CN110595891B - 一种用于研究结构物相互作用及影响的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于受种多个结构物之间相互作用时应力及位移观测试验装置及方法，主要包括模型槽，水平荷载施加系统、竖向荷载施加系统，数据采集系统，水平加载系统可变支撑等。本发明可实现水平荷载的单独施加和数据的采集，也可用于水平荷载的整体施加且位移的单独量测。本发明可用于实现多种荷载组合形式，满足更加复杂试验工况需求。

Description

一种用于研究结构物相互作用及影响的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及一种结构物相互作用试验装置及试验方法，尤其是一种多个结构物之间相互作用时应力及位移观测试验装置及试验方法，属于岩土工程领域。
背景技术
同时，由于我国土地资源的紧缺，开发和利用地下空间已成为工程建设者关注重点及亟待解决问题。为增加地下空间的利用率，避免施工时的大填大挖，现有结构物的布局大都参照既有结构物的位置及走向进行设计。因此现有结构物施工时不可避免的对既有结构稳定性产生扰动和影响，甚至多个新建结构之间由于应力场的不均匀性或承受不均匀荷载作用时也会相互影响。具体表现为，当某一结构物发生位移时，会打破原有位置周围土体场的应力平衡，造成应力重新分布，使得原有结构的承载能力发生变化，与设计值发生偏离，原有设计指标已无法满足现有结构的实际情况。除此之外，在实际工程中，常常需要在同一平面设置多个支撑或锚固结构来提高承载能力，确保结构的安全性和耐久性。但无论是整体式锚固结构还是分离式锚固结构，由于受到结构物相互作用的影响，其整体承载能力不等于单个结构承载力的简单累加，而是比单个结构承载力之和有所降低。研究表明，结构物(桩、锚、管道、隧道等)之间的相互作用受结构的连接方式、加载方式、结构物尺寸与间距等多种因素的影响，其作用过程及作用机理非常复杂。因此对结构物相互作用机理的研究对既有结构稳定性计算机安全评估具有重要的意义和价值。
目前对于结构物相互作用及影响的研究手段主要采用位移加载或者应力加载的方式得到结构物荷载位移曲线，进而给出相互作用系数和峰值位移，为设计提供参考。但是该方法只能从宏观给出设计参考，而且不具有代表性，难以揭示微观作用机理(如位移场分布、颗粒迁移位移、主应变方向、剪切带/面分布)。这对相互作用理论假设和建立都具有一定的局限性。近年来，有研究采用离子图像测速法捕捉多锚固段周围土体位移场分布，但该方法只适用于串联锚固结构，即单根锚索同时连接多个锚固端，但对于并联结构(一锚一索)，无法实现荷载施加。
发明内容
本发明为了解决上述问题的不足，提出一种用于受种多个结构物之间相互作用时应力及位移观测试验装置及试验方法。与现有技术相比，本发明可实现：多个结构物之间位移的整体施加荷载单独测量；多个结构物之间单独加载，荷载和位移的单独测量；结构物周围土体的位移、应变、主应变方向等多个参数的测量。
为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种用于研究多个结构物之间相互作用时应力及位移观测试验装置，主要包括：模型槽、水平荷载施加系统、竖向荷载施加系统、数据采集系统；
所述的模型槽内安装有移动挡土板，所述的移动挡土板与前、后侧挡土板平行；且移动挡土板与后侧挡土板之间通过多个距离调节装置相连，通过距离调节装置调节移动挡土板与前侧挡土板之间的距离；所述的移动挡土板与前侧挡土板之间形成填料和结构物的放置空间；
所述的水平荷载施加系统与结构物相连，对结构物施加水平加载力；水平荷载施加系统可在高度方向和水平方向上移动，构成平面加载系统；
所述的竖向加载系统用于对填料实现竖向荷载的定点施加或者均布施加；
所述的数据采集系统采集结构物位移、应力及填料颗粒位移及应变采集。
