CN114002095A - 一种土工试验加压装置及实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土工试验加压装置及实验方法，涉及土工试验加压装置及实验方法领域，解决了土工模型试验中难以模拟不同深度土层的应力状态及固结情况等问题。其技术方案要点包括支架，所述支架为环形筒状结构；所述支架上沿竖直方向每隔一定间距放置有用于施加围压的充气式围压加载装置；所述充气式围压加载装置上部有一个气门芯；所述气门芯上有拧紧式气门嘴；还包括荷载组件，所述荷载组件包括下压装置，用于固定所述下压装置的荷载部件，技术效果是利用所述下压装置实现静力加载，或不同波形的位移和力循环加载，配合所述气囊提供侧向围压以适应不同模型不同工况的模拟试验。

Description

一种土工试验加压装置及实验方法
技术领域
本发明涉及土工试验设备领域，特别涉及一种土工试验加压装置及实验方法。
背景技术
经济社会的快速发展和设计施工现代化程度的提高，促进了高速铁路、大型桥梁、石油钻井平台、风力发电机等基础设施的建设。在这些工程设施中桩基础凭借其承载能力高、变形小、施工机械化程度高被广泛应用。然而在桩基础服役期限中，不但要承受来自上部结构的自重荷载，而且还长期受到车辆交通荷载、自身运行等具有显著周期性的竖向循环荷载的作用。这种长期循环荷载不可避免地会对桩基承载特性产生影响。
目前土工试验常用的研究方法包括原位试验、模型试验。大比例尺的模型试验造价高，而常规小比例尺1g模型试验对试验桩施加的围压非常有限，考虑到土体应力应变的非线性，小比例尺模型试验所获取的桩基循环加载特性并不能真实地反应实际工况高围压下的桩基循环加载特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种土工试验加压装置及实验方法，其具有可以模拟不同深度土层的应力状态及固结情况，针对不同固结状态的地基土开展不同荷载组合下桩基竖向循环加载模型试验研究的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种土工试验加压装置，包括槽式反力台座，位于反力台座上方的模型箱，所述槽式台座的槽轨平行于槽式反力台座长边方向布置；所述槽式反力台座上部有荷载组件；所述荷载组件包括与槽轨连接的支座部件，与支座部件螺栓连接的竖向荷载部件和位于模型箱内部的侧向荷载部件；所述支座部件设置有地脚螺栓与反力台座锚固；所述竖向荷载部件上部连接有对实验对象顶部施加压力的下压装置；所述下压装置包括伺服电机，所述伺服电机通过连接装置固定于所述竖向荷载部件上。
通过采用上述技术方案，侧向荷载部件能够提供一个侧向的围压，围压大小的施加是按照静止土压力计算，桩所受到的静止土压力计算公式为σ0＝k0γz，能更好的模拟不同土层土带给试件的围压，使实验工况更接近实际工程，保证实验数据的精确性，同时配合下压装置产生的竖向荷载，实验过程有很强的灵活性。
进一步设置：所述充气式围压加载装置包括气囊和气门嘴，所述气囊位于支架上，所述气门嘴位于气囊侧面。
通过采用上述技术方案，气囊可以根据不同深度的土压对应加压，气门嘴设置于侧面尽量减少了对周围土层的影响，缩小实验误差。
进一步设置所述气囊为环形气囊，气囊的材质为橡胶，气囊的顶面和底面为平面。
通过采用上述技术方案，当气囊多个叠加时，便于加压后各层气囊间的连接，叠放后有很好的整体性，且橡胶材质不易被土中环境腐蚀，有很好的弹性和耐久性。
进一步设置所述支架包括底环、中环和顶环，所述底环、中环、顶环之间焊接连接。
通过采用上述技术方案，支架具有很强的稳定性，能够在气囊充气加载时提供一个反力，且结构较为轻巧，方便搬运和移动。
进一步设置：所述支架下部连接有若干个支撑脚，所述支撑脚与支架焊接连接，所述支撑脚沿支架的底环外圈设置多个，形成供支架放置的底座。
通过采用上述技术方案，支撑脚给支架提供支撑，防止实验中支架左右晃动影响围压的施加，保证了实验的精度。
进一步设置：所述支座部件包括槽轨上的底部固定板，底部固定板上有多个底部框架柱，所述底部框架柱上固接有上部固定板；所述上部固定板上连接有若干上部框架柱，上部框架柱上连接有顶部连接板；所述顶部连接板两侧设有螺纹孔。
通过采用上述技术方案，底部固定板面积较大，在加载时能使底部固定板与反力台座接触面单位面积的受力减小，提高了整体受力性能，框架柱按上下两层布置，反力构件整体稳定性更好，且顶部连接板两侧设有螺纹孔方便荷载部件的安装拆卸。
进一步设置：所述荷载部件包括两个竖向立柱，竖向立柱上部固接有横梁；立柱底端两侧有加固支板，加固支板上端两侧连接有连接钢板；所述连接钢板上有螺栓孔，通过螺栓与所述支座部件的顶部连接板连接。
