試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統及模擬方法
2023-08-10 22:07:51 3
專利名稱：試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統及模擬方法
技術領域：
本發明涉及的是試驗室內對大比例堆載的土介質進行水平向加載來模擬現實中土介質的壓力分層分布情況的加載系統及模擬方法。
背景技術：
在土木工程建設的過程中，常常要對土介質中的壓力分布進行研究，許多工程上需要解決的問題都與土層中的壓力分布有關，例如邊坡穩定問題、樁土間相互作用問題以及樁基承載力問題等。但是目前常見的研究手段為通過小比例模型試驗來進行研究，但是當模擬的對象存在土介質時，重力成為一個比較難以模擬的物理量，而重力又是導致土體與結構受力變形和破壞的一個基本因素，其固結沉降、對結構的側向土壓力等都是直接由重力產生的。這在小比例的模型試驗中很難模擬，這就需要大比例的土介質作為試驗對象，並對大比例巖土層施加荷載進行土壓力模擬。目前國內關於土壓力加載常見的是小比例的模型試驗加載土壓力，尚未見到對大比例巖土介質進行土壓力模擬加載。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於提供一套在試驗室內對大比例堆載的土介質進行水平向加載來模擬現實中土介質中的壓力分層分布情況的加載系統及模擬方法。為了解決上述問題，本發明提供了一種試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，所述加載系統安裝在一試驗坑內，所述試驗坑內設有試驗土，所述加載系統包括加載作動器，所述加載作動器的一端安裝在作動器安裝底座上，所述作動器安裝底座安裝在所述試驗坑的牆上，所述加載作動器沿豎直方向多層分布，每層加載作動器為沿水平方向均勻分布的多個，所述加載作動器的另一端通過傳力杆與可前後運動的水平加載梁的後側連接，所述水平加載梁沿豎直方向多層分布形成土壓力加載面，所述水平加載梁的層數和加載作動器的層數相同，均與試驗土中的各土層相對應，所述水平加載梁的前方為所述試驗土。優選地，所述試驗坑為一矩形試驗坑，所述作動器安裝底座安裝在所述試驗坑的短邊牆上。優選地，還包括側面安裝滑槽和底面安裝滑槽，所述土壓力加載面可沿側面安裝滑槽和底面安裝滑槽前後運動。優選地，還包括導向裝置，所述導向裝置安裝在水平加載梁的後側，所述導向裝置包括導軌和導向塊，所述導向塊和導軌相對滑動。優選地，所述水平加載梁的後方設有帶孔牆體，所述傳力杆穿過帶孔牆體與水平加載梁相連接。
本發明還提供了一種試驗室內對被動土壓力進行模擬的加載方法，其包括以下步驟I)在試驗坑內堆載需要模擬的試驗土，在堆載過程中，保證土壓力加載面的位置不被試驗土推動；2)在所述試驗土堆載完成後，在需要模擬的一個土層上設置壓力傳感器，所述土層對應的加載作動器逐漸增加荷載，使得所述土層對應的加載梁向前運動推動所述土層，直至所述土層變形過大而破壞；3)通過所述壓力傳感器獲得該土層破壞時的被動土壓力；4)返回步驟I)，重複步驟I)至3)，獲得需要模擬的另一個土層破壞時的被動土壓力。優選地，在步驟I)中，所述土壓力加載面後方設有牛腿和支撐牆，對土壓力加載面提供支撐，以保證土壓力加載面的位置不被試驗土推動。優選地，在步驟I)中，在堆載過程中，通過逐漸增加加載作動器的荷載以保證土壓力加載面的位置不被試驗土推動。本發明還提供了一種試驗室內對主動土壓力進行模擬的加載方法，其包括以下步驟I)將加載作動器推出一定距離，然後在試驗坑內逐步堆載需要模擬的試驗土，在堆載過程中，逐漸增加各層加載作動器的荷載以保證土壓力加載面的位置不被土層推動；2)在所述試驗土堆載完成後，在需要模擬的一個土層上設置壓力傳感器，所述土層對應的加載作動器逐漸減少荷載，使得所述土層對應的加載梁被所述土層向後推動，直至所述土層變形過大而破壞；3)通過所述壓力傳感器獲得該土層破壞時主動土壓力；4)返回步驟1)，重複步驟I)至3)，獲得需要模擬的另一個土層破壞時的主動土壓力。本發明提供的試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統及模擬方法，將大比例的土介質作為試驗對象，並對大比例巖土層施加荷載進行模擬，可獲得試驗土中每個土層的被動土壓力和主動土壓力，其模擬結果更加接近現實中大比例土介質中土層壓力的真實情況。
