CN215339317U - 一种模拟荷载-温度耦合作用的试验装置 - Google Patents

一种模拟荷载-温度耦合作用的试验装置 Download PDF

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Abstract

本实用新型为一种模拟荷载‑温度耦合作用的试验装置，该试验装置用于模拟荷载‑温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响，包括：具有保温控温功能的温控箱，该温控箱能够升温和降温模拟自然环境温度；荷载反力架，该荷载反力架由立柱(3)和活动横梁(4)构成，通过立柱固定在温控箱附近，活动横梁(4)的高度根据试验需求进行调节；施加荷载的伺服仪加载系统，伺服仪加载系统的伺服仪器连接荷载压力杆为温控箱内的加筋土挡墙施加荷载；用于制作加筋土挡墙的模型箱。该装置利用风控式温度控制箱，能够快速改变内部环境温度，再利用伺服仪器施加荷载，可以在室内实现开展荷载‑温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能影响的试验研究。

Description

一种模拟荷载-温度耦合作用的试验装置
技术领域
本实用新型涉及土木工程试验，尤其涉及一种模拟研究荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能影响的试验装置。
背景技术
我国季节性冻土面积超过500万km2，大部分位于北方地区。在季节性冻土地区，土体或混凝土的综合应用性能在外部环境温度长期作用下会发生显著变化，主要表现在土体的冻结-融化过程对土体及混凝土结构力学性能的影响。
目前，关于荷载-温度耦合作用对加筋土体力学性能影响的研究多是通过开展室内三轴试验实现，若仅考虑温度因素对加筋土挡墙力学性能的影响，国内外学者多是通过开展野外试验进行研究，若通过开展现场野外试验研究荷载-温度耦合作用对道路综合应用性能的影响，会消耗大量的人力、财力和物力，而对于通过开展大型室内模型试验研究荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响的相关文献还没有发现。
本实用新型的目的和意义就是能够在室内开展大型模型试验研究荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响。
实用新型内容
本实用新型目的就在于针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能影响的试验装置。本实用新型的核心创新是风控式温度控制箱，能够快速改变内部环境温度，再利用伺服仪器施加荷载，可以在室内实现开展荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能影响的试验研究。
为实现上述目的，本采用的技术方案是：
一种模拟荷载-温度耦合作用的试验装置，其特征在于：该试验装置用于模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响，包括：
具有保温控温功能的温控箱，该温控箱能够升温和降温模拟自然环境温度；
荷载反力架，该荷载反力架由立柱(3)和活动横梁(4)构成，通过立柱固定在温控箱附近，活动横梁(4)的高度根据试验需求进行调节；
施加荷载的伺服仪加载系统，伺服仪加载系统的伺服仪器连接荷载压力杆为温控箱内的加筋土挡墙施加荷载；
用于制作加筋土挡墙的模型箱。
所述温控箱整体为长方体型，包括左右的温控箱面板、前后侧面板、一个底板和一个顶板；温控箱面板(5)、侧面板、底板和顶板均进行保温处理，底板上表面沿纵向设有用于支撑模型箱的工型梁导轨(15)；温控箱顶板中间部位开有用于安装荷载压力杆及走线的开孔；温控箱后侧面板上开有风口，在风口外并排装有大功率空调设备(2)用于升温和降温调控，空调设备的出风口正对温控箱后侧面板上的风口，通过温控箱的风口向温控箱吹风改变内部温度，调节温度范围-30℃～100℃；温控箱前侧面板为隔热保温的侧门(7)，能随时打开观察内部试验情况。
温控箱外部分别设有调节温度和空调工作时间的开关。
所述模型箱整体为长方体型，尺寸小于温控箱，模型箱能完全放入到温控箱中，模型箱上部和前侧面为敞开设计，对于模型箱底板进行加固保温处理，即在模型箱底板上表面沿模型箱前后方向放置多根支撑工型梁(12)，然后在支撑工型梁之间填塞保温材料，填塞完毕后在支撑工型梁上面铺设钢板形成底部承压板(13)；
在模型箱底板加固保温处理后，对模型箱侧壁进行保温处理，即在模型箱侧壁内侧紧贴安装木框架支撑(10)，然后在木框架支撑(10)内部填塞保温材料，在木框架支撑(10)朝向模型箱内的一侧粘贴钢化玻璃(11)；