通过采用上述技术方案，两侧的加固支板增强了荷载部件整体的稳定性，同时不易变形，增加了使用的耐久性，且通过螺栓连接支座部件和荷载部件，方便两者拆卸和安装。
进一步设置：所述荷载部件包括连接装置，所述连接装置包括位于横梁下部的下部连接板和位于横梁上部的上部连接板；所述下部连接板和上部连接板上有若干个螺栓孔，所述下部连接板和上部连接板通过双头螺栓连接；所述连接装置可以沿横梁方向滑动。
通过采用上述技术方案，使用两块连接板连接横梁与伺服电机，在实验过程中能方便的对伺服电机的位置进行调整，且两块连接板通过四个双头螺栓连接，具有很强的稳定性，实验中不易产生变形。
本发明的另一目的是提供一种土工加载装置的实验方法：
S1.准备阶段
S1.1土工实验确定土和砂的粒径及含水率，大致算出桩的极限承载力；
S1.2定位并水平放置支架，将未充气的充气式围压加载装置依次水平放置在支架上，同时填筑底层砂土和淤泥质粘土至预设高度，最后定位试件位置并竖直打入试件至预设深度。
S2.调整阶段
S2.1计算不同深度土压，根据计算数值对不同位置的充气式围压加载装置分别充气至预定压力；
S2.2根据试件所在位置，将下压装置沿横梁方向滑移至与试验桩对齐并固定连接装置；
S2.3连接实验仪器，调整实验仪器参数。
S3实验阶段
S3.1通过下压装置预设的荷载对试件缓慢的静力加载或往复循环加载压力；
S3.2通过数采仪记录实验数据。
S4结束阶段
S4.1实验结束后停止加载。
通过该实验方法使用该土工实验加载装置能够使得实验效率更高，实验结果更加准确。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.支座部件和竖向荷载部件，伺服电机和横梁都是通过高强钢螺栓连接，方便拆卸与安装，在不进行试验时可拆卸下来放置，防止因自重而产生的疲劳变形。
2.通过对充气式围压加载装置充气的方式进行围压加载具有很强的灵活性和可操作性，能够针对不同土层不同应力状态来对应冲一定量的气体产生相应的压力，使实验土层环境更接近于真实情况，实验数据也更加准确。
3.充气式围压加载装置，支架均可重复使用，连接板件为Q235钢，有很高的强度，实验时留有足够的承载力安全储备。
4.槽式反力台座，支座部件和荷载部件通过螺栓连接构成一个刚度较大，整体性好的反力构件，能平衡实验中产生的较大的反力，同时反力构件具有很好的稳定性，在实验加载过程中位移偏移极小，保证了加载时实验数据的准确性，且荷载部件通过螺栓连接在支座部件上，实验完成或需要调整加载位置时方便拆卸调整，具有很强的灵活性。
附图说明
图1是第一种优选实施方式下的结构示意图；
图中，1、槽式反力台座；2、槽轨；3、支座部件；30、底部固定板；31、底部框架柱；32、上部固定板；33、上部框架柱；34、顶部连接板；4、竖向荷载部件； 41、加固支板；42、连接钢板；43、竖向立柱；44、横梁；5、下压装置；51、连接装置；511、上部连接板；512、下部连接板；52、伺服电机；6、侧向荷载部件；61、充气线；62、支架；623、底环；622、中环；621、顶环；63、充气式围压加载装置；631、气囊；632、拧紧式气门嘴；64、支撑脚。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明
一种优选实施方式：
一种土工实验加压装置，如图1所示，包括用以平衡施加在试件上的荷载所产生的反力的槽式反力台座1，槽轨2沿长边方向平行布置。
如图1所示，槽式反力台座1上有载荷组件，从而通过载荷组件便于将试件压入试验箱。载荷组件包括与槽式反力台座1两侧连接的支座部件3、与支座部件3可拆卸连接的竖向载荷部件4和下压装置5。
如图1所示，支座部件3设置在槽式反力台座1两侧的槽轨2上，支座部件3包括每侧槽轨2上底部固定板30，底部固定板30上焊接连接有若干个底部框架柱31；若干个框架柱等间距分布，使底部框架柱31能够更好均衡受力；底部框架柱31上端焊接连接有上部固定板32，上部固定板32与底部固定板30 的形状相同，从而使得支座部件3具有一个稳定的支撑。上部固定板32沿槽方向对称连接有两个上部框架柱33，上部框架柱33与上部固定板32通过焊接连接，上部框架柱33上有顶部连接板34，顶部连接板34两端分别与上部框架柱 33焊接连接。