圖I為本發明加載系統的立體結構示意圖。圖2為圖I的俯視圖。圖3為本發明去除試驗坑牆體後的系統側視圖。圖4為本發明未放置碼頭結構和試驗土時剖開側面牆體後的軸視圖。圖5為本發明中導向裝置的示意圖。圖6為本發明包括帶孔牆體的加載系統的結構示意圖。
具體實施例方式如圖I、圖2、圖3和圖4所示的試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，該加載系統安裝在一長15m、寬10m、深7m的矩形試驗坑I內，矩形試驗坑I內設有試驗土 2,加載系統包括加載作動器3，用來施加載荷，加載作動器3的一端安裝在作動器安裝底座4上，作動器安裝底座4安裝在矩形試驗坑I的短邊牆上，加載作動器3沿豎直方向多層分布，用來模擬試驗土中各土層的土壓力分布，每層加載作動器為沿水平方向均勻分布的多個，加載作動器3的另一端通過傳力杆5與可前後運動的水平加載梁6的後側連接，水平加載梁6沿豎直方向多層分布形成土壓力加載面7，水平加載梁6的層數和加載作動器3的層數相同，均與試驗土 2中的各土層相對應，水平加載梁6的前方為試驗土 2。
較優地，如圖6所示，該系統的水平加載梁6的後方設有帶孔牆體14，傳力杆5穿過帶孔牆體14與水平加載梁6相連接，帶孔牆體14可阻隔試驗坑I內的水進入作動器區域。由於試驗土中的各土層受到的壓力若大於其破壞時的被動土壓力，該土層就會產生破壞，因此試驗室內模擬的土層的壓力大小，不會超過其破壞時的被動土壓力，故每層加載作動器的最大加載能力可根據每層土層破壞時的被動土壓力計算，理論上，土層破壞時的被動土壓力大小根據朗肯被動土壓力公式計算，如下Pp = γΖΚρ + 2c^K^
Kp =tg2 (45+^·)其中Z為土層深度，Y為土重度，c為土的粘聚力，爐為土的內摩擦角。該加載系統還包括側面安裝滑槽8和地面安裝滑槽9，當加載系統工作時，土壓力加載面7可沿側面安裝滑槽8和底面安裝滑槽9前後運動，對加載梁6後方的試驗土 2施加荷載，來模擬現場各土層受到的土壓力。如圖I、圖2和圖5所示，為保證多層設計的加載梁6在前後運動的過程中，上下層之間加載梁6不會因受力不均而發生轉動和偏移，在加載梁6的後側安裝導向裝置10，導向裝置10包括導軌11和導向塊12，導向塊12和導軌11相對滑動。利用以上加載系統，本發明還提供了一種試驗室內對被動土壓力進行模擬的加載方法，其包括以下步驟I)在試驗坑I內堆載需要模擬的試驗土 2，在堆載過程中，土壓力加載面7後方設有牛腿和支撐牆15，對土壓力加載面7提供支撐，以保證土壓力加載面7的位置不被試驗土 2推動；或者通過逐漸增加加載作動器3的荷載以保證土壓力加載面7的位置不被試驗土 2推動；2)在試驗土 2堆載完成後，在需要模擬的一個土層上設置壓力傳感器，該土層對應的加載作動器3逐漸增加荷載，使得該土層對應的加載梁6向前運動推動該土層，直至該土層變形過大而破壞，在此過程中，土壓力加載面7對該土層產生的力就是該土層的被動土壓力；3)通過上述壓力傳感器獲得該土層破壞時的被動土壓力；4)返回步驟1)，重複步驟I)至3)，獲得需要模擬的另一個土層破壞時的被動土壓力。通過以上方法，可獲得試驗土中各土層的被動土壓力，並根據各土層對應的加載梁的位移，獲得各土層的變形量，進而研究各土層的被動土壓力與土層變形量之間的關係。利用以上加載系統，本發明還提供了一種試驗室內對主動土壓力進行模擬的加載方法，其包括以下步驟
I)將加載作動器推出一定距離，該距離必須保證各土層破壞時各層加載梁可以後退的距離，然後在試驗坑內I逐步堆載需要模擬的試驗土 2，在堆載過程中，因各土層對各層加載梁6的壓力逐漸增大，於是需逐漸增加各層加載作動器3的荷載以保證土壓力加載面7的位置不被土層推動；
2)在試驗土 2堆載完成後，在需要模擬的一個土層上設置壓力傳感器，該土層對應的加載作動器3逐漸減少荷載，使得該土層對應的加載梁6被該土層向後推動，直至該土層變形過大而破壞，在此過程中，該土層對土壓力加載面7產生的力就是該土層的主動土壓力；3)通過上述壓力傳感器獲得該土層破壞時的主動土壓力；4)返回步驟I)，重複步驟I)至3)，獲得需要模擬的另一個土層破壞時的主動土壓力。通過以上方法，可獲得各土層破壞時的主動土壓力，為相關的研究項目服務。如圖I所示，為研究碼頭結構13處的試驗土中各土層的壓力分布，進而可獲得各土層對碼頭結構的荷載及影響。
權利要求
