CN106950348B - 土工离心模型试验用液压固结装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土工离心模型试验用液压固结装置和方法，本发明的装置包括固结容器、反力框架、压力加载装置和测试装置；所述固结容器为离心机模型箱；所述压力加载装置包括加荷板、液压缸、进油管路和回油管路，进油管路上设置分流阀和稳压控制装置；所述测试装置包括压力传感器、孔压传感器、位移传感器和计算机。本发明的装置和方法，不仅能在常应力场中为模型地基提供固结荷载，同时也能在超重力场中为模型地基提供设计的固结荷载，加载压力精确均匀，并且自动化程度高，安全、安静、便捷，压力范围可以根据具体试验要求进行调整。

Description

土工离心模型试验用液压固结装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于土工离心模型试验的辅助设备，具体涉及一种土工离心模型试验用液压固结装置和方法。

背景技术

固结是指地基土体在荷载或其他因素作用下，土体孔隙中水分逐渐排出、体积压缩、密度增大，外界压力逐渐由土颗粒骨架承担，直至土体变形达到稳定的过程。常规的室内固结试验通常只能取小部分土体，模拟土体在附加应力作用下的固结。但是，使原型地基产生固结或压缩的应力除了附加应力之外还包括土体的自重应力，而室内试验忽略了土体的自重应力。因此，室内固结试验在地层固结模拟和地基固结参数获取的过程中存在局限性。

土工离心模型试验通过在模型上施加离心力，在不改变地基材料力学特性的前提下，使模型的应力和变形与原型相同，这样就可以用模型反映原型。离心模拟技术已涉及到岩土工程研究的众多领域，逐渐成为岩土工程研究中必不可少的研究手段。现有的离心模型固结试验设备大致分为三种：杠杆加压固结法、压重固结法和气压加载固结法。在以上三种常用的方法中，杠杆加压法存在占用场地大、不能在超重力场中使用和超软粘性土地基初期加载固结时容易产生偏压现象的不足，并且杠杆加压法需要人工搬运配重砝码提供固结压力，不适合大规模推广应用；采用铅砂等高重度材料配重固结的方法只能在离心机运转过程中对模型土体施加固结压力，在常规应力场条件下可对地基土体施加的固结压力范围有限；气压加载固结法实施过程中气体压力的稳定性是影响试验结果精确性的一个重要因素。同时，压重法和气压加载固结法没有力传递的导向装置，不能保证所施加的压力均匀并且竖直向下的传递给模型，存在加载过程中偏压进而导致土体不均匀固结的问题。

鉴于离心模型试验在岩土工程研究中的有效性和现有模拟土体加载固结设备中存在的问题，当前迫切需要一种既能在常规应力场下对模型土体进行加载固结也能在超重力场下对模型土体加载固结的自动化设备或者装置。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种既可以在常规应力场中也可以在超重力场中对模型土体进行加载固结的设备，该设备自动化程度高、试验过程中施加的上部压力方向能精确控制，并且荷载施加稳定。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种土工离心模型试验用液压固结仪，包括固结容器、反力框架、压力加载装置和测试装置；

所述固结容器为离心机模型箱；

所述压力加载装置包括加荷板、液压缸、进油管路和回油管路，进油管路上设置分流阀和稳压控制装置；所述测试装置包括压力传感器、孔压传感器、位移传感器和计算机；

所述反力框架固定设置于固结容器上部，由井字相交的锻件梁组成；反力框架通过高强螺栓安装在固结容器上部为液压缸提供反力；

所述锻件梁交汇处设置通孔，通孔内固定设置液压缸，液压源通过进油管路依次经稳压控制装置、分流阀向每个液压缸输入端输送液压流体，液压缸输出端连接回油管路通至液压源；

所述反力框架的下表面与加荷板接触，液压缸穿过通孔固定于加荷板上表面；

所述加荷板上表面与反力框架接触处设置凹槽，用于所述安装位移传感器；加荷板下表面与固结容器内模型土体接触处设置凹槽，用于安装所述压力传感器；所述孔压传感器埋设于模型土体中；

