CN108303065B - 一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法，包括模型箱，模型箱内装有土体，土体上方设置加荷上盖，加荷上盖设置于模型箱内，加荷上盖与动力加载装置连接；湿度调整系统与外部水源相连，并且湿度调整系统设置于模型箱上；动力加载装置、湿度监测系统、沉降监测系统均与控制系统相连，模型箱底部开口处设置有透水板。本发明针对模型箱内在设定含水率条件下的土体环境能够进行精确模拟，同时大大减少不同含水率的土样制备时间，且模型箱设置灵活，可根据试验条件做一定调整，部件之间连接简易。通过该实验装置，结合现场实际工况，可模拟不同含水率的土体受不同条件的地面动荷载影响产生的沉降变化，并根据试验数据进行变化趋势的预测。

Description

一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法
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，具体是一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法。
背景技术
土体经常会受到地震、波浪、风或人工震源的交通、爆炸、打桩、强夯、机器基础等引起的动荷载作用。因此，动荷载作用对土的强度和变形特性都存在一定影响，可造成土体发生破坏，也可用于改善土体不良的工程性质。同时，除动荷载的振幅、频率、时长等因素，土的内部因素如土的类型、含水率等均对土体沉降变形造成不同程度影响。
经现有的技术文献检索发现，由于不同地区土体性质存在较大差异，地表长期循环动荷载对土体沉降变化影响研究多以数值模拟、理论推导方式为主，随着涉及因素的不断增加，如不同湿度下的土体环境，有时结果会与工程实际产生较大偏差，需要更多的研究方法加以补充。
发明内容
本发明的目的是提供一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器及使用方法，能够模拟不同含水率的土体环境受长期地表循环动载作用下沉降变化，并预测其变化趋势。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，包括模型箱、动力加载装置、湿度监测系统、湿度调整系统、沉降监测系统与控制系统；
模型箱内装有土体，土体上方设置加荷上盖，加荷上盖设置于模型箱内，加荷上盖与动力加载装置连接；湿度调整系统与外部水源相连，并且湿度调整系统设置于模型箱上；动力加载装置、湿度监测系统、沉降监测系统均与控制系统相连，模型箱底部开口，并且模型箱底部开口处设置有透水板，模型箱设置在基座上；控制系统包含数据采集器、数据处理器与控制主机；数据采集器与沉降监测系统连接，数据采集器与数据处理器连接并向数据处理器输入所采集试验数据；数据处理器将试验数据处理后传输至控制主机，动力加载装置、湿度监测系统均与控制主机连接。
本发明进一步的改进在于，模型箱的四个侧壁均采用有机玻璃板；透水板的渗透系数大于土体的渗透系数，透水板与基座之间形成排水通道，并且排水通道上设置有第一排水阀，在排水条件下水经透水板排出模型箱；基座与地面接触部分贴附橡胶减震垫层。
本发明进一步的改进在于，模型箱四周设置有型钢外框架，型钢外框架架设于基座上。
本发明进一步的改进在于，动力加载装置包括油压泵箱、伺服作动器、加荷杆与加载支架；加载支架上设置有混凝土支板，混凝土支板能够沿加载支架上下移动，加载支架固定于型钢外框架上。
本发明进一步的改进在于，沉降监测系统包括压力传感器、位移传感器与若干柔性位移计；伺服作动器下端设置有加荷盘，压力传感器与位移传感器均设置于伺服作动器下端的加荷盘内；若干柔性位移计设置在土体内，用于监测不同深度土体沉降变化。
本发明进一步的改进在于，油压泵箱经高压管路与伺服作动器连接；伺服作动器与控制主机相连，加载支架设置在模型箱上，伺服作动器设置在混凝土支板上，加载支架用于支撑伺服作动器，伺服作动器下端设置有加荷杆，加荷杆伸入到模型箱内部与加荷上盖相连。