待测试的加筋土挡墙装填在上述处理后的模型箱内，在模型箱开口侧面安装用于增强模型箱侧向刚度减少侧向变形的连接横梁(14)。
模型箱底部外表面光滑与温控箱内的工型梁导轨滑动接触。
温控箱内部根据具体实验需求安装有试验测量仪器，为温度传感器、应变式微型土压力计、应变片或应变式位移计中的一种或多种，试验测量仪器的导线穿出温控箱与伺服仪数据采集系统连接，用于及时采集试验数据。
本实用新型还提供一种上述的模拟荷载-温度耦合作用的试验装置的使用方法，用于对加筋土挡墙力学性能影响试验，具体步骤是：
步骤一：加工制作好试验装置部分并检查是否能够正常使用，安装反力架并根据试验所需高度设置活动横梁高度；
步骤二：将伺服仪加载系统安装至荷载反力架，并将伺服仪加载系统中的伺服仪器、油泵和伺服仪数据采集系统三部分连接顺通，确保能够正常运行；
步骤三：将温控箱移动至荷载反力架下方，使其温控箱顶板开孔的圆心与伺服仪器的油缸圆心位于同一条线，并将荷载压力杆安装至油缸下方；
步骤四：利用叉车或其他机械工具将模型箱平放至温控箱内；
步骤五：再制作加筋土挡墙模型，加筋土挡墙模型制作完毕后根据所需高度调节荷载压力杆；
步骤六：打开油泵和伺服仪数据采集系统，启动伺服仪加载系统加载至所需荷载，并启动温控箱调节至试验所需温度和时间，根据试验方案开始试验。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型的创新之处是利用该装置可以开展室内试验有效模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响，若开展野外现场试验，需根据季节变化长期进行现场观察，试验周期至少一年，因此，利用该装置开展室内试验可缩短大量时间和人力、物力。
附图说明
图1是本实用新型试验装置的整体结构示意图。
图2(a)是本实用新型试验装置中温控箱的立体结构示意图；
图2(b)是本实用新型试验装置中温控箱的去掉侧门后的主视结构示意图。
图2(c)侧面剖面示意图。
图3是本实用新型荷载反力架的结构组成示意图。
图4是本实用新型伺服仪加载系统组成示意图。
图5(a)是本实用新型模型箱立体结构示意图；
图5(b)是本实用新型模型箱沿横向的剖面结构示意图。
图中，1温控箱，2空调设备，3立柱，4活动横梁，5温控箱面板，6圆孔，7侧门，8 荷载压力杆，9油管，10木框架支撑，11钢化玻璃，12支撑工型梁，13承压板，14连接横梁，15工型梁导轨，伺服仪器c1、油泵c2、伺服仪数据采集系统c3。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明一种模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能影响试验装置的具体实施方式。
本实用新型一种模拟荷载-温度耦合作用的试验装置，用于室内模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响，试验装置结构主要由a、b、c三部分部件所组成；所述部件a 为经过保温处理的温控箱，其升温与降温方式分别采用空调设备(2)实现升温与降温；所述部件b为由立柱(3)和活动横梁(4)组成的荷载反力架；所述部件c为施加荷载的伺服仪加载系统；所述部件d是用于制作加筋土挡墙的模型箱。
所述温控箱内部工作尺寸为2m(长)×1.1m(宽)×1.5m(高)，整体为长方体型，包括左右的温控箱面板、前后侧面板、一个底板和一个顶板；温控箱面板(5)为10cm厚的空心板，温控箱面板中间充填10cm厚泡沫(1)作为保温材料；底板也为填充有保温材料的空心板，底板上表面纵向(沿温控箱前后方向)设有间距30cm的三根工型梁导轨(15)用于支撑外部荷载，工型梁导轨尺寸2m(长)×10cm(宽)×10cm(高)；温控箱顶板也为填充有保温材料的空心板，顶板中间部位开有直径15cm的圆孔(6)用于施加荷载；温控箱后侧面板为填充有保温材料的空心板，后侧面板上开有风口，在风口外并排装有大功率空调设备(2)(空调额定功率为20kW)用于升温和降温调控，空调设备的出风口正对温控箱后侧面板上的风口，通过温控箱后上方的风口向温控箱吹风改变内部温度，可调节温度范围-30℃～100℃；温控箱前侧面板为隔热保温的侧门(7)，可随时打开观察内部试验情况。
温控箱外部分别设有调节温度和空调工作时间的开关，根据试验需求可直接使用开关即调节温度与时间；温控箱a正侧面隔热保温的侧门(7)可随时打开观察内部试验情况。