作为进一步的技术方案，所述的水平荷载施加系统包括变频伺服电机、丝杠螺母副和传动装置；所述的变频伺服电机通过传动装置驱动螺母旋转，所述的螺母驱动丝杠在水平方向上做直线运动；所述的丝杠与法兰盘相连，所述的法兰盘与压力电阻式轮辐传感器相连；所述的压力电阻式轮辐传感器与空心管相连，所述的空心管通过连接杆与结构物相连。
作为进一步的技术方案，所述的水平荷载施加系统通过可变支撑调节，所述的可变支撑包括立柱和水平支撑，所述的立柱在高度方向上设有多个螺丝孔；所述的水平支撑通过螺栓与立柱连接；在所述的水平支撑上设有导轨，所述的水平荷载施加系统放置在导轨上。
作为进一步的技术方案，所述的水平荷载施加系统包括多个水平荷载施加系统放置在一个导轨上；可以同时对位于同一高度上的多个不同的结构物进行加载。
和/或多个水平荷载施加系统放置在前后设置的不同导轨上；不同导轨上水平荷载施加系统独立设置，可以同时对不同高度方向上的多个不同的结构物进行相同或者不同的加载；或者同时对同一高度和不同高度上多个不同的结构物进行相同或者不同的加载。
和/或多个水平荷载施加系统放置在前后设置的不同导轨上；不同导轨上的水平荷载施加系统前后连接在一起，后面的水平荷载施加系统的连接杆依次穿过前面的水平荷载施加系统的连接杆后与结构物相连；实现对位于同一直线上的不同结构物的加载。
进一步的，所述的水平荷载施加系统的丝杠与一个传感器串联支架相连，在所述的传感器串联支架内安装多个压力电阻式轮辐传感器，每个压力电阻式轮辐传感器与一个空心管相连，每个空心管与一个结构物相连。
作为进一步的技术方案，模型槽的前侧挡土板为透明钢化玻璃或者有机玻璃，以便于位移量测。
作为进一步的技术方案，所述竖向加载系统包括反力梁、加载千斤顶、及荷载位移采集系统；所述的加载千斤顶安装在反力梁上，反力梁安装在模型槽顶部；加载千斤顶前端连接压力传感器；压力传感器前端连接加载接头或者加载板，实现竖向荷载的定点施加或者均布施加；加载千斤顶侧向连接位移测量装置，通过采集软件可实现荷载和位移的实时采集。
作为进一步的技术方案，采用雨淋法淋砂时，所述的加载千斤顶由淋砂漏斗代替，作为淋砂装置。
本发明提出的一种用于受种多个结构物之间相互作用时应力及位移观测试验装置及试验方法，包括以下步骤：
根据试验要求或相似比设计确定模型槽尺寸，移动挡板的相对位置、可变支撑位置、反力梁的高度及加载系统量程；
安装模型槽底座、框架、侧向挡土板、移动挡板、可变支撑，安装并连接水平加载系统及数据采集系统；
在模型槽内填筑填料并压实，到达一定高度后安装结构物，且将结构物与水平加载系统相连；并继续填料至设计目标高度；
施加水平荷载，并通过数据采集系统获取结构物荷载、位移及填料颗粒位移及应变数据；或/和安装竖向加载系统及荷载采集系统，进行竖向加载和采集。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.每套水平荷载施加系统单独连接一个结构物，可实现水平荷载的单独施加和数据的采集，也可实现水平荷载的整体施加且承载力的单独量测。
2.水平加载系统和竖向加载系统的位置均可变，且互不影响，可以实现同一平面相同高度或者不同高度多个结构物的荷载施加，也可以通过移动挡板调整模型槽宽度实现相同高度不同平面内多个结构物荷载施加。
3.水平荷载和竖向荷载均可以双向施加，可用于实现多种荷载组合形式，满足更加复杂试验工况需求。
4.设置不同的导轨以及在每个导轨上设置多个水平荷载施加系统，且部分采用前后穿过连接的方式，可以实现模型槽内任一结构物的相同或者不同加载。附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1试验装置示意图；
图2串联结构物加载示意图；
