CN110376063B - 一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置及方法，它解决了现有技术中位移施加不连续的问题，具有测量精度高，模型能实现重复使用的有益效果，其方案如下：一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，包括支架；平面应变模型槽，通过支架进行支撑，且平面应变模型槽的至少一侧面为透明，平面应变模型槽内填筑填料，结构物埋置在填料内部，结构物与连杆的一端连接；加载机构，通过支架支撑，加载机构包括能够实现上下升降运动的升降部件，升降部件与连杆的另一端之间设置应力传感器，位移传感器通过固定支架支撑；记录机构，设于平面应变槽的至少一侧，以记录平面应变槽内填料的位移变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种土***移场观测领域，特别是涉及一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置及方法。
背景技术
当埋置在土体中的结构物(如桩基、浅基础、锚索/板、输油管道等)受到外部荷载作用时，会引起结构物周围土体发生压缩或者剪切变形以抵抗外部荷载的作用。而结构物受力后调动周围土体的重量、破裂面分布形式及长度又直接决定了结构物的承载能力。因此研究结构物周围土***移场分布规律对结构物承载能力计算理论的推导和极限承载力设计计算具有重要的指导意义。
目前采用单侧透明观测窗联合数字拍照技术捕捉结构物位移场已成为较为广泛的技术手段。该方法通过在填料中分层设置有色标记带实现对破裂面轮廓的捕捉，发明人发现该方法虽然能够得到土体发生整体破坏时的破裂面，但是不能得出土体颗粒位移矢量以及层间位移状态，而且得出的破裂面形状受限于标记带层数的影响，特别是对于发生局部破坏的土体，由于土体破坏发生在结构物周围一定范围内，该方法不再适用。为了解决这一问题，采用PIV(粒子图像测速法)技术结合图片处理软件可得到土体颗粒位移矢量及破裂面形状，该方法具有精度高、后期处理简单、适用范围广等优点。但是该方法对试验过程要求较苛刻，特别是对于前后两张照片的拍摄时间间隔和位移大小，应尽量均匀一致，因此使用该方法时常采用位移法加载方式。目前有关结构拉拔试验装置常采用锚索与结构直接连接，采用这种连接方法主要是基于便于改变加载方向和节约成本考虑，但是由于锚索本身具有受拉伸长、卸载收缩的特性，因此在实际的试验过程中，难以保证位移施加的连续性，主要表现为：在初始阶段锚索受力伸长但结构物不发生位移，承载力后由于荷载降低锚索收缩引起位移剧增从而产生波浪荷载，进一步影响荷载-位移曲线变化规律以及位移场分布。此外，目前现有能模型槽只是针对某一特定结构物开展相关研究，不能具有广泛的适用性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，采用位移加载的方式，可实现变形位移的均匀施加，解决了目前位移施加不连续且测量结果精度低的技术难题，具有能够重复使用的优点。
一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置的具体方案如下：
一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，包括：
支架；
平面应变模型槽，通过支架进行支撑，且平面应变模型槽的至少一侧面为透明，平面应变模型槽内用于填筑填料，结构物埋置在填料内，结构物与连杆的一端连接；
加载机构，通过支架支撑，加载机构包括能够实现上下升降运动的升降部件，升降部件与连杆的另一端之间设置应力传感器，应力传感器的一侧设置与应力传感器接触的位移传感器，位移传感器的壳体通过支架支撑；
记录机构，设于平面应变槽的至少一侧，以记录平面应变槽内填料的位移变化。
进一步地，所述记录机构为数码相机，数码相机、所述的应力传感器和位移传感器均与数据采集计算机分别单独连接，这样应力传感器和位移传感器分别记录结构物应力和位移的变化，进而发送数据给数据采集计算机，由数据采集计算机进行记录，记录仪记录结构物周围填料位移的变化，这样由数据采集计算机通过图像处理软件获得拍摄区域填料即土体颗粒位移，可以在位移均匀施加的情况下得出土体颗粒位移变化情况。