所述计算机采集传感器数据，用于数据分析。在一定厚度的上部加荷板上均匀布置四个液压活塞加载点，增加了加荷板的刚度，同时使上部荷载的施加更加稳定。

作为本发明的进一步改进，所述液压缸顶部还设有用于排气的排气阀；

优选的，所述进油管路上还设有稳压阀和单向阀，液压源通过进油管路依次经稳压控制装置、分流阀、单向阀、稳压阀向每个液压缸输入端输送液压流体。

优选的，所述回油管路上还设有安全阀，液压缸通过安全阀连接回油管路。

作为本发明的进一步改进，所述测试装置还包括控制器，压力传感器、孔压传感器和位移传感器通过控制器连接计算机和压力源。传感器通过控制器与计算机相连，不仅实时监测土体固结过程中的沉降变形和孔隙水压力等相关指标，而且控制器可以通过伺服系统对加荷板实时进行调整，以精确控制作用在地基土体上的上覆压力。

作为本发明的进一步改进，在稳压控制装置或单向阀与液压缸连接的输入管路上设置伺服阀，在液压缸内设置第二位移传感器，所述第二位移传感器连接伺服阀和控制器，实现位移加载控制。

作为本发明的进一步改进，所述稳压控制装置上设有数显压力表。设置数显压力表可实时显示监控当前液压数值。

作为本发明的进一步改进，所述固结容器底部设置有可启闭的排水孔。所述排水孔开启时可以增加模型土体的排水路径，加快土体的固结。

作为本发明的进一步改进，每个液压缸的液压缸活塞加压头与加荷板连接处加设两个角钢。设置角钢可以提高液压缸与加荷板的连接刚度，保证加载过程中加荷板压力向模型土体的均匀传递。

作为本发明的进一步改进，所述位移传感器为LVDT高精度激光位移传感器；选用激光位移传感器可以快速、精确测定加荷板的位移，并且测量范围广，可以根据试验要求调整。

所述孔压传感器为微型孔隙水压力传感器，孔压传感器可根据试验条件设置一个或多个。在模型土体的不同深度设置多个孔压传感器，可以实时监测不同深度出土体的孔隙水压力发展，进而判断模型土体的固结状态。

作为本发明的进一步改进，在液压源和稳压控制装置输入端之间设置自动开关阀门，液压源通过直通接头依次与自动开关阀门和稳压控制装置的输入端连接。测试时，自动开关阀门处于打开状态，当量测系统出现问题时可手动关闭，保护加载系统。

作为本发明的进一步改进，反力框架锻件梁采用高强铝锻件梁材料，所述加荷板材质为高强铝板；

反力框架锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置四个螺栓盲孔，固定安装液压缸；优选的在液压缸的活塞推杆底部的加压柱头上设置螺纹，在加荷板上表面设置带螺纹的凹槽，通过液压缸加压柱头上的螺纹与液压缸固定连接。本发明中的装置可以采用各种通用手段进行固定，以固定牢固为准，本发明中优选采用螺纹连接和螺丝螺母固定，可将装置固定牢固。

本发明还提供了一种土工离心模型试验用液压固结方法，具体包括如下步骤：

步骤1：在固结容器内设置模型土体，在模型土体内埋设孔压传感器；其中，所述固结容器为离心机模型箱；

步骤2：将井字相交的锻件梁作为反力框架，在锻件梁交汇处设置通孔，通孔内设置液压缸；在加荷板设置凹槽，安装位移传感器，加荷板下表面设置凹槽，安装压力传感器；将加荷板固定于反力框架底板，加荷板与液压缸通过液压缸上的液压缸活塞推杆自身螺纹连接固定，并保证加荷板呈水平固定状态；在液压缸顶部安装排气阀、稳压阀和安全阀，稳压阀接进油管路，安全阀接回油管路，液压源通过进油管路依次经稳压控制装置、分流阀、单向阀、稳压阀向每个液压缸输入端输送液压流体，组成进油加载系统，将安全阀输出端通过回油管路连接至液压源回油箱，在稳压控制装置上安装数显压力表，将控制器、计算机通过数据线连接，并对加压系统进行调试和初始设置；

