CN108007800B - 一种循环动载土体沉降的模型试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种循环动载土体沉降的模型试验装置及试验方法,包括模型箱、隧道模型、电液伺服动力加载系统、沉降监测系统以及控制系统;所述模型箱内填充有土体,并且土体内设置有隧道模型,模型箱上方设置有电液伺服动力加载系统,电液伺服动力加载系统和沉降监测系统均与控制系统相连;电液伺服动力加载系统包括电液伺服作动器、动力控制设备与试验支座框架,其中,动力控制设备内部设置有电动机,电动机连接有油压泵,油压泵与电液伺服作动器相连。本发明使用方便,简单,更加高效获取相关试验数据,有很大的应用与推广价值。本发明适用于各类地层长期沉降量的分析与预测,试验所得数据可为长期循环荷载作用下土体沉降反演分析提供依据。

Description

一种循环动载土体沉降的模型试验装置及试验方法
技术领域
本次发明涉及的是一种建筑工程技术领域中的技术装置,具体是一种循环动载土体沉降的模型试验装置及试验方法。
背景技术
作用在地基或土工建筑物上的动荷载种类有很多,如机器运转的惯性力、车辆行驶的移动荷载、爆破引起的冲击荷载,风荷载及地震荷载。在实际地下空间工程中,动荷载往往对土体产生较大影响。张志强等于2016年在《地下空间与工程学报》发表了《列车振动对黄土地铁隧道结构影响研究现状》。该文指出列车运行时振动产生的基底动应力幅值小,但作用时间长、次数多,是影响地铁区间隧道结构运行安全性的主要因素之一。地层在地铁行车循环荷载作用下产生塑形变形,因此长期循环动荷载是引起土体沉降的重要因素。
经现有的技术文献检索发现,目前由于我国不同地域,土的性质差异较大,地下工程如地铁隧道建设工程中,针对地层受长期循环动荷载作用下的沉降值研究大多以建模、推导与分析为主,尽管考虑到的影响因素越来越多,但有时与工程实际往往相差较大,需要不断调整与改进。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述缺陷或不足,提供一种循环动载土体沉降的模型试验装置及试验方法,该装置能够结合相关现场工程概况与地质条件,模拟预测长期循环动荷载下引起土体沉降。
为实现上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
一种循环动载土体沉降的模型试验装置,包括模型箱、隧道模型、电液伺服动力加载系统、沉降监测系统以及控制系统;所述模型箱内填充有土体,并且土体内设置有隧道模型,电液伺服动力加载系统与隧道模型相连,电液伺服动力加载系统和沉降监测系统均与控制系统相连;电液伺服动力加载系统包括电液伺服作动器、动力控制设备与试验支座框架,其中,动力控制设备内部设置有电动机,电动机连接有油压泵,油压泵与电液伺服作动器相连。
本发明进一步的改进在于,油压泵还连接有冷却系统。
本发明进一步的改进在于,模型箱包括钢板底座、型钢框架和有机玻璃板;钢板底座上设置有4块有机玻璃板,4块有机玻璃板相连形成空腔,有机玻璃板外侧设置有型钢框架。
本发明进一步的改进在于,钢板底座的底面设置有橡胶减震垫。
本发明进一步的改进在于,试验支座框架包括钢管支架以及高度能够调节的混凝土支撑板;混凝土支撑板水平设置,钢管支架为两对并且竖直设置,混凝土支撑板通过螺栓固定在两对钢管支架上,钢管支架下端通过螺栓固定于钢板底座上;电液伺服作动器固定于混凝土支撑板上,并且电液伺服作动器的下端穿过混凝土支撑板。
本发明进一步的改进在于,控制系统包括数据采集仪、数据处理器以及控制主机;数据采集仪与沉降监测系统相连,数据采集仪与数据处理器相连,数据处理器将处理后的试验数据传输至控制主机。
本发明进一步的改进在于,沉降监测系统包括载荷传感器、位移传感器和若干柔性位移计;载荷传感器设置于电液伺服作动器的加压下端,实时监测循环动载施加值;若干位移传感器设置于电液伺服作动器的缸筒一侧,实时监测隧道模型底部位移值;载荷传感器位移传感器和若干柔性位移计均与数据采集仪相连。
