CN115977174B - 一种地基基础模型多向加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地基基础模型多向加载试验装置及方法，该装置包括模型箱、竖直面加载系统、水平面加载系统和加载控制系统；试验时，在模型箱中铺填土体至指定高度，并通过埋入或压入方式将地基基础模型设置在土体中，随后分别调整竖直面及水平面加载系统中伺服电缸的加载点位置与空间角度，使其能按照预定方向对地基基础模型进行加载，最后通过加载控制系统启动竖直面及水平面加载系统中的伺服电缸，实现对地基基础模型的多点多方向加载，直至达到试验终止条件。本发明具有不同平面多方向、多加载点特征，通用性强，能够适用于各种类型传统地基基础及新型地基基础物理模型试验研究，具有较好的推广应用前景。

Description

一种地基基础模型多向加载试验装置及方法

技术领域

本发明涉及地基基础模型承载性能试验，具体涉及一种地基基础模型多向加载试验装置及方法。

背景技术

地基基础模型试验研究是揭示各类型地基基础，特别是新型地基基础承载性能的重要手段之一。传统的地基基础模型试验装置一般主要由模型箱、反力架、滑轮组、千斤顶或砝码盘等构成，对于常规的水平向加载或竖向压载试验具有较好的适应性。但是，对于具有倾斜加载角度、不同平面多点加载、以及多点多向往复推拉加载要求的试验而言，传统试验装置需进行大量改造且不具有通用性，极大地限制了不同类型地基基础模型、不同加载类型试验的开展。

随着我国新城市集群发展、公路铁路桥梁等基础设施兴建，以及海上风电等海洋新能源的开发利用，传统地基基础精细化设计与新型地基基础应用已呈常态化。传统的地基基础模型试验装置已难以胜任上述要求的物模承载性能试验要求。

鉴于此，有必要提出一种通用性好的地基基础模型多向加载试验装置，以能够在实施地基基础承载性能试验过程中，尽可能地还原实际荷载作用工况，同时能够广泛适用于各类型地基基础物模试验研究需求。这对地基基础承载性能优化及新型地基基础的设计具有十分重要的科学意义与工程应用价值。

发明内容

发明目的：本发明针对传统地基基础模型试验装置存在的通用性不强、多点多向载荷模拟加载功能不足等缺陷，提供一种地基基础模型多向加载试验装置及方法。

技术方案：本发明第一方面提供一种地基基础模型多向加载试验装置，包括模型箱，还包括加载控制系统，模型箱顶部设有竖直面加载系统，模型箱侧面设有水平面加载系统；

竖直面加载系统包括伺服电缸、底座平台、支撑钢架、旋转反力架和压力传感器，底座平台固定在模型箱顶部，支撑钢架固定在底座平台上，竖直面加载系统的伺服电缸固定在竖直面加载系统的旋转反力架上，竖直面加载系统的旋转反力架可转动地固定在支撑钢架的竖直板上，实现竖直面加载系统的伺服电缸在竖直面内的加载角度可调节；

水平面加载系统包括伺服电缸、T形升降平台、旋转反力架和压力传感器，水平面加载系统的伺服电缸固定在水平面加载系统的旋转反力架上，T形升降平台设置在模型箱侧面，水平面加载系统的旋转反力架可转动地固定在T形升降平台顶部，实现水平面加载系统的伺服电缸在水平面内的加载角度可调节；

压力传感器一端与对应的伺服电缸导杆顶部连接，另一端与地基基础模型上的连接点连接；

加载控制系统用于控制竖直面加载系统和水平面加载系统中的伺服电缸动作，并通过压力传感器实现试验过程中荷载监测。

进一步地，旋转反力架呈“L”型，主要由一块预留孔洞的加载设备固定板和一块设置一对对称布置半圆弧镂空的底座板垂直拼接而成；伺服电缸导杆穿过加载设备固定板的预留孔洞并与之固定连接，底座板在对称半圆弧镂空处及其圆心处，分别通过螺栓与T形升降平台或支撑钢架的竖直板连接。