本发明进一步的改进在于，加荷上盖上表面设置有球形凹槽加荷点，并且凹槽加荷点位于加荷上盖的几何中心，加荷杆底端呈球形，凹槽加荷点四周安装有用于固定加荷杆底端的锁扣固定夹。
本发明进一步的改进在于，湿度监测系统包括AD转换器、传感控制器与若干温度传感器探针；若干温度传感器探针布设于土体内，并与AD转换器相连，AD转换器与传感控制器相连；传感控制器与控制主机连接。
本发明进一步的改进在于，湿度调整系统包括补水槽、分流器、第二排水阀、补水导管与吸水纤维，模型箱一侧壁上设置补水槽，补水槽底端设置有分流器，土体内设置有若干层吸水纤维，每层吸水纤维上设置有带有若干出口的补水导管，补水导管均与分流器相连，补水导管与分流器之间设置有第二排水阀。
一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器的使用方法，湿度调整系统对土体进行补水以达到设定湿度值；湿度监测系统经控制主机对模型箱内土体含水率进行实时监测，控制主机设定动荷载施加值、加载频率与时长并启动试验，通过动力加载装置对土体进行动载荷施加，压力传感器实时监测动力荷载施加值，位移传感器实时监测加荷杆位移值，柔性位移计实时监测不同深度处土体位移变化值；数据采集器实时接收沉降监测系统的监测试验数据，并传输至数据处理器；数据处理器将设定基准动荷载后的试验数据经分析软件进行筛分处理，并通过参数分析模块进行差值分析，剔除错误数据，并将相应数据传输至控制主机，控制主机将不同湿度土体环境下的动荷载数据分别与相对应加荷杆移动位移数据、不同深度处土体位移变化数据进行拟合，形成曲线，该曲线能够预测不同含水率土体环境受长期地表循环动载作用下的沉降变化趋势。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明通过设置土体湿度监测系统与湿度调整系统，针对模型箱内在设定含水率条件下的土体环境能够进行精确模拟，同时大大减少不同含水率的土样制备时间，且模型箱设置灵活，可根据试验条件做一定调整，部件之间连接简易。通过该实验装置，结合现场实际工况，可模拟不同含水率的土体受不同条件的地面动荷载影响产生的沉降变化，并根据试验数据进行变化趋势的预测。本发明使用方便，操作简单，能够更加高效地获取相关试验数据，有很大的应用与推广价值。
在实验时，湿度监测系统经控制主机对模型箱内土体含水率进行实时监测，通过控制第二排水阀对土体环境进行补水以达到设定湿度值。控制主机设定动荷载施加值、加载频率与时长等相关参数并启动试验，第一排水阀根据排水条件(排水或不排水)打开或关闭，第一导线出入口、第二导线出入口采用不透水材料密封。油压泵箱接收控制主机指令后，油压经高压输油管道泵送至伺服作动器，伺服作动器对动力加荷过程进行精准调节。压力传感器实时监测动力荷载施加值，位移传感器实时监测加荷杆竖直方向移动位移值，柔性位移计实时监测不同深度处土体位移变化值。
数据采集器实时接收沉降监测系统的监测试验数据，并传输至数据处理器。数据处理器将设定基准动荷载后的试验数据经分析软件进行筛分处理，并通过参数分析模块进行差值分析，剔除错误及误差较大的数据，得到土体沉降随地表不同时长、振幅、频率动荷载的变化趋势，土体位移变化受含水率、排水条件、深度的影响，并将相应数据传输至控制主机，控制主机将不同湿度土体环境下的动荷载数据分别与相对应加荷杆移动位移数据、不同深度处土体位移变化数据进行拟合，形成曲线，该曲线能够预测不同含水率土体环境受长期地表循环动载作用下的沉降变化趋势。
附图说明
图1为本发明实验仪器示意图；
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、加荷杆与加载支架侧面示意图；
图5为本发明加荷上盖与加荷杆正面示意图；
图中：1、基座；2、有机玻璃板；3、型钢外框架；4、透水板；5、第一排水阀；6、第一导线出入口；7、第二导线出入口；8、橡胶减震垫层；9、加荷上盖；10、凹槽加荷点；11、锁扣固定夹；12、油压泵箱；13、伺服作动器；14、加荷杆；15、加载支架；16、混凝土支板；17、温度传感器探针；18、AD转换器；19、传感控制器；20、补水槽；21、分流器；22、第二排水阀；23、补水导管；24、吸水纤维；25、压力传感器；26、位移传感器；27、柔性位移计；28、数据采集器；29、数据处理器；30、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，本发明的微幅振动岩土动力沉降实验仪器，包括：模型箱、动力加载装置、湿度监测系统、湿度调整系统、沉降监测系统与控制系统。
