CN103225320A - 一种电磁式动力平板载荷试验检测设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁式动力平板载荷试验检测设备及方法，其装置是将电磁铁组件、撞击杆与冲击座板组件分别设于外套筒上方、外套筒内与外套筒下方，外套筒内侧壁设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；冲击座板组件包括冲击座和承载平板，承载平板固定于冲击座底部；冲击座板组件静止安设，外套筒套入冲击座；其方法是在撞击杆撞击冲击座过程中，通过多级电磁加速线圈放电实现撞击杆加速，从而提高其冲击能量及速度。本装置发明采用电磁式分级加速撞击杆，可有效提高及调整撞击杆冲击能量及速度，已实现冲击力为撞击杆重量1000倍以上，动力源为市电，使其较好地应用于竖向与水平向地基平板载荷试验检测。

Description

一种电磁式动力平板载荷试验检测设备及方法

技术领域

本发明涉及土木工程中地基承载力与变形模量的试验和检测技术，特别涉及一种电磁式动力平板载荷试验检测设备及方法。

背景技术

土木工程中地基变形模量及承载力试验及检测是地基工程性质评定的基本手段及要求，是行业与地方规范规程所规定的基本检测，其试验及检测的主要指标是地基的承载力特征值和变形参数。

一直以来，建筑行业通常采用静力平板载荷试验方法检测地基承载力与变形模量。然而在实践中，该方法存在如下问题：其一为荷载施加的原因，时间与试验本身成本均较高；其二是荷载方式为静态的，施加的荷载本身难以达到较高的量值，而且其所测地基仅为承压平板下2.0～2.5倍承压板直径（或宽度）以内深度范围的地基；其三为所测量的变形参数仅是静态参数，不能较好反应动态荷载下地基（诸如高铁、高速公路地基等）的动态响应性状。

20世纪90年代德国提出动态变形模量Ed标准（德国已于1997年开始在铁路工程（包括高速铁路）中增加了动态变形模量E d标准），以作为路基压实质量控制标准；其特点是试图反映列车在高速运行时产生的动应力对路基的真实作用状况。在我国，类似地利用E_vd动态平板荷载试验仪进行动态弹性模量E_vd（dynamic modulus of deformation，是指土体在一定大小的竖向冲击力和冲击时间作用下抵抗变形能力的参数；即假定冲击力恒定和泊松比μ为0.21的情况下，由弹性半空间体上圆形局部荷载的公式计算模量

即在利用圆形荷载板及给定泊松比μ为0.21的情况下E_Vd=0.79(1-μ²)dσ/s=1.5rσ/s=22.5/s）测试作为路基压实质量控制标准。动态变形模量检测方法现已纳入我国铁道行业标准《铁路工程土工试验规程》。然而，该方法在实际应用中也有如下问题：一是最大冲击力仅为7.07kN，测试深度范围很小，仅有400～500mm；二是承压板直径为300mm，在地基土（特别是粗颗粒土）具有明显尺寸效应情况下（目前公认：若压板面积0.5m²,即边长约为708mm或直径约为800mm及以上，其尺寸效应影响可忽略不计）有不可忽略的尺寸效应误差；三是要求冲击（承载板）持续时间（即荷载脉冲宽度）为18±2ms，而实际上该持续时间与地基土性相关，若按此严格限定持续时间，所测试的地基土类别就十分有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对土木工程的现场（足尺承压平板荷载）地基检测，提供一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，该设备可实现较高的冲击能量，消除尺寸效应影响并达到静态平板载荷试验功能要求。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述设备实现的电磁式动力平板载荷试验检测方法。

本发明的技术方案为：一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，包括电磁铁组件、撞击杆、外套筒、电磁加速线圈和冲击座板组件，电磁铁组件设于外套筒上方，撞击杆设于外套筒内，冲击座板组件设于外套筒下方，外套筒内侧壁上设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；冲击座板组件包括冲击座和承压平板，承压平板固定于冲击座底部；冲击座板组件静止固定于外套筒底部时，冲击座的直线段嵌入外套筒内部。

为了减少冲击座板组件与外套筒之间的碰撞或摩擦，所述冲击座与外套筒底部的相接处还设有缓冲垫；冲击座与承压平板通过螺栓锁紧固定，承压平板的型号或规格可以根据待检测地基的实际需要进行更换。

所述电磁铁组件包括电磁铁支座和吸盘式电磁铁，电磁铁支座通过支撑柱固定于外套筒上方，吸盘式电磁铁固定于电磁铁支座中部，设于外套筒内的撞击杆对应位于吸盘式电磁铁下方；吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱，电磁铁接线柱外接电路控制系统。通过电路控制系统向吸盘式电磁铁供电或断电，从而使吸盘式电磁铁产生磁力吸住或释放撞击杆。