进一步地，模型箱顶部设有一对定位垫板，定位垫板上沿长度方向设有多个螺纹孔，底座平台通过螺栓固定在所述一对定位垫板上，且位置可调。

进一步地，底座平台上沿长度方向设有多个螺纹孔，支撑钢架通过螺栓固定在底座平台上，且位置可调。

进一步地，模型箱侧面固定有水平向的导轨，导轨上滑动设置有悬挂连接板，T形升降平台固定在悬挂连接板上。

进一步地，T形升降平台在悬挂连接板上的固定高度可调节。

进一步地，模型箱一侧安装刻有高度标识线的内侧壁透明挡板，用于实现可视化监测。

进一步地，模型箱上设有侧壁清土门洞，该侧壁清土门洞通过抽拉式挡板或外开式铰链门封闭。

本发明第二方面提供一种地基基础模型多向加载试验方法，采用上述的地基基础模型多向加载试验装置，包括如下步骤：

(1)将试验土体装入模型箱中，并通过埋入或压入方式将地基基础模型设置在土体中；

(2)根据地基基础模型加载点位置，调节底座平台在定位垫板上的位置，使竖直面加载系统中的伺服电缸的竖直投影与地基基础模型在同一个竖直面上，并通过螺栓固定底座平台；

(3)根据试验加载角度要求，调节竖直面加载系统中的旋转反力架的旋转角度，并通过螺栓将旋转反力架的底座板固定；

(4)根据地基基础模型的加载点要求，调节支撑钢架在底座平台上的位置，使竖直面加载系统中的伺服电缸的导杆与地基基础模型加载点接触，并通过螺栓将支撑钢架固定在底座平台上；

(5)当地基基础模型存在第2个加载点或需要施加扭矩力时，根据第2个加载点高度与角度要求，调节T形升降平台上下左右的位置，最后调节水平面加载系统的旋转反力架的旋转角度并固定好旋转反力架；

(6)将竖直面加载系统中的压力传感器和水平面加载系统中的压力传感器分别与地基基础模型上的连接点连接；

(7)通过加载控制系统对各伺服电缸发出加载命令，并实时采集各伺服电缸和各压力传感器的数据，直至达到试验终止条件并终止加载。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

竖直面加载系统可以实现地基基础模型在垂直平面内推拉加载角度变换；水平面加载系统可以实现地基基础模型在水平面内集中力加载以及垂直轴扭矩力加载时变换角度；当竖直面加载系统与水平面加载系统联合时，可以实现空间多角度、两个加载点、集中力与扭矩力等复合加载工况；通过控制系统实现各种类型地基基础物理模型的单向/双向、单次/多次推拉加载与数据采集。

本发明提出的地基基础模型多向加载试验装置具有较好的通用性，能够适用于各种类型传统地基基础及新型地基基础物理模型试验研究，具有较好的推广应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是地基基础模型多向加载试验装置的结构示意图；

图2是模型箱的正视图；

图3是模型箱的右视图；

图4是模型箱的左视图；

图5是图1的俯视图；

图6是竖直面加载系统的结构示意图，其中图6中的(a)为正视图，图6中的(b)为左视图；

图7是旋转反力架的结构示意图；

图8是水平面加载系统的结构示意图；

图9是图1的左视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种地基基础模型多向加载试验装置，包括模型箱1、竖直面加载系统2、水平面加载系统3和加载控制系统4。

结合图2至图5，模型箱1包括模型箱框架10、内侧壁钢板11、内侧壁透明挡板12、排水底板13、侧壁清土门洞14、定位垫板15、悬挂托架16、导轨固定底板17、滑轨装置18和悬挂连接板19。

模型箱框架10包括由4根立柱100、4根底部横梁101和4根顶部横梁102拼接成的框架，框架整体呈长方体或立方体。

为进一步保证试验状态下模型箱框架10的整体稳定性，在模型箱框架10的每个侧面内先设置1道与两侧立柱100搭接的水平梁103，随后设置2道与底部横梁101、顶部横梁102及水平梁103搭接的竖直梁104，进而交错形成模型箱框架10侧面的加强格栅。

如图2所示，在模型箱框架10中选择一个外侧面作为试验过程可视化窗口，该侧面的加强格栅中的水平梁103与底部横梁101之间的高度控制在立柱100长度的1/4～1/3；该侧面的加强格栅中的2道竖直梁104分别与相邻的立柱100之间的距离控制在水平梁103长度的1/6～1/4；最后，在该侧面内安装刻有高度标识线的内侧壁透明挡板12，用于试验过程监测。

如图3和图4所示，模型箱框架10中剩余三个外侧面的加强格栅中，水平梁103位于立柱100中点处、2道竖直梁104分别位于水平梁103三等分点位置处；最后，在三个侧面中任意两个侧面内分别安装面积能完全覆盖该侧面的内侧壁钢板11。剩余最后一个侧面内安装相同的内侧壁钢板11，但在其下端处预留一个长方形孔洞，用于安装侧壁清土门洞14，该侧壁清土门洞14可为用抽拉式挡板或外开式铰链门。

