CN110082202B - 一种平板载荷室内模型试验装置及使用方法 - Google Patents

一种平板载荷室内模型试验装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平板载荷室内模型试验装置及使用方法，包括模型槽、反力模块、牵拉模块和量测模块；模型槽内充填有待沉降土体；反力模块包括液压千斤顶、反力架和承压板；反力架包括反力横梁、立柱和外接框架；反力横梁水平设在外接框架的正上方；液压千斤顶的顶部与反力横梁相连接，液压千斤顶能对承压板施加压力荷载；牵拉模块包括拉杆，拉杆底部设有电磁铁；量测模块包括磁铁、可伸缩杆、位移传感器、电脑和横杆。本发明采用位移传感器测量沉降，能精准测量沉降过程中位移随时间变化关系。在进行室内载荷试验时，能有效解决反力问题，且操作方便，能准确地测量一定荷载下填土的沉降量，使测量值更为接近实际载荷值。

Description

一种平板载荷室内模型试验装置及使用方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，特别是一种平板载荷室内模型试验装置及使用方法。
背景技术
由于工程建设的需要，在需要测量土的承载能力时，常用的方法为平板载荷试验。普通的平板载荷试验为原位试验，在室外场地进行，而对于一些特殊土，则需要在室内进行载荷试验。室内载荷试验一般采用缩尺试验，在室内的模型槽中进行。
在进行载荷试验时，填土种类不同，其加载性质也有很大差别。对于需在短时间内完成沉降的填土，如钙质砂，根据Q-S-t曲线可知，钙质砂地基的沉降是瞬时完成的，在增加上覆载荷时，很可能因为瞬时的冲击力导致钙质砂地基瞬时沉降，一般在20s内即可完成接近80%的沉降量，且在10min之内基本完成所有沉降，并保持稳定。因此，若在增加上覆载荷之前，位移传感器未安装好或初始读数未调零或上覆载荷增加过程过于缓慢，则很有可能在增加上覆载荷的瞬时发生较大的沉降，导致来不及记录数据。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种平板载荷室内模型试验装置及使用方法，该平板载荷室内模型试验装置及使用方法，采用位移传感器测量沉降，能精准测量沉降过程中位移随时间变化关系。在进行室内载荷试验时，能有效解决反力问题，且操作方便，能准确地测量一定荷载下填土的沉降量，使测量值更为接近实际载荷值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种平板载荷室内模型试验装置，包括模型槽、反力模块、牵拉模块和量测模块。
模型槽内充填有待沉降土体。
反力模块包括液压千斤顶、反力架和承压板。
反力架包括反力横梁、立柱和外接框架。外接框架同轴套设在模型槽的外周且位置固定。反力横梁水平设置在外接框架的正上方，且通过立柱与外接框架相连接。
液压千斤顶的顶部与反力横梁相连接，液压千斤顶能对承压板施加压力荷载。承压板位于待沉降土体的正上方。
牵拉模块包括拉杆，拉杆与位于液压千斤顶外侧的反力横梁底部滑动连接；拉杆底部设置有电磁铁，当拉杆滑移至液压千斤顶处时，电磁铁能将承压板或液压千斤顶进行电磁吸附；
量测模块包括磁铁、可伸缩杆、位移传感器、电脑和横杆。
横杆水平放置在模型槽顶部。
磁铁吸附在承压板顶部，磁铁顶部与可伸缩杆底部相连接，可伸缩杆顶部连接位移传感器；通过调节可伸缩杆的竖向长度，能使位移传感器的测量头与横杆相接触，位移传感器与电脑相连接。
反力横梁的高度能够调节。
立柱与反力横梁螺纹连接，位于反力横梁两侧的立柱上各套装一个六角螺母，通过调节六角螺母，实现反力横梁的高度调节。
牵拉模块还包括滑轮、滑槽和电控制装置，滑槽设置在反力横梁底部，滑轮设置在拉杆顶部，拉杆和电磁铁均与电控制装置相连接。
反力横梁上设置有水平泡。
外接框架包括反力底架和拼接在反力底架四周的四块反力侧架；反力底架压放在模型槽下方，反力侧架位于模型槽的外周。