步骤3：将压力传感器、孔压传感器和位移传感器的数据线连接至控制器，控制器连接计算机和压力源，组成实时采集控制系统；

步骤4：根据模型土体的条件，通过计算机和控制器操控液压缸，驱动加荷板与模型土体接触，当压力传感器测值达到设定接触阈值后，控制器发送指令使液压活塞推杆停止行进，加荷板与模型土体接触调整完毕，系统进入固结压力施加准备状态；

步骤5：按照试验固结压力的要求，根据加荷板的面积计算加荷板上需要施加的固结压力并反应为活塞推力，计算机通过控制器向液压缸发出指令，向模型土体施加设定固结压力，孔压传感器实时监测土体孔隙水压力的消散，直至土体固结完成，试验结束。

优选的，所述步骤2中，在单向阀与液压缸连接的输入管路上设置伺服阀，在液压缸内设置第二位移传感器，第二位移传感器连接伺服阀和控制器，实现位移加载控制。

本发明的有益效果如下：

（1）自动化程度高，安全、安静、便捷，并且压力范围可以根据具体试验要求进行调整；

（2）在一定厚度的上部加荷板上均匀布置液压活塞加载点，增加了加荷板的刚度，同时使上部荷载的施加更加稳定，液压活塞加载点还可根据试验需求增加数目。同时，利用稳压控制装置、单向阀和稳压阀为模型地基施加精确并且均匀的固结压力，克服了配重加载、杠杆加载等方式施加固结压力的偏压或者扰动的不足；

（3）本发明的装置不仅能在常应力场中为模型地基提供固结荷载，同时也能在超重力场中为模型地基提供设计的固结荷载，而目前的离心模型地基的固结需要在停机状态下才能对模型地基加载，并且本发明的装置可直接与离心机液压系统或者电动液压泵连接，可以在离心机运转过程中或者地面两种条件下为模型地基施加固结压力；

（4）加载装置与离心机模型箱为装配式，尺寸可根据模型地基尺寸进行调整，适用范围更广；

（5）通过测试装置实现土体固结过程的实时监控，自动化数据采集避免了人工读数的误差。

附图说明

图1为本发明实施例1的装置结构示意图；

图2为本发明实施例1压力加载装置中液压活塞在上部反力框架的位置示意图；

图3为本发明实施例1中液压缸在固结容器压盖上表面的布置位置示意图；

图中： 1. 固结容器，2. 模型土体，3. 反力框架，4.加荷板，5. 液压缸，51. 液压缸活塞推杆，52. 液压缸活塞加压头，53. 排气阀 6. 计算机，61. 压力传感器，62. 位移传感器，63. 孔压传感器，64. 控制器， 7. 进油管路，71. 稳压阀，72. 单向阀，73. 分流阀，74. 稳压控制装置，75. 数显压力表，76.自动开关阀门，8. 回油管路，81. 安全阀。

具体实施方式

下面结合实施例和附图做进一步说明。

实施例1

如图1-3所示的液压固结装置，包括固结容器1、反力框架3、压力加载装置和测试装置；其中，所述固结容器1为离心机模型箱，固结容器1底部设置有可启闭的排水孔；

所述压力加载装置包括加荷板4、液压缸5、进油管路7和回油管路8，液压缸5顶部设有用于排气的排气阀53；进油管路7上设置稳压阀71、单向阀72、分流阀73、稳压控制装置74和自动开关阀门76，稳压控制装置74上设置数显压力表75；回油管路8上设有安全阀81；测试装置包括压力传感器61、位移传感器62、孔压传感器63和计算机6；

所述反力框架3固定设置于固结容器1上部，由井字相交的锻件梁组成；

所述锻件梁交汇处设置通孔，通孔内固定设置液压缸5，液压源通过进油管路7依次经稳压控制装置74、分流阀73、单向阀72、稳压阀71向每个液压缸5输入端输送液压流体，液压缸5输出端连接安全阀81经回油管路8通至液压源；