如图5所示，模型箱框架10顶部敞开，底部安装一块排水底板13，该排水底板13上设置一系列孔洞，孔洞为圆形，直径2mm，相邻孔洞间距不小于10cm。

上述立柱100、底部横梁101、顶部横梁102、水平梁103及竖直梁104采用截面尺寸相同的方形钢管；内侧壁透明挡板12采用透明的钢化玻璃或有机玻璃，高度标识线的间距为10cm。

如图3至图5所示，2块定位垫板15为长、宽尺寸分别与横梁102等长等宽的钢板，定位垫板15表面预设一系列螺纹孔，用于螺栓连接固定竖直面加载系统2，定位垫板15底面与两根平行于内侧壁透明挡板12的顶部横梁102相连接。

如图4所示，在2个立柱100、2个竖直梁104的外侧焊接8个相同长度的短柱，并将这些短柱顶部纵横连接构成悬挂托架16。该悬挂托架16表面覆盖一层导轨固定底板17。在该导轨固定底板17上下两侧边缘处安装两条导轨180，该导轨180的长度略大于导轨固定底板17的长度，每条导轨安装2组导轨滑轮181，进而构成滑轨装置18。最后，在4个导轨滑轮181上共同固定一块悬挂连接板19，该悬挂连接板19中间部位预设3行3列布置的共9个螺栓孔，用于通过螺栓连接固定水平面加载系统3。

结合图5和图6，竖直面加载系统2包括伺服电缸20、底座平台21、支撑钢架22、旋转反力架23和压力传感器24。

底座平台21由一块中间设有两列纵向分布螺栓孔的平台主板210和两块位于其纵向边缘侧的翼板211拼接而成；平台主板210、翼板211均与顶部横梁102长度一致，且平台主板210和翼板211均采用厚度至少1cm以上的Q345钢板制作，翼板211主要起加劲抗失稳作用。平台主板210中间的两列纵向分布的螺栓孔分别位于平台主板断面四分之一等分点处，分列布置的螺栓孔主要用于固定支撑钢架22。底座平台21以平行于悬挂托架16方向横跨模型箱1，并分别与2块定位垫板15通过螺栓固定连接。

如图6中的(a)所示，支撑钢架22由一块水平板220与一块竖直板221在边缘处相垂直拼接呈“L”型，且在水平板220、竖直板221两侧外边缘处各连接一块三角形加强肋板222进而形成一个整体；水平板220位于底座平台21两侧翼板211以内，并通过螺栓与平台主板210中任意位置预留的螺栓孔连接，实现支撑钢架22在底座平台21纵向移动与固定。支撑钢架22的竖直板221上预设至少3个螺栓孔位，用于通过螺栓连接固定旋转反力架23。

如图6所示，旋转反力架23由一块加载设备固定板230与一块底座板231在边缘处相垂直拼接呈“L”型，并在加载设备固定板230、底座板231两侧外边缘处各连接一块三角形加强肋板232进而形成一个整体；加载设备固定板230上预留一个能穿过伺服电缸20导杆的孔洞，受伺服电缸20的截面尺寸影响，加载设备固定板230的尺寸及其所预留孔洞的尺寸以能安装固定伺服电缸20为准。

结合图7，底座板231为中间设置一对对称布置半圆弧镂空的钢板，圆弧镂空的间隙略大于所选螺栓直径即可，对称布置半圆弧的圆心处设置一个螺栓孔，用于通过螺栓将底座板231与支撑钢架22中的竖直板221固定连接。使用时，先将旋转反力架23旋转至所需角度并将圆心处的螺栓固定紧，随后在两个半圆弧镂空处安装至少一对螺栓与支撑钢架22中竖直板221连接并固定紧，进而实现竖直面加载系统2中伺服电缸20在竖直面内的加载角度调节和固定。

如图8所示，水平面加载系统3包括伺服电缸20、T形升降平台30、旋转反力架23、压力传感器24。

T形升降平台30由一块带三道沟槽的竖向板301在一块水平板300的中间位置呈“T”型垂直拼接，且在“T”型结构左侧的水平板300、竖向板301的两个外边缘处各连接一块三角形加强肋板302进而形成一个整体；水平面加载系统3中旋转反力架23的底座板231与T形升降平台30的水平板300连接，其余安装、旋转及固定等步骤与竖直面加载系统中旋转反力架23操作方式一致，在此不做赘述。从而，可实现水平面加载系统3中伺服电缸20在水平面内的加载角度调节和固定。