反力底架内设置有十字形內撑架，每个反力侧架内均设置有两根竖柱和一根横柱。
液压千斤顶包括手动油泵、油管和千斤顶油缸，手动油泵设置在反力横梁顶部，千斤顶油缸设置在反力横梁底部，手动油泵通过油管与千斤顶油缸相连接。
一种平板载荷室内模型试验装置的使用方法，包括如下步骤。
步骤1，反力架安装，包括如下步骤。
步骤11，外接框架安装：将底架置于模型槽下部，将四块反力侧架紧贴模型槽外壁面放置并通过螺栓与底架相连接。
步骤12，反力横梁安装：将四根立柱底部与相平行的两块反力侧架顶部螺纹连接，在每根立柱的顶部螺纹上分别放入一个六角螺母后，将反力横梁安装在四个立柱上，再分别在每根立柱上旋入一个六角螺母，从而使得位于反力横梁上下表面的每根立柱上各有一个六角螺母。
步骤13，反力横梁调平：通过旋转六角螺母，使反力横梁位于设定高度。然后微调六角螺母，观察水平泡，使反力横梁底部保持水平。
步骤2，待沉降土体充填：采用分层压实填充的方法，将待沉降土体填充在模型槽中并至设定高度。
步骤3，承压板无承压放置：拉杆滑移至液压千斤顶附近，电控制装置使电磁铁通电，使电磁铁与承压板电磁吸附。接着，电控制装置驱动拉杆底部高度下降，则承压板高度下降至待沉降土体上方中央，并与待沉降土体刚好接触且无承压。
步骤4，测量模块安装：磁铁吸附于承压板上方，横杆横置在模型槽上方且保持水平，调整可伸缩杆高度，使得位移传感器测量头保持竖直且恰好接触横杆，并将位移传感器的初始读数设置为0。
步骤5，承压板自重沉降量测量：电控制装置使电磁铁断电，待沉降土体在承压板的自重作用下沉降，位移传感器此时显示的读数a则为测得的承压板自重沉降量。
步骤6，千斤顶油缸无承压安装：将手动油泵与千斤顶油缸通过油管相连，将千斤顶油缸与反力横梁下的拉杆相连。电控制装置使电磁铁通电，使电磁铁与千斤顶油缸电磁吸附，电磁吸力不小于千斤顶油缸的自重。接着，电控制装置驱动拉杆底部高度下降，将千斤顶油缸竖直放在承压板的顶部凹槽中，此时，千斤顶油缸顶部与反力横梁底部接触而不产生压力，与承压板接触也不产生压力。
步骤7，千斤顶油缸自重沉降量测量：电控制装置使电磁铁断电，待沉降土体因千斤顶油缸的自重而沉降，位移传感器此时的显示读数为b， b-a则为测得的千斤顶油缸自重沉降量。
步骤8，分级载荷施加及沉降量测量：将设定施加压力减去承压板和千斤顶油缸自重压力及油路阻力产生的压力，即为油泵所加压力，观察压力表，按压手动油泵分级加荷，位移传感器实时监测待沉降土体的沉降量，并在电脑中进行显示。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明在拉杆下方设置电磁铁，在安装位移传感器之前，拉杆给承压板和千斤顶向上的力，与其自重平衡，以保证不会对填土（也即待沉降土体）施加压力，当安装好位移传感器调零后，按下开关断电，瞬时拉杆拉力为零，承压板和千斤顶的自重对土体施加压力，位移传感器连接电脑对数据进行记录，以保证能够准确地读取到放入承压板和千斤顶后短时间内快速变化的沉降数据。
2、采用位移传感器测量沉降，能精准测量沉降过程中位移随时间变化关系，位移测量装置安装前采用拉杆对承压板和千斤顶油缸施加拉力以克服自重，此方法能够避免因自重荷载快速施加而在短时间内产生大量沉降时，位移传感器来不及记录的问题。该装置在进行载荷试验时，能有效解决反力问题，且操作方便，能准确地测量一定荷载下填土的沉降量，使测量值更为接近实际载荷值。
附图说明
图1显示了本发明一种平板载荷室内模型试验装置的结构示意图。
图2显示了拉杆和反力横梁的连接示意图。
图3显示了反力横梁的示意图。
图4显示了反力侧架的示意图。
图5显示了设置有螺纹孔的反力侧架的俯视图。
图6显示了反力底架的示意图。