模型箱内装有土体，土体上方设置加荷上盖9，加荷上盖9设置于模型箱内，加荷上盖9与动力加载装置连接。湿度调整系统与外部水源相连，并且湿度调整系统设置于模型箱上。动力加载装置、湿度监测系统、沉降监测系统均与控制系统相连，控制系统用于试验启动、监测与试验数据分析。
参见图1、图2和图3，模型箱底部开口，并且模型箱底部开口处设置有透水板4，透水板4的渗透系数大于土体的渗透系数，模型箱设置在基座1上，基座1的材质为钢板；透水板4与基座1之间形成排水通道，并且排水通道上设置有第一排水阀5，用于控制水流大小，在排水条件下将水经透水板4排出模型箱，基座1与地面接触部分贴附橡胶减震垫层8，用于减小模型箱因动载产生的振动。
模型箱的四个侧面均采用有机玻璃板2，前侧的有机玻璃板2作为观察窗，后侧的有机玻璃板2底部设置有第一导线出入口6，前后两侧的有机玻璃板2均采用完整玻璃板，左右两侧面的有机玻璃板2分为上板、中板以及下板；模型箱四周设置有型钢外框架3，型钢外框架3架设于基座1，用于固定和保护模型箱的四个侧面的有机玻璃板2；左右两侧面的有机玻璃板的上板、中板以及下板通过玻璃板外型钢框架3进行固定，便于模型箱拼装拆卸，右侧的有机玻璃板2底部设置第二导线出入口7。
参见图1，控制系统包含数据采集器28、数据处理器29与控制主机30。数据采集器28与沉降监测系统连接，用于接收动荷载施加值、加荷杆位移值与土体沉降值数据。数据采集器28与数据处理器29连接并向数据处理器29输入所采集试验数据。数据处理器29将试验数据处理后传输至控制主机30，控制主机30与动力加载装置和湿度监测系统连接，用于试验参数设定，过程监测与试验数据分析。
动力加载装置包括油压泵箱12、伺服作动器13、加荷杆14与加载支架15。加载支架15上设置有混凝土支板16，混凝土支板16能够沿加载支架15上下移动，加载支架15下端采用螺栓固定于模型箱上部的型钢外框架3上。
油压泵箱12用于提供动力荷载，并且经配套高压管路与伺服作动器13连接。参见图1和图4，伺服作动器13与控制主机30相连，用于精确调节加荷动力，加载支架15设置在模型箱上，伺服作动器13设置在混凝土支板16上，加载支架15用于支撑伺服作动器13，伺服作动器13下端设置有加荷杆14，加荷杆14伸入到模型箱内部与加荷上盖9相连；参见图1和图5，加荷上盖9采用强度大、重量轻且耐腐蚀性强的铝合金材料，设置于模型箱内上部，用于加荷上盖9将施加动载均匀传至土体。加荷上盖9上表面设置有球形凹槽加荷点10，并且凹槽加荷点10位于加荷上盖9的几何中心，加荷杆14底端呈球形，凹槽加荷点10四周安装有用于固定加荷杆14底端的锁扣固定夹11，加荷杆14底端与加荷上盖9垂直刚性连接，避免动荷载施加时加荷杆14从凹槽内脱落。
参见图1，湿度监测系统包括AD转换器18、传感控制器19与若干温度传感器探针17。若干温度传感器探针17经模型箱后玻璃板上的第二导线出入口7布设于土体内，并与AD转换器18相连。AD转换器18将温度传感器探针17的监测模拟信号转化为数字信号，AD转换器18与传感控制器19相连。传感控制器19用于土体环境湿度数据采集，并通过与控制主机30连接，完成监测显示。
参见图1，湿度调整系统用于根据湿度监测系统数据与土体环境湿度设定要求对土体含水率进行调整。湿度调整系统包括补水槽20、分流器21、第二排水阀22、补水导管23与吸水纤维24，模型箱左侧设置补水槽20，补水槽20连通外部水源，并且通过采用固定螺栓将补水槽20拼装在左侧的玻璃板框架上。补水槽20底端设置有分流器21，并且分流器21与补水导管23之间设置有第二排水阀22。土体内设置有若干补水导管23，若干补水导管23均与分流器22相连，并布置于吸水纤维24上，吸水纤维24根据土层分层均匀布置。吸水纤维24具有一定的释水量范围，材料受压后释水，低于释水量范围材料停止释水。