结合图9，竖向板301根据高度需求进行调节，并通过穿过沟槽的3列共9根螺栓与模型箱1中的悬挂连接板19固定连接，进而实现T形升降平台30上、下高度的调节与固定。同时，还可以进一步根据加载位置需求，将T形升降平台30沿滑轨装置18的轨道方向自由移动。

加载控制系统4由数据传输线40、数据采集与电气控制集成设备41和系统控制终端设备42组成；通过数据连接线40连接伺服电缸20、压力传感器24、数据采集与电气控制集成设备41和系统控制终端设备42。数据采集与电气控制集成设备41由PLC控制器、漏电保护装置等构成，主要功能在于采集伺服电缸20位移行程及压力传感器24反馈值，以及提供漏电防护。系统控制终端设备42一般由安装控制软件系统的电脑构成，其作用在于控制伺服电缸20荷载输出方式以及存储数据采集与电气控制集成设备41采集的数据。压力传感器24一端与对应伺服电缸20的导杆顶部连接，另一端与地基基础模型上的连接点连接，实现试验过程中荷载监测。

实施前，先通过数据传输线40，将竖直面加载系统2中的伺服电缸20及压力传感器24，和水平面加载系统3中的伺服电缸20及压力传感器24，分别与数据采集与电气控制集成设备41连接，随后通过数据传输线40继续将数据采集与电气控制集成设备41与系统控制终端设备42连接；最终实施时，通过系统控制终端设备42进行加载全过程控制以及数据的采集和存储。

本申请实施例还提供一种地基基础模型多向加载试验方法，采用上述的地基基础模型多向加载试验装置，该多向加载试验方法包括如下步骤：

(1)在模型箱1中铺填土体至指定高度，通过埋入或压入方式将地基基础模型设置在土体中；

(2)根据地基基础模型加载点位置，调节顶部的底座平台21在定位垫板15上的位置，使竖直面加载系统2中伺服电缸20的竖直投影与地基基础模型在同一个竖直面上，并通过螺栓固定底座平台21；

(3)根据试验加载角度要求，调节竖直面加载系统2中旋转反力架23的旋转角度并通过螺栓将旋转反力架23的底座板231固定；

(4)根据地基基础模型的加载点要求，调节支撑钢架22在底座平台21上的位置，使竖直面加载系统2中伺服电缸20的导杆与地基基础模型加载点接触，并通过螺栓将支撑钢架22固定在底座平台21上；

(5)当地基基础模型存在第2个加载点或需要施加扭矩力时，根据第2个加载点高度与角度要求，调节T形升降平台30上下左右的位置，最后调节水平面加载系统3的旋转反力架23旋转角度并固定好；

(6)将竖直面加载系统2中的压力传感器24及水平面加载系统3中的压力传感器24分别与地基基础模型上的连接点连接；

(7)通过系统控制端终端设备42对各伺服电缸20发出加载命令，并根据数据采集与电气控制集成设备41实时采集伺服电缸20、压力传感器24的数据，直至达到试验终止条件并终止加载。

本发明通过调整竖直面及水平面加载系统中伺服电缸的加载点位置与空间角度，使其能按照预定方向对地基基础模型进行加载，通过加载控制系统启动竖直面及水平面加载系统中的伺服电缸，实现对地基基础模型的多点多方向加载，直至达到试验终止条件。整个加载过程中，加载控制系统实时采集不同加载点的推力与位移数据，进而得到地基基础模型的整体承载力情况。

本申请实施例提供的地基基础模型多向加载试验装置及方法能够实现不同高度加载点、不同加载倾斜角度等荷载作用工况需求的地基基础物理模型承载性能试验。具体而言，与其他地基基础模型试验装置相比，多向加载试验装置中的竖直面加载系统可以实现地基基础模型在垂直平面内0～180°的任意角度推拉加载；水平面加载系统可以实现地基基础模型在水平面内的±60°集中力加载以及垂直轴扭矩力施加；当竖直面加载系统与水平面加载系统联合时，可以实现空间多角度、两个加载点、集中力与扭矩力等复合加载工况，最后通过控制系统实现各种类型地基基础物理模型的单向/双向、单次/多次推拉加载与数据采集。