作为一种优选方案，所述电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级电磁加速线圈、二级电磁加速线圈和三级电磁加速线圈；外套筒的外壁上设有多个线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系统。根据试验装置和测试对象的实际需要，电磁加速线圈的级数可以酌量增加或减少。

所述撞击杆可为单一材料成型的磁性杆，撞击杆的长度小于吸盘式电磁铁与一级电磁加速线圈之间的距离，以使得电磁加速线圈的电磁力能有效作用于撞击杆。

所述撞击杆也可包括多个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于撞击杆最顶端的为磁性段。其中，磁性段用于响应其对应的下部电磁线圈作用，非磁性段用于使得磁性段与电磁线圈间有一段距离以产生确定方向的有效作用力。

所述磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。

所述冲击座板组件中，冲击座为一体式结构，包括由上至下依次连接的直线段、倾斜段和平板段，直线段嵌入外套筒内部，倾斜段与外套筒底部相接，平板段与承压平板固定连接。

上述电磁式动力平板载荷试验检测设备既可呈竖直方向设置以应用于地基测试，也可呈水平方向设置以应用于地基测试。当设备水平设置时，为了较好地固定冲击座板组件，所述冲击座的直线段外周设有凹槽，外套筒内侧壁相应设有限位弹簧，限位弹簧末端设置限位珠，冲击座的直线段嵌入外套筒内部时，限位珠嵌入凹槽内，此时，限位珠通过弹簧的弹力对冲击座起到限位固定的作用，防止冲击座由于重力下滑动作用自行脱落。根据实际需要，各弹簧的外端还可设置可旋螺栓，用于调节相应弹簧的弹力大小。当设备竖直设置时，冲击座和外套筒不设置凹槽和限位弹簧相配合的结构，以更好地减小摩阻力。

本发明通过上述设备实现一种电磁式动力平板载荷试验检测方法，包括以下步骤：

（1）冲击开始前，冲击座板组件安放于外套筒底部，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的撞击杆；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放撞击杆，使撞击杆运动并撞击冲击座板组件；

撞击杆运动的过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级电磁加速线圈放电，逐步提高撞击杆的冲击速度；

（3）撞击杆加速运动至外套筒底部时，撞击冲击座板组件中的冲击座，使冲击座带着承压平板冲击待测试的地基。

本设备可单独使用，通过人工操作实现吸盘式电磁铁及各级电磁加速线圈的通断电，对所检测到的冲击座板组件冲击力及地基所受冲击力的数据采用传统方法进行处理。

本设备也可结合计算机智能操作系统使用，从而使其智能化程度更高，计算机智能操作系统可选用美国国家仪器（NI）公司所开发的LabVIEW平台实现。将本设备结合计算机智能操作系统进行地基承载力及变形模量测试时，根据待测试的地基位置，将本设备定位安设（当设备水平设置时，需要在外套筒上设置支架固定本设备；当设备竖直设置时，只要将本设备安置于待测试的地基上即可），在冲击座上及待测试的地基上分别预先设置压力传感器，压力传感器采集冲击座板的冲击力及待测试地基所受的冲击力并送入计算机智能操作系统，计算机智能操作系统自动生成数据对比并分析，从而得到地基变形模量及承载力数值。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本电磁式动力平板载荷试验检测设备及方法相对于传统冲击试验方法，可更好地应用于土木工程领域的地基承载力与变形模量的试验和检测，既可满足便于携带与快速使用的要求，又能消除尺寸效应影响并达到静态平板载荷试验功能要求，同时还可提供地基水平方向承载特性的测试（在地下工程诸如水平顶管地基反力测试时用到）。具体表现为：

（1）采用电磁式分级加速撞击杆的运动，可有效提高撞击杆的冲击速度和冲击能量；

（2）通过各级电磁加速线圈的接通或关闭及冲击电量大小的调节控制，实现冲击能量与速度的可控及可调性，可模拟不同量级的冲击；通过更换承压平板的规格，可适用不同地基的使用，使用时在现场安装即可，使用方便快捷；