本发明进一步的改进在于,位移传感器采用磁致伸缩位移传感器;柔性位移计布置方式为以隧道模型中心为原点,分别沿水平、竖直方向等距离布置一排和一列柔性位移计。
本发明进一步的改进在于,隧道模型采用钢材制成,呈空心圆筒状;隧道模型上方设置有加载通孔,加载通孔内设置有动力加载杆,动力加载杆连接电液伺服作动器下端加荷点与隧道模型底部受荷点。
一种基于上述装置的试验方法,开启控制主机,设定基准起始动荷载值、试验参数存储间隔及动荷载频率值,动力控制设备接收控制主机指令后控制电动机推动油压泵对油体加压,油体流入电液电液伺服阀,电液伺服作动器接收控制主机指令后通过电液伺服阀精准调节负载压力与缸筒位移,载荷传感器实时输出动荷载施加值,当达到基准起始动荷载值时位移传感器实时输出隧道模型底端位移值,柔性位移计实时输出土体位移变化值,试验数据经数据采集仪传输至数据处理器,数据处理器对采集到的数据进行筛分,通过参数分析模块进行差值分析,得到隧道底部沉降随时间的变化趋势、隧道沉降对周围土体的影响范围、加载频率、大小、时长对隧道沉降的影响,数据处理器将分析后的试验数据传输至控制主机,控制主机将整理后不同加载频率下的动荷载数据分别与对应隧道模型底端位移数据、隧道模型周边土体位移变化数据进行关系曲线拟合,形成图像,根据图像预测不同测点位移随循环动载下的变化趋势。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果:本发明采用实验模拟观测装置与工程现场实际情况相结合,能够更加具象地获取循环动荷载引起土体沉降的模型试验装置,且动力荷载施加范围较大,从而预测长期循环动荷载作用下的土体沉降值。本发明使用方便,简单,更加高效获取相关试验数据,有很大的应用与推广价值。本发明适用于各类地层长期沉降量的分析与预测,试验所得数据可为长期循环荷载作用下土体沉降反演分析提供依据。
进一步的,钢板底座的底面设置有橡胶减震垫,以减少动力加载过程中产生的震动。
进一步的,冷却系统排出油压泵加压时产生的多余热量,降低设备温度,避免影响设备正常工作。
本发明通过开启控制主机。设定基准起始动荷载值、试验参数存储间隔及动荷载频率值,动力控制设备接收控制主机指令后控制电动机推动油压泵对油体加压,油体流入电液电液伺服阀,电液伺服作动器接收控制主机指令后通过电液伺服阀精准调节负载压力与缸筒位移,载荷传感器实时输出动荷载施加值,当达到基准起始动荷载值时位移传感器实时输出隧道模型底端位移值,柔性位移计实时输出土体位移变化值,试验数据经数据采集仪传输至数据处理器,数据处理器对采集到的数据进行筛分,通过参数分析模块进行差值分析,得到隧道底部沉降随时间的变化趋势、隧道沉降对周围土体的影响范围、加载频率、大小、时长对隧道沉降的影响,数据处理器将分析后的试验数据传输至控制主机,控制主机将整理后不同加载频率下的动荷载数据分别与对应隧道模型底端位移数据、隧道模型周边土体位移变化数据进行关系曲线拟合,形成图像,根据图像预测不同测点位移随循环动载下的变化趋势。本发明涵盖的实验内容包括低频循环试验、拟静力试验、动力试验以及疲劳试验,可以实现不同地质条件、不同基础形式、不同循环动载作用下土体的沉降监测和数据处理。本发明适用于各类地层长期沉降量的分析与预测,试验所得数据可为长期循环荷载作用下土体沉降反演分析提供依据。
附图说明
图1为本发明模型试验装置示意图;
图2为本发明模型箱正面示意图;
图3为本发明模型箱侧面示意图;
图4为本发明伺服作动器与试验支座框架正面示意图;
图5为本发明伺服作动器与试验支座框架侧面示意图;
图6为本发明隧道模型正面示意图;
图7为本发明隧道模型侧面示意图。
图中:1、钢板底座;2、型钢框架;3、有机玻璃板;4、电液伺服作动器;5、动力控制设备;6、内置电动机;7、专用泵站;8、冷却系统;9、混凝土支撑板;10、钢管支架;11、橡胶减震垫;12、隧道模型;13、动力加载杆;14、载荷传感器;15、位移传感器;16、柔性位移计;17、数据采集仪;18、数据处理器;19、控制主机。
具体实施方式
下边结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明,但并不作为对本发明做任何限制的依据。