其中，1-反力横梁，2-位移传感器，3-横杆，4-千斤顶油缸，5-可伸缩杆，6-磁铁，7-承压板，8-反力侧架，9-第一竖柱，10-第一横柱，11-第二竖柱，12-手动油泵，13-油管，14-模型槽，15-反力底架，16-立柱，17-六角螺母，18-底架竖柱，19-底架横柱，20-螺纹口，21-水平泡，22-压力表，23-连接夹头，24-电脑；25-拉杆，26-滑轮，27-滑槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种平板载荷室内模型试验装置，包括模型槽14、反力模块、牵拉模块和量测模块。
模型槽内充填有待沉降土体。模型槽14优选为长方体，假设本实施例中的模型槽内尺寸为1m*1m*0.8m。模型槽材质优选为透明的有机玻璃，厚度为15mm，可以清楚地观察到模型槽内填土状态。
反力模块包括液压千斤顶、反力架和承压板。
反力架包括反力横梁1、立柱16和外接框架。
外接框架优选为铁质框架，同轴套设在模型槽的外周且位置固定。外接框架优选包括反力底架15和拼接在反力底架四周的四块反力侧架8，优选为柱焊接；反力底架压放在模型槽下方，反力侧架位于模型槽的外周。
如图6所示，反力底架内设置有十字形內撑架，十字形內撑架分别为底架竖柱18和底架横柱19，反力底架15尺寸优选为113cm*113cm，厚度为5mm，钢材；底架竖柱18和底架横柱19平分底架的长度和宽度。
如图4所示，每个反力侧架8内均设置有两根竖柱和一根横柱。两根竖柱分别为第一竖柱9和第二竖柱11，横柱也称第一横柱10，四块反力侧架尺寸一致为108cm*81.5cm，厚度为5mm，钢材；第一横柱10距底部31.5cm，第一竖柱9和第二竖柱11平分侧架长度。
如图5所示，左右两块反力侧架的上方中间部分，分别开有两个螺纹口20，两个螺纹口20相距10cm。
反力横梁水平设置在外接框架的正上方，且通过立柱16与外接框架相连接。
立柱16优选为铁柱，高度为25cm。分为三部分，底部4cm带有螺纹，可旋转接入反力侧架上方的螺纹开口中，中间为光滑柱形，上方为10-15cm螺纹。
如图3所示，反力横梁1上部设有水平泡21，反力横梁1长度优选为113cm，宽度优选为15cm，保持足够刚度，两侧开有四个孔，每侧两个孔间距10cm，安装在四个立柱16上，每根立柱16在反力横梁1的上下各有一个六角螺母17，旋转六角螺母17控制反力横梁1上下移动。
液压千斤顶的顶部与反力横梁相连接，液压千斤顶能对承压板施加压力荷载。
液压千斤顶包括油管13、手动油泵12和千斤顶油缸4。手动油泵设置在反力横梁顶部，具有压力表22，千斤顶油缸设置在反力横梁底部，手动油泵通过油管与千斤顶油缸相连接。
承压板位于待沉降土体的正上方。承压板7上方开有凹槽，使得千斤顶油缸4下部结构可以卡入凹槽中；且承压板7的尺寸不大于模型槽尺寸的1/3。
牵拉模块包括拉杆25、电磁铁、滑轮26和滑槽27。
如图2所示，反力横梁1下部设有滑槽27，滑槽27中设有滑轮26，滑轮26下连接有拉杆25，拉杆底部设置有电磁铁，拉杆和电磁铁与电控装置28相连，控制拉杆25是否施加拉力。
当拉杆滑移至液压千斤顶处时，电磁铁能将承压板或液压千斤顶进行电磁吸附；
量测模块包括磁铁6、可伸缩杆5、位移传感器2、电脑24和横杆3。
横杆水平放置在模型槽顶部。
磁铁吸附在承压板顶部，磁铁顶部与可伸缩杆底部相连接，可伸缩杆顶部连接位移传感器；通过调节可伸缩杆的竖向长度，能使位移传感器的测量头与横杆相接触，位移传感器与电脑相连接。
进一步，可伸缩杆包括竖杆和连接夹头23，竖杆顶部与位移传感器相连接，竖杆底部与连接夹头螺纹或夹紧连接，连接夹头底部固定在磁头上，通过调整竖杆与连接夹头的连接位置，从而调整可伸缩杆的伸缩长度。
一种平板载荷室内模型试验装置的使用方法，包括如下步骤。
步骤1，反力架安装，包括如下步骤。
步骤11，外接框架安装：将底架置于模型槽下部，将四块反力侧架紧贴模型槽外壁面放置并通过螺栓与底架相连接。
步骤12，反力横梁安装：将四根立柱底部与相平行的两块反力侧架顶部螺纹连接，在每根立柱的顶部螺纹上分别放入一个六角螺母后，将反力横梁安装在四个立柱上，再分别在每根立柱上旋入一个六角螺母，从而使得位于反力横梁上下表面的每根立柱上各有一个六角螺母。
