CN102493500B - 可双向加载的地基基础模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可双向加载的地基基础模型试验装置。承力框架为一矩形刚架，模型槽为一箱型板焊接而成的上敞口的长方形钢结构模型槽，承力框架套在模型槽外围，水平作动器反力柱竖直立于模型槽的左端部，水平作动器左端与水平作动器反力柱连接，右端与桩顶部连接，竖向作动器上端与承力框架的上部横梁连接，下端通过竖向传力杆与桩顶部连接。模型槽左侧壁下部设置一排排水阀。模型槽右侧壁下部设置进水阀，进水阀供水管与恒压水箱相连。监测系统全面、综合，监测仪器埋设相对容易，可实现多个物理量的自动、实时监测。本模型试验装置可用于开展斜坡地基、复合地基、桩基等模型试验。

Description

可双向加载的地基基础模型试验装置

技术领域

本发明涉及地基基础模型试验装置技术领域，尤其涉及一种可双向加载的地基基础模型试验装置，为外荷作用下地基基础承载变形特性等科学实验提供一种可双向加载的地基基础模型试验装置，本模型试验装置可用于开展斜坡地基、复合地基、桩基等模型试验。 

背景技术

地基基础是岩土力学与工程研究的重要内容之一。在基础工程实践中，经常遭遇诸如软粘土地基、膨胀土地基、湿陷性黄土地基等特殊岩土地基，需要开展地基承载变形特性研究。大比尺的地基模型试验既可以进行地基变形及失稳机理的研究，也可以进行地基加固方案的比选研究。 

目前，国内外常用的土工模型试验手段包括离心模型试验和常规模型试验。离心模型试验优点在于可以用较小的模型重现原型的应力场，其不足之处在于土颗粒尺寸效应，另外，由于模型尺寸较小，测量仪器的选型、布置和埋设比较困难。 

常规地基模型试验是研究地基基础问题的重要手段，在国内外已得到广泛应用，具有代表性的常规模型试验装置分述如下： 

陈安敏[陈安敏等.岩土工程多功能模拟试验装置的研制及应用.岩石力学与工程学报.2004,23（3）]研发了一种岩土工程多功能模拟试验装置，该试验装置具有双向旋转功能，可围绕模型平面旋转360°，围绕模型立面旋转35°，为复杂地层的模型制作、岩土体的自重应力模拟以及边坡坡角的影响研究提供了方便。该装置存在的主要问题是尺寸比较小、无法控制渗流条件。 

李术才、张强勇等[发明专利200510045291.7，200510045150.5]发明了一种三维地质力学模型试验系统。该模型试验系统由盒式试验装置和液压加载控制系统组合而成，盒式试验装置由盒式铸钢构件、角件和底盘通过高强螺栓连接组成；液压加 载控制系统由带薄千斤顶的变荷加载板、液压加载控制台和分油器组成；变荷加载板通过薄千斤顶连接在盒式试验装置的左右内侧壁上，液压加载控制台通过分油器和油管与薄千斤顶连接。该装置具有规模大、功能多、组装灵活、尺寸可调、自动非均匀加载和保压稳定等优点，但无法控制渗流条件，只能进行单方向加载。 

陈云敏等[发明专利200710069866.8]发明了一种地基与边坡工程模型试验平台，该模型试验平台主体结构侧面钢板的长边一侧面上设有仪器理设孔和数据引出线孔，另一侧面上设有可视窗口；在长方形钢结构模型槽底部的碎石和砂垫层内设有供水水管管网，该管网与水箱、真空抽水装置相连；主体结构侧面钢板的短边一侧面上设有排水孔；在主体钢结构梁柱上长边两侧跨接两端带卡扣的反力梁，反力梁下端面设有液压千斤顶、球形铰接、承压板组成的伺服加载系统；位移传感器、土压力传感器和孔隙水压力传感器等连接组成监测系统。该试验平台模拟功能多，可产生多种致灾和加固条件，具有可移动的反力梁装置，方便进行不同位置及组合的加载试验，但也只能进行竖向加载，地下水位是通过水箱、控制阀门及设置在底部的水管管网来调整，渗流条件控制单一，只能模拟静止水位。 

