CN111912721A - 一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验*** - Google Patents
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Abstract
本发明是一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，包括组合式箱体、冷却***、加载***及数据测试***四大部分。其特征是：①通过土体内置的冷却管和外接制冷设备之间制冷液的循环，实现了土体降温和冻结，能够有效模拟冻土环境。②本发明采用大容积、大尺寸的组合式箱体，箱体内可布置传感器的测点多，有效克服了现有模型试验由于土样尺寸小、试验***功能有限的不足，且组合式箱体具备拆分和组合功能，移动运输方便，有效提高了室内模型试验效率。③本发明能够实现水平和竖向同步加载，通过地锚进行竖向加载可有效模拟较大的上部结构重量。试验箱体内部设置的保温材料既可以减少箱内的热量损失，提高降温冻结效果，还能够有效降低模型试验过程中的尺寸和边界效应。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构基础水平荷载反应试验技术领域，具体是指一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，可有效模拟包括季节冻土和多年冻土在内的各类冻土环境并测试各类工程结构基础在冻土环境下的水平荷载反应。
背景技术
冻土在我国广泛分布，季节冻土（包括冻结深度大于0.45m的季节冻土在内）和多年冻土面积大约占我国总面积的70%，尤其在我国西部地区冻土全区域覆盖。公路、铁路在内的基础设施建设不断向我国西部冻土区延伸，冻土的存在主要影响的是工程结构基础的荷载反应。因此，冻土环境下工程结构基础的荷载反应和工程稳定性逐渐得到了业界的关注。在一般荷载作用下，主要关注的是工程结构基础的竖向荷载反应，而特殊荷载作用下，例如地震作用，工程结构基础的水平荷载反应就显得极为重要。李永波等人在2012年发表于《岩土力学》的“冻融条件下模型桩基水平动力试验研究”表明，冻土环境与融土环境中工程结构基础在水平荷载作用下的荷载-位移关系等特征具有显著的差异，甚至位于同一冻土场地的工程结构，在不同季节、不同荷载作用下，其受力特性也会表现出较大差异。目前来说，关于冻土环境下工程结构基础的竖向荷载反应研究较多，而针对水平荷载反应的研究较为缺乏，所以，在冻土区进行大规模工程建设的背景下，对工程结构基础-冻土体系水平荷载反应的研究是十分有必要且迫切的。
水平荷载作用下工程结构基础-冻土体系受力过程是一个极其复杂的问题，目前国内外对此方面的研究甚少，缺乏相关理论支撑，因此试验研究仍是探寻冻土–基础相互作用机理的重要方法，其中包括室外原型或大比例试验和室内缩尺模型试验。室外试验虽能较准确地反映试验场地结构基础的受力性能，但受成本高、试验周期长、影响参数因素难以控制及试验场地条件等问题限制，难以大范围推广使用。而室内缩尺模型试验因其成本低、效率高且条件可控等优势得到了广泛应用。冻土具有温度敏感性，目前针对大型工程结构基础的大多数室内缩尺模型试验由于缺乏有效的温度控制措施，使得传统的试验装置无法准确模拟冻土环境，从而导致冻土区工程结构基础室内模型试验研究的发展出现了严重滞后。因此，发明一种能够测试位于冻土环境下工程结构基础在水平荷载下各类反应特征的试验***，对深入研究冻土区工程结构基础在水平荷载作用下的破坏特征及基础-冻土相互作用机理具有非常重要的意义。
水平荷载作用下工程结构基础-冻土体系受力过程是一个极其复杂的问题，目前国内外对此方面的研究甚少，缺乏相关理论支撑，因此试验研究仍是探寻冻土–基础相互作用机理的重要方法，其中包括室外原型或大比例试验和室内缩尺模型试验。室外试验虽能较准确地反映试验场地结构基础的受力性能，但受成本高、试验周期长、影响参数因素难以控制及试验场地条件等问题限制，难以大范围推广使用。而室内缩尺模型试验因其成本低、效率高且条件可控等优势得到了广泛应用。冻土具有温度敏感性，目前针对大型工程结构基础的大多数室内缩尺模型试验由于缺乏有效的温度控制措施，使得传统的试验装置无法准确模拟冻土环境，从而导致冻土区工程结构基础室内模型试验研究的发展出现了严重滞后。因此，发明一种能够测试位于冻土环境下工程结构基础在水平荷载下各类反应特征的试验***，对深入研究冻土区工程结构基础在水平荷载作用下的破坏特征及基础-冻土相互作用机理具有非常重要的意义。
