gè)單元板之間通過(guò)第二折疊連接件柔性連接，第二折疊連接件用于確保相鄰的兩個(gè)核心單元在發(fā)生相對(duì)位移時(shí)保持密封。

7、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，核心筒還包括：底座，底座設(shè)置在主體框架上，底座位于容置槽中，多個(gè)核心單元與底座圍合形成試驗(yàn)槽，試驗(yàn)槽用于承載水體、土體和試驗(yàn)結(jié)構(gòu)；壓力板，壓力板與核心單元連接，壓力板與核心單元的內(nèi)壁對(duì)應(yīng)，壓力板用于將來(lái)自豎直方向的荷載均勻傳遞給試驗(yàn)槽中的土體。

8、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，每個(gè)核心單元的外壁上至少設(shè)置有一個(gè)卸土板，卸土板可拆卸地設(shè)置在核心單元的外壁上，卸土板用于卸下試驗(yàn)槽中的土體。

9、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，加載機(jī)構(gòu)包括：多個(gè)水平加載組件，多個(gè)水平加載組件均可調(diào)節(jié)地設(shè)置在主體框架上，多個(gè)水平加載組件沿核心筒的周向均布，多個(gè)水平加載組件用于向核心筒及試驗(yàn)結(jié)構(gòu)施加徑向的水平壓力；多個(gè)豎直加載組件，多個(gè)豎直加載組件均可調(diào)節(jié)地設(shè)置在主體框架上，豎直加載組件位于核心筒的上方，豎直加載組件用于向土體及試驗(yàn)結(jié)構(gòu)施加軸向壓力。

10、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，水平加載組件包括：若干第一水平加載件，若干第一水平加載件可調(diào)節(jié)地設(shè)置在主體框架上，若干第一水平加載件沿豎直方向均布，第一水平加載件用于對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平加載；多個(gè)第二水平加載件，多個(gè)第二水平加載件可調(diào)節(jié)地設(shè)置在主體框架上，多個(gè)第二水平加載件沿豎直方向均布，第二水平加載件的數(shù)量與核心單元的數(shù)量相同，每個(gè)單元板均對(duì)應(yīng)設(shè)置有一個(gè)第二水平加載件，第二水平加載件用于對(duì)對(duì)應(yīng)的單元板進(jìn)行水平加載。

11、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，豎直加載組件包括：第二豎直加載件，第二豎直加載件可調(diào)節(jié)地設(shè)置在主體框架上，第二豎直加載件用于對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向加載；多個(gè)第一豎直加載件，多個(gè)第一豎直加載件可調(diào)節(jié)地設(shè)置在主體框架上，多個(gè)第一豎直加載件沿周向均設(shè)在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)加載件的周側(cè)，第一豎直加載件用于對(duì)土體進(jìn)行軸向加載。

12、根據(jù)本發(fā)明第二方面實(shí)施例的全環(huán)境下多軸加載結(jié)構(gòu)與地基原型的試驗(yàn)方法，包括：

13、s1：將土體均勻填入試驗(yàn)槽中，將試驗(yàn)槽中的土體進(jìn)行分層壓實(shí)，直至土層整體高度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，向試驗(yàn)槽內(nèi)添加水體；

14、s2：放置壓力板，調(diào)整反力架梁的高度，確保第四液壓千斤頂與壓力板緊密接觸，調(diào)整容置槽內(nèi)的第二液壓千斤頂?shù)母叨?，確保每個(gè)第二液壓千斤頂與對(duì)應(yīng)的單元板相抵，根據(jù)需要模擬的土層深度，設(shè)計(jì)并施加不同高度的第二液壓千斤頂和第四液壓千斤頂推力，形成真三維地應(yīng)力條件；

15、s3：安裝和調(diào)試應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器和紅外激光位移傳感器，檢測(cè)應(yīng)變傳感器、應(yīng)力傳感器和紅外激光位移傳感器的有效性，將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)沉入土體內(nèi)部，將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)靜置養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期；

16、s4：設(shè)置第一液壓千斤頂和第三液壓千斤頂?shù)膮?shù)，啟動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)和加載機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并收集試驗(yàn)結(jié)構(gòu)位移、變形、應(yīng)力等數(shù)據(jù)；

17、s5：將第一液壓千斤頂、第二液壓千斤頂、第三液壓千斤頂和第四液壓千斤復(fù)位，移走壓力板，調(diào)節(jié)核心筒高度以抽卸水體，打開(kāi)卸土板以卸出土體，移開(kāi)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)。

18、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.一種全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，核心單元(210)包括多個(gè)單元板(211)，多個(gè)單元板(211)圍合形成空心柱狀，相鄰兩個(gè)單元板(211)之間活動(dòng)連接，上下相鄰的兩個(gè)單元板(211)之間活動(dòng)連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，相鄰兩個(gè)核心單元(210)之間通過(guò)第一折疊連接件(212)柔性連接，第一折疊連接件(212)用于確保相鄰的兩個(gè)核心單元(210)在發(fā)生相對(duì)位移時(shí)保持密封。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，相鄰兩個(gè)單元板(211)之間通過(guò)第二折疊連接件(213)柔性連接，第二折疊連接件(213)用于確保相鄰的兩個(gè)核心單元(210)在發(fā)生相對(duì)位移時(shí)保持密封。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，核心筒(200)還包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，每個(gè)核心單元(210)的外壁上至少設(shè)置有一個(gè)卸土板(214)，卸土板(214)可拆卸地設(shè)置在核心單元(210)的外壁上，卸土板(214)用于卸下試驗(yàn)槽(221)中的土體(20)。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，加載機(jī)構(gòu)(300)包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，水平加載組件(310)包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，豎直加載組件(320)包括：

10.一種全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)方法，應(yīng)用權(quán)利要求1至9中任意一項(xiàng)的全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置及方法，屬于土木工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，本全環(huán)境下多軸加載的結(jié)構(gòu)與地基原型試驗(yàn)裝置包括：主體框架，主體框架具有容置槽；核心筒，核心筒可升降地設(shè)置在容置槽中，核心筒包括多個(gè)核心單元，多個(gè)核心單元沿軸向依次連接，相鄰兩個(gè)核心單元之間活動(dòng)連接；加載機(jī)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)用于對(duì)土體及試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多軸加載；監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)用于控制加載機(jī)構(gòu)，并匯總和分析試驗(yàn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠搭建試驗(yàn)結(jié)構(gòu)和地基在不同工況下的受力環(huán)境，真實(shí)地模擬土體在深地條件下的應(yīng)力變形特性，提高對(duì)各工況下結(jié)構(gòu)和地基受力變形規(guī)律研究的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：蘇林王,桑登峰,婁學(xué)謙,劉建強(qiáng),呂述暉,陳海波
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中交四航工程研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26