CN115420630B - 现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法，包括主梁、两个副梁、竖向连接机构和竖向加载机构；主梁的中部位于竖向加载机构的正上方；沿副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置支墩；主梁的两端阶段性安置于两个支墩上，且主梁两端的顶面分别与两个副梁的中部非固定接触连接；副梁的两端通过竖向连接机构同土中反力混凝土桩连接。本发明采用同一套加载机构结合巧妙的加载方法，可以为现场大型载荷试验和直剪试验两种试验提供竖向荷载，并在不必整体装卸加载机构的情况下重复进行多次直剪试验，有效地节省了试验所需的试验材料和施工时间，大大降低了试验的经济成本和时间成本，提高了试验的可操作性。

Description

现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法

技术领域

本发明属于大型载荷和直剪试验的技术领域，具体涉及一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法。

背景技术

为了研究大坝坝体碾压层等土料的变形和强度特性，确定土料变形模量和承载力等特性指标，需要进行现场大型载荷试验；同时，需要通过进行土料原级配或接近原级配的现场大型直剪试验，研究土料的强度特性，确定土料的抗剪强度特性指标，包括线性指标和非线性指标。为确保大坝等结构设计和施工的顺利进行并保障其运行安全，需要通过现场大型载荷试验和现场大型直剪试验来研究土料特性，确定相应特征指标。

载荷试验的基本原理是，通过反力机构对土层施加竖向荷载，确定土层的各承载力特性指标和压缩变形特性指标，而这些特性指标主要是基于测定土层的荷载-沉降关系曲线(P-S关系曲线)确定的，这一关系曲线表征了不同竖向荷载作用下土层表面荷载板竖向变形的过程。

诸如现代水利水电工程中土石坝的筑坝土料，由于土料粒径较大，为了满足规范中对载荷试验荷载板直径同土料最大粒径间的比例关系，土料载荷试验荷载板的尺寸(直径)往往较大，而且粗粒土土料的承载能力和抗变形能力本身就很大。因此，在粗粒土大尺寸荷载板载荷试验中，为了得到理想的、可用于工程实际的载荷试验土料载荷-沉降关系曲线(P-S关系曲线)，就需要在载荷试验中能够提供较大量值水平的竖向荷载，而这一荷载就需要由竖向加载机构提供。根据工程经验，对于直径1.5m圆形荷载板，为了获得理想的P-S关系曲线，需要试验加载机构提供1000吨左右的竖向荷载，在试验规模上属大型或超大型试验。

直剪试验的基本原理是，对几个试样(不少于3个)施加不同的法向荷载，待其固结稳定后再施加水平剪力使其破坏，同时记录下几个试样破坏时的剪切应力，绘制出剪应力与法向应力关系曲线，继而可以得到土体在特定破坏面上的抗剪强度参数。

为了能够开展土料原级配或接近原级配直剪试验，直剪试验剪切盒尺寸往往较大，一定的法向(竖向)应力水平下，所需要的竖向荷载也很高。对于1.5m×1.5m方形截面剪切盒，需要试验加载机构提供1000吨左右的竖向荷载。

无论是现场大型载荷试验还是现场大型直剪试验，都需要加载机构能够提供大吨位的竖向荷载，大量的现场大型载荷试验和直剪试验是通过反力(锚)桩的方式提供这一竖向荷载的。

对于反力(锚)桩方式，为了提供大吨位竖向反力，试验准备时间很长，试验成本也很高。反力(锚)桩方式是在试验场地打入反力桩(一般是一个试验场地四根桩)，利用反力(锚)桩同土体间的摩擦力或者锚固力为桩体提供竖向抗拔力，进而产生试验所需大吨位竖向荷载。反力(锚)桩施工需要经过钻孔、钢筋笼制作与安装、桩体灌注成型和桩体养护等一系列过程，这一系列施工过程需要的时间成本和经济成本均很高。

通常情况下，在现场进行大型载荷试验和大型直剪试验需要重复建造反力(锚)桩。反力(锚)桩本身建造就需要大量的时间成本、经济成本，再加上需要重复建造反力(锚)桩，因此需要进行两种试验时，将要耗费更多的时间成本和经济成本，试验的可操作性低。