其中：1、底座，2、框架，3、移动挡土板，4、前侧挡土板，5、丝杠，6、反力梁，7、加载千斤顶，8、伺服油泵，9、压力传感器，10、LVDT，11、变频伺服电机，12、空心丝杠，13、传动装置，14、数据采集系统，15、连接杆，16、空心不锈钢管，17、法兰盘，18、立柱，19、横向支撑梁，20、传感器串联支架，21、结构物。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种用于受种多个结构物之间相互作用时应力及位移观测试验装置及试验方法，主要包括：模型槽，水平荷载施加系统、竖向荷载施加系统，数据采集系统，水平加载系统可变支撑；所述的模型槽内安装有移动挡土板，所述的移动挡土板与前、后侧挡土板平行；且移动挡土板与后侧挡土板之间通过多个距离调节装置相连，通过距离调节装置调节移动挡土板与前侧挡土板之间的距离；所述的移动挡土板与前侧挡土板之间形成填料和结构物的放置空间；
所述的水平荷载施加系统与结构物相连，对结构物施加水平加载力；水平荷载施加系统可在高度方向和水平方向上移动；
所述的竖向加载系统用于对填料实现竖向荷载的定点施加或者均布施加；
所述的数据采集系统采集结构物位移、应力及颗粒位移采集。
具体的，模型槽包括底座1、框架2、移动土挡板3；模型槽尺寸可根据实际试验要求设计，底座1通过螺栓与框架2和水平加载可变支撑立柱18连接。
框架2的前侧挡土板4为透明钢化玻璃或大于50mm厚度的有机玻璃，以便于位移量测。移动挡土板3设置在框架2内，与前侧挡土板平行，其由钢化玻璃和钢支架或钢板组成，移动挡土板3的侧面通过4个丝杠5与后侧挡土板连接，移动挡土板3位移可通过丝杠4调节，精度为0.2mm。通过调节移动挡土板3的位置，可实现平面应变或足尺试验的模拟。当采用钢化玻璃和包围支撑时，应在玻璃上粘贴彩色贴纸，以提供拍照背景，提高照片清晰度。
框架2通过螺栓与竖向加载系统反力梁6连接。
竖向加载系统包括反力梁6、加载千斤顶7、伺服油泵8。加载千斤顶7可实现位移或荷载的双向加载，最大施加荷载为50kN，精度为±2N，加载千斤顶7行程为300mm。反力梁6的高度可以设计为0.8～2m，其高度及位置可调节。
当采用雨淋法淋砂时，可将反力梁6升高至2m，将淋砂漏斗替换下加载千斤顶7，作为淋砂装置支架。
加载千斤顶7前端连接压力传感器9，压力传感器9为电阻式，可实时采集应力数据，量程为50kN，精度为0.5N。传感器9前端连接加载接头或者加载板，实现竖向荷载的定点施加或者均布施加。加载千斤顶7侧向连接LVDT10位移测量装置，量程为50mm，通过采集软件可实现荷载和位移的实时采集。
水平荷载施加系统由变频伺服电机11、传动装置13和丝杠螺母副组件组成，变频伺服电机11功率为1kW，最大施加荷载为10kN，加载速度为0～5mm/min，可实现双向加载。所述丝杠螺母副组件的丝杆12为空心结构，内径不小于20mm，丝杆12长度不小于500mm，内穿后侧连接杆15。变频伺服电机11通过传动装置驱动丝杠螺母旋转，进而实现丝杠的水平方向上的移动。
连接杆15通过铰接或者固接形式与结构物连接。空心丝杠12前侧连接法兰盘17，法兰盘17通过螺栓与压力电阻式轮辐传感器9连接，其测量数据通过数据采集系统采集14。传感器9量程为10kN，精度为0.1kN。传感器9为中空、内含螺纹结构，前端与空心不锈钢管16连接。
可根据实际要求设置多个水平加载系统，当采用多个加载系统时，靠近挡土板一侧加载系统和中间加载中丝杠12必须为中空结构，以便于后侧连接杆15的安放，最后侧丝杠可为实心结构。在本实施例中，设置两套水平加载系统，靠近模型槽的水平加载系统为前加载系统，远离模型操的水平加载系统为与前加载系统；后加载系统的结构与前加载系统的结构基本相同，区别点在于后记载系统的连接杆、丝杠等可以设置成实心，而前水平加载系统必须设置成空心的；后记载系统的连接杆穿过前记载系统的丝杠和连接杆后与结构物相连，设置这种连接方式的目的主要是为了对在同一条直线上结构物，且该直线与导轨轴线垂直时，对前后结构物进行不同的加载。
进一步的，当多个水平荷载施加系统放置在同一个导轨上；可以同时对位于同一高度上的，且位于同一直线上不同结构物的不同加载，这里所述的同一直线是指与导轨轴线平行的直线方向；这时可以通过多个水平荷载施加系统对该种设置形式下的不同的结构物进行加载。