本申请实施例提供的地基基础模型多向加载试验装置具有较好的通用性，可以适用于各种类型传统地基基础及新型地基基础物理模型试验研究(如浅基础、桩基础等)，具有较好的推广应用前景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种地基基础模型多向加载试验装置，包括模型箱，其特征在于，还包括加载控制系统，模型箱顶部设有用于实现地基基础模型在垂直平面内推拉加载的竖直面加载系统，模型箱侧面设有用于实现地基基础模型在水平面内集中力加载以及垂直轴扭矩力加载的水平面加载系统；

竖直面加载系统包括伺服电缸、底座平台、支撑钢架、旋转反力架和压力传感器，底座平台固定在模型箱顶部，支撑钢架固定在底座平台上，竖直面加载系统的伺服电缸固定在竖直面加载系统的旋转反力架上，竖直面加载系统的旋转反力架可转动地固定在支撑钢架的竖直板上，实现竖直面加载系统的伺服电缸在竖直面内的加载角度可调节；

水平面加载系统包括伺服电缸、T形升降平台、旋转反力架和压力传感器，水平面加载系统的伺服电缸固定在水平面加载系统的旋转反力架上，T形升降平台设置在模型箱侧面，水平面加载系统的旋转反力架可转动地固定在T形升降平台顶部，实现水平面加载系统的伺服电缸在水平面内的加载角度可调节；

压力传感器一端与对应的伺服电缸导杆顶部连接，另一端与地基基础模型上的连接点连接；

加载控制系统用于控制竖直面加载系统和水平面加载系统中的伺服电缸动作，并通过压力传感器实现试验过程中荷载监测；

当竖直面加载系统与水平面加载系统联合时，实现复合加载工况，包括空间多角度、两个加载点、集中力与扭矩力；

旋转反力架呈“L”型，由一块预留孔洞的加载设备固定板和一块设置一对对称布置半圆弧镂空的底座板垂直拼接而成；伺服电缸导杆穿过加载设备固定板的预留孔洞并与之固定连接，底座板在对称半圆弧镂空处及其圆心处，分别通过螺栓与T形升降平台或支撑钢架的竖直板连接；

模型箱顶部设有一对定位垫板，定位垫板上沿长度方向设有多个螺纹孔，底座平台通过螺栓固定在所述一对定位垫板上，且位置可调；底座平台上沿长度方向设有多个螺纹孔，支撑钢架通过螺栓固定在底座平台上，且位置可调；

模型箱侧面固定有水平向的导轨，导轨上滑动设置有悬挂连接板，T形升降平台固定在悬挂连接板上；T形升降平台在悬挂连接板上的固定高度可调节。

2.根据权利要求1所述的地基基础模型多向加载试验装置，其特征在于，模型箱一侧安装刻有高度标识线的内侧壁透明挡板，用于实现可视化监测。

3.根据权利要求1所述的地基基础模型多向加载试验装置，其特征在于，模型箱上设有侧壁清土门洞，该侧壁清土门洞通过抽拉式挡板或外开式铰链门封闭。

4.一种地基基础模型多向加载试验方法，采用权利要求1所述的地基基础模型多向加载试验装置，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将试验土体装入模型箱中，并通过埋入或压入方式将地基基础模型设置在土体中；

(2)根据地基基础模型加载点位置，调节底座平台在定位垫板上的位置，使竖直面加载系统中的伺服电缸的竖直投影与地基基础模型在同一个竖直面上，并通过螺栓固定底座平台；

(3)根据试验加载角度要求，调节竖直面加载系统中的旋转反力架的旋转角度，并通过螺栓将旋转反力架的底座板固定；

(4)根据地基基础模型的加载点要求，调节支撑钢架在底座平台上的位置，使竖直面加载系统中的伺服电缸的导杆与地基基础模型加载点接触，并通过螺栓将支撑钢架固定在底座平台上；

(5)当地基基础模型存在第2个加载点或需要施加扭矩力时，根据第2个加载点高度与角度要求，调节T形升降平台上下左右的位置，最后调节水平面加载系统的旋转反力架的旋转角度并固定好旋转反力架；

(6)将竖直面加载系统中的压力传感器和水平面加载系统中的压力传感器分别与地基基础模型上的连接点连接；

(7)通过加载控制系统对各伺服电缸发出加载命令，并实时采集各伺服电缸和各压力传感器的数据，直至达到试验终止条件并终止加载。