参见图1-图7,循环动载土体沉降的模型试验装置,包括模型箱、隧道模型、电液伺服动力加载系统、沉降监测系统以及控制系统;模型箱内填充有土体,并且土体内设置有隧道模型12,电液伺服动力加载系统与隧道模型12相连,电液伺服动力加载系统和沉降监测系统均与控制系统相连。具体结构如下:
参见图1、图2和图3,模型箱包括钢板底座1、型钢框架2和有机玻璃板3;钢板底座1采用薄钢板,钢板底座1上设置有4块有机玻璃板3,4块有机玻璃板3相连形成空腔,即模型箱的四周均采用有机玻璃板3,模型箱前后两个面采用完整有机玻璃板,前面的有机玻璃板为观察窗,左右两侧的有机玻璃板3分三块组成,依次分为上板、中板和下板,有机玻璃板3外侧设置有型钢框架2,三角形框架2对有机玻璃板起到保护的作用。三角型钢框架2通过螺栓固定于薄钢板上。钢板底座1的底面设置有橡胶减震垫11,以减少动力加载过程中产生的震动。
电液伺服动力加载系统包括电液伺服作动器4、动力控制设备5与试验支座框架,其中,动力控制设备5内部设置有电动机6,电动机6连接有油压泵7,油压泵7与电液伺服作动器4相连,油压泵7还连接有冷却系统8。动力控制设备5控制压力输出,并通过仪表盘显示输出动荷载压力的大小。具体的,电动机6用于给油压泵7提供动力。油压泵7给油体加压,通过与其配套的高压管路将油体送至电液伺服作动器4,以达到设定动荷载值。冷却系统8排出油压泵7加压时产生的多余热量,降低设备温度,避免影响设备正常工作。
试验支座框架包括混凝土支撑板9以及钢管支架10;混凝土支撑板9水平设置,钢管支架10为两对并且竖直设置,混凝土支撑板9通过螺栓固定在两对钢管支架10上,并且通过调节螺栓可以调节混凝土支撑板9的高度,钢管支架10下端通过螺栓固定于钢板底座1上。
电液伺服作动器4固定于混凝土支撑板9上,并且电液伺服作动器4的下端穿过混凝土支撑板9,通过电液伺服作动器4的射流管型电液伺服阀实现对负载压力与其缸筒位移的精确调节。
控制系统包括数据采集仪17、数据处理器18以及控制主机19。数据采集仪17与沉降监测系统相连,并用于接收沉降监测系统的数据,数据处理器18处理和分析数据采集仪17采集到的数据,通过分析软件首先对采集到的数据进行筛分,通过参数分析模块进行差值分析(通过参数分析模块进行差值分析为本领域技术人员公知技术),剔除错误、重复以及误差较大的数据,得到隧道底部沉降随时间的变化趋势,隧道沉降对周围土体的影响范围,加载频率、大小、时长等随隧道沉降的影响等。数据处理器18将整理后的试验数据传输至控制主机19,控制主机19设定试验参数,通过将获取的不同加载频率下的动荷载数据分别与对应隧道模型12底端位移数据、隧道模型12周边土体变化的位移数据进行关系曲线拟合,形成图像,以预测不同测点位移随循环动载下的变化趋势。
沉降监测系统包括载荷传感器14、位移传感器15和若干柔性位移计16。数据采集仪17采集荷载传感器14、位移传感器15、柔性传感器16监测到的压力数据、隧道模型12底部的位移数据、以及距离隧道中心不同距离处的土体位移变化数据。载荷传感器14设置于电液伺服作动器4加压下端,实时监测循环动载施加值,通过导线连接数据采集仪17的压力接口以输出载荷数据。位移传感器15采用磁致伸缩位移传感器,设置于电液伺服作动器4缸筒侧端,实时监测隧道模型12底部位移值,通过导线连接数据采集仪17的位移接口以输出位移数据。柔性位移计16实时监测距隧道模型12不同距离处土体水平与竖直方向变化的位移。柔性位移计16布置方式为以隧道模型12中心为原点,分别沿水平、竖直方向等距离布置一排和一列柔性位移计16。沿水平方向布置的位移计监测隧道周围土体的沉降变化,通过数据处理与分析确定循环荷载作用下隧道沉降对周围土体的影响范围,沿竖直方向布置位移计监测隧道模型下部不同深度处土体的沉降变化,柔性位移计16监测位移数据传输至数据采集仪17。
