CN112082856B - 一种3d静-动态土工变形与强度测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D静‑动态土工变形与强度测试系统，包括三维荷载加载系统，循环动力加载系统以及计算机控制与数据采集系统，其中三维荷载加载系统包括可倾斜加载系统和旋转承台系统两个子系统，可实现对模型桩体不同角度的加载。本装置通过不同系统间的配合，可实现不同频率、不同加载幅值和不同路径的动静荷载的加载，并可通过计算机控制与数据采集系统，方便准确的测得试验数据，本发明能够进行海洋工程领域内的土工模型试验，具有较高的实用性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于土木测试仪器技术领域，具体涉及一种3D静-动态土工变形与强度测试系统。
背景技术
土木工程中，需要针对工程比尺模型进行试验测试，一般的设备测试较为麻烦，且大都采用单一自由度的竖向加载模式，很难实现同时具有水平方向与转动方向的三维空间加载，因此，有必要根据需要进行改进，设计出理想的3D静-动态土工变形与强度测试系统，以便于更好地开展试验测试。
发明内容
为克服现有试验装置的不足，本发明提供了一种3D静-动态土工变形与强度测试系统，能够实现三维空间的加载，可以有效的开展相关试验。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种3D静-动态土工变形与强度测试系统，包括荷载、位移加载器，水平循环加载器，土槽箱土样饱和系统，数据采集系统和仪器框架系统。
荷载与位移加载由顶部伺服电机施加，加载器通过摇臂支架能够实现0-90度旋转，能够实现对试验模型进行倾斜加载，土槽箱和槽箱承载底板之间设有旋转承台，可以带动土槽箱进行水平转动，通过上部摇臂支架和下部旋转承台的共同作用，即可实现对试验模型的三维空间加载。
滑动导轨，伺服电机，活动滑轮，固定滑轮，弹簧、柔性绳索构成水平循环加载系统，水平加载由伺服电机带动水平连杆驱动完成，柔性绳索一端与往复导轨里的滑块相连，另一端绕过活动滑轮与固定滑轮与试验模型桩一侧相连，伺服电机位于仪器支架左侧，能够对试验模型施加不同频率、不同幅值的动力荷载。
土槽箱，槽箱承载底板，给排水导管，液压真空泵构成土槽箱土样饱和系统，槽箱承载底板底部设有进水管，管道上设有控水阀，土槽箱侧边设有真空管，土样的饱和制备过程通过负压抽真空的方式完成。
仪器支架，角轨，底板承载底座，螺纹杆，滑动导轨构成仪器框架系统，角轨上设有角度刻度尺，用于设定摇臂支架加载倾斜角度，承载支座嵌套于螺纹杆和滑动导轨上，用于稳定槽箱承载底板，从而改变土槽的垂直高度。
本发明实施例中的3D静-动态土工变形与强度测试系统，能够实现如下功能：①可对试验模型桩进行竖向抗压、抗拔试验，可以测得试验模型桩竖向贯入过程中的荷载与位移，土槽箱的一侧面为钢化玻璃，可以观察到试验模型桩竖向贯入土体过程中的挤土效应及土拱效应；②可对试验模型桩进行水平循环荷载加载试验，可以研究不同循环荷载幅值，不同循环次数，不同加载频率下的桩基循环累积变形规律，以及水平荷载作用下的桩端土体变形模式及土体变形条件下的桩土相互作用。
该发明的有益效果在于：该发明是一项多功能土工变形与强度测试系统，能够进行海洋工程领域内的土工模型试验，本装置通过不同系统的配合，可实现不同频率、不同加载幅值和不同路径的动静荷载的加载，并可通过计算机控制与数据采集系统，方便准确的测得试验数据，具有较高的实用性和经济性。
附图说明
图1是本发明的设备整体效果图。
图2是本发明的设备部件构成图。
图3是本发明的采集系统示意图。
图4是本发明的垂直加载与倾斜加载对比示意图。
图5是本发明的计算机控制系统界面图。
图6是本发明的循环荷载试验曲线。
图中标记说明：1、摇臂支架；2、固定夹片；3、销钉；4、轴承支座；5、球铰固定器；6、模型桩；7、伺服电机；8、往复导轨；9、活动滑轮；10、柔性绳索；11、固定滑轮；12、土槽箱；13、固定销钉；14、旋转承台；15、槽箱承载底板；16、给排水导管；17、液压真空泵；18、试样标高刻度尺；19、钢化玻璃；20、固定支座；21、底板承载支座；22、滑动导轨；23、螺纹杆；24、仪器支架；25、角轨；26、角度刻度尺；27、拉压传感器；28、联接钢片；29、垫片；30、轴承；31、位移传感器；32、伺服电机；33、弹簧；34、抽气导管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
如图1和图2所示的3D静-动态土工变形与强度测试系统，包括摇臂支架1、球铰固定器5、模型桩6、伺服电机7、往复导轨8、活动滑轮9、柔性绳索10、固定滑轮11、土槽箱12、旋转承台14、槽箱承载底板15、仪器支架24、角轨25、拉压传感器27、位移传感器31、伺服电机32、弹簧33。