参见图1，沉降监测系统包括压力传感器25、位移传感器26与柔性位移计27。伺服作动器13下端设置有加荷盘，压力传感器25与位移传感器26均设置于伺服作动器13下端的加荷盘内，用于监测动荷载施加值与加荷杆14移动位移。柔性位移计27在竖直方向根据土层分层纵向(垂直)排列布置，用于监测不同深度土体沉降变化。柔性位移计27穿过第一导线出入口6设置在土体内。
下面进一步说明本发明装置的使用方法：
首先，将干燥土样依次由模型箱底部向上分层压实布置，每布置一层土体后均匀铺设一定量吸水纤维24，并在每一层吸水纤维24中设置补水导管23，补水导管23经分流器21连接补水槽20的第二排水阀22，补水槽20接通外部水源。同时经模型箱第一导线出入口6，以加荷上盖凹槽加荷点10为轴竖直排列设置柔性位移计27，经第二导线出入口7以同样布置方式设置温度传感器探针17，最后将加荷上盖9放置于土体表面。
待模型箱内土体及监控调节设备布置完成后，加压支架15采用螺栓固定至模型箱型钢外框架3顶端，加荷杆14接入伺服作动器13下端加荷盘，通过调整混凝土支板16竖直高度连接至加荷上盖凹槽加荷点10完成固定。伺服作动器13连接至控制主机30，压力传感器25、位移传感器26、柔性位移计27经导线连接至数据采集器28，温度传感器探针17连接AD转换器18，AD转换器18连接传感控制器19，传感控制器19连接至控制主机30。
最后，待各个系统间完成连接，湿度监测系统经控制主机30对模型箱内土体含水率进行实时监测，通过控制分流器21对土体环境进行补水以达到设定湿度值。控制主机30设定动荷载施加值、加载频率与时长等相关参数并启动试验，第一排水阀5根据排水条件(排水或不排水)打开或关闭，第一导线出入口6、第二导线出入口7采用不透水材料密封。油压泵箱12接收控制主机30指令后，油压经高压输油管道泵送至伺服作动器13，伺服作动器13对动力加荷过程进行精准调节。压力传感器25实时监测动力荷载施加值，位移传感器26实时监测加荷杆14竖直方向移动位移值，柔性位移计27实时监测不同深度处土体位移变化值。
数据采集器28实时接收沉降监测系统的监测试验数据，并传输至数据处理器29。数据处理器29将设定基准动荷载后的试验数据经分析软件进行筛分处理，并通过参数分析模块进行差值分析，剔除错误及误差较大的数据，得到土体沉降随地表不同时长、振幅、频率动荷载的变化趋势，土体位移变化受含水率、排水条件、深度的影响，并将相应数据传输至控制主机30，控制主机30将不同湿度土体环境下的动荷载数据分别与相对应加荷杆移动位移数据、不同深度处土体位移变化数据进行拟合，形成曲线，该曲线能够预测不同含水率土体环境受长期地表循环动载作用下的沉降变化趋势。
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 (9)

1.一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，包括模型箱、动力加载装置、湿度监测系统、湿度调整系统、沉降监测系统与控制系统；
模型箱内装有土体，土体上方设置加荷上盖(9)，加荷上盖(9)设置于模型箱内，加荷上盖(9)与动力加载装置连接；湿度调整系统与外部水源相连，并且湿度调整系统设置于模型箱上；动力加载装置、湿度监测系统、沉降监测系统均与控制系统相连，模型箱底部开口，并且模型箱底部开口处设置有透水板(4)，模型箱设置在基座(1)上；控制系统包含数据采集器(28)、数据处理器(29)与控制主机(30)；数据采集器(28)与沉降监测系统连接，数据采集器(28)与数据处理器(29)连接并向数据处理器(29)输入所采集试验数据；数据处理器(29)将试验数据处理后传输至控制主机(30)，动力加载装置、湿度监测系统均与控制主机(30)连接；
其中，动力加载装置包括油压泵箱(12)、伺服作动器(13)、加荷杆(14)与加载支架(15)；加载支架(15)上设置有混凝土支板(16)，混凝土支板(16)能够沿加载支架(15)上下移动，加载支架(15)固定于型钢外框架(3)上；