而且，在现有技术条件下，由于两种试验加载对象高度的差异和试验流程的差异，当某工程需要同时进行现场大型载荷试验和直剪试验时，需要利用两套不同的加载机构为试验提供竖向荷载，试验加载设备的投入成本也很高。

另一方面，如前文述，对于直剪试验，需要进行多工况的试验，在一些工程中甚至往复开展数十次试验。每一次试验都要装卸加载设备，将使得试验过程非常耗时，提高试验成本的同时，也增加了试验过程中的安全隐患。

为了解决以上现场大型载荷试验和直剪试验反复建造反力(锚)桩、试验机构高度不同而不能共用加载机构、直剪试验反复装卸设备，所带来时间成本、经济成本过高的问题，同时降低试验过程中存在的安全隐患，本发明提出了一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法，以解决工程中需要同时进行现场大型载荷试验和大型直剪试验时出现的工作效率低、安全性差、时间和经济成本高的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载装置，其包括主梁、两个副梁、竖向连接机构和竖向加载机构；主梁的中部位于竖向加载机构的正上方；沿副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置支墩；主梁的两端阶段性安置于两个支墩上，且主梁两端的顶面分别与两个副梁的中部非固定接触连接；副梁的两端通过竖向连接机构同土中反力混凝土桩连接。

进一步地，载荷试验竖向加载机构包括受载机构和依次安装于受载机构上方的千斤顶和力传感器；受载机构为载荷板。

进一步地，直剪试验竖向加载机构包括受载机构和依次安装于受载机构上方的垫板、千斤顶和力传感器；受载机构为剪切盒，剪切盒内装入有夯实至预定密度的试验料。

进一步地，直剪试验中，还包括贯穿转接板中间方孔的支撑方钢，支撑方钢的底部放置于反力混凝土桩顶部。

进一步地，直剪试验中，支墩和主梁的高度之和低于支撑方钢的顶面高度；支墩与主梁之间设置枕木后，主梁顶部高度高于支撑方钢顶部。

进一步地，加载前，主梁与力传感器之间存在间隙；机构安装时，主梁的两端部分别与两个副梁的中部点焊临时连接。

进一步地，竖向连接机构包括至下而上的反力连接钢筋、转接板、反力螺栓和上顶板；反力混凝土桩上的反力连接钢筋顶部焊接转接板。

进一步地，两个副梁两端部的顶部设置上顶板；上顶板上开设有多个对称螺孔；反力螺栓自上而下依次穿过上顶板上的多个螺孔、副梁端部和转接板上的多个螺孔，并在上顶板上部和转接板下部的反力螺栓两端分别设置可调螺母。

一方面，一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构的加载方法，利用同一套机构分别进行现场载荷试验和直剪试验，其中，载荷试验具体包括以下步骤：

S1、将载荷试验竖向加载结构放置于满足要求试验场地的预定位置上；

S2、将转接板焊接于反力混凝土桩上的反力连接钢筋顶部，并在副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置第一支墩，两个第一支墩顶部高度齐平；在两个第一支墩顶部安置主梁，主梁下部与载荷试验竖向加载机构顶端不接触，并留有预设距离；再将两个平行设置的副梁的中部放置于主梁两端部，并采用点焊将主梁和副梁临时固定连接，确保机构安装过程安全；

S3、采用四个端部带可调螺母的反力螺栓穿过上顶板的四个螺孔并与上顶板连接成一体，并用吊车吊起，四根反力螺栓自上而下依次穿过副梁端部和转接板的四个螺孔，调整上顶板和反力螺栓位置，直至上顶板架在副梁端部的正上方，并采用可调螺母在转接板下侧紧固反力螺栓，确保副梁和主梁体系稳定，完成载荷试验加载机构安装；

S4、启动千斤顶，载荷试验竖向加载机构与主梁接触连接，主梁和副梁同时受力，副梁通过竖向连接机构将荷载传递至土中的4个反力混凝土桩，反力混凝土桩提供竖向的上拔力反力，千斤顶向上提升对下部载荷板产生反作用力，载荷板再将竖向压力作用于试验土层上，即实现对试验土层施加竖向荷载的目标；

