CN110186758A - 一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置，包括盛放土体的模型槽，套装在模型槽外侧加固模型槽的反力框架和向模型槽内的土体施加向下载荷的载荷施加模块；所述模型槽包括两个活动侧板；所述滑动内腔内滑动连接有推拉板；所述反力框架包括平行于活动侧板的活动侧架和支撑板，活动侧架和支撑板通过螺纹伸缩机构连接，步进电机驱动螺纹伸缩机构旋转伸缩，调整支撑板位置。本发明通过在模型槽的两个侧板的内腔设置可伸缩的推拉板，可自由变换模型槽尺寸，合理选择模型槽的尺寸；反力框架可以根据模型槽的尺寸变化，通过步进电机调节加固尺寸，使得反力框架的支撑板与模型槽侧板相接，并施加一定的预应力，起到了良好的支撑加固效果。

Description

一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种土体载荷实验模型装置及其实验方法。

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，常用的方法为载荷试验。普通的载荷试验为原位试验，在室外场地进行，而对于一些特殊土，或者不便于甚至无法进行原位试验的土，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，在室内模型槽内进行。

一般来说，承压板具有尺寸效应，承压板的面积越大越接近工程实际，但面积越大需要的加载量越大，试验难度和成本越高，相对应的室内模型槽的尺寸也越大，试验用土量呈指数增加。在实践中，基于可操作性及经济性，针对承压板的尺寸效应的问题，地基基础设计规范对于不同种类的土，给出了适宜选用的承压板面积，当进行不同种类土的载荷试验时，承压板的面积不同，所需的模型槽尺寸也不同。现有的土体载荷实验模型装置均是固定尺寸，无法根据实验需求调整，并且模型槽在高载荷下易产生损坏。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置及其实验方法，在满足试验精度要求的条件下，合理选择模型槽的尺寸，节约了试验成本，同时该实验模型装置可承受高强度的载荷。

技术方案：本发明提出一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置，包括盛放土体的模型槽，套装在模型槽外侧加固模型槽的反力框架和向模型槽内的土体施加向下载荷的载荷施加模块，其特征在于：所述模型槽为长方体形状，包括底板，以及首尾相连垂直设置在底板上的两个固定侧板和两个活动侧板；两个所述固定侧板垂直相交固定，并且固定在底座上；

两个所述活动侧板的一端垂直相交固定，另一端均开设有水平的滑动内腔；所述滑动内腔内滑动连接有推拉板；所述活动侧板的上端和推拉板的上端相应位置均设置有若干定位孔；当推拉板沿滑动内腔滑动至指定位置，通过定位销插入活动侧板和推拉板的定位孔，将活动侧板和推拉板销接固定；

所述反力框架为长方体形状，包括设置在底板下方的底架，以及首尾相连垂直固定在底架上的两个固定侧架和两个活动侧架；两个所述固定侧架垂直相交，每个固定侧架与其中一个固定侧板平行相接；

两个所述活动侧架垂直相交，每个活动侧架平行间隔布置在其中一个活动侧板的外侧；每个所述活动侧架的内侧均设置有平行于该活动侧架的支撑板（204），所述支撑板和所述活动侧架之间设置有螺纹伸缩机构；所述螺纹伸缩机构包括垂直于所述支撑板的内螺纹套筒、螺纹连接在内螺纹套筒内的螺纹杆和固定在支撑板上的步进电机；所述内螺纹套筒的一端固定在活动侧架上，所述螺纹杆的一端从所述内螺纹套筒的另一端伸出，并且所述螺纹杆伸出内螺纹套筒的一端与步进电机的转轴相连；每对平行的活动侧架和活动侧板之间还设置有垂直于支撑板的滑槽，所述滑槽位于底架上；所述支撑板底部设置有滑动嵌入滑槽内的滑轨；所述步进电机驱动所述螺纹杆沿螺纹套筒旋转，从而带动支撑板沿滑槽移动。

