CN100523395C - 可模拟地层抗力的弹性加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于试验地下结构力学性能的可模拟地层抗力的弹性加载装置，包括固定座和加载头，还有一个弹性装置，所述弹性装置包括传力杆、弹簧和加载杆，传力杆的后端与加载头相连接，传力杆的前端通过弹簧与加载杆相连接，在固定座和加载杆之间连接有位移计。本发明的加载装置和方法与现有的装置相比，由于巧妙利用了弹簧的特性，不仅可以模拟地层抗力的作用，从而更真实地反应结构在地下时的受力状态。而且，使用时，只需连续记录位移计的读数，就可以得到准确的任意时刻结构的变形和实际施加到结构上的荷载。同时由于弹性装置的隔离作用，本加载装置可以方便地对高温试验时的结构进行加载。

Description

可模拟地层抗力的弹性加载装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体地说，是涉及一种用于试验地下结构力学性能的加载装置。

背景技术

地层对地下结构而言，既是荷载的来源，同时也会对结构的变形产生约束作用(地层抗力)。具体而言，由于地层是由具有一定刚度的可以变形的土体组成的，则当地下结构由于变形，产生向土体侧的运动趋势时，结构对土体施加作用力，土体会发生压缩变形。同时，土体由于压缩变形反过来会对结构产生约束作用，约束结构的继续变形，也即地层抗力。因此，在地下工程领域，在对埋于地层中的地下结构进行力学性能试验时，需要考虑结构与地层间的相互作用(地层抗力)，以模拟地下结构实际的力学反应。

目前，进行结构试验时，通常是采用千斤顶直接加载。如图1所示，以四点加载为例，加载方法通常是利用刚性的千斤顶(包括一个固定座1和一个加载头2)从四个方向直接对地下结构进行加载，这种加载装置及加载方法在以下文献中都有记载：

[1]姚振纲，刘祖华编著.建筑结构试验.上海：同济大学出版社，1996.

[2]何英杰，张述琴，吕国梁.穿黄隧道内外衬联合受力结构模型试验研究[J].长江科学院院报，2002，增19：P64-67.

[3]王如路，宋博，王祺，郑彬.双圆盾构隧道衬砌错缝拼装整环试验及结构分析[J].地下工程与隧道，2001，(1)：P12-15，P21.

[4]王华译.隧道衬砌模型试验[J].隧道译丛，1994，(3)：P58-60.

这种加载装置和方法用于模拟地上结构的受力状态是合理的。但是，当用于模拟地下结构的受力状态时，却不能反应出地层与结构间的相互作用，不能体现地层抗力这一地下结构特有的荷载来源。总结起来，现有的加载装置和方法用于地下结构加载时存在如下缺点及不足：

(1)由于千斤顶刚度大，使得结构无法变形；同时，即使缩回千斤顶使得结构可以变形，但是结构在变形的同时却没有相应的土体抗力施加到结构上，不符合地层与土体相互作用的实际情况。

(2)不能直接对高温试验时的结构进行加载。如果用来对高温试验时的结构进行加载，则需要对千斤顶采取降温保护措施，才能保证加载的正确性，增加了试验成本和工作量。

(3)功能单一，不能同时得到加载点处结构的变形。如果需要得到加载点处结构的变形，需要额外布置测点。同时，在某些情况下，由于千斤顶与变形测点在空间位置上的干扰，使得测试变形不能实现。

(4)不能方便的得到实际施加到结构上的荷载。如果需要得到实际施加到结构上的荷载，则需要另外布置测力计，增加了试验的工作量和成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够模拟地层抗力，同时可以测量结构变形和荷载大小的加载装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可模拟地层抗力的弹性加载装置，包括固定座和加载头，还有一个弹性装置，所述弹性装置包括传力杆、弹簧和加载杆，传力杆的后端与加载头相连接，传力杆的前端通过弹簧与加载杆相连接，在固定座和加载杆之间连接有位移计。

本发明的加载装置与现有的装置相比，有如下几个方面的优点：

(1)由于在加载头与结构之间设置了弹性装置，可以模拟地层抗力的作用，从而更真实地反映结构在地下时的受力状态。同时，通过调整弹簧刚度系数可以模拟具有不同基床系数的地层与结构间的相互作用。

(2)使用时，只需连续记录位移计的读数，就可以得到准确的任意时刻结构的变形和实际作用到结构上的荷载值。

(3)由于弹性装置的隔离作用，可以方便地对高温试验时的结构进行加载。

作为上述技术方案的一种改进，所述传力杆的前端还设有一段导向杆，加载杆的中心设有导向孔与所述导向杆滑动配合，所述弹簧套在导向杆的外面。这种结构可以使传力杆与加载杆之间相互导向，保证荷载的有效传递，提高装置的稳定性。

作为上述技术方案的另一种改进，所述传力杆与加载杆之间还连接有刻度指示尺。该指示尺用以指示弹簧的变形量，利用该变形量可以方便地指示出初始荷载的大小，而无需另外布置测力计。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是利用现有加载装置对结构进行加载试验的示意图(以四点加载为例)。