进一步的，当多个水平荷载施加系统放置在前后设置的不同导轨上；不同导轨上水平荷载施加系统独立设置，可以同时对不同高度方向上的、且位于同一直线上的不同的结构物同时或者不同时的进行相同或者不同的加载，这里所述的直线既包括与与导轨轴线平行的直线；或者同时对同一高度和不同高度上多个不同的结构物同时或者不同时的进行相同或者不同的加载。
进一步的，当需要对模型槽内的在三维空间任一布置的所有结构物进行不同加载时，需要设置多个平行设置的导轨，且每个导轨上安装有多个水平加载系统；且部分前后设置的水平加载系统按照图1所示的前后穿过设置；假设靠近模型槽的水平加载系统为前加载系统，远离模型操的水平加载系统为与前加载系统；后加载系统的结构与前加载系统的结构基本相同，区别点在于后记载系统的连接杆、丝杠等可以设置成实心，而前水平加载系统必须设置成空心的；后记载系统的连接杆穿过前记载系统的丝杠和连接杆后与结构物相连，设置这种连接方式的目的主要是为了对在同一条直线上结构物，且该直线与导轨轴线垂直时，对前后结构物进行不同的加载。
进一步的，当需要对不同的结构物仅仅需要同时加载相同的力时，可以采用同一套水平加载系统进行多个不同的结构物进行相同加载，可以采用下述连接方式：
将多个结构物分别连接空心不锈钢管，空心钢管另外一端依次连接传感器，传感器通过螺丝固定在传感器串联支架20上，传感器串联支架20与丝杠螺母副连接。如下图2所示。传感器串联支架20上可以沿X轴、Y轴和Z轴三个方向分别布置多个传感器，实现不同平面和同一平面内的不同结构物的相同加载。
水平加载系统的可变支撑由立柱18和横向支撑梁19组成，两者通过螺栓连接。在本实施例中，立柱18包括四个，最前侧的两个立柱18应低于后侧的两个立柱18，以便于后侧加载系统高度的调节；当设置更多级的水平加载系统时，多个立柱从前到后高度依次增加；同时在每个立柱上分别设有若干螺丝孔。
位于最前侧的两个立柱通过一个横向支撑梁19相连；后侧的两个立柱通过另外一个横向支撑梁相连；
两个横向支撑梁19通过螺栓或者导轨与前面所述的水平加载系统连接，横向支撑梁19高度可以通过立柱上的螺丝孔调节并固定，可实现某一断面水平加载系统在平面内不同位置的调节。如施加水平荷载较大，可将后侧立柱18替换成反力墙。
数据采集系统包括结构物位移、应力及颗粒位移采集，颗粒位移通过数码相机在加载过程中连续拍照，利用PIV(离子图像测速法)获取位移数据。
实施例2
本实施例提出了一种基于实施例1中的试验装置的试验方法，试验方法包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求或相似比设计确定模型槽尺寸，移动挡板3的相对位置、水平加载系统可变支撑位置、反力梁6的高度及加载系统量程等参数。
步骤2：安装模型槽底座1、框架2、侧向挡土板、移动挡板3、水平加载系统可变支撑，安装并连接水平加载系统及数据采集系统14。应先安装前侧加载系统空心钢管16、传感器9、空心丝杠12、法兰盘17等，并在其内部放置连接杆15或空心不锈钢管，再安装中间位置(如有)加载系统空心钢管16、传感器9，空心丝杠12、法兰盘17等，最后放置后端连接杆15、法拉盘17、传感器9等。
步骤3：在模型槽内填筑填料并压实，到达一定高度后安装结构物，结构物与连接杆15相连；并继续填料至设计目标高度。
步骤4：安装竖向加载系统及荷载采集系统(如需要)，
步骤5：施加水平荷载，并通过数据采集系统14获取结构物荷载、位移及砂颗粒位移等数据。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，包括：模型槽、水平荷载施加系统、竖向荷载施加系统、数据采集系统；
所述的模型槽内安装有移动挡土板，所述的移动挡土板与前、后侧挡土板平行；且移动挡土板与后侧挡土板之间通过多个距离调节装置相连，通过距离调节装置调节移动挡土板与前侧挡土板之间的距离；所述的移动挡土板与前侧挡土板之间形成填料和结构物的放置空间；