进一步，所述螺纹伸缩机构还包括多个依次螺纹连接在内螺纹套筒和螺纹杆之间的螺纹套杆；所述螺纹套杆设置有外螺纹和内螺纹孔，并且相邻的两个螺纹套杆中，其中一个螺纹套杆的内螺纹孔直径等于另一个螺纹套杆的外螺纹直径。

进一步，所述螺纹伸缩机构的数量为多组，并均匀布置在支撑板的竖直对称轴线上。

进一步，所述载荷施加模块包括位于反力框架上方的立柱、位于立柱上方的横梁和位于横梁上的载荷施加机构。

进一步，所述载荷施加机构包括千斤顶和固定在千斤顶的升降杆上的承压板；所述承压板平行布置在土体的上方。

进一步，所述立柱分别滑动连接在相互平行的一个固定侧架和一个活动侧架的顶部；所述横梁跨接在两侧立柱之间，所述千斤顶滑动连接在横梁上。

使用上述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置的实验方法，包括以下步骤：

a. 将推拉板从活动侧板的滑动内腔抽出至指定位置，并销接固定；

b. 开启步进电机，推动支撑板向活动侧板滑动，支撑板与活动侧板相接后，推动活动侧板移动至与垂直于该活动侧板的固定侧板相接，并且支撑板向活动侧板施加一定的预载荷后，关闭步进电机；

c. 调整千斤顶位置使得承压板位于土体正上方；千斤顶通过承压板向土体施加一定量的载荷，同时监测土体的沉降量。

有益效果：本发明通过在模型槽的两个侧板的内腔设置可伸缩的推拉板，可自由变换模型槽尺寸，在满足试验精度要求的条件下，合理选择模型槽的尺寸，节约了试验成本。在模型槽外侧套装反力框架，用于加固模型槽；根据模型槽的尺寸变化，反力框架可以通过步进电机调节加固尺寸，使得反力框架的支撑板与模型槽侧板相接，并施加一定的预应力，起到了良好的支撑加固效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的两个活动侧板的结构示意图；

图3为本发明的螺纹伸缩机构的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置，包括盛放土体的模型槽，套装在模型槽外侧加固模型槽的反力框架和向模型槽内的土体施加向下载荷的载荷施加模块。

所述模型槽为长方体形状，包括底板101，以及首尾相连垂直设置在底板101上的两个固定侧板102和两个活动侧板103；两个所述固定侧板102垂直相交固定，并且固定在底座101上。模型槽材质为透明的有机玻璃，可以清楚地观察到模型槽内填土状态。

两个所述活动侧板103的一端垂直相交固定，另一端均开设有水平的滑动内腔；所述滑动内腔内滑动连接有推拉板104；所述活动侧板103的上端和推拉板104的上端相应位置均设置有若干定位孔105；当推拉板104沿滑动内腔滑动至指定位置，通过定位销106插入活动侧板103和推拉板104的定位孔，将活动侧板103和推拉板104销接固定。

但是上述模型槽采用有机玻璃导致强度不足，因此需要在外部加固反力框架。所述反力框架为长方体形状，包括设置在底板下方的底架201，以及首尾相连垂直固定在底架201上的两个固定侧架202和两个活动侧架203；两个所述固定侧架202垂直相交，每个固定侧架202与其中一个固定侧板102平行相接。底架201、固定侧架202和活动侧架203材质可选择钢制的框架结构，不影响对于模型槽的观察。

两个所述活动侧架203垂直相交，每个活动侧架203平行间隔布置在其中一个活动侧板103的外侧；每个所述活动侧架203的内侧均设置有平行于该活动侧架203的支撑板204，支撑板204优选使用钢板。