参见图1、图6和图7,隧道模型12采用钢材制成,呈空心圆筒状。隧道模型12上方设置有加载通孔,加载通孔内设置有动力加载杆13,加载通孔为动力加载杆13提供加载路径。动力加载杆13连接电液伺服作动器4下端加荷点与隧道模型底部受荷点,以传递电液伺服作动器4施加的循环动力荷载。图1所示的模型箱的有机玻璃板3,以隧道模型12中心为原点,采用两张透明刻度贴分别以平行于钢板底座1方向为水平刻度轴,以垂直于钢板底座1方向为竖直刻度轴,正交贴附于前有机玻璃板观察窗表面,为满足精度要求其最小刻度为0.1mm,观察、记录隧道模型12在循环动荷载下的位移变化值。
下面进一步说明本发明装置的试验方法:
首先,将需要模拟的土体和隧道模型12装入模型箱内,具体的操作是:采用手持击实器与击实捶分层压实土体至土体到一定高度,然后将隧道模型12放置在土体表面,继续填充土体,分层击实土体直到达到试验设定的隧道模型12埋置深度。土层布置过程中将柔性位移计16按设计深度和距离放置,将柔性位移计的测试导线套进钢丝软管内并通过模型箱右侧有机玻璃板3底部的通孔引出。布置好模拟土体之后以隧道模型12中心为原点将透明刻度贴贴在观测窗有机玻璃板3表面(即模型箱前面的有机玻璃板3表面),最后模型箱移入至试验支座框架内。
然后连接模型试验装置各个系统,具体操作为:调整混凝土支撑板的垂直高度,使伺服作动器下端靠近动力加载杆13顶端,然后通过螺母将动力加载杆13顶端固定于伺服作动器下端内置螺纹的通孔内。拧紧混凝土支撑板9与钢管支架10的连接螺栓使试验支座框架固定。将电液伺服阀导线接入控制主机19。分别将压力传感器14、位移传感器15与柔性位移计16的连接导线接入数据采集仪17。
启动试验,并对试验结果进行处理与整合,具体的操作是:开启控制主机19,控制方式为自动控制,设定基准起始动荷载值,试验参数存储间隔及动荷载频率值。启动试验后,动力控制设备5接收控制主机19指令,内置电动机6推动油压泵7对油体加压,同时冷却系统8开启排出加压过程中油温上升产生的多余热量,油体经配套高压管路9流入电液伺服阀,伺服作动器接收控制主机19指令后通过电液伺服阀精准调节负载压力与缸筒位移,载荷传感器14实时输出动荷载施加值,当达到基准起始动荷载值时位移传感器15实时输出隧道模型12底端位移值,柔性位移计16实时输出土体位移变化值,试验数据经数据采集仪17传输至数据处理器18。数据处理器18通过相应的分析软件首先对采集到的数据进行筛分,通过参数分析模块进行差值分析,剔除错误、重复以及误差较大的数据。得到隧道底部沉降随时间的变化趋势;隧道沉降对周围土体的影响范围;加载频率、大小、时长等随隧道沉降的影响等。数据处理器18将整理后的试验数据传输至控制主机19。控制主机19将整理后不同加载频率下的动荷载数据分别与对应隧道模型12底端位移数据、隧道模型12周边土体位移变化数据进行关系曲线拟合,形成图像,以预测不同测点位移随循环动载下的变化趋势。同时采集透明刻度贴的位移变化数据,观察、记录试验现象,并根据试验结果预测长期循环动载下土体的沉降变化趋势。通过透明刻度贴可以更直观的观察土体的沉降情况。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种循环动载土体沉降的模型试验装置,其特征在于,包括模型箱、隧道模型、电液伺服动力加载系统、沉降监测系统以及控制系统;所述模型箱内填充有土体,并且土体内设置有隧道模型(12),电液伺服动力加载系统与隧道模型(12)相连,电液伺服动力加载系统和沉降监测系统均与控制系统相连;电液伺服动力加载系统包括电液伺服作动器(4)、动力控制设备(5)与试验支座框架,其中,动力控制设备(5)内部设置有电动机(6),电动机(6)连接有油压泵(7),油压泵(7)与电液伺服作动器(4)相连;
控制系统包括数据采集仪(17)、数据处理器(18)以及控制主机(19);数据采集仪(17)与沉降监测系统相连,数据采集仪(17)与数据处理器(18)相连,数据处理器(18)将处理后的试验数据传输至控制主机(19);
沉降监测系统包括载荷传感器(14)、位移传感器(15)和若干柔性位移计(16);载荷传感器(14)设置于电液伺服作动器(4)的加压下端,实时监测循环动载施加值;若干位移传感器(15)设置于电液伺服作动器(4)的缸筒一侧,实时监测隧道模型(12)底部位移值;载荷传感器(14)位移传感器(15)和若干柔性位移计(16)均与数据采集仪(17)相连;