进一步地，所述升降部件包括设于所述支架的加载电机，加载电机与减速机连接，减速机通过传动机构带动转动轴实现升降，传动机构可为齿轮传动机构，转动轴竖直穿过支架设置，加载电机通过减速机带动转动轴实现升降，进而向连杆施加位移。
进一步地，所述支架固连导轨，所述连杆为第二连杆，第一连杆穿过导轨设置，且第一连杆的一端与所述转动轴连接，第一连杆和第二连杆之间设有所述的应力传感器，导轨可靠固定于支架，且导轨中空设置用于设置第一连杆，可保证在结构物埋设和位移施加过程中与第一连杆和第二连杆及结构物的同轴，第一连杆和第二连杆均为刚性杆，以保证位移施加的均匀性。
进一步地，所述位移传感器的测量端与所述应力传感器的下表面接触，位移传感器与支撑杆的一端连接，支撑杆的另一端与所述支架连接，支撑杆高于所述平面应变模型槽设置，支撑杆具有设定的刚性，这样即使应力传感器推动位移传感器，位移传感器测量位移的数值，支撑杆也能实现对位移传感器的支撑。
进一步地，所述支架包括间隔设定距离设置固定支座，固定支座支撑相互平行的底部支撑梁和顶部反力梁，所述升降部件中的所述转动轴穿过顶部反力梁设置，顶部反力梁设置开孔，用于转动轴的穿过。
进一步地，所述平面应变模型槽透明的一侧面设有若干位移参考点，具体可通过油漆笔进行位移参考点的设置。
进一步地，所述平面应变模型槽为中空的矩形体，平面应变模型槽包括前挡板、后挡板和连接前挡板与后挡板的侧面挡土板；
其中后挡板与两侧的侧面挡土板一体件，且为U型，后挡板为L型以便于固定前挡板，这样前挡板的两侧通过两侧的侧面挡土板进行支撑，而且便于平面应变模型槽内填料的更换，前挡板材料为透明材料，优选钢化玻璃。
进一步地，所述转动轴的一端设置内孔，内孔设置内螺纹，所述第一连杆通过外螺纹与转动轴连接，所述第二连杆为两端均设有螺纹的光滑钢筋，便于与结构物或应力传感器的连接，且第二连杆的设置能够有效减小加载机构的摩阻力。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种用于受荷结构周围土***移场测量试验方法，采用所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，包括如下内容：
通过支架支撑平面应变模型槽和加载机构，并在平面应变槽的外侧设置记录机构；
向平面应变模型槽内填筑填料，到达设定高度后安装结构物和第二连杆，第二连杆的一端与结构物连接，另一端超出平面应变模型槽设置，继续填料至设计目标高度，连杆的另一端与加载机构连接，且在加载机构升降部件与连杆之间设置应力传感器和位移传感器；
加载机构带动升降部件实现升降运动，并作用于连杆和结构物，通过应力传感器记录应力变化，并通过位移传感器记录结构物的位移变化，由记录机构记录平面应变模型槽内填料发生的位移变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过拉杆与结构物之间刚性连接，可实现位移的均匀加载和控制，可有效避免锚索加载带来的位移跳跃和荷载波动，有效避免了位移场的扰动，测量结果精度高。
2)本发明通过导轨的设置，可确保在填筑和加载过程中结构物与加载转动轴的同轴，既可防止传统锚索连接时带来的结构物不规则偏转，又可保证结构物与前、后挡板的刚性紧密接触，防止加载过程产生接触缝隙进入土颗粒造成摩擦力的增大。
3)本发明通过应力传感器和位移传感器的设置，可实现位移控制加载和荷载法加载，同时加载机构可实现拉力和压力的施加，能够模拟多种结构物和试验工况，满足复杂条件的试验需求。
4)本发明通过整个试验装置的设置，结构设置合理且简单，测量数据精度高，且整体结构设置不过于复杂，通过加载机构的设置有效向连杆和结构物实现荷载加载，实现结构物位移变化，并通过应力传感器实现力的测量，同时通过位移传感器获得位移矢量的变化，并通过记录机构能够有效获得土体颗粒位移矢量变化情况。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置的示意图；