S5、完成试验后，将千斤顶活塞收回，主梁重新落回第一支墩顶部，载荷试验竖向加载机构与主梁分离；拆除转接板下侧可调螺母，依次拆除反力螺栓、上顶板、副梁、主梁和载荷试验竖向加载机构。

进一步地，直剪试验具体包括以下步骤：

T1、载荷试验完成后，将直剪试验竖向加载结构放置于满足要求试验场地的预定位置上，按照试验要求在剪切盒内装入试验料并夯实到预定密度，再依次安装垫板、千斤顶和力传感器；

T2、将支撑方钢穿过转接板的中间方孔，并放置于反力混凝土桩顶部，反力混凝土桩顶部和支撑方钢底部平稳接触，支撑方钢铅直；

T3、在副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置第二支墩，第二支墩高于第一支墩；第二支墩和主梁的总高度低于支撑方钢的顶面高度；通过枕木调整两个第二支墩顶部高度，在第二支墩和枕木的顶部安置主梁，主梁下部与直剪试验竖向加载机构顶端不接触，且主梁顶部高于支撑方钢顶部；将两个副梁的中部放置于主梁两端部，并采用点焊将主梁和副梁临时固定连接，确保机构安装过程安全；

T4、采用四个端部带可调螺母的反力螺栓穿过上顶板的四个螺孔并与上顶板连接成一体，并用吊车吊起，四根反力螺栓自上而下依次穿过副梁端部和转接板的四个螺孔，调整上顶板和反力螺栓位置，直至上顶板架在副梁端部的正上方，并在转接板下反力螺栓安装可调螺母，可调螺母不拧紧至转接板底部，为反力螺栓预留上提空间；

T5、启动千斤顶，直剪试验竖向加载机构与主梁接触，主梁带动副梁共同向上运动，主梁与枕木分离后，撤掉第二支墩顶部的枕木，卸载千斤顶，主梁和副梁同时向下运动，副梁与支撑方钢接触后与主梁分离，主梁继续下落直至搭载于第二支墩顶部，然后用转接板下侧可调螺母紧固反力螺栓，确保副梁和支撑方钢体系稳定，完成直剪试验加载机构安装；

T6、启动千斤顶，直剪试验竖向加载机构与主梁接触，主梁运动至与副梁接触，主梁和副梁同时受力，副梁通过竖向连接机构将荷载传递至土中的四个反力混凝土桩，反力混凝土桩提供竖向的上拔力反力；千斤顶向上提升对下部垫板产生竖向压力作用于试验料上，实现对试验土料施加竖向荷载的目标；

T7、直剪试验加载完成后，千斤顶顶部活塞回收，主梁和副梁同时下落，副梁与支撑方钢接触，然后与主梁脱离，主梁继续下落至与第二支墩接触，基于主梁顶端和副梁底部间的空间，将主梁水平平移至两个第二支墩侧方卸下，沿原方向安置于反力混凝土桩和第二支墩之间地面，并依次拆卸力传感器、千斤顶和垫板，将剪切盒内土料清除，完成一次直剪试验；

T8、在剪切盒内再次填料、压实至预定密度，放置垫板、千斤顶和力传感器等直剪试验竖向加载机构，吊装主梁至两个第二支墩顶部，重复步骤T6～步骤T7，完成下一次直剪试验，如此往复，实现一套机构完成多次直剪试验的目标。

本发明提供的现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构及其加载方法，具有以下有益效果：

本发明采用同一套加载机构可以为现场大型载荷试验和直剪试验两种试验提供竖向荷载，即能通过重复使用试验竖向加载机构为两种试验进行竖向加载；同时，竖向加载机构也可反复为直剪试验提供竖向荷载，在不必整体装卸加载机构的情况下重复进行多次直剪试验。本发明有效地节省了试验材料和施工时间，大大降低了试验的经济成本和时间成本，提高了试验的可操作性。