（3）通过电磁铁组件、撞击杆与外套筒简便侧向支架（该支架只用于水平方向的冲击用，竖向不需用）的配合，可实现对竖向与水平方向的高速冲击；

（4）可将本试验装置结合计算机智能系统实时操作控制，相关高精度定量的力学数据及波形可同步得到并显示及保存，使用方便，智能化程度高；

（5）作为本试验装置的动力源是普通的市电，满足方便、安全、环保等各个方面要求。

（6）经试验验证明，本向高能高速电磁力冲击智能控制试验装置已实现的实测冲击力为撞击杆重量的1000倍以上。

附图说明

图1为本电磁式动力平板载荷试验检测设备的原理示意图。

图2为本电磁式动力平板载荷试验检测设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，如图1或图2所示，包括电磁铁组件1、撞击杆2、外套筒3、电磁加速线圈4和冲击座板组件5，电磁铁组件设于外套筒上方，撞击杆设于外套筒内，冲击座板组件设于外套筒下方，外套筒内侧壁上设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；如图2所示，冲击座板组件5包括冲击座5-1和承压平板5-2，承压平板固定于冲击座底部；冲击座板组件静止定位于外套筒底部时，冲击座的直线段嵌入外套筒内部。

为了减少冲击座板组件与外套筒之间的碰撞或摩擦，冲击座与外套筒底部的接触处还设有缓冲垫5-3；冲击座与承压平板通过螺栓锁紧固定，承压平板的型号或规格可以根据待检测地基的实际需要进行更换。

电磁铁组件1包括电磁铁支座1-1和吸盘式电磁铁1-2，电磁铁支座通过支撑柱6固定于外套筒上方，吸盘式电磁铁固定于电磁铁支座中部，设于外套筒内的撞击杆对应位于吸盘式电磁铁下方；吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱，电磁铁接线柱外接电路控制系统。通过电路控制系统向吸盘式电磁铁供电或断电，从而使吸盘式电磁铁产生磁力吸住或释放撞击杆。

本实施例作为一种优选方案，电磁加速线圈有三级，如图1所示，由上至下分别为一级电磁加速线圈4-1、二级电磁加速线圈4-2和三级电磁加速线圈4-3；外套筒的外壁上设有多个线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系统。根据试验装置和测试对象的实际需要，电磁加速线圈的级数可以酌量增加或减少。

根据实际条件，撞击杆可有多种结构形式：

（1）撞击杆可为单一材料成型的磁性杆，撞击杆的长度小于吸盘式电磁铁与一级电磁加速线圈之间的距离，以使得电磁加速线圈的电磁力能有效作用于撞击杆。

（2）撞击杆也可包括多个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于撞击杆最顶端的为磁性段。其中，磁性段用于响应其对应的下部电磁线圈作用，非磁性段用于使得磁性段与电磁线圈间有一段距离以产生确定方向的有效作用力。磁性段的材质可为钢或铁，非磁性段的材质可为铝。

冲击座板组件中，冲击座为一体式结构，包括由上至下依次连接的直线段、倾斜度和平板段，直线段嵌入外套筒内部，倾斜段与外套筒底部相接，平板段与承压平板固定连接。

上述电磁式动力平板载荷试验检测设备既可呈竖直方向设置以应用于地基测试，也可呈水平方向设置以应用于地基测试。当设备水平设置时，冲击座板组件静止时，为了更稳定地固定冲击座板组件，可在冲击座的直线段外周设置凹槽，外套筒内侧壁相应设有限位弹簧，限位弹簧末端设置限位珠，冲击座的直线段嵌入外套筒内部时，限位珠嵌入凹槽内，此时，限位珠通过弹簧的弹力对冲击座起到限位固定的作用，防止冲击座由于重力作用自行滑动而脱落。根据实际需要，各弹簧的外端还可设置可旋螺栓，用于调节相应弹簧的弹力大小。当设备竖直设置时，冲击座和外套筒不设置凹槽和限位弹簧相配合的结构，以更好地减小摩阻力。

通过上述设备实现一种电磁式动力平板载荷试验检测方法，包括以下步骤：

（1）冲击开始前，冲击座板组件安放于外套筒底部，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的撞击杆；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放撞击杆，使撞击杆运动并撞击冲击座板组件；

撞击杆运动的过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级电磁加速线圈放电，逐步提高撞击杆的冲击速度；

（3）撞击杆加速运动至外套筒底部时，撞击冲击座板组件中的冲击座，使冲击座带着承压平板向下冲击待测试的地基。

本设备可单独使用，通过人工操作实现吸盘式电磁铁及各级电磁加速线圈的通断电，对所检测到的冲击座板冲击力及地基所受冲击力的数据采用传统方法进行处理。

本设备也可结合计算机智能操作系统使用，从而使其智能化程度更高，计算机智能操作系统可选用美国国家仪器（NI）公司所开发的LabVIEW平台实现。将本设备结合计算机智能操作系统进行地基承载力及变形模量测试时，根据待测试的地基位置，将本设备定位安设（当设备水平设置时，需要在外套筒上设置支架固定本设备；当设备竖直设置时，只要将本设备安置于待测试的地基上即可），在冲击座上及待测试的地基上分别预先设置压力传感器，压力传感器分别采集冲击座板的冲击力及待测试地基所受的冲击力并送入计算机智能操作系统，计算机智能操作系统自动生成数据对比并分析，从而得到地基变形模量及承载力数值。