从相关文献看，以往常规土工模型试验系统的尺寸比较小，尺寸效应明显，功能比较单一，近几年模型试验系统的尺寸相对较大，功能有所增强，但，现有的大型常规土工模型试验系统但均只能单向加载，渗流条件控制不尽理想，不能满足科研要求。 

因此，研发更为完善的可双向加载的地基基础模型试验装置对于基础工程学的发展具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有常规土工模型试验技术的不足，提供一种可双向加载的地基基础模型试验装置，使其能够模拟外荷作用下地基基础失稳过程，以揭示外荷作用下地基基础失稳模式及其控制因素，为地基基础设计及地基处理提供依据。 

为了达到上述目的，本发明采用以下技术措施： 

一种可双向加载的地基基础模型试验装置，它包括承力框架、模型槽、左侧多孔透水板，右侧多孔透水板，水平作动器反力柱、水平作动器上滑动支座，水平作动器下滑动支座、水平作动器连接杆、水平作动器斜拉杆、水平作动器、水平传力 杆、竖向作动器滑动支座、竖向作动器连接杆、竖向作动器、竖向传力杆、磁性支座、位移传感器支架、磁性表座、位移传感器、进水阀、供水管、恒压水箱、排水阀、孔隙水压力计、土压力计、桩体应变计。其特征在于：承力框架为一竖直放置的矩形刚架，采用工字钢或槽钢焊接而成。承力框架的作用是为水平与竖向加载提供反力架，采用工字钢或槽钢制作可以保证反力架的刚度，保证承力框架在双向加载下不至于产生大的变形。模型槽为一采用箱型板焊接而成的上敞口的长方形钢结构模型槽。承力框架套在模型槽外围，模型槽的左侧、右侧和底板的外壁分别与承力框架的左侧立柱、右侧立柱和底部横梁的内壁焊接，承力框架纵轴线与模型槽纵轴线重合。水平作动器反力柱竖直立于模型槽的左端部，距离模型槽左侧内壁约10cm，水平作动器反力柱上端与承力框架的上部横梁焊接，水平作动器反力柱下端与模型槽的底板焊接。水平作动器上滑动支座与水平作动器下滑动支座均穿套在水平作动器反力柱上，水平作动器上滑动支座在水平作动器下滑动支座的上方，水平作动器上滑动支座与水平作动器下滑动支座间距约30～50cm。水平作动器左端通过水平作动器连接杆与水平作动器下滑动支座连接，连接方式为螺纹连接。水平作动器上滑动支座通过水平作动器斜拉杆与水平作动器的上外壁连接，连接方式为螺纹连接。水平作动器右端通过水平传力杆与桩顶部连接。竖向作动器滑动支座套在承力框架的上部横梁上，竖向作动器滑动支座通过竖向作动器连接杆与竖向作动器连接，连接方式为螺纹连接。竖向作动器下端通过竖向传力杆与桩顶部连接。左侧多孔透水板与右侧多孔透水板为可透水的多孔板，分别紧贴于模型槽左、右内侧。模型槽左侧壁下部距离模型槽底板上缘约20cm、40cm、60cm、80cm、100cm处设置一排排水阀。模型槽右侧壁下部设置进水阀，进水阀通过供水管与恒压水箱相连。位移传感器、孔隙水压力计、土压力计、桩体应变计构成数据监测系统。位移传感器支架为一直杆，两端设有磁性支座，位移传感器支架通过两端的磁性支座固定在模型槽的前、后内壁上。磁性表座固定在位移传感器支架上，位移传感器通过磁性表座固定在桩上方，并使位移传感器的伸缩杆顶在桩上。 