附图说明

图1为现场载荷和直剪试验复合型竖向加载装置的俯视图。

图2为图1在1-1处的立面图，即为大型荷载试验立面图1。

图3为图1在1-1处的立面图，即为大型直剪试验立面图1。

图4为图2在2-2处的立面图，即为大型荷载试验立面图2。

图5为图2在2-2处的立面图，即为大型直剪试验立面图2。

其中，1、主梁；2、反力连接钢筋；3、转接板；4、副梁；5、反力混凝土桩；6、反力螺栓；7、千斤顶；8、垫板；9、受载机构；10、上顶板；11、可调螺母；12、支撑方钢；13、枕木；14、第一支墩；15、第二支墩；16、力传感器。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例一，参考图1，本方案的现场载荷和直剪试验复合型竖向加载装置，包括主梁1、两个副梁4、竖向连接机构和竖向加载机构。

其中，主梁1的中部位于竖向加载机构的正上方，沿副梁4方向的两个反力混凝土桩5之间布置支墩，主梁1的两端分别阶段性安置于两个支墩上，且主梁1两端的顶面分别与两个副梁4的中部非固定接触连接，副梁的两端通过竖向连接机构同土中反力混凝土桩5连接。

竖向连接机构包括至下而上的反力连接钢筋2、转接板3、反力螺栓6和上顶板10。转接板3焊接于反力混凝土桩5上的反力连接钢筋3顶部，焊接强度需大于单桩上拔力要求，并留有满足要求的安全裕度。转接板3为方孔加肋钢板，方孔需保证直剪试验用支撑方钢12能够穿过。

支墩包括第一支墩14和第二支墩15，且第二支墩15的高度高于第一支墩14的高度，第一支墩14用于大型载荷试验的支撑，第二支墩15用于大型直剪试验的支撑。

本实施例可为大型载荷试验和大型直剪试验进行竖向加载，具体将在以下实施例中详细描述。

根据本申请的实施例二，参考图1、图2和图4，本方案用于大型现场载荷试验的竖向加载装置，其中，竖向加载机构包括受载机构9和依次安装于受载机构9上方的千斤顶7和力传感器16，受载机构9为载荷板。

主梁1与力传感器16之间存在间隙，即主梁1在初始状态下，并未和载荷试验竖向加载机构接触，并留有预设距离，两个副梁4的中部放置于主梁1两端部，并采用点焊将主梁1和副梁4进行临时连接。

主梁1的中部位于竖向加载机构的正上方，沿副梁4方向的两个反力混凝土桩5之间布置第一支墩14。

两个副梁4两端部的顶部设置上顶板10，上顶板10上开设有多个螺孔，反力螺栓6自上而下依次穿过上顶板10上的多个螺孔、副梁4端部和转接板3上的多个螺孔，并在位于转接板3下侧的反力螺栓6上设置可调螺母11，采用可调螺母11在转接板3的下侧紧固反力螺栓6，以完成大型载荷试验加载机构的安装。

本实施例的现场载荷竖向加载装置的加载方法，具体包括以下步骤：

在试验场地完成反力混凝土桩5(其上连接有连接钢筋2)的施工和养护后，再按照以下步骤进行试验。

步骤S1、将载荷试验竖向加载结构放置于满足要求试验场地的预定位置上，具体为压实和平整度要求满足载荷试验场地的要求，并在试验场地中部依次放置载荷板，千斤顶7，力传感器16组成的载荷试验竖向加载机构；

步骤S2、将转接板3焊接于反力连接钢筋2的顶部，并在副梁4方向的两个反力混凝土桩5之间布置第一支墩14，两个第一支墩14顶部高度齐平；在第一支墩14顶部安置主梁1，主梁1与载荷加载机构不接触，并留有预设距离；再将两个平行设置的副梁4的中部放置于主梁1两端部，并采用点焊将主梁1和副梁4进行临时的固定连接，确保机构安装过程安全；

步骤S3、采用四个端部带可调螺母11的反力螺栓6穿过上顶板10的四个螺孔并与上顶板10连接成一体，并用吊车吊起，四根反力螺栓6自上而下依次穿过副梁4端部和转接板3的四个螺孔，直至上顶板10架在副梁4端部的正上方，并采用可调螺母11在转接板3下侧紧固反力螺栓6，确保副梁和主梁体系稳定，完成载荷试验加载机构安装；