图2是利用本发明加载装置对结构进行加载试验的示意图(以四点加载为例)。

图3是本发明弹性加载装置的结构示意图。

图4是利用本发明加载装置对结构进行加载、测量结构变形和荷载大小的原理图。

具体实施方式

如图3所示，本发明的弹性加载装置包括一个千斤顶，其上设有固定座1和加载头2，弹性装置由传力杆3、弹簧4和加载杆5构成，传力杆3的后端与加载头2相连接，传力杆3的前端通过弹簧4与加载杆5相连接，为了导向和便于弹簧的安装，传力杆3的前端固连一段导向杆31，加载杆5的中心设有导向孔51与所述导向杆31滑动配合，弹簧4套在导向杆31的外面并被压缩在传力杆3和加载杆5之间。在固定座1、传力杆3和加载杆5上分别固定一根固定架9，其中加载杆5和传力杆3上的两根固定架9之间连接有刻度指示尺6，用于指示弹簧4的压缩量；在固定座1和加载杆5的两根固定架9之间通过连接杆8连接有位移计7，位移计7可以显示加载杆5相对于固定座1的位移，该位移也就是结构在加载后的变形量。如图2所示，由于弹性装置的存在，使用本加载装置时，结构可以向地层侧变形，在变形的同时由于压缩弹簧而受到额外的弹簧作用力(即地层抗力)，较好的模拟了地层抗力对结构变形的约束。

为了清楚地理解本发明的弹性加载装置，下面对其作用原理和使用方法进一步说明。

假设试验中对结构需要施加的初始荷载为P₀，则为了达到这个荷载值，使千斤顶加压压缩弹簧，利用刻度指示尺6使得弹簧的初始压缩量为Δ₁₀(此时实际施加到结构上的荷载即为初始设计值P₀)：

Δ₁₀＝P₀/K                      (1)

式中，K—弹簧的刚度。

同时，由于通过压缩弹簧对结构施加了初始荷载P₀，则该荷载引起的结构的初始变形为Δ₂₀，Δ₂₀可以由下式求得：

Δ₂₀＝U₁-U₁₀                     (2)

式中，U₁—当通过压缩弹簧对结构施加了荷载P₀时位移计7的读数；U₁₀—位移计7的初始读数。其中，U₁，U₁₀可以由位移计7连续的数据记录得到。

同时，如附图4所示，在试验过程中，任何时刻结构的变形Δ₂均可以由位移计7测得。

当测得了任意时刻结构的变形Δ₂后，根据弹簧的初始变形A₁₀、结构的初始变形Δ₂₀可以方便的得到任意时刻弹簧的变形Δ₁：

Δ₁＝Δ₁₀-(Δ₂-Δ₂₀)                (3)

式中，Δ₁—任意时刻弹簧的变形；Δ₂—任意时刻结构的变形。

根据式(3)，则可求得任意时刻的弹簧弹力P(即实际作用在结构上的荷载)：

P＝KΔ₁＝K(Δ₁₀-(Δ₂-Δ₂₀))＝K(Δ₁₀+Δ₂₀-Δ₂)           (4)

式中，P—任意时刻的弹簧弹力(即实际作用在结构上的荷载)。

根据公式(4)，试验中，当结构有向地层侧变形的趋势时，通过压缩弹簧，可以向地层侧产生变形增量(Δ₂₀-Δ₂)；同时，由于结构压缩弹簧，使得弹簧产生压缩增量δ＝Δ₂₀-Δ₂，该压缩增量使得弹簧产生弹力增量δP＝Kδ＝K(Δ₂₀-Δ₂)作用在结构上，该力即为基于文克尔假定的地层抗力。这样就模拟了地层与结构间的相互作用，体现了地层抗力的作用。

同时，试验中，可以借助位移计7实时测得结构任意时刻的变形Δ₂；并根据测得的结构变形Δ₂和已知的弹簧初始压缩量Δ₁₀、结构初始变形Δ₂₀，代入式(4)得到任意时刻弹簧的实际弹力(也即作用在结构上的实际荷载)。

本加载装置的使用方法为：根据需要模拟的地层的基床系数，选定合适的弹簧刚度K。借助刻度指示尺6的指示，压缩弹簧4使得弹簧弹力达到试验中需要施加的荷载。在加载过程中，连续记录位移计7的读数(包括初始读数U₁₀)。这样，不仅得到了任意时刻结构的变形，同时，根据公式(4)可以求得任意时刻弹簧的实际弹力(也即作用在结构上的实际荷载)。实际使用中，各测量值均以图4中所示的方向为正；当实际变形方向与图4中所示方向相反时，则以负数代入。

Claims (3)

1.一种可模拟地层抗力的弹性加载装置，包括固定座(1)和加载头(2)，其特征是：还包括一个弹性装置，所述弹性装置包括传力杆(3)、弹簧(4)和加载杆(5)，传力杆(3)的后端与加载头(2)相连接，传力杆(3)的前端通过弹簧(4)与加载杆(5)相连接，在固定座(1)和加载杆(5)之间连接有位移计(7)。

2.根据权利要求1所述的可模拟地层抗力的弹性加载装置，其特征是：所述传力杆(3)的前端还设有一段导向杆(31)，加载杆(5)的中心设有导向孔(51)与所述导向杆(31)滑动配合，所述弹簧(4)套在导向杆(31)的外面。

3.根据权利要求1或2所述的可模拟地层抗力的弹性加载装置，其特征是：所述传力杆(3)与加载杆(5)之间还连接有刻度指示尺(6)。

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