步骤13，反力横梁调平：通过旋转六角螺母，使反力横梁位于设定高度。然后微调六角螺母，观察水平泡，使反力横梁底部保持水平。
步骤2，待沉降土体充填：采用分层压实填充的方法，将待沉降土体填充在模型槽中并至设定高度。具体为：根据模型槽试验高度，划分每次填土高度，并在模型槽14内外予以标注各次填土高度刻度线，根据密实度，计算每次所需填土重度，将第一层土填至模型槽14中，并压实到指定刻度，随后将第二、三……层土填入模型槽14中，直至所需填土高度，并将填土铺平。
步骤3，承压板无承压放置：拉杆滑移至液压千斤顶附近，电控制装置使电磁铁通电，使电磁铁与承压板电磁吸附。接着，电控制装置驱动拉杆底部高度下降，则承压板高度下降至待沉降土体上方中央，并与待沉降土体刚好接触且无承压。
步骤4，测量模块安装：磁铁吸附于承压板上方，横杆横置在模型槽上方且保持水平，调整可伸缩杆高度，使得位移传感器测量头保持竖直且恰好接触横杆，并将位移传感器的初始读数设置为0。
步骤5，承压板自重沉降量测量：电控制装置使电磁铁断电，待沉降土体在承压板的自重作用下沉降，位移传感器此时显示的读数a则为测得的承压板自重沉降量。
步骤6，千斤顶油缸无承压安装：将手动油泵与千斤顶油缸通过油管相连，将千斤顶油缸与反力横梁下的拉杆相连。电控制装置使电磁铁通电，使电磁铁与千斤顶油缸电磁吸附，电磁吸力不小于千斤顶油缸的自重。接着，电控制装置驱动拉杆底部高度下降，将千斤顶油缸竖直放在承压板的顶部凹槽中，此时，千斤顶油缸顶部与反力横梁底部接触而不产生压力，与承压板接触也不产生压力。
本发明中，千斤顶油缸和承压板分开加载的设置，考虑到承压板可以设置不同的大小和尺寸，其重量不同，分两次可以记录不同尺寸和形状的载荷板施加压力后产生的沉降的具体数值，比一次测量多了一个试验数据，便于更准确地绘制在施加荷载前期荷载-沉降曲线。
步骤7，千斤顶油缸自重沉降量测量：电控制装置使电磁铁断电，待沉降土体因千斤顶油缸的自重而沉降，位移传感器此时的显示读数为b， b-a则为测得的千斤顶油缸自重沉降量。
步骤8，分级载荷施加及沉降量测量：将设定施加压力减去承压板和千斤顶油缸自重压力及油路阻力产生的压力，即为油泵所加压力，观察压力表，按压手动油泵分级加荷，位移传感器实时监测待沉降土体的沉降量，并在电脑中进行显示。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：包括模型槽、反力模块、牵拉模块和量测模块；
模型槽内充填有待沉降土体；
反力模块包括液压千斤顶、反力架和承压板；
反力架包括反力横梁、立柱和外接框架；外接框架同轴套设在模型槽的外周且位置固定；反力横梁水平设置在外接框架的正上方，且通过立柱与外接框架相连接；
液压千斤顶的顶部与反力横梁相连接，液压千斤顶能对承压板施加压力荷载；承压板位于待沉降土体的正上方；
牵拉模块包括拉杆，拉杆与位于液压千斤顶外侧的反力横梁底部滑动连接；拉杆底部设置有电磁铁，当拉杆滑移至液压千斤顶处时，电磁铁能将承压板或液压千斤顶进行电磁吸附；
量测模块包括磁铁、可伸缩杆、位移传感器、电脑和横杆；
横杆水平放置在模型槽顶部；
磁铁吸附在承压板顶部，磁铁顶部与可伸缩杆底部相连接，可伸缩杆顶部连接位移传感器；通过调节可伸缩杆的竖向长度，能使位移传感器的测量头与横杆相接触，位移传感器与电脑相连接。
2.根据权利要求1所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：反力横梁的高度能够调节。
3.根据权利要求2所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：立柱与反力横梁螺纹连接，位于反力横梁两侧的立柱上各套装一个六角螺母，通过调节六角螺母，实现反力横梁的高度调节。