步骤S4、启动千斤顶7，载荷试验竖向加载机构与主梁1接触连接，主梁1和副梁4同时受力，副梁4通过竖向连接机构将荷载传递至土中的四个反力混凝土桩5，千斤顶7向上提升对下部载荷板产生反作用力，载荷板再将竖向压力作用于试验土层上，即实现对试验土层施加竖向荷载的目标；

步骤S5、完成试验后，将千斤顶7活塞收回，主梁1重新落回第一支墩14顶部，载荷试验竖向加载机构与主梁1分离；拆除转接板3下侧可调螺母11，依次拆除反力螺栓6、上顶板10、副梁4、主梁1和载荷试验竖向加载机构。

根据本申请的实施例三，参考图1、图3和图5，本方案用于大型现场直剪试验的竖向加载装置，其竖向加载机构包括受载机构9和依次安装于受载机构9上方的垫板8、千斤顶7和力传感器16；受载机构9为剪切盒，剪切盒内装入有夯实至预定密度的试验料。

还包括贯穿转接板3中间方孔的支撑方钢12，支撑方钢12的底部放置于反力混凝土桩5顶部。

在具体实施时，将支撑方钢12穿过转接板3中间方孔放置于反力混凝土桩5顶部，支撑方钢12用于对副梁4进行临时支撑，反力混凝土桩5顶部需保证平整度，和支撑方钢12底部平稳接触，支撑方钢12保持铅直。

第二支墩15和主梁1的高度之和低于支撑方钢12的顶面高度，第二支墩15与主梁1之间设置枕木13后，主梁1顶部高度高于支撑方钢12顶部。

主梁1的中部位于直剪试验竖向加载机构的正上方，并与力传感器16之间存在间隙，即主梁1在初始状态下，并未和竖向加载机构接触，并留有预设距离，两根副梁4的中部放置于主梁1两端部，并采用点焊将主梁1和副梁4进行临时连接。

在具体实施时，副梁4方向两个反力桩之间布置第二支墩15，第二支墩15和主梁1的总高度需低于支撑方钢12的顶面高度。

通过枕木13调整两个第二支墩15顶部高度，在枕木13顶部安置主梁1，主梁1不可与直剪试验竖向加载机构接触，并留有预设距离，且主梁1顶部高于支撑方钢12顶部；将两根副梁4的中部放置于主梁1两端部，并采用点焊将主梁1和副梁4进行临时连接。

两个副梁4两端部的顶部设置上顶板10，上顶板10上开设有多个螺孔，反力螺栓6自上而下依次穿过上顶板10上的多个螺孔、副梁4端部和转接板3上的多个螺孔，在转接板3下侧为反力螺栓6安装可调螺母11，可调螺母11不拧紧至转接板底部，为反力螺栓6预留合适的上提空间。

其中，反力螺栓6的总抗拉强度大于单桩上拔力，并留有满足要求的安全裕度；反力螺栓6螺纹长度可调节范围需满足载荷试验和直剪试验对空间高度的要求。即利用可调有效长度的反力螺栓6调整转接板3和上顶板10间的高度，适应载荷试验和直剪试验对竖向受载机构9高度不一样的要求。

支撑方钢12的长度满足直剪试验受载机构9和千斤顶7布设竖向尺寸的要求，其强度需具备可以支撑副梁4自重和保障足够安全裕度的要求。支撑方钢12的截面尺寸为副梁4宽度的2/3～3/4，长宽比不得大于10，以满足支撑方钢12具有足够的抗偏心受力能力。