发明内容
为实现准确的温度控制，以便进行冻土环境下工程结构基础的水平荷载反应试验研究，本发明旨在提供一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***。该***能够测试位于冻土环境下的结构基础在水平荷载下的多种反应值，包括土体温度、土压力、基础应变等变量，且数据存储和采集实现了自动化。本发明所采用的技术方案是：
一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，包括组合式箱体、环境冷却***、加载***及数据测试***四大部分。组合式箱体由带固定槽的底板（1）、侧板1（2）、侧板2（3）、侧板3（4）、侧板4（5）、侧板斜撑（6）、斜撑挡板（7）及组合连接螺栓（8）和锚固螺栓（9）组成。其特征是侧板1（2）、侧板2（3）、侧板3（4）、侧板4（5）可以***带固定槽的底板（1），各侧板之间通过组合连接螺栓（8）连接成一整体，带固定槽的底板（1）通过锚固螺栓（9）固定于地面，斜撑挡板（7）焊接于带固定槽的底板（1）上，侧板斜撑（6）可增强侧板1（2）和侧板2（3）的刚度及稳定性。环境冷却***包括制冷设备（10）、冷却液（11）、耐低温导管（12）、保温棉（13）、冷却管（14）及扎带（15）组成。其特征是组合式箱体内壁布置一定厚度的保温棉（13），试验过程中装填土体，土体与侧壁接触部位盘绕冷却管（14），冷却管（14）两端伸出土面，一端通过耐低温导管（12）与制冷设备（10）出液口连接，另一端与制冷设备（10）进液口连接，耐低温导管（12）外包保温棉（13），保温棉（13）外部束以扎带（15）以减少外界温度的干扰，冷却液（11）通过制冷设备（10）降温，然后通过制冷设备（10）出液口进入耐低温导管（12），再通过耐低温导管（12）进入冷却管（14），最后冷却液（11）通过冷却管（14）的出液端，经过另一条耐低温导管（12）导入制冷设备（10）的进液口，完成一个循环，循环的冷却液（11）通过埋置于土体中的冷却管（14）带走土体中的热量，从而达到土体降温和冻结的目的。加载***主要由水平力加载千斤顶（16）、油管（17）、控制仪（18）、油泵（19）、反力墙（20）、竖向力加载横梁（21）、支座（22）、竖向力加载螺纹钢（23）、竖向压力环（24）、地锚螺栓（25）及地锚（26）组成。其特征是水平力加载千斤顶（16）末端固定于反力墙（20），其前端与测试模型（33）连接，水平力加载千斤顶（16）通过油管（17）与控制仪（18）连接，控制仪（18）与油泵（19）连接，实现对测试模型（33）的水平力加载过程；竖向力加载横梁（21）放置于测试模型（33）顶面的支座（22）上，通过竖向力加载螺纹钢（23）和地锚（26）与地面连接，通过地锚（26）实现对测试模型（33）的竖向力加载，通过竖向压力环（24）确定竖向加载力的大小。数据测试***由温度传感器（27）、应变传感器（28）、土压力传感器（29）、传感器引线（30）、数据采集仪（31）和计算机（32）组成。其特征是温度传感器（27）埋置于土体中，应变传感器布置在测试模型（33）体内钢筋（34）表面，土压力传感器（29）固定于测试模型（33）基础侧面，各类传感器引线（30）引出组合式箱体后与数据采集仪（31）相连后，通过计算机（32）实现数据自动化采集和存储。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、本发明通过土体内置的冷却管和外接制冷设备之间制冷液的循环，实现了土体降温和冻结，能够有效模拟冻土环境。
2、本发明采用大容积、大尺寸的组合式箱体，箱体内可布置传感器的测点多，有效克服了现有模型试验由于土样尺寸小、试验***功能有限的不足。
3、本发明的组合式箱体具备拆分和组合功能，移动运输方便，有效提高了室内模型试验效率。
4、本发明试验箱体内部设置的保温材料既可以减少箱内的热量损失，提高降温冻结效果，还能够有效降低模型试验过程中的尺寸和边界效应。
5、本发明能够实现水平和竖向同步加载，通过地锚进行竖向加载能够有效模拟较大的上部结构重量。
6、本发明结构简单、易于操作、对工作环境条件要求低、工作稳定，同时通过计算机实现对整个试验装置的一体化管理与控制。
附图说明
图1是本发明俯视图。
图2是本发明侧视图。
图3是本发明正视图。
图4是用本发明测试的测点温度随时间的变化曲线。