在本实施例中，本设备结合计算机智能操作系统使用，以采用N级电磁加速线圈为例，电路控制系统采用220V的交流电，经桥式整流器直接整流为直流，直流电压高达450V（可根据需求配元件调整）。450V电压有N组0.2F电容储能（每组可由多个电容储能器并串联构成，同时可根据需求配元件调整）然后依次向N组电磁加速线圈放电，相应获得大电流（可根据需求配元器件调整电流值），N级加速的时间间隔由计算机智能操作系统自动调整，使撞击杆的速度逐步提高，避免电容过度放电产生反拉力，最终使撞击杆获得最高速度及能量；撞击杆则沿导向方向高能量撞击冲击座板组件。再由以下通常采用的局部荷载公式计算变形模量：

$E_0=\mathrm{\ω}(1-{\mathrm{\μ}}_0^2)\sqrt{A}\frac{p}{s}$

式中，ω为荷载平板形状系数，圆形板取0.79；μ₀为所测介质的泊松比；A为平板面积；p为荷载值，由冲击座板上的压力传感器（可以采用螺旋或其它固定方式与带螺旋孔的冲击座紧固连接，若处于冲击座上部，则需加一可动平衡钢瓦）直接测量；s为平板下由动态位移传感器可测的压缩量（注：每个位移测量点均需一基准点，如常规静载平板试验通过某一固定的基准梁设置）。由此，通过与荷载与位移传感器连接的自动采集记录，可得到冲击下压力与位移关系曲线，取其相关段斜率即可方便地得到（动态）变形模量。压力与位移曲线的比例界限值及承载力特征值（动态值）的确定方法如通常相关规范所规定方法确定，如按地基竖向压缩量对应的压力求得比例界限值进而确定承载力特征值。在一般情况下，冲击座板组件中，冲击座的顶部直径可取100mm～150mm，承压平板的直径可取0.3m、0.71m、1.0m或按需要进行更大尺寸制作。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，包括电磁铁组件、撞击杆、外套筒、电磁加速线圈和冲击座板组件，电磁铁组件设于外套筒上方，撞击杆设于外套筒内，冲击座板组件设于外套筒下方，外套筒内侧壁上设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；冲击座板组件包括冲击座和承压平板，承压平板固定于冲击座底部；冲击座板组件静止固定于外套筒底部时，冲击座的直线段嵌入外套筒内部。

2.根据权利要求1所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述冲击座与外套筒底部的相接处还设有缓冲垫；冲击座与承压平板通过螺栓锁紧固定。

3.根据权利要求1所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述电磁铁组件包括电磁铁支座和吸盘式电磁铁，电磁铁支座通过支撑柱固定于外套筒上方，吸盘式电磁铁固定于电磁铁支座中部，设于外套筒内的撞击杆对应位于吸盘式电磁铁下方；吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱，电磁铁接线柱外接电路控制系统。

4.根据权利要求1所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级电磁加速线圈、二级电磁加速线圈和三级电磁加速线圈；外套筒的外壁上设有多个线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系统。

5.根据权利要求4所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述撞击杆为单一材料的磁性杆，撞击杆的长度小于吸盘式电磁铁与一级电磁加速线圈之间的距离。

6.根据权利要求1所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述撞击杆包括多个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于撞击杆最顶端的为磁性段。

7.根据权利要求6所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。

8.根据权利要求1所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述冲击座板组件中，冲击座为一体式结构，包括由上至下依次连接的直线段、倾斜度和平板段，直线段嵌入外套筒内部，倾斜段与外套筒底部相接，平板段与承压平板固定连接。

9.根据权利要求8所述一种电磁式动力平板载荷试验检测设备，其特征在于，所述冲击座的直线段外周设有凹槽，外套筒内侧壁相应设有限位弹簧，限位弹簧末端设置限位珠，冲击座的直线段嵌入外套筒内部时，限位珠嵌入凹槽内。

10.根据权利要求1～9任一项所述设备实现一种电磁式动力平板载荷试验检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）冲击开始前，冲击座板组件安设于外套筒底部，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的撞击杆；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放撞击杆，使撞击杆运动并撞击冲击座板组件；

撞击杆运动的过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级电磁加速线圈放电，逐步提高撞击杆的冲击速度；

（3）撞击杆运动至外套筒底部时，撞击冲击座板组件中的冲击座，使冲击座带着承压平板冲击待测试的地基。

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