所述支撑板204和所述活动侧架203之间设置有螺纹伸缩机构；所述螺纹伸缩机构包括垂直于所述支撑板204的内螺纹套筒205、螺纹连接在内螺纹套筒205内的螺纹杆206和固定在支撑板204上的步进电机207；所述内螺纹套筒205的一端固定在活动侧架203上，所述螺纹杆206的一端从所述内螺纹套筒205的另一端伸出，并且所述螺纹杆206伸出内螺纹套筒205的一端与步进电机207的转轴相连。所述螺纹伸缩机构还包括多个依次螺纹连接在内螺纹套筒205和螺纹杆206之间的螺纹套杆208；所述螺纹套杆208设置有外螺纹和内螺纹孔，并且相邻的两个螺纹套杆208中，其中一个螺纹套杆208的内螺纹孔直径等于另一个螺纹套杆208的外螺纹直径。所述内螺纹套筒205、螺纹杆206和螺纹套杆208的长度均相同。本实施例中螺纹套杆208的数量为两个，则螺纹伸缩机构需要收缩时，螺纹杆206和两个螺纹套杆208逐个旋转缩回至内螺纹套筒205，使得螺纹伸缩机构的最小长度为最大长度的四分之一，尺寸调整更加灵活。

每对平行的活动侧架203和活动侧板103之间还设置有垂直于支撑板204的滑槽，所述滑槽位于底架201上；所述支撑板204底部设置有滑动嵌入滑槽内的滑轨。

使用时，所述步进电机207驱动所述螺纹杆206沿螺纹套筒205旋转，从而带动支撑板204沿滑槽移动，支撑板204与活动侧板103相接后，推动活动侧板103移动至与垂直于该活动侧板103的固定侧板102相接，并且支撑板204向活动侧板103施加一定的预载荷后，关闭步进电机207。这样反力框架相接包围在模型槽外侧，并施加了一定的预应力，起到了良好的支撑加固效果；同时支撑板204向活动侧板103施加预载荷使得互相垂直的活动侧板103和固定侧板102紧密相接，起到密封作用，活动侧板103和固定侧板102也就不需要进行固定相连，拆装方便。

为了使得支撑板204的受力更加均匀，沿滑槽的移动更顺畅，本实施例设置了多组螺纹伸缩机构，并均匀布置在支撑板204的竖直对称轴线上。

所述载荷施加模块包括位于反力框架上方的立柱301、位于立柱301上方的横梁302和位于横梁302上的载荷施加机构。

所述载荷施加机构包括千斤顶和固定在千斤顶的升降杆上的承压板；所述承压板平行布置在土体的上方。

所述立柱301分别滑动连接在相互平行的一个固定侧架202和一个活动侧架203的顶部；所述横梁302跨接在两侧立柱301之间，所述千斤顶滑动连接在横梁302上。

使用上述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置的实验方法，包括以下步骤：

a. 将推拉板104从活动侧板103的滑动内腔抽出至指定位置，并销接固定；

b. 开启步进电机207，推动支撑板204向活动侧板103滑动，支撑板204与活动侧板103相接后，推动活动侧板103移动至与垂直于该活动侧板103的固定侧板102相接，并且支撑板204向活动侧板103施加一定的预载荷后，关闭步进电机207；同时支撑板204向活动侧板103施加预载荷使得互相垂直的活动侧板103和固定侧板102紧密相接，起到密封作用

c. 调整千斤顶位置使得承压板位于土体正上方；千斤顶通过承压板向土体施加一定量的载荷，同时监测土体的沉降量。

Claims (8)

1.一种尺寸可调的土体载荷实验模型装置，包括盛放土体的模型槽，套装在模型槽外侧加固模型槽的反力框架和向模型槽内的土体施加向下载荷的载荷施加模块，其特征在于：所述模型槽为长方体形状，包括底板（101），以及首尾相连垂直设置在底板（101）上的两个固定侧板（102）和两个活动侧板（103）；两个所述固定侧板（102）垂直相交固定，并且固定在底座（101）上；