所述的水平荷载施加系统与结构物相连，对结构物施加水平加载力；水平荷载施加系统可在高度方向和水平方向上移动；
所述的竖向荷载施加系统用于对填料实现竖向荷载的定点施加或者均布施加；
所述的数据采集系统采集结构物位移、应力及颗粒位移采集;
所述的水平荷载施加系统通过可变支撑调节，所述的可变支撑包括立柱和水平支撑，所述的立柱在高度方向上设有螺丝孔；所述的水平支撑通过螺栓与立柱连接；在所述的水平支撑上设有导轨，所述的水平荷载施加系统放置在导轨上。
2.如权利要求1所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，所述的水平荷载施加系统包括变频伺服电机、丝杠螺母副和传动装置；所述的变频伺服电机通过传动装置驱动螺母旋转，所述的螺母驱动丝杠在水平方向上做直线运动；所述的丝杠与法兰盘相连，所述的法兰盘与压力电阻式轮辐传感器相连；所述的压力电阻式轮辐传感器与空心管相连，所述的空心管通过连接杆与结构物相连。
3.如权利要求1所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，所述的水平荷载施加系统包括多个，多个水平荷载施加系统放置在一个导轨上。
4.如权利要求1所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，所述的水平荷载施加系统包括多个，多个水平荷载施加系统放置在前后设置的不同导轨上，不同导轨上水平荷载施加系统独立设置。
5.如权利要求1或3或4所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，所述的水平荷载施加系统包括多个，多个水平荷载施加系统放置在前后设置的不同导轨上，且不同导轨上的部分水平荷载施加系统前后连接在一起，后面的水平荷载施加系统的连接杆依次穿过前面的水平荷载施加系统的连接杆后与结构物相连。
6.如权利要求1所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，所述的水平荷载施加系统的丝杠与一个传感器串联支架相连，在所述的传感器串联支架内安装多个压力电阻式轮辐传感器，每个压力电阻式轮辐传感器与一个空心管相连，每个空心管与一个结构物相连。
7.如权利要求1-3任一所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，模型槽的前侧挡土板为透明钢化玻璃或者有机玻璃。
8.如权利要求1-3任一所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置，其特征在于，所述竖向荷载施加系统包括反力梁、加载千斤顶及荷载采集系统；所述的加载千斤顶安装在反力梁上，反力梁安装在模型槽顶部；加载千斤顶前端连接压力传感器；压力传感器前端连接加载接头或者加载板，实现竖向荷载的定点施加或者均布施加；加载千斤顶侧向连接位移测量装置，通过采集软件可实现荷载和位移的实时采集。
9.利用如权利要求1-8任一所述的研究结构物相互作用及影响的试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
根据试验要求或相似比设计确定模型槽尺寸，移动挡板的相对位置、可变支撑位置、反力梁的高度及加载系统量程；
安装模型槽底座、框架、侧向挡土板、移动挡板、可变支撑，安装并连接水平荷载施加系统及数据采集系统；
在模型槽内填筑填料并压实，到达一定高度后安装结构物，且将结构物与水平荷载施加系统相连；并继续填料至设计目标高度；
施加水平荷载，并通过数据采集系统获取结构物荷载、位移及砂颗粒位移数据；或/和安装竖向荷载施加系统及荷载采集系统，进行竖向加载和数据采集。
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