所述反力框架3的下表面与加荷板4接触，液压缸5穿过通孔固定于加荷板4上表面；

所述加荷板4上表面与反力框架3接触处设置凹槽，用于所述安装位移传感器62；加荷板4下表面与固结容器1内模型土体2接触处设置凹槽，用于安装所述压力传感器61；所述孔压传感器63埋设于模型土体中；

所述计算机5采集传感器数据，用于数据分析。

本实施例中的装置固定方式如下：

反力框架3锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置四个螺栓盲孔，固定安装液压缸5；在液压缸5的活塞推杆底部的活塞加压头上52上设置螺纹，在加荷板4上表面设置带螺纹的凹槽，通过液压缸5活塞加压头52上的螺纹与液压缸5固定连接，且每个液压缸5的液压缸活塞加压头52与加荷板4连接处加设两个角钢增强固定。

本实施例中，位移传感器62选用LVDT高精度激光位移传感器。

实施例2

本实施与实施例1的不同之处仅在于，还设有控制器64，压力传感器61、位移传感器62和孔压传感器63通过控制器64连接计算机6和压力源。

实施例3

本实施与实施例2的不同之处仅在于，还包括位移加载控制装置，所述位移加载控制包括伺服阀和第二位移传感器，在单向阀71与液压缸5连接的输入管路上设置伺服阀，在液压缸5内设置第二位移传感器，所述第二位移传感器连接伺服阀和控制器64，实现位移加载控制。

实施例4

本实施例将对本发明的液压固结方法做具体说明。

本发明的土工离心模型试验用液压固结方法具体包括如下步骤：

步骤1：在固结容器1内设置模型土体2，在模型土体2内埋设孔压传感器63；其中，所述固结容器1为离心机模型箱；

步骤2：将井字相交的锻件梁作为反力框架3，在锻件梁交汇处设置通孔，通孔内设置液压缸5；在加荷板4设置凹槽，安装位移传感器62，加荷板4下表面设置凹槽，安装压力传感器61；将加荷板4固定于反力框架3底板，加荷板4与液压缸5通过液压缸5上的液压缸活塞推杆51自身螺纹连接固定，并保证加荷板4呈水平固定状态；在液压缸5顶部安装排气阀53、稳压阀71和安全阀81，稳压阀71接进油管路7，安全阀81接回油管路8，液压源通过进油管路7依次经稳压控制装置74、分流阀73、单向阀72、稳压阀71向每个液压缸5输入端输送液压流体，组成进油加载系统，将安全阀81输出端通过回油管路8连接至液压源回油箱，在稳压控制装置74上安装数显压力表75，将控制器64、计算机6通过数据线连接，并对加压系统进行调试和初始设置；

步骤3：将压力传感器61、位移传感器62和孔压传感器63的数据线连接至控制器64，控制器64连接计算机6和压力源，组成实时采集控制系统；

步骤4：根据模型土体2的条件，通过计算机6和控制器64操控液压缸5，驱动加荷板4与模型土体2接触，当压力传感器61测值达到设定接触阈值后，控制器64发送指令使液压缸活塞推杆51停止行进，加荷板4与模型土体2接触调整完毕，系统进入固结压力施加准备状态；

步骤5：按照试验固结压力的要求，根据加荷板4的面积计算加荷板4上需要施加的固结压力并反映为活塞推力，计算机6通过控制器64向液压缸5发出指令，向模型土体2施加设定固结压力，孔压传感器63实时监测土体孔隙水压力的消散，直至土体固结完成，试验结束。

实施例5

本实施例与实施例4的不同之处仅在于，所述步骤2中，在单向阀71与液压缸5连接的输入管路上设置伺服阀，在液压缸5内设置第二位移传感器，第二位移传感器连接伺服阀和控制器64，实现位移加载控制。

Claims (6)

1.一种基于土工离心模型试验用液压固结装置的液压固结方法，其特征在于，所述装置包括固结容器（1）、反力框架（3）、压力加载装置和测试装置；

所述固结容器（1）为离心机模型箱；

所述压力加载装置包括加荷板（4）、液压缸（5）、进油管路（7）和回油管路（8），进油管路（7）上设置分流阀（73）和稳压控制装置（74）；所述测试装置包括压力传感器（61）、位移传感器（62）、孔压传感器（63）和计算机（6）；