湿度调整系统包括补水槽(20)、分流器(21)、补水导管(23)与吸水纤维(24)，模型箱一侧壁上设置补水槽(20)，补水槽(20)底端设置有分流器(21)，土体内设置有若干层吸水纤维(24)，每层吸水纤维(24)上设置有带有若干出口的补水导管(23)，补水导管(23)均与分流器(21)相连。
2.根据权利要求1所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，模型箱的四个侧壁均采用有机玻璃板(2)；透水板(4)的渗透系数大于土体的渗透系数，透水板(4)与基座(1)之间形成排水通道，并且排水通道上设置有第一排水阀(5)，在排水条件下水经透水板(4)排出模型箱；基座(1)与地面接触部分贴附橡胶减震垫层(8)。
3.根据权利要求1所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，模型箱四周设置有型钢外框架(3)，型钢外框架(3)架设于基座(1)。
4.根据权利要求1所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，沉降监测系统包括压力传感器(25)、位移传感器(26)与若干柔性位移计(27)；伺服作动器(13)下端设置有加荷盘，压力传感器(25)与位移传感器(26)均设置于伺服作动器(13)下端的加荷盘内；若干柔性位移计(27)设置在土体内，用于监测不同深度土体沉降变化。
5.根据权利要求1所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，油压泵箱(12)经高压管路与伺服作动器(13)连接；伺服作动器(13)与控制主机(30)相连，加载支架(15)设置在模型箱上，伺服作动器(13)设置在混凝土支板(16)上，加载支架(15)用于支撑伺服作动器(13)，伺服作动器(13)下端设置有加荷杆(14)，加荷杆(14)伸入到模型箱内部与加荷上盖(9)相连。
6.根据权利要求5所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，加荷上盖(9)上表面设置有球形凹槽加荷点(10)，并且凹槽加荷点(10)位于加荷上盖(9)的几何中心，加荷杆(14)底端呈球形，凹槽加荷点(10)四周安装有用于固定加荷杆(14)底端的锁扣固定夹(11)。
7.根据权利要求1所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，湿度监测系统包括AD转换器(18)、传感控制器(19)与若干温度传感器探针(17)；若干温度传感器探针(17)布设于土体内，并与AD转换器(18)相连，AD转换器(18)与传感控制器(19)相连；传感控制器(19)与控制主机(30)连接。
8.根据权利要求1所述的一种微幅振动岩土动力沉降实验仪器，其特征在于，补水导管(23)与分流器(21)之间设置有第二排水阀(22)。
9.一种基于权利要求4所述的微幅振动岩土动力沉降实验仪器的使用方法，其特征在于，湿度调整系统对土体进行补水以达到设定湿度值；湿度监测系统经控制主机(30)对模型箱内土体含水率进行实时监测，控制主机(30)设定动荷载施加值、加载频率与时长并启动试验，通过动力加载装置对土体进行动载荷施加，压力传感器(25)实时监测动力荷载施加值，位移传感器(26)实时监测加荷杆位移值，柔性位移计(27)实时监测不同深度处土体位移变化值；数据采集器(28)实时接收沉降监测系统的监测试验数据，并传输至数据处理器(29)；数据处理器(29)将设定基准动荷载后的试验数据经分析软件进行筛分处理，并通过参数分析模块进行差值分析，剔除错误数据，并将相应数据传输至控制主机(30)，控制主机(30)将不同湿度土体环境下的动荷载数据分别与相对应加荷杆移动位移数据、不同深度处土体位移变化数据进行拟合，形成曲线，该曲线能够预测不同含水率土体环境受长期地表循环动载作用下的沉降变化趋势。
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