所述荷载反力架b由立柱(3)和可调节高度的活动横梁(4)组成，其中立柱(3)上面打有螺孔，试验时根据所需高度选用不同高度的螺孔，然后通过高强螺栓连接固定活动横梁(4)，活动横梁最高调节高度可达6m。
所述伺服仪加载系统c可用于施加外部荷载，由伺服仪器c1、油泵c2和伺服仪数据采集系统c3三部分组成；伺服仪器c1装有荷载压力杆(8)与温度箱顶板圆孔(6)对准便于施加荷载，荷载压力杆(8)全长60cm，其中20cm为可调节长度，荷载压力杆压缩后的最短长度为 40cm；伺服仪器c1(量程0～10t)与油泵c2(最大出油量6L/min)之间通过油管(9)连接，伺服仪器能调节其内油缸的伸缩量和压力值，其中油缸最大伸长量为45cm，油缸的末端连接荷载压力杆；温控箱内部试验测量仪器(温度传感器Pt100、应变式微型土压力计、应变片、应变式位移计(根据具体实验需求安装相应的测量仪器))的导线穿出圆孔(6)与伺服仪数据采集系统c3(静态应变采集仪DH3816和温度巡检仪)连接，用于及时采集试验数据。
所述模型箱d用于制作加筋土挡墙模型，模型箱整体为长方体型，尺寸小于温控箱，模型箱能完全放入到温控箱中，模型箱未保温处理时其内部空间尺寸为1.2m(长)×0.8m (宽)×1.1m(高)，模型箱上部和前侧面为敞开设计，方便施工，为了确保试验中外部环境温度从加筋土挡墙模型上部与挡墙侧面传递进入土体中，需对模型箱侧壁与底板进行保温处理。对于模型箱侧壁进行保温处理，即在模型箱侧壁内侧紧贴安装木框架支撑(10)，然后在木框架支撑(10)内部填塞泡沫(1)作为保温材料，试验时为了减少土体与四周侧壁摩擦作用，在木框架支撑(10)朝向模型箱内的一侧粘贴厚1cm的钢化玻璃(11)；对于模型箱底板进行加固保温处理，即在模型箱底板上表面沿模型箱前后方向先放置3根支撑工型梁(12)，尺寸为 1.0m(长)×10cm(宽)×10cm(高)，三根支撑工型梁间隔25cm平行放置，然后在支撑工型梁之间填塞泡沫(1)作为保温材料，填塞完毕后在支撑工型梁上面铺设钢板作为加筋土挡墙模型的底部承压板(13)，钢板尺寸为1.0m(长)×0.8m(宽)×0.1m(厚)；试验模型制完毕后，在模型箱开口侧面安装连接横梁(14)用于增强模型箱侧向刚度减少侧向变形。模型箱内装填待测试的加筋土挡墙，加筋土挡墙模型制作好后关闭温控箱的侧门，模型箱底部外表面光滑与温控箱内的工型梁导轨滑动接触，方便前后挪移。
本实用新型中温控箱底板也可以进行加固处理，即在底板内部设置增加荷载支撑力的多根沿温控箱左右方向的横向工型梁，横向工型梁尺寸1.1m(长)×10cm(宽)×10cm(高)，数量为三根。
图5所示是模型箱d，内部空间尺寸为1.2m(长)×0.8m(宽)×1.1m(高)，其中一侧面开口用于方便施工，为了确保试验中外部环境温度从加筋土挡墙模型上部与挡墙侧面传递进入土体中，需对模型箱侧壁与底板进行保温处理。对于模型箱侧壁，可与其紧贴安装木框架支撑(10)，然后在木框架支撑(10)之间填塞泡沫(1)作为保温材料，试验时为了减少土体与四周侧壁摩擦作用，在木框架支撑(10)外侧粘贴厚1cm的钢化玻璃(11)；对于模型箱底板，可在上面先放置3根工型梁(12)，尺寸为1.0m(长)×10cm(宽)×10cm(高)，间隔25cm平行放置，然后在工型梁中间填塞泡沫(1)作为保温材料，填塞完毕后在其上面放置钢板作为加筋土挡墙模型的底部承压板(13)，尺寸为1.0m(长)×0.8m(宽)×0.1m(厚)；
所述加筋土挡墙由墙面板、筋材和回填土构成，在试验时，先将模型箱放入温控箱合适位置后，再在模型箱内装填加筋土挡墙，墙面板位于模型箱侧面敞开一侧，现实验现制备挡墙，避免开始做好挡墙后装入温控箱过程中而出现的挡墙变形发生。加筋土挡墙装填后，形成加筋土挡墙模型，试验模型制完毕后，在模型箱开口侧面安装连接横梁(14)用于增强模型箱侧向刚度。
上述一种模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能影响的试验装置的使用方法是，试验步骤如下：
步骤一：加工制作好试验装置部分并检查是否能够正常使用，安装反力架并根据试验所需高度设置横梁高度。
步骤二：将伺服仪加载系统安装至荷载反力架，并将伺服仪器、油泵和伺服仪数据采集系统三部分连接顺通，确保能够正常运行。
步骤三：将温控箱移动至荷载反力架下方，使其温控箱顶板圆孔的圆心与伺服仪器的油缸圆心位于同一条线，并将荷载压力杆安装至油缸下方。
步骤四：利用叉车或其他机械工具将模型箱平放至温控箱的工型梁导轨上面。
步骤五：制作加筋土挡墙模型，加筋土挡墙模型制作完毕后根据所需高度调节荷载压力杆。
步骤六：打开油泵和伺服仪数据采集系统，启动伺服仪加载系统加载至所需荷载，并启动温空箱调节至试验所需温度和时间，根据试验方案开始试验。