图中：1、固定支座，2、底部支撑梁，3、顶部反力梁，4、后挡板，5、前挡板，6、侧面挡土板，7、第二连杆，8、位移传感器，9、应力传感器，10、导轨，11、支撑杆，12、伺服加载电机，13、减速机，14、转动轴，15、数据采集计算机，16、数码相机，17、补光灯。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，下面结合说明书附图，对本发明做进一步的阐述。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，包括支架、平面应变模型槽、加载机构和记录机构。
支架，支架包括两侧的固定支座1，两侧的固定支座1间隔设定距离设置，通过固定支座1支撑相互平行的底部支撑梁2和顶部反力梁3，底部支撑梁2和顶部反力梁3均为加厚工字钢，二者的宽度为0.2m，长度为1.2～1.8m，顶部反力梁的最大施加反力为1t。
底部支撑梁2上部连接平面应变模型槽，底部支撑梁2的两侧通过螺栓与固定支座1连接；顶部反力梁3支撑加载机构、荷载和位移采集机构，顶部反力梁3的两侧通过螺栓连接固定支座1；固定支座1为U型钢，高度为1.8～2.5m，两侧的固定支座均设置两排多列螺丝孔，实现底部支撑梁2和顶部反力梁3的上下移动。
平面应变模型槽高度为0.6～1.2m，长度为0.8～1.2m，宽度为0.1～0.15m。平面应变模型槽包括前、后挡板和侧面挡土板6，其中前挡板为厚度0.02m钢化玻璃5，后挡板和侧面挡土板6均为钢板，前挡板设置三排位移参考点，参考点数量不少于18个。
加载机构包括伺服加载电机12、减速机13、转动轴14、导轨10和第二连杆7，加载机构的加载速率为0～5mm/min，双向行程为0.3m，可实现拉力和压力的施加，伺服加载电机12与减速机13连接，减速机13与转动轴14连接，转动轴14穿过顶部反力梁13设置，伺服加载电机12通过减速机13带动转动轴14实现转动，从而带动导轨10的移动。导轨10固定设于顶部反力梁3的下方，且导轨10为中空结构，导轨10通过螺栓与顶部反力梁3连接，第一连杆穿过导轨10设置，且第一连杆的顶端与转动轴14连接，导轨10的设置可保证在结构物埋设和位移施加过程中第一连杆与第二连杆7的同轴，第二连杆7直径为0.01m两端开丝的光滑钢筋，转动轴14的一端设置内孔，内孔设置内螺纹，第一连杆通过外螺纹与转动轴连接，第一连杆和第二连杆均可靠地与应力传感器连接。
第二连杆7的底端与设于填料中的结构物(如桩基、浅基础、锚索/板、输油管道等)刚性连接，第二连杆7顶端、导轨10的底端之间设置应力传感器9，应力传感器9为轮辐式应力传感器，在应力传感器的下方设置位移传感器8，位移传感器8为LVDT位移传感器，位移传感器8的壳体通过支撑杆11实现支撑，支撑杆的一端通过螺栓与固定支座连接，另一端与位移传感器的壳体连接，位移传感器8用于测量应力传感器产生的位移，应力传感器位移相应带动第二连杆7产生位移，并作用于平面应变模型槽内的结构物，即可通过位移传感器获得结构物的位移变化，填料可为土体。应力传感器9量程为2000N，精度为0.2N，上下两侧通过螺丝分别与导轨10和第二连杆7连接；LVDT位移传感器8量程为0.05m，精度为0.01mm。
平面应变模型槽的前挡板一侧设置记录机构，记录机构包括补光灯17和数码相机16，数码相机16分辨率不得小于4608×3072像素，数码相机16设置自动拍照红外感应器，可实现照片的定时拍摄和存储，照片采集后通过图像处理软件计算得出拍摄区域土体颗粒位移。
数码相机16、所述的应力传感器9和位移传感器8均与数据采集计算机15分别单独连接，这样由数据采集计算机15来记录数据，数据采集计算机设置图像处理软件来实现图像的处理。
实施例2
一种用于受荷结构周围土***移场测量试验方法，采用实施例1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，具体包括如下内容：
首先根据研究对象确定得出平面应变模型槽的尺寸以及底部支撑梁2和顶部反力梁3的相对高度；
将底部支撑梁2和顶部反力梁3安装在固定支座1；
将平面应变模型槽的前挡板、后挡板与两侧的侧面挡土板拼接完成之后，设置在底部支撑梁2并通过螺栓固定。前挡板5上通过油漆笔设置位移参考点；
在平面应变模型槽内填筑填料并压实，到达设定高度后安装结构物和第二连杆7，第二连杆7的一端与结构物连接，另一端超出平面应变模型槽设置，继续填料至设计目标高度；
安装加载机构，转动轴14穿过顶部反力梁3后与导轨连接，在导轨10与第二连杆7之间设置应力传感器，并通过固定支座和支撑杆支撑位移传感器，位移传感器用于测定结构物的位移；