本发明利用支撑方钢12对副梁4进行临时支撑，在多次直剪试验的重复装卸料过程中，仅需对主梁1进行拆卸，而不必对整个机构进行重复性的拆卸。

且利用第二支墩15作为主梁1的临时支撑结构，利用和支撑方钢12作为副梁4的临时支撑结构，确保主梁1与副梁4之间保留可调的装卸空间，方便主梁1的拆卸和安装。

本实施例的现场直剪竖向加载装置的加载方法，具体包括以下步骤：

当完成大型载荷试验后，采用以下步骤完成直剪试验。

步骤T1、将直剪试验竖向加载结构放置于满足要求试验场地的预定位置上，按照试验要求在剪切盒内装入试验料并夯实到预定密度，再依次安装垫板8、千斤顶7和力传感器16；

步骤T2、将支撑方钢12穿过转接板3的中间方孔，并放置于反力混凝土桩5顶部，支撑方钢12用于对副梁4进行临时支撑，反力混凝土桩5顶部和支撑方钢12底部平稳接触，支撑方钢铅直；

步骤T3、撤离副梁4方向的两个反力混凝土桩5之间的第一支墩14，并替换布置第二支墩15，第二支墩15高于第一支墩14；第二支墩15和主梁1的总高度低于支撑方钢12的顶面高度；通过枕木13调整两个第二支墩15顶部高度，在第二支墩15和枕木13的顶部安置主梁1，主梁1与直剪试验竖向加载机构不接触，且主梁1顶部高于支撑方钢12顶部；将两个副梁4的中部放置于主梁1两端部，并采用点焊将主梁1和副梁4临时固定连接，确保机构安装过程安全；

步骤T4、采用四个端部带可调螺母11的反力螺栓6穿过上顶板10的四个螺孔并与上顶板10连接成一体，并用吊车吊起，四根反力螺栓6自上而下依次穿过副梁4端部和转接板3的四个螺孔，调整上顶板10和反力螺栓6位置，直至上顶板10架在副梁4端部的正上方，并在转接板3下反力螺栓6安装可调螺母11，可调螺母11不拧紧至转接板3底部，为反力螺栓6预留上提空间；

步骤T5、启动千斤顶7，直剪试验竖向加载机构与主梁1接触，主梁1带动副梁4共同向上运动后主梁1与枕木13分离后，撤掉第二支墩15顶部的枕木13，卸载千斤顶7，主梁1和副梁4同时向下运动，副梁4与支撑方钢12接触后与主梁1分离，主梁1继续下落直至搭载于第二支墩15顶部，然后用转接板3下侧可调螺母11紧固反力螺栓6，确保副梁4和支撑方钢12体系稳定，完成直剪试验加载机构安装；

步骤T6、启动千斤顶7，直剪试验竖向加载机构与主梁1接触，主梁1运动至与副梁4接触，主梁1和副梁4同时受力，副梁4将荷载通过上顶板10、反力螺栓6和转接板3传递至土中反力混凝土桩5的反力连接钢筋2，反力混凝土桩5提供竖向的上拔力反力；千斤顶7向上提升对下部垫板8产生竖向压力作用于试验料上，实现对试验土料施加竖向荷载的目标；

步骤T7、直剪试验加载完成后，千斤顶7顶部活塞回收，主梁1和副梁4同时下落，副梁4与支撑方钢12接触，然后与主梁1脱离，主梁1继续下落至与第二支墩15接触，基于主梁1顶端和副梁4底部间的空间，将主梁1水平平移至两个第二支墩15侧方卸下，沿原方向安置于反力混凝土桩5和第二支墩15之间地面，并依次拆卸力传感器16、千斤顶7和垫板8，将剪切盒内土料清除，完成一次直剪试验；

步骤T8、在剪切盒内再次填料、压实至预定密度，放置垫板8、千斤顶7、力传感器16等直剪试验竖向加载机构，吊装主梁1至两个第二支墩15顶部，重复步骤T6～步骤T7，完成下一次直剪试验，如此往复，实现一套机构完成多次直剪试验的目标。

本发明相对传统的载荷试验和直剪试验的单独实施的反力(锚)桩加载方式，测算对比其在降低试验工作时间和经济成本、提升安全性方面的具体效益。

载荷试验对象为人工碾压土层，土层厚5m，试验场地平面规模为12*16m；大型直剪试验对象为直剪盒内填料，两者要求最大竖向荷载为1000吨，则传统的试验方式以及本发明完成试验所需的成本测算如下(只测算和竖向加载机构相关联部分)：