模型箱包括钢板底座(1)、型钢框架(2)和有机玻璃板(3);钢板底座(1)上设置有4块有机玻璃板(3),4块有机玻璃板(3)相连形成空腔,有机玻璃板(3)外侧设置有型钢框架(2);
开启控制主机(19),设定基准起始动荷载值、试验参数存储间隔及动荷载频率值,动力控制设备(5)接收控制主机(19)指令后控制电动机(6)推动油压泵(7)对油体加压,油体流入电液电液伺服阀(4),电液伺服作动器(4)接收控制主机(19)指令后通过电液伺服阀精准调节负载压力与缸筒位移,载荷传感器(14)实时输出动荷载施加值,当达到基准起始动荷载值时位移传感器(15)实时输出隧道模型(12)底端位移值,柔性位移计(16)实时输出土体位移变化值,试验数据经数据采集仪(17)传输至数据处理器(18),数据处理器(18)对采集到的数据进行筛分,通过参数分析模块进行差值分析,得到隧道底部沉降随时间的变化趋势、隧道沉降对周围土体的影响范围、加载频率、大小、时长对隧道沉降的影响,数据处理器(18)将分析后的试验数据传输至控制主机(19),控制主机(19)将整理后不同加载频率下的动荷载数据分别与对应隧道模型(12)底端位移数据、隧道模型(12)周边土体位移变化数据进行关系曲线拟合,形成图像,根据图像预测不同测点位移随循环动载下的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的循环动载土体沉降的模型试验装置,其特征在于,油压泵(7)还连接有冷却系统(8)。
3.根据权利要求1所述的循环动载土体沉降的模型试验装置,其特征在于,钢板底座(1)的底面设置有橡胶减震垫(11)。
4.根据权利要求1所述的循环动载土体沉降的模型试验装置,其特征在于,试验支座框架包括钢管支架(10)以及高度能够调节的混凝土支撑板(9);混凝土支撑板(9)水平设置,钢管支架(10)为两对并且竖直设置,混凝土支撑板(9)通过螺栓固定在两对钢管支架(10)上,钢管支架(10)下端通过螺栓固定于钢板底座(1)上;电液伺服作动器(4)固定于混凝土支撑板(9)上,并且电液伺服作动器(4)的下端穿过混凝土支撑板(9)。
5.根据权利要求1所述的循环动载土体沉降的模型试验装置,其特征在于,位移传感器(15)采用磁致伸缩位移传感器;柔性位移计(16)布置方式为以隧道模型(12)中心为原点,分别沿水平、竖直方向等距离布置一排和一列柔性位移计。
6.根据权利要求1所述的循环动载土体沉降的模型试验装置,其特征在于,隧道模型(12)采用钢材制成,呈空心圆筒状;隧道模型(12)上方设置有加载通孔,加载通孔内设置有动力加载杆(13),动力加载杆(13)连接电液伺服作动器(4)下端加荷点与隧道模型(12)底部受荷点。
7.一种基于权利要求1所述装置的试验方法,其特征在于,开启控制主机(19),设定基准起始动荷载值、试验参数存储间隔及动荷载频率值,动力控制设备(5)接收控制主机(19)指令后控制电动机(6)推动油压泵(7)对油体加压,油体流入电液电液伺服阀(4),电液伺服作动器(4)接收控制主机(19)指令后通过电液伺服阀精准调节负载压力与缸筒位移,载荷传感器(14)实时输出动荷载施加值,当达到基准起始动荷载值时位移传感器(15)实时输出隧道模型(12)底端位移值,柔性位移计(16)实时输出土体位移变化值,试验数据经数据采集仪(17)传输至数据处理器(18),数据处理器(18)对采集到的数据进行筛分,通过参数分析模块进行差值分析,得到隧道底部沉降随时间的变化趋势、隧道沉降对周围土体的影响范围、加载频率、大小、时长对隧道沉降的影响,数据处理器(18)将分析后的试验数据传输至控制主机(19),控制主机(19)将整理后不同加载频率下的动荷载数据分别与对应隧道模型(12)底端位移数据、隧道模型(12)周边土体位移变化数据进行关系曲线拟合,形成图像,根据图像预测不同测点位移随循环动载下的变化趋势。
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