1.一種試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，所述加載系統安裝在一試驗坑(I)內，所述試驗坑(I)內設有試驗土(2)，其特徵是所述加載系統包括加載作動器(3)，所述加載作動器(3)的一端安裝在作動器安裝底座(4)上，所述作動器安裝底座(4)安裝在所述試驗坑(I)的牆上，所述加載作動器(3)沿豎直方向多層分布，每層加載作動器為沿水平方向均勻分布的多個，所述加載作動器(3)的另一端通過傳力杆(5)與可前後運動的水平加載梁￠)的後側連接，所述水平加載梁(6)沿豎直方向多層分布形成土壓力加載面(7)，所述水平加載梁￠)的層數和加載作動器(3)的層數相同，均與試驗土(2)中的各土層相對應，所述水平加載梁￠)的前方為所述試驗土(2)。
2.根據權利要求I所述的試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，其特徵是所述試驗坑(I)為一矩形試驗坑，所述作動器安裝底座(4)安裝在所述試驗坑(I)的短邊牆上。
3.根據權利要求I所述的試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，其特徵是還包括側面安裝滑槽⑶和底面安裝滑槽(9)，所述土壓力加載面(7)可沿側面安裝滑槽⑶和底面安裝滑槽(9)前後運動。
4.根據權利要求I所述的試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，其特徵是還包括導向裝置(10)，所述導向裝置(10)安裝在水平加載梁(6)的後側，所述導向裝置(10)包括導軌(11)和導向塊(12)，所述導向塊(12)和導軌(11)相對滑動。
5.根據權利要求I所述的試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，其特徵是所述水平加載梁(6)的後方設有帶孔牆體(14)，所述傳力杆(5)穿過帶孔牆體(14)與水平加載梁(6)相連接。
6.一種試驗室內對被動土壓力進行模擬的加載方法，其特徵是包括以下步驟 1)在試驗坑(I)內堆載需要模擬的試驗土(2)，在堆載過程中，保證土壓力加載面(7)的位置不被試驗土推動； 2)在所述試驗土(2)堆載完成後，在需要模擬的一個土層上設置壓力傳感器，所述土層對應的加載作動器(3)逐漸增加荷載，使得所述土層對應的加載梁￠)向前運動推動所述土層，直至所述土層變形過大而破壞； 3)通過所述壓力傳感器獲得所述土層破壞時的被動土壓力； 4)返回步驟I)，重複步驟I)至3)，獲得需要模擬的另一個土層破壞時的被動土壓力。
7.根據權利要求6所述的試驗室內對被動土壓力進行模擬的加載方法，其特徵是在步驟I)中，所述土壓力加載面(7)後方設有牛腿和支撐牆(15)，對土壓力加載面(7)提供支撐，以保證土壓力加載面(7)的位置不被試驗土(2)推動。
8.根據權利要求6所述的試驗室內對被動土壓力進行模擬的加載方法，其特徵是在步驟I)中，在堆載過程中，通過逐漸增加加載作動器(3)的荷載以保證土壓力加載面(7)的位置不被試驗土(2)推動。
9.一種試驗室內對主動土壓力進行模擬的加載方法，其特徵是包括以下步驟 1)將加載作動器(3)推出一定距離，然後在試驗坑內(I)逐步堆載需要模擬的試驗土(2)，在堆載過程中，逐漸增加各層加載作動器(3)的荷載以保證土壓力加載面(7)的位置不被土層推動； 2)在所述試驗土(2)堆載完成後，在需要模擬的一個土層上設置壓力傳感器，所述土層對應的加載作動器(3)逐漸減少荷載，使得所述土層對應的加載梁(6)被所述土層向後推動，直至所述土層變形過大而破壞； .3)通過所述壓力傳感器獲得所述土層破壞時的主動土壓力； .4)返回步驟I)，重複步驟I)至3)，獲得需要模擬的另一個土層破壞時的主動土壓力。
全文摘要
本發明提供了一種試驗室內對土壓力進行模擬的加載系統，所述加載系統安裝在一試驗坑內，所述試驗坑內設有試驗土，所述加載系統包括加載作動器，所述加載作動器安裝在作動器安裝底座上，所述作動器安裝底座安裝在所述試驗坑的牆上，所述加載作動器沿豎直方向多層分布，每層加載作動器為沿水平方向均勻分布多個，所述加載作動器的另一端通過傳力杆與可前後運動的水平加載梁的前側連接，所述水平加載梁沿豎直方向多層分布形成土壓力加載面，所述水平加載梁的層數和加載作動器的層數相同，所述水平加載梁的後方為所述試驗土。本發明還提供了採用該加載系統對土壓力進行模擬的方法。該加載系統及方法能夠實現對大比例堆載的土介質的模擬。
文檔編號G01N3/08GK102620992SQ20121009678
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者吳鋒, 周國然, 邱松 申請人:中交上海三航科學研究院有限公司