加载机构带动转动轴14实现转动并产生位移，带动结构物产生位移，数码相机记录结构物周围土体变形前后照片，并通过应力传感器和位移传感器分别记录压力值和位移值。
通过位移传感器测量的位移值，可以获得加载机构作用于结构物的位移变化，通过应力传感器获得结构物的荷载变化，也可以获得极限位移和极限承载力，记录机构记录平面应变槽内结构物周围填料的位移变化，这样可以在位移均匀施加的情况下得出土体颗粒位移变化情况。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，包括：
支架；
平面应变模型槽，通过支架进行支撑，且平面应变模型槽的至少一侧面为透明，平面应变模型槽内用于填筑填料，结构物埋置在填料内，结构物与第二连杆的一端连接；
加载机构，通过支架支撑，加载机构包括能够实现上下升降运动的升降部件，实现对结构物拉力和压力的施加；升降部件与第二连杆的另一端之间设置应力传感器，应力传感器的一侧设置与应力传感器接触的位移传感器，位移传感器通过支架支撑，用于测量应力传感器产生的位移；竖直穿过支架设置有转动轴，支架固连导轨，穿过导轨设置有第一连杆，且第一连杆的一端与转动轴连接，第一连杆和第二连杆之间设有所述的应力传感器；所述升降部件包括设于所述支架的加载电机，加载电机与减速机连接，减速机通过传动机构带动转动轴实现升降，并最终作用于平面应变模型槽内的结构物，实现对结构物拉力和压力的施加；
记录机构，设于平面应变槽的至少一侧，以记录平面应变槽内填料的位移变化。
2.根据权利要求1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，所述记录机构为数码相机，数码相机、所述的应力传感器和位移传感器均与数据采集计算机分别单独连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，所述位移传感器的测量端与所述应力传感器的下表面接触，位移传感器的壳体与支撑杆的一端连接，支撑杆的另一端与所述支架连接，支撑杆高于所述平面应变模型槽设置。
4.根据权利要求1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，所述支架包括间隔设定距离设置固定支座，固定支座支撑相互平行的底部支撑梁和顶部反力梁，所述升降部件中的所述转动轴穿过顶部反力梁设置。
5.根据权利要求1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，所述平面应变模型槽透明侧面设有若干位移参考点。
6.根据权利要求1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，所述平面应变模型槽为中空的矩形体，平面应变模型槽包括前挡板、后挡板和连接前挡板与后挡板的侧面挡土板；
其中后挡板与两侧的侧面挡土板一体件，且为U型，后挡板为L型以便于固定前挡板，前挡板材料为透明材料。
7.根据权利要求1所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，其特征在于，所述转动轴的一端设置内孔，内孔设置内螺纹，所述第一连杆通过外螺纹与转动轴连接，所述第二连杆为两端均设有螺纹的光滑钢筋。
8.一种用于受荷结构周围土***移场测量试验方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一项所述的一种用于受荷结构周围土***移场测量试验装置，包括如下内容：
通过支架支撑平面应变模型槽和加载机构，并在平面应变槽的外侧设置记录机构；
向平面应变模型槽内填筑填料，到达设定高度后安装结构物和第二连杆，第二连杆的一端与结构物连接，另一端超出平面应变模型槽设置，继续填料至设计目标高度，第二连杆的另一端与加载机构连接，且在加载机构升降部件与第二连杆之间设置应力传感器和位移传感器；加载机构带动升降部件实现升降运动，并作用于第二连杆和结构物，实现对结构物拉力和压力的施加，通过应力传感器记录应力变化，并通过位移传感器记录结构物的位移变化，由记录机构记录平面应变模型槽内填料发生的位移变化。
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