4.根据权利要求1所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：牵拉模块还包括滑轮、滑槽和电控制装置，滑槽设置在反力横梁底部，滑轮设置在拉杆顶部，拉杆和电磁铁均与电控制装置相连接。
5.根据权利要求1所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：反力横梁上设置有水平泡。
6.根据权利要求1所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：外接框架包括反力底架和拼接在反力底架四周的四块反力侧架；反力底架压放在模型槽下方，反力侧架位于模型槽的外周。
7.根据权利要求6所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：反力底架内设置有十字形內撑架，每个反力侧架内均设置有两根竖柱和一根横柱。
8.根据权利要求1所述的平板载荷室内模型试验装置，其特征在于：液压千斤顶包括手动油泵、油管和千斤顶油缸，手动油泵设置在反力横梁顶部，千斤顶油缸设置在反力横梁底部，手动油泵通过油管与千斤顶油缸相连接。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的平板载荷室内模型试验装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，反力架安装，包括如下步骤：
步骤11，外接框架安装：将底架置于模型槽下部，将四块反力侧架紧贴模型槽外壁面放置并通过螺栓与底架相连接；
步骤12，反力横梁安装：将四根立柱底部与相平行的两块反力侧架顶部螺纹连接，在每根立柱的顶部螺纹上分别放入一个六角螺母后，将反力横梁安装在四个立柱上，再分别在每根立柱上旋入一个六角螺母，从而使得位于反力横梁上下表面的每根立柱上各有一个六角螺母；
步骤13，反力横梁调平：通过旋转六角螺母，使反力横梁位于设定高度；然后微调六角螺母，观察水平泡，使反力横梁底部保持水平；
步骤2，待沉降土体充填：采用分层压实填充的方法，将待沉降土体填充在模型槽中并至设定高度；
步骤3，承压板无承压放置：拉杆滑移至液压千斤顶附近，电控制装置使电磁铁通电，使电磁铁与承压板电磁吸附；接着，电控制装置驱动拉杆底部高度下降，则承压板高度下降至待沉降土体上方中央，并与待沉降土体刚好接触且无承压；其中，液压千斤顶包括手动油泵、油管和千斤顶油缸，手动油泵设置在反力横梁顶部，千斤顶油缸设置在反力横梁底部，手动油泵通过油管与千斤顶油缸相连接；
步骤4，测量模块安装：磁铁吸附于承压板上方，横杆横置在模型槽上方且保持水平，调整可伸缩杆高度，使得位移传感器测量头保持竖直且恰好接触横杆，并将位移传感器的初始读数设置为0；
步骤5，承压板自重沉降量测量：电控制装置使电磁铁断电，待沉降土体在承压板的自重作用下沉降，位移传感器此时显示的读数a则为测得的承压板自重沉降量；
步骤6，千斤顶油缸无承压安装：将手动油泵与千斤顶油缸通过油管相连，将千斤顶油缸与反力横梁下的拉杆相连；电控制装置使电磁铁通电，使电磁铁与千斤顶油缸电磁吸附，电磁吸力不小于千斤顶油缸的自重；接着，电控制装置驱动拉杆底部高度下降，将千斤顶油缸竖直放在承压板的顶部凹槽中，此时，千斤顶油缸顶部与反力横梁底部接触而不产生压力，与承压板接触也不产生压力；
步骤7，千斤顶油缸自重沉降量测量：电控制装置使电磁铁断电，待沉降土体因千斤顶油缸的自重而沉降，位移传感器此时的显示读数为b， b-a则为测得的千斤顶油缸自重沉降量；
步骤8，分级载荷施加及沉降量测量：将设定施加压力减去承压板和千斤顶油缸自重压力及油路阻力产生的压力，即为油泵所加压力，观察压力表，按压手动油泵分级加荷，位移传感器实时监测待沉降土体的沉降量，并在电脑中进行显示。
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