时间成本：

本发明的反力桩施工与传统反力锚桩的施工和混凝土养护总时间一致约为3个月；但是本发明可以同时开展直剪试验。

传统反力机构在单次试验过程中竖向反力机构在全部完成拆卸后才可以清理剪切盒内土料，然后需将竖向反力机构全部安装完成方可进行下一次直剪试验，单次需4～6天，整个直剪试验需对相同土料完成6～8次(干、湿料，3-4级压力)，总时长可达24～48天；但本发明只需进行主梁1拆卸和吊装，单次需1天，与竖向反力机构相关的吊装及拆卸时间只需6～8天，总时长为12～16天，大大缩短了总的试验周期。

经济成本：

大型载荷或直剪试验加载机构，单套机构需200万元，两种试验机构总成本可达400万元；本发明采用复合型加载机构，一套加载机构即可完成两种试验，总费用约为240万左右，大大减少了经济成本。

安全性方面：

本发明不管是加载机构本身施工还是试验进行过程中，施工和试验过程的安全都是有保障的。

由此可知，本发明利用同一套加载机构可以同时开展多工况的直剪试验和载荷试验，大大节省了试验的时间成本和经济成本，且试验的工序安排更加灵活，安全性高，尤其适用于野外综合工作条件较差的大型试验情况。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构，其特征在于：包括主梁、两个副梁、竖向连接机构和竖向加载机构；所述主梁的中部位于所述竖向加载机构的正上方；沿所述副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置支墩；所述主梁的两端阶段性安置于两个支墩上，且所述主梁两端的顶面分别与两个副梁的中部非固定接触连接；副梁的两端通过所述竖向连接机构同土中反力混凝土桩连接；

所述竖向加载机构包括受载机构和依次安装于受载机构上方的千斤顶和力传感器；所述受载机构为载荷板；

还包括贯穿转接板中间方孔的支撑方钢，支撑方钢的底部放置于反力混凝土桩顶部；

所述支墩和主梁的高度之和低于支撑方钢的顶面高度；所述支墩与主梁之间设置枕木后，所述主梁顶部高度高于支撑方钢顶部；

加载前，所述主梁与力传感器之间存在间隙；机构安装时，所述主梁的两端部分别与两个副梁的中部点焊临时连接；

所述竖向连接机构包括至下而上的反力连接钢筋、转接板、反力螺栓和上顶板；所述反力混凝土桩上的反力连接钢筋顶部焊接转接板；

两个所述副梁两端部的顶部设置上顶板；所述上顶板上开设有多个对称螺孔；所述反力螺栓自上而下依次穿过上顶板上的多个螺孔、副梁端部和转接板上的多个螺孔，并在上顶板上部和转接板下部的反力螺栓两端分别设置可调螺母。

2.根据权利要求1所述的现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构，其特征在于：所述竖向加载机构包括受载机构和依次安装于受载机构上方的垫板、千斤顶和力传感器；所述受载机构为剪切盒，剪切盒内装入有夯实至预定密度的试验料。

3.一种根据权利要求1～2任一所述的现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构的加载方法，其特征在于，利用同一套机构分别进行现场载荷试验和直剪试验，其中，载荷试验具体包括以下步骤：

S1、将载荷试验竖向加载结构放置于满足要求试验场地的预定位置上；

S2、将转接板焊接于反力混凝土桩上的反力连接钢筋顶部，并在副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置第一支墩，两个第一支墩顶部高度齐平；在两个第一支墩顶部安置主梁，主梁下部与载荷试验竖向加载机构顶端不接触，并留有预设距离；再将两个平行设置的副梁的中部放置于主梁两端部，并采用点焊将主梁和副梁临时固定连接，确保机构安装过程安全；

S3、采用四个端部带可调螺母的反力螺栓穿过上顶板的四个螺孔并与上顶板连接成一体，并用吊车吊起，四根反力螺栓自上而下依次穿过副梁端部和转接板的四个螺孔，调整上顶板和反力螺栓位置，直至上顶板架在副梁端部的正上方，并采用可调螺母在转接板下侧紧固反力螺栓，确保副梁和主梁体系稳定，完成载荷试验加载机构安装；