所述反力框架（3）固定设置于固结容器（1）上部，由井字相交的锻件梁组成；反力框架锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置四个螺栓盲孔，固定安装液压缸；液压缸的活塞推杆底部的加压柱头上设置螺纹，加荷板上表面设置带螺纹的凹槽，通过液压缸加压柱头上的螺纹与液压缸固定连接；每个液压缸（5）的液压缸活塞加压头（52）与加荷板（4）连接处加设两个角钢；液压源通过进油管路（7）依次经稳压控制装置（74）、分流阀（73）向每个液压缸（5）输入端输送液压流体，液压缸（5）输出端连接回油管路（8）通至液压源；

所述反力框架（3）的下表面与加荷板（4）接触，液压缸（5）穿过通孔固定于加荷板（4）上表面；

所述加荷板（4）上表面与反力框架（3）接触处设置凹槽，用于安装位移传感器（62）；加荷板（4）下表面与固结容器（1）内模型土体（2）接触处设置凹槽，用于安装所述压力传感器（61）；所述孔压传感器（63）埋设于模型土体中；

所述计算机（6）采集传感器数据，用于数据分析；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：在固结容器（1）内设置模型土体（2），在模型土体（2）内埋设孔压传感器（63）；其中，所述固结容器（1）为离心机模型箱；

步骤2：将井字相交的锻件梁作为反力框架（3），在锻件梁交汇处设置通孔，通孔内设置液压缸（5）；在加荷板（4）设置凹槽，安装位移传感器（62），加荷板（4）下表面设置凹槽，安装压力传感器（61）；将加荷板（4）固定于反力框架（3）底板，加荷板（4）与液压缸（5）通过液压缸（5）上的液压缸活塞推杆（51）自身螺纹连接固定，并保证加荷板（4）呈水平固定状态；在液压缸（5）顶部安装排气阀（53）、稳压阀（71）和安全阀（81），稳压阀（71）接进油管路（7），安全阀（81）接回油管路（8），液压源通过进油管路（7）依次经稳压控制装置（74）、分流阀（73）、单向阀（72）、稳压阀（71）向每个液压缸（5）输入端输送液压流体，组成进油加载系统，将安全阀（81）输出端通过回油管路（8）连接至液压源回油箱，在稳压控制装置（74）上安装数显压力表（75），将控制器（64）、计算机（6）通过数据线连接，并对加压系统进行调试和初始设置；

步骤3：将压力传感器（61）、位移传感器（62）和孔压传感器（63）的数据线连接至控制器（64），控制器（64）连接计算机（6）和压力源，组成实时采集控制系统；

步骤4：根据模型土体（2）的条件，通过计算机（6）和控制器（64）操控液压缸（5），驱动加荷板（4）与模型土体（2）接触，当压力传感器（61）测值达到设定接触阈值后，控制器（64）发送指令使液压缸活塞推杆（51）停止行进，加荷板（4）与模型土体（2）接触调整完毕，系统进入固结压力施加准备状态；

步骤5：按照试验固结压力的要求，根据加荷板（4）的面积计算加荷板（4）上需要施加的固结压力并反映为活塞推力，计算机（6）通过控制器（64）向液压缸（5）发出指令，向模型土体（2）施加设定固结压力，孔压传感器（63）实时监测土体孔隙水压力的消散，直至土体固结完成，试验结束。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，在单向阀（72）与液压缸（5）连接的输入管路上设置伺服阀，在液压缸（5）内设置第二位移传感器，第二位移传感器连接伺服阀和控制器（64），实现位移加载控制。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固结容器（1）底部设置有可启闭的排水孔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位移传感器（62）为LVDT高精度激光位移传感器。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔压传感器（63）为微型孔隙水压力传感器，孔压传感器（63）根据试验条件设置一个或多个。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在液压源和稳压控制装置（74）输入端之间设置自动开关阀门（76），液压源通过直通接头依次与自动开关阀门（76）和稳压控制装置（74）的输入端连接。