摇臂支架1通过轴承支座4连接在仪器支架24上，通过改变摇臂支架1与角轨25之间的连接位置，可以实现多角度的倾斜加载，土槽箱12和槽箱承载底板15之间设有旋转承台14，可以带动土槽箱12进行水平转动，通过上部摇臂支架1和下部旋转承台14的共同作用，即可实现对试验模型的三维空间加载；柔性绳索10一端与往复导轨8里的滑块相连，另一端绕过活动滑轮9及固定滑轮11与试验模型桩6一侧相连，弹簧33与柔性绳索10连接，水平加载由伺服电机7带动水平连杆驱动完成，伺服电机7位于仪器支架24左侧，能够对试验模型施加不同频率、不同幅值的动力荷载。
加载过程包括以下步骤。
试验土样制备：采用分层填筑的方式回填试验土样到指定高度，土槽箱底部安装有给排水导管，通过水管向试验土槽中加水，使水没过试验土样，并使试验土样浸泡至完全饱和后，将水以抽真空形式排出，使试验土样固结，形成试验要求的模型土样。
试验模型桩安装：通过竖直伺服电机，在模型桩顶部施加竖向荷载，拉压传感器和位移传感器可将采集到的数据实时传递给计算机并记录，可以测得试验模型桩竖向贯入过程中的荷载与位移，土槽箱的一侧面为钢化玻璃，可以观察到试验模型桩竖向贯入土体过程中的挤土效应及土拱效应。
施加水平荷载：上一步骤的竖向贯入试验完成后，静置，待试验土样状态稳定后，伺服电机带动水平连杆，通过滑轮组对试验模型桩施加水平循环荷载，通过改变荷载频率与荷载加载次数，可以研究循环荷载作用下的桩基循环累积变形规律，以及水平荷载作用下的桩端土体变形模式及土体变形条件下的桩土相互作用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种3D静-动态土工变形与强度测试系统，其特征在于，包括三维荷载加载系统，循环动力加载系统以及计算机控制与数据采集系统；
所述的三维荷载加载系统包括可倾斜加载子系统和旋转承台子系统两个子系统；所述的可倾斜加载子系统包括摇臂支架、拉压传感器、位移传感器、第一伺服电机、球铰固定器，模型桩；所述的旋转承台子系统包括土槽箱、旋转承台、定位销、槽箱承载底板；所述的摇臂支架通过轴承支座固定在仪器支架上，所述位移传感器与第一伺服电机通过固定夹片相连接，并且顶部通过螺丝固定在摇臂支架上，所述拉压传感器与第一伺服电机下部相连接，所述模型桩通过球铰固定器与拉压传感器相连接，通过动力加载于所述土槽箱中的试样土体，土槽箱通过定位销固定于所述的旋转承台上，实现土槽箱在水平面的旋转，所述槽箱承载底板置于旋转承台下部；
还包括土槽箱土样饱和系统，所述土槽箱土样饱和系统由土槽箱，槽箱承载底板，给排水导管，液压真空泵构成，所述槽箱承载底板底部设有进水管，管道上设有控水阀，土槽箱侧边设有真空管，土样的饱和制备过程通过负压抽真空的方式完成；
还包括角轨，所述角轨上设有角度刻度尺，用于设定摇臂支架加载倾斜角度，承载支座嵌套于螺纹杆和滑动导轨上，用于稳定槽箱承载底板，从而改变土槽的垂直高度；
所述的循环动力加载系统包括第二伺服电机、往复导轨、活动滑轮、固定滑轮、弹簧、柔性绳索；
所述柔性绳索一端与所述往复导轨的滑块相连，另一端绕过所述活动滑轮和固定滑轮与试验模型桩一侧相连，所述的弹簧与柔性绳索相联接，通过所述的第二伺服电机提供动力，可实现对试验模型施加不同频率、不同荷载幅值的动力荷载；
所述的计算机控制与数据采集系统，包括拉压传感器，位移传感器，单片机，计算机和数据采集卡，所述数据采集卡连接单片机，所述拉压传感器，位移传感器连接单片机，所述单片机连接计算机，所述拉压传感器和位移传感器将监测的力和位移数据实时传输至单片机，所述单片机对数据进行处理后传输给计算机，所述计算机可通过设置32路通道不同的采样频率，完成加载过程中数据的动态采集。
2.根据权利要求1所述的一种3D静-动态土工变形与强度测试系统，其特征在于，
所述加载过程包括以下步骤：
S1，试验土样制备：采用分层填筑的方式回填试验土样到指定高度，土槽箱底部安装有给排水导管，通过水管向试验土槽箱中加水，使水没过试验土样，并使试验土样浸泡至完全饱和后，将水以抽真空形式排出，使试验土样固结，形成试验要求的模型土样；
S2，试验模型桩安装：通过第一伺服电机，在模型桩顶部施加竖向荷载，拉压传感器和位移传感器可将采集到的数据实时传递给计算机并记录，可以测得试验模型桩竖向贯入过程中的荷载与位移，土槽箱的一侧面为钢化玻璃，可以观察到试验模型桩竖向贯入土体过程中的挤土效应及土拱效应；
S3，施加水平荷载：上一步骤的竖向贯入试验完成后，静置，待试验土样状态稳定后，第二伺服电机带动水平连杆，通过滑轮组对试验模型桩施加水平循环荷载，通过改变荷载频率与荷载加载次数，可以研究循环荷载作用下的桩基循环累积变形规律，以及水平荷载作用下的桩端土体变形模式及土体变形条件下的桩土相互作用。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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