S4、启动千斤顶，载荷试验竖向加载机构与主梁接触连接，主梁和副梁同时受力，副梁通过竖向连接机构将荷载传递至土中的4个反力混凝土桩，反力混凝土桩提供竖向的上拔力反力，千斤顶向上提升对下部载荷板产生反作用力，载荷板再将竖向压力作用于试验土层上，即实现对试验土层施加竖向荷载的目标；

S5、完成试验后，将千斤顶活塞收回，主梁重新落回第一支墩顶部，载荷试验竖向加载机构与主梁分离；拆除转接板下侧可调螺母，依次拆除反力螺栓、上顶板、副梁、主梁和载荷试验竖向加载机构。

4.根据权利要求3所述的现场载荷和直剪试验复合型竖向加载机构的加载方法，其特征在于，利用同一套机构分别进行现场载荷试验和直剪试验，其中，直剪试验具体包括以下步骤：

T1、载荷试验完成后，将直剪试验竖向加载结构放置于满足要求试验场地的预定位置上，按照试验要求在剪切盒内装入试验料并夯实到预定密度，再依次安装垫板、千斤顶和力传感器；

T2、将支撑方钢穿过转接板的中间方孔，并放置于反力混凝土桩顶部，反力混凝土桩顶部和支撑方钢底部平稳接触，支撑方钢铅直；

T3、在副梁方向的两个反力混凝土桩之间布置第二支墩，第二支墩高于第一支墩；第二支墩和主梁的总高度低于支撑方钢的顶面高度；通过枕木调整两个第二支墩顶部高度，在第二支墩和枕木的顶部安置主梁，主梁下部与直剪试验竖向加载机构顶端不接触，且主梁顶部高于支撑方钢顶部；将两个副梁的中部放置于主梁两端部，并采用点焊将主梁和副梁临时固定连接，确保机构安装过程安全；

T4、采用四个端部带可调螺母的反力螺栓穿过上顶板的四个螺孔并与上顶板连接成一体，并用吊车吊起，四根反力螺栓自上而下依次穿过副梁端部和转接板的四个螺孔，调整上顶板和反力螺栓位置，直至上顶板架在副梁端部的正上方，并在转接板下反力螺栓安装可调螺母，可调螺母不拧紧至转接板底部，为反力螺栓预留上提空间；

T5、启动千斤顶，直剪试验竖向加载机构与主梁接触，主梁带动副梁共同向上运动，主梁与枕木分离后，撤掉第二支墩顶部的枕木，卸载千斤顶，主梁和副梁同时向下运动，副梁与支撑方钢接触后与主梁分离，主梁继续下落直至搭载于第二支墩顶部，然后用转接板下侧可调螺母紧固反力螺栓，确保副梁和支撑方钢体系稳定，完成直剪试验加载机构安装；

T6、启动千斤顶，直剪试验竖向加载机构与主梁接触，主梁运动至与副梁接触，主梁和副梁同时受力，副梁通过竖向连接机构将荷载传递至土中的4个反力混凝土桩，反力混凝土桩提供竖向的上拔力反力；千斤顶向上提升对下部垫板产生竖向压力作用于试验料上，实现对试验土料施加竖向荷载的目标；

T7、直剪试验加载完成后，千斤顶顶部活塞回收，主梁和副梁同时下落，副梁与支撑方钢接触，然后与主梁脱离，主梁继续下落至与第二支墩接触，基于主梁顶端和副梁底部间的空间，将主梁水平平移至两个第二支墩侧方卸下，沿原方向安置于反力混凝土桩和第二支墩之间地面上，并依次拆卸力传感器、千斤顶和垫板，将剪切盒内土料清除，完成一次直剪试验；

T8、在剪切盒内再次填料、压实至预定密度，放置垫板、千斤顶和力传感器等直剪试验竖向加载机构，吊装主梁至两个第二支墩顶部，重复步骤T6～步骤T7，完成下一次直剪试验，如此往复，实现一套机构完成多次直剪试验的目标。

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