图5是用本发明进行水平荷载试验实测的土体沿深度的温度曲线。
图6是用本发明进行水平荷载试验实测的力-位移骨架曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明再做进一步的说明：
如图1~3所示，一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，包括组合式箱体、冷却***、加载***及数据测试***四大部分。组合式箱体由带固定槽的底板（1）、侧板1（2）、侧板2（3）、侧板3（4）、侧板4（5）、侧板斜撑（6）、斜撑挡板（7）及组合连接螺栓（8）和锚固螺栓（9）组成。其特征是侧板1（2）、侧板2（3）、侧板3（4）、侧板4（5）可以***带固定槽的底板（1），各侧板之间通过组合连接螺栓（8）连接成一整体，带固定槽的底板（1）通过锚固螺栓（9）固定于地面，斜撑挡板（7）焊接于带固定槽的底板（1）上，侧板斜撑（6）可增强侧板1（2）和侧板2（3）的刚度及稳定性。环境冷却***由制冷设备（10）、冷却液（11）、耐低温导管（12）、保温棉（13）、冷却管（14）及扎带（15）组成。其特征是组合式箱体内壁布置一定厚度的保温棉（13），其厚度根据环境温度确定，为保证保温效果，保温棉（13）厚度不宜小于10cm，保温棉（13）以内盘绕冷却管（14），冷却管（14）两端伸出土面，一端通过耐低温导管（12）与制冷设备（10）出液口连接，另一端与制冷设备（10）进液口连接，耐低温导管（12）外包保温棉（13），保温棉（13）外部束以扎带（15）以减少外界温度的干扰，冷却液（11）通过制冷设备（10）降温，然后通过制冷设备（10）出液口进入耐低温导管（12），再通过耐低温导管（12）进入冷却管（14），最后冷却液（11）通过冷却管（14）的出液端，经过另一条耐低温导管（12）导入制冷设备（10）的进液口，完成一个循环，循环的冷却液（11）通过埋置于土体中的冷却管（14）带走土体中的热量，从而达到土体降温和冻结的目的。加载***主要由水平力加载千斤顶（16）、油管（17）、控制仪（18）、油泵（19）、反力墙（20）、竖向力加载横梁（21）、支座（22）、竖向力加载螺纹钢（23）、竖向压力环（24）、地锚螺栓（25）及地锚（26）组成。其特征是水平力加载千斤顶（16）末端固定于反力墙（20），其前端与测试模型（33）连接，水平力加载千斤顶（16）通过油管（17）与控制仪（18）连接，控制仪（18）与油泵（19）连接，实现对测试模型（33）的水平力加载过程；竖向力加载横梁（21）放置于测试模型（33）顶面的支座（22）上，通过竖向力加载螺纹钢（23）和地锚（26）与地面连接，通过地锚（26）实现对测试模型（33）的竖向力加载，通过竖向压力环（24）确定竖向加载力的大小。数据测试***由温度传感器（27）、应变传感器（28）、土压力传感器（29）、传感器引线（30）、数据采集仪（31）和计算机（32）组成。其特征是温度传感器（27）埋置于土体中，应变传感器布置在测试模型（33）体内钢筋（34）表面，土压力传感器（29）固定于测试模型（33）基础侧面，各类传感器引线（30）引出组合式箱体后与数据采集仪（31）相连后，通过计算机（32）实现数据自动化采集和存储。以上四大部分相互协调、共同工作，形成一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***。
测试实例
利用本发明对冻土环境下的桩基础桥墩进行了水平荷载作用下的试验测试，测试结构为桥墩、承台和4根桩基础，桩基础长度为160cm，直径19cm，承台尺寸85cm×75cm×31cm（长宽高），桥墩高100cm，截面尺寸为51cm×35cm，桥墩和桩基础的纵向配筋率分别是0.40%和0.43%，本次测试实例采集了试验箱体内土体的降温过程及温度沿深度的分布，加载过程中桥墩顶部的力-位移骨架曲线；图4是用本发明测试的一个测点温度随时间的变化曲线，从图4可以看出，温度变化曲线平滑，证明本发明的环境冷却***降温过程稳定可靠；图5采用本发明进行水平荷载试验实测的土体沿深度的温度曲线，从图5中可以看出，土体从顶面向下冻结深度约50cm，可有效模拟季节冻土区冬季的冻结状态，图5的温度分布证明本发明的冷却***冷却效率高、保温措施有效；图6用本发明进行水平荷载试验实测的力-位移骨架曲线，从图6可以看出，本发明测试结果能够有效反映冻土环境下工程结构基础的水平荷载反应，数据稳定可靠。
Claims (5)