其特征在于：水平作动器上滑动支座、水平作动器下滑动支座与竖向作动器滑动支座采用同一类型的滑动支座，所述的滑动支座由前侧板、后侧板、左侧圆柱销轴、右侧圆柱销轴、滑动支座承力板、定位销组成，前侧板、后侧板均为矩形钢板，厚度约10mm，长约30～40cm，宽约20～30cm，四角钻圆柱形轴孔，前侧板、后侧板 通过滑动支座承力板连接成一U形构件，左侧圆柱销轴、右侧圆柱销轴均为两端部设有梯形轴段的阶梯轴，左侧圆柱销轴的前、后梯形轴段分别套在前侧板与后侧板左侧的轴孔内，右侧圆柱销轴的前、后梯形轴段分别套在前侧板与后侧板右侧的轴孔内。滑动支座承力板钻有一螺孔，定位销制成螺杆，安装在所述的滑动支座承力板的螺孔内。 

其特征在于：模型槽用于盛土样，设计为一上敞口的长方形钢结构模型槽，尺寸约为长6.0m×宽3.0m×高3.5m，为尽量增大模型槽的刚度和控制变形，模型槽采用箱型板焊接而成。制作模型槽所用箱型板由钢顶板、钢底板、纵肋梁、横肋梁组成，纵肋梁与横肋梁均采用I20工字钢制作，纵肋梁与横肋梁均按20～30cm的间距成排布设，纵肋梁与横肋梁焊接成垂直相交的平面网状结构，钢顶板、钢底板分别焊接在所述网状结构的顶部和底部。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果： 

（1）模拟功能多，可用于开展斜坡地基、复合地基、桩基等模型试验。 

（2）主体模型槽内尺寸为长6.0m×宽3.0m×高3.5m，模型槽尺寸大，可开展大比尺模型试验，可大幅度降低模型试验的尺寸效应和边界效应。 

（3）具有可移动的竖向加载和水平加载装置，方便进行不同位置及组合的加载试验。 

（4）渗流条件控制更符合实际，可开展动水压力对斜坡地基承载变形特性研究。 

（5）监测系统全面、综合，监测仪器埋设相对容易，可实现多个物理量的自动、实时监测。 

申请者利用该模型装置开展了斜坡地基抗压模型试验和斜坡地基中单桩双向加载模型试验，取得了良好技术效果，也表明该模型装置具备了以上所述的先进技术特征，可用于开展斜坡地基、复合地基、桩基等模型试验。模型试验及成果简述如下： 

1）斜坡地基抗压模型试验 

利用该模型装置开展了斜坡地基抗压模型试验，重点考察基础宽度、基础埋深、临坡距离和边坡坡度对斜坡地基承载力的影响，斜坡地基抗压模型试验示意图见图 7。图8～图10给出了斜坡地基抗压模型试验典型成果图，从图8～图10可以看出：采用所研制的模型装置开展斜坡地基抗压模型试验取得了良好技术效果，揭示了斜坡地基承载变形特性及其规律。 

2）斜坡地基中单桩双向加载模型试验 

利用该模型装置开展了斜坡地基中单桩双向加载模型试验，重点考察基础宽度、基础埋深、临坡距离和边坡坡度对斜坡地基中单桩承载力与变形的影响，模型试验示意图见图11。图12、图13给出了斜坡地基中单桩双向加载模型试验典型成果图，从图12、图13可以看出：采用所研制的模型装置开展斜坡地基抗压模型试验取得了良好技术效果，揭示双向加载条件下斜坡地基中单桩变形特性及其规律。 