本实用新型装置可以有效模拟外部荷载-季节温度变化耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响，利用本实用新型开展室内试验研究加筋土挡墙在荷载-季节温度变化耦合作用下的力学性能比开展野外现场试验能够节约大量财力和物力。
本实用新型中前后左右等方位词语是一个相对概念，本申请中定义模型箱进入温控箱的方向为前，安装空调设备的方向为后。
本实用新型未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种模拟荷载-温度耦合作用的试验装置，其特征在于：该试验装置用于模拟荷载-温度耦合作用对加筋土挡墙力学性能的影响，包括：
具有保温控温功能的温控箱，该温控箱能够升温和降温模拟自然环境温度；
荷载反力架，该荷载反力架由立柱(3)和活动横梁(4)构成，通过立柱固定在温控箱附近，活动横梁(4)的高度根据试验需求进行调节；
施加荷载的伺服仪加载系统，伺服仪加载系统的伺服仪器连接荷载压力杆为温控箱内的加筋土挡墙施加荷载；
用于制作加筋土挡墙的模型箱。
2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述温控箱整体为长方体型，包括左右的温控箱面板、前后侧面板、一个底板和一个顶板；温控箱面板(5)、侧面板、底板和顶板均进行保温处理，底板上表面沿纵向设有用于支撑模型箱的工型梁导轨(15)；温控箱顶板中间部位开有用于安装荷载压力杆及走线的开孔；温控箱后侧面板上开有风口，在风口外并排装有大功率空调设备(2)用于升温和降温调控，空调设备的出风口正对温控箱后侧面板上的风口，通过温控箱的风口向温控箱吹风改变内部温度，调节温度范围-30℃～100℃；温控箱前侧面板为隔热保温的侧门(7)，能随时打开观察内部试验情况。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，温控箱外部分别设有调节温度和空调工作时间的开关。
4.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于，所述模型箱整体为长方体型，尺寸小于温控箱，模型箱能完全放入到温控箱中，模型箱上部和前侧面为敞开设计。
5.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，在模型箱底板上表面沿模型箱前后方向放置多根支撑工型梁(12)，在支撑工型梁之间填塞保温材料，在支撑工型梁上面铺设钢板形成底部承压板(13)；
在模型箱侧壁内侧紧贴安装木框架支撑(10)，在木框架支撑(10)内部填塞保温材料，在木框架支撑(10)朝向模型箱内的一侧粘贴钢化玻璃(11)；
在模型箱开口侧面安装连接横梁(14)。
6.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，模型箱底部外表面光滑与温控箱内的工型梁导轨滑动接触。
7.根据权利要求4所述的试验装置，其特征在于，温控箱内部工作尺寸为长×宽×高＝2m×1.1m×1.5m，温控箱由10cm厚的填充泡沫保温材料的空心板围成，温控箱底板上表面纵向设有间距30cm的3根工型梁导轨(15)，工型梁导轨(15)尺寸为长×宽×高＝2m×10cm×10cm，利用机械工具将模型箱平放至工型梁导轨(15)；温控箱顶板中间部位开有直径15cm的圆孔(6)用于施加荷载；
模型箱未保温处理时其内部空间尺寸为长×宽×高＝1.2m×0.8m×1.1m，钢化玻璃(11)厚度为1cm，模型箱底板上面平行放置三根工型梁(12)，尺寸为长×宽×高＝1.0m×10cm×10cm，间隔25cm；底部承压板(13)尺寸为长×宽×高＝1.0m×0.8m×0.1m。
8.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，活动横梁最高调节高度为6m。
9.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述伺服仪加载系统由伺服仪器、油泵和伺服仪数据采集系统组成；伺服仪器装有荷载压力杆(8)，荷载压力杆与温度箱顶板圆孔(6)对准，荷载压力杆(8)全长60cm，其中20cm为可调节长度。
10.根据权利要求7所述的试验装置，其特征在于，温控箱内部根据具体实验需求安装有试验测量仪器，为温度传感器、应变式微型土压力计、应变片或应变式位移计中的一种或多种，试验测量仪器的导线穿出温控箱与伺服仪数据采集系统连接，用于及时采集试验数据。
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