1.一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，包括组合式箱体、环境冷却***、加载***及数据测试***四大部分，其特征在于：
所述的组合式箱体由带固定槽的底板（1）、侧板1（2）、侧板2（3）、侧板3（4）、侧板4（5）、侧板斜撑（6）、斜撑挡板（7）及组合连接螺栓（8）和锚固螺栓（9）组成；其特征是侧板1（2）、侧板2（3）、侧板3（4）、侧板4（5）可以***带固定槽的底板（1），各侧板之间通过组合连接螺栓（8）连接成一整体，带固定槽的底板（1）通过锚固螺栓（9）固定于地面，斜撑挡板（7）焊接于带固定槽的底板（1）上，侧板斜撑（6）可增强侧板1（2）和侧板2（3）的刚度及稳定性；所述的环境冷却***由制冷设备（10）、冷却液（11）、耐低温导管（12）、保温棉（13）、冷却管（14）及扎带（15）组成；其特征是组合式箱体内壁布置一定厚度的保温棉（13），试验过程中装填土体，土体与侧壁接触部位盘绕冷却管（14），冷却管（14）两端伸出土面，一端通过耐低温导管（12）与制冷设备（10）出液口连接，另一端与制冷设备（10）进液口连接，耐低温导管（12）外包保温棉（13），保温棉（13）外部束以轧带（15）以减少外界温度的干扰，冷却液（11）通过制冷设备（10）降温，然后通过制冷设备（10）出液口进入耐低温导管（12），再通过耐低温导管（12）进入冷却管（14），最后冷却液（11）通过冷却管（14）的出液端，经过另一条耐低温导管（12）导入制冷设备（10）的进液口，完成一个循环；所述的加载***主要由水平力加载千斤顶（16）、油管（17）、控制仪（18）、油泵（19）、反力墙（20）、竖向力加载横梁（21）、支座（22）、竖向力加载螺纹钢（23）、竖向压力环（24）、地锚螺栓（25）及地锚（26）组成；其特征是水平力加载千斤顶（16）末端固定于反力墙（20），其前端与测试模型（33）连接，水平力加载千斤顶（16）通过油管（17）与控制仪（18）连接，控制仪（18）与油泵（19）连接，实现对测试模型（33）的水平力加载过程；竖向力加载横梁（21）放置于测试模型（33）顶面的支座（22）上，通过竖向力加载螺纹钢（23）和地锚（26）与地面连接，通过地锚（26）实现对测试模型（33）的竖向力加载，通过竖向压力环（24）确定竖向加载力的大小；所述的数据测试***由温度传感器（27）、应变传感器（28）、土压力传感器（29）、传感器引线（30）、数据采集仪（31）和计算机（32）组成；其特征是温度传感器（27）埋置于土体中，应变传感器布置在测试模型（33）体内钢筋笼（34）竖向纵筋表面，土压力传感器（29）固定于测试模型（33）基础侧面，各类传感器引线（30）引出组合式箱体后与数据采集仪（31）相连后，通过计算机（32）实现数据自动化采集和存储。
2.根据权利要求1所述的一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，其特征是通过连接螺栓（8）的松开和拧紧实现组合式箱体的拆分和组合功能，通过锚固螺栓（9）的松开和拧紧实现组合式箱体的横向移动功能。
3.根据权利要求1所述的一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，其特征是冷却液（11）需要经过制冷设备（10）的降温冷却，循环的冷却液（11）通过埋置于土体中的冷却管（14）带走土体中的热量，实现土体降温和冻结的功能。
4.根据权利要求1所述的一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，其特征是组合式箱体中需要设置保温棉（13）同时实现保温和降低尺寸效应的功能。
5.根据权利要求1所述的一种可用于模拟冻土环境下工程结构基础水平荷载反应的试验***，其特征是通过地锚（26）竖向加载可以实现较大的上部荷载重量。
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Cited By (1)
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Cited By (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20201110 |
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