附图说明

图1为一种可双向加载的地基基础模型试验装置结构示意图。 

图2为一种可双向加载的地基基础模型试验装置的平剖面图。 

图3为一种可双向加载的地基基础模型试验装置中滑动支座平剖面图。 

图4为一种可双向加载的地基基础模型试验装置中滑动支座立剖面图。 

图5为一种可双向加载的地基基础模型试验装置中位移传感器安装示意图。 

图6为一种可双向加载的地基基础模型试验装置所用箱型板结构示意图。 

图7为所研制的模型试验装置开展的斜坡地基抗压模型试验示意图。 

图8为斜坡地基抗压模型试验典型P-s曲线。 

图9为斜坡地基抗压模型试验承压板中心线下竖向附加应力沿深度的分布曲线。 

图10为斜坡地基抗压模型试验承压板下30cm深度处竖向附加应力沿宽度的分布曲线。 

图11为斜坡地基中单桩双向加载模型试验示意图。 

图12为竖向作用力Q与水平作用力H共同作用下斜坡地基中单桩水平作用力H-桩顶水平位移y关系曲线。 

图13为水平荷载作用下斜坡地基中单桩桩身弯矩沿深度分布曲线。 

图1～图6中，1、承力框架，2、模型槽，3、左侧多孔透水板，4、右侧多孔透水板，5、水平作动器反力柱，6、水平作动器上滑动支座，7、水平作动器下滑动支 座，8、水平作动器连接杆，9、水平作动器斜拉杆，10、水平作动器，加载能力50～100kN,具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，11、水平传力杆，12、竖向作动器滑动支座，13、竖向作动器连接杆，14、竖向作动器，加载能力100～200kN，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，15、竖向传力杆，16、磁性支座，17、位移传感器支架，18、磁性表座，19、位移传感器，如HY-65050F数码位移传感器，量程50mm，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，20、进水阀，如永达ART.CH114球阀，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，21、供水管，22、恒压水箱，23、排水阀，如永达ART.CH114球阀，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，24、前侧板，25、后侧板，26、左侧圆柱销轴，27、右侧圆柱销轴，28、滑动支座承力板，29、定位销，30、桩，31、孔隙水压力计，如KJ-40型振弦式孔隙水压力计，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，32、土压力计，如JD-200型振弦式土压力计，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，桩体应变计，如GK-4100振弦式点焊型应变计，具体型号可根据试验需要选定，可在市场上采购，34、土样，35、钢顶板，36、钢底板，37、纵肋梁，38、横肋梁。 

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步的描述： 

根据图1～图6可知，该可双向加载的地基基础模型试验装置，由承力框架1、模型槽2、左侧多孔透水板3，右侧多孔透水板4，水平作动器反力柱5、水平作动器上滑动支座6，水平作动器下滑动支座7、水平作动器连接杆8、水平作动器斜拉杆9、水平作动器10、水平传力杆11、竖向作动器滑动支座12、竖向作动器连接杆13、竖向作动器14、竖向传力杆15、磁性支座16、位移传感器支架17、磁性表座18、位移传感器19、进水阀20、供水管21、恒压水箱22、排水阀23、孔隙水压力计31、土压力计32、桩体应变计构成。 

其特征在于：承力框架1为一竖直放置的矩形刚架，长约6.5m，高约4.5m，采用工字钢或槽钢焊接而成。 

模型槽2为一上敞口的长方形钢结构模型槽，模型槽2槽内尺寸约为长6.0m×宽3.0m×高3.5m，模型槽2采用箱型板焊接而成，不漏水。制作模型槽2所用箱型板由钢顶板35、钢底板36、纵肋梁37、横肋梁38组成，纵肋梁37与横肋梁38均 采用I20工字钢制作，纵肋梁37与横肋梁38均按20～30cm的间距成排布设，纵肋梁37与横肋梁38焊接成垂直相交的平面网状结构，钢顶板35、钢底板36分别焊接在所述网状结构的顶部和底部。 

承力框架1套在模型槽2外围，模型槽2左侧、右侧和底板外壁分别与承力框架1左侧立柱、右侧立柱和底部横梁内壁紧贴，承力框架1纵轴线与模型槽2纵轴线重合，承力框架1与模型槽2焊接。 