两个所述活动侧板（103）的一端垂直相交固定，另一端均开设有水平的滑动内腔；所述滑动内腔内滑动连接有推拉板（104）；所述活动侧板（103）的上端和推拉板（104）的上端相应位置均设置有若干定位孔（105）；当推拉板（104）沿滑动内腔滑动至指定位置，通过定位销（106）插入活动侧板（103）和推拉板（104）的定位孔，将活动侧板（103）和推拉板（104）销接固定；

所述反力框架为长方体形状，包括设置在底板下方的底架（201），以及首尾相连垂直固定在底架（201）上的两个固定侧架（202）和两个活动侧架（203）；两个所述固定侧架（202）垂直相交，每个固定侧架（202）与其中一个固定侧板（102）平行相接；

两个所述活动侧架（203）垂直相交，每个活动侧架（203）平行间隔布置在其中一个活动侧板（103）的外侧；每个所述活动侧架（203）的内侧均设置有平行于该活动侧架（203）的支撑板（204），所述支撑板（204）和所述活动侧架（203）之间设置有螺纹伸缩机构；所述螺纹伸缩机构包括垂直于所述支撑板（204）的内螺纹套筒（205）、螺纹连接在内螺纹套筒（205）内的螺纹杆（206）和固定在支撑板（204）上的步进电机（207）；所述内螺纹套筒（205）的一端固定在活动侧架（203）上，所述螺纹杆（206）的一端从所述内螺纹套筒（205）的另一端伸出，并且所述螺纹杆（206）伸出内螺纹套筒（205）的一端与步进电机（207）的转轴相连；每对平行的活动侧架（203）和活动侧板（103）之间还设置有垂直于支撑板（204）的滑槽，所述滑槽位于底架（201）上；所述支撑板（204）底部设置有滑动嵌入滑槽内的滑轨；所述步进电机（207）驱动所述螺纹杆（206）沿螺纹套筒（205）旋转，从而带动支撑板（204）沿滑槽移动。

2.根据权利要求1所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置，其特征在于：所述螺纹伸缩机构还包括多个依次螺纹连接在内螺纹套筒（205）和螺纹杆（206）之间的螺纹套杆（208）；所述螺纹套杆（208）设置有外螺纹和内螺纹孔，并且相邻的两个螺纹套杆（208）中，其中一个螺纹套杆（208）的内螺纹孔直径等于另一个螺纹套杆（208）的外螺纹直径。

3.根据权利要求1所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置，其特征在于：所述内螺纹套筒（205）、螺纹杆（206）和螺纹套杆（208）的长度均相同。

4.根据权利要求2所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置，其特征在于：所述螺纹伸缩机构的数量为多组，并均匀布置在支撑板（204）的竖直对称轴线上。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置，其特征在于：所述载荷施加模块包括位于反力框架上方的立柱（301）、位于立柱（301）上方的横梁（302）和位于横梁（302）上的载荷施加机构。

6.根据权利要求5所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置，其特征在于：所述载荷施加机构包括千斤顶和固定在千斤顶的升降杆上的承压板；所述承压板平行布置在土体的上方。

7.根据权利要求6所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置，其特征在于：所述立柱（301）分别滑动连接在相互平行的一个固定侧架（202）和一个活动侧架（203）的顶部；所述横梁（302）跨接在两侧立柱（301）之间，所述千斤顶滑动连接在横梁（302）上。

8.一种使用如权利要求1-7任意一项所述的尺寸可调的土体载荷实验模型装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

a. 将推拉板（104）从活动侧板（103）的滑动内腔抽出至指定位置，并销接固定；

b. 开启步进电机（207），推动支撑板（204）向活动侧板（103）滑动，支撑板（204）与活动侧板（103）相接后，推动活动侧板（103）移动至与垂直于该活动侧板（103）的固定侧板（102）相接，并且支撑板（204）向活动侧板（103）施加一定的预载荷后，关闭步进电机（207）；

c. 调整千斤顶位置使得承压板位于土体正上方；千斤顶通过承压板向土体施加一定量的载荷，同时监测土体的沉降量。