水平作动器反力柱5竖直立于模型槽2左端部，距离模型槽2左侧内壁约10cm，水平作动器反力柱5上端与承力框架1的上部横梁焊接，水平作动器反力柱5下端与模型槽2的底板焊接。水平作动器上滑动支座6与水平作动器下滑动支座7均穿套在水平作动器反力柱5上，水平作动器上滑动支座6在水平作动器下滑动支座7的上方，水平作动器上滑动支座6与水平作动器下滑动支座7间距约30～50cm。水平作动器10左端通过水平作动器连接杆8与水平作动器下滑动支座7的滑动支座承力板28连接，连接方式为螺纹连接。水平作动器上滑动支座6的滑动支座承力板28通过水平作动器斜拉杆9与水平作动器10上外壁连接，连接方式为螺纹连接。水平作动器10右端通过水平传力杆11与桩30顶部连接。水平作动器10可对桩30施加水平推力或拉力，水平作动器10的作用高度可通过调整水平作动器上滑动支座6与水平作动器下滑动支座7的位置来实现。 

竖向作动器滑动支座12套在承力框架1的上部横梁上，竖向作动器滑动支座12的滑动支座承力板28通过竖向作动器连接杆13与竖向作动器14上端连接，连接方式为螺纹连接。竖向作动器14下端通过竖向传力杆15与桩30顶部连接。竖向作动器14可对桩30施加竖向压力或拉力，竖向作动器14的作用位置可通过调整滑动支座承力板28的位置来实现。 

位移传感器支架17为一直杆，两端设有磁性支座16，位移传感器支架17通过两端的磁性支座16固定在模型槽2的前、后内壁上，位移传感器支架17可根据测试需要随意调整。磁性表座18固定在位移传感器支架17上，位移传感器19通过磁性表座18固定在桩30的上方，并使位移传感器19的伸缩杆顶在桩30上。 

左侧多孔透水板3与右侧多孔透水板4均为可透水的多孔板，厚度约2cm，分别紧贴于模型槽2的左、右内侧。模型槽2左侧壁下部距离模型槽2底板上缘约20cm、40cm、60cm、80cm、100cm处设置一排排水阀23，通过开关不同高度的排水阀23 可以控制模型槽2左侧的水位，如关闭20cm、40cm高处排水阀23、开启60cm、80cm、100cm高处排水阀23可使模型槽2左侧的水位控制在40cm高。模型槽2右侧壁下部设置进水阀20，进水阀20通过供水管21与恒压水箱22相连，调节恒压水箱22的供水压力可以控制模型槽2右侧的水位。 

位移传感器19、孔隙水压力计31、土压力计32、桩体应变计构成数据监测系统，孔隙水压力计31、土压力计32各为十八到二十四个，孔隙水压力计31、土压力计32根据试验需要可埋设在土样34内部任意位置，桩体应变计布设6～8只，安装在桩30的侧壁不同高度处。 

水平作动器上滑动支座6、水平作动器下滑动支座7与竖向作动器滑动支座12采用同一类型的滑动支座，所述的滑动支座由前侧板24、后侧板25、左侧圆柱销轴26、右侧圆柱销轴27、滑动支座承力板28、定位销29组成，前侧板24、后侧板25均为矩形钢板，厚度约10mm，长约30～40cm，宽约20～30cm，四角钻圆柱形轴孔，前侧板24、后侧板25通过滑动支座承力板28连接成一U形构件，左侧圆柱销轴26、右侧圆柱销轴27均为两端部设有梯形轴段的阶梯轴，左侧圆柱销轴26的前后梯形轴段分别套在前侧板24与后侧板25左侧的轴孔内，右侧圆柱销轴27的前后梯形轴段分别套在前侧板24与后侧板25右侧的轴孔内。滑动支座承力板28钻有一螺孔，定位销29制成螺杆，安装在所述的滑动支座承力板28的螺孔内，需调整滑动支座位置时，可松开定位销29，一旦滑动支座位置确定，可拧紧定位销29使其紧压在承力框架1的外壁上（对竖向作动器滑动支座12而言）或水平作动器反力柱5的外壁上（对水平作动器上滑动支座6与水平作动器下滑动支座7而言）。 

装置适用范围 

本发明提供了一种双向加载的地基基础模型试验装置，能用于开展斜坡地基、复合地基、桩基等模型试验。 

Claims (3)

1.一种可双向加载的地基基础模型试验装置，它包括承力框架（1）、模型槽（2）、水平作动器反力柱（5）、水平作动器下滑动支座（7）、水平作动器斜拉杆（9）、水平作动器（10）、竖向作动器（14）、位移传感器支架（17）、位移传感器（19）、恒压水箱（22），其特征在于：承力框架（1）为一竖直放置的矩形钢架，采用工字钢或槽钢焊接，模型槽（2）为箱型板焊接的上敞口的长方形钢结构模型槽，承力框架（1）套在模型槽（2）外围，模型槽（2）的左侧、右侧和底板的外壁分别与承力框架（1）的左侧立柱、右侧立柱和底部横梁的内壁焊接，承力框架（1）纵轴线与模型槽（2）纵轴线重合，水平作动器反力柱（5）竖直立于模型槽（2）的左端部，水平作动器反力柱（5）上端与承力框架（1）的上部横梁焊接，水平作动器反力柱（5）下端与模型槽（2）的底板焊接，水平作动器上滑动支座（6）与水平作动器下滑动支座（7）穿套在水平作动器反力柱（5）上，水平作动器上滑动支座（6）在水平作动器下滑动支座（7）上方，水平作动器（10）左端通过水平作动器连接杆（8）与水平作动器下滑动支座（7）连接，水平作动器上滑动支座（6）通过水平作动器斜拉杆（9）与水平作动器（10）的上外壁连接，水平作动器（10）右端通过水平传力杆（11）与桩（30）顶部连接，竖向作动器滑动支座（12）套在承力框架（1）的上部横梁上，竖向作动器滑动支座（12）通过竖向作动器连接杆（13）与竖向作动器（14）连接，竖向作动器（14）下端通过竖向传力杆（15）与桩（30）的顶部连接，左侧多孔透水板（3）与右侧多孔透水板（4）分别紧贴于模型槽（2）左、右内侧，模型槽（2）左侧壁设置排水阀（23），模型槽（2）右侧壁下部设置进水阀（20），进水阀（20）通过供水管（21）与恒压水箱（22）相连，位移传感器支架（17）两端设有磁性支座（16），位移传感器支架（17）通过两端的磁性支座（16）固定在模型槽（2）的前、后内壁上，磁性表座（18）固定在位移传感器支架（17）上，位移传感器（19）通过磁性表座（18）固定在桩（30）上方，位移传感器（19）的伸缩杆顶在桩（30）上。 

2.根据权利要求1所述的一种可双向加载的地基基础模型试验装置，其特征在于：所述的水平作动器上滑动支座（6）、水平作动器下滑动支座（7）与竖向作动器滑动支座（12）采用滑动支座，滑动支座由前侧板（24）、后侧板（25）、左侧圆柱销轴（26）、右侧圆柱销轴（27）、滑动支座承力板（28）、定位销（29）组成，前侧板（24）、后侧板（25）为矩形钢板，四角钻圆柱形轴孔，前侧板（24）、后侧板（25）通过滑动支座承力板（28）连接成一U形构件，左侧圆柱销轴（26）、右侧圆柱销轴（27）为两端部设有梯形轴段的阶梯轴，左侧圆柱销轴（26）的前、后梯形轴段分别套在前侧板（24）与后侧板（25）左侧的轴孔内，右侧圆柱销轴（27）的前、后梯形轴段分别套在前侧板（24）与后侧板（25）右侧的轴孔 内，滑动支座承力板（28）钻有一螺孔，定位销（29）制成螺杆，安装在滑动支座承力板（28）的螺孔内。 

3.根据权利要求1所述的一种可双向加载的地基基础模型试验装置，其特征在于：所述的模型槽（2）制作所用箱型板由钢顶板（35）、钢底板（36）、纵肋梁（37）、横肋梁（38）组成，纵肋梁（37）与横肋梁（38）采用I20工字钢制作，纵肋梁与横肋梁均按20～30cm的间距成排布设，并焊接成垂直相交的平面网状结构，钢顶板（35）、钢底板（36）分别焊接在所述的平面网状结构的顶部和底部。 

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