如图1所示竖向载荷部件设置在支座部件3上，与支座部件3通过螺栓连接，竖向荷载部件4底部对称设置有加固支板41，加固支板41上部焊接有连接钢板42，连接钢板42上部焊接有竖向立柱43，两个竖向立柱43沿槽向对称布置，使结构具有更好的稳定性；两个竖向立柱43的上方焊接有横梁44，横梁 44为H型槽钢；横梁44上有用于循环加载的下压装置5，下压装置5包括伺服电机52和可以将伺服电机52固定在横梁44任意位置的连接装置51，连接装置 51包括上部连接板511和下部连接板512，上部连接板511和下部连接板512通过若干个螺栓连接，从而使伺服电机52能够固定在横梁44任一水平位置，使加载点位置可以自由移动。
如图1所示，槽式反力台座1上方设置有侧向荷载部件6，侧向荷载部件 6包括支架62、设于支架62上对内部工件提供径向围压的充气式围压加载装置 63。
充气式围压加载装置63包括气囊631、拧紧式气门嘴632，气囊631为橡胶材质具有很好的弹性和密封性，防止充气加压时发生爆裂、漏气等情况。气囊631所形成的充气式围压加载装置63的顶部和顶部均为平面，当多个叠加时，便于加压后各层气囊631间的连接。
气囊631依次水平放置在支架62上，用支架62将气囊631进行周向限位，保证其位置不会发生变化，使试验结果更为精准。
支架62为环形筒状结构，由底环623、中环622、顶环621自下而上每隔一定距离依次焊接连接而成，在充气式围压加载装置63充气时能够起到提供侧向支撑着力点，以便对内部土施加径向围压。
支架62下部连接有若干个支撑脚64，支撑脚64沿支架62的外圈设置，多个，形成供支架62放置的底座，在充气式围压加载装置63充气时能够起到固定支架62和气囊631位置的作用。充气式围压加载装置63可以通过充气量来调节其所施加的围压以适应实验中不同深度土层围压不同的要求，在实验中有很强的灵活性也保证了实验的精度。
设计数据分析
载荷组件20均采用Q235钢材，Q235钢材的抗拉、抗压、抗弯设计强度值f＝200 (N/mm2)，经过计算允许最大荷载设计值P＝2100(KN)，伺服电机52的最大压力施加值为200(t)，满足实验需求。
地脚螺栓采用Q235钢材，Q235钢材的抗拉强度设计值ft＝554(KN)，该实验装置采用了至少4个地脚螺栓，按最少4个地脚螺栓计算，实验机器最大荷载为200(t)，则每个螺栓承受的拉力为500(KN)，500(KN)＜554(KN)，满足设计要求。
槽轨22的设计值q＝400KN/m，能够满足地脚螺栓的受拉强度，从而能够平衡试验机器31在施加最大荷载时产生的反力，使得实验结果更加的准确。
一种土工加载装置的实验方法：
S1.准备阶段
S1.1土工实验确定土和砂的粒径及含水率，算出桩的极限承载力；
S1.2定位并水平放置气囊631支架62，将未充气气囊631依次水平放置在气囊 631支架62的各个环体上，各气囊631上下平面接触，并用支架62将气囊631 进行固定；同时依次根据自下而上的顺序填筑底层砂土和淤泥质粘土至预设高度，最后定位试件位置并竖直打入试件至预设深度。
S2.调整阶段
S2.1计算不同深度土压，根据计算数值对不同位置的气囊631分别充气至预定压力；共设置22层气囊631对桩周土体进行加压，每层5cm。对于静载实验中上层淤泥层中每层气囊631加压的差值为3kPa，下层砂土层中每层气囊631加压的差值为2kPa。
S2.2根据试件所在位置，将下压装置5沿横梁44方向滑移至与试验桩对齐并固定连接装置51；
S2.3连接实验仪器，调整实验仪器参数。
S3实验阶段
S3.1通过下压装置5预设的荷载对试件缓慢的静力加载或往复循环加载压力；竖向荷载静载试验时的加载方法采用《建筑桩基检测技术规范》GB106-2018的慢速维持荷载法，测试单桩的极限承载力。试桩均以其设计的极限承载力为依据进行分级加载，每级加载量为设计极限承载力的1/10。分级施加竖向荷载。记录每级荷载作用下的荷载量、竖向位移量。
S3.2通过数采仪记录实验数据。
S4结束阶段
S4.1实验结束后停止加载并对数据进行处理。
根据实验数据，未用气囊631加载加围压时，试验桩在循环后1000次就已达到沉降破坏的临界值5mm，而加围压后在达到二万次才达到沉降破坏临界值5mm，说明用气囊631施加围压后桩侧摩阻力发挥更大，能更好的模拟实际工况。
上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种土工试验加压装置，包括槽式反力台座(1)；槽式反力台座(1)上部有荷载组件，所述荷载组件包括安装至槽式反力台座(1)上的支座部件(3)、设于支座部件(3)上的竖向荷载部件(4)；所述竖向荷载部件(4)上部连接有对实验对象顶部施加压力的下压装置(5)；
其特征在于：位于所述槽式反力台座(1)上部还设有侧向荷载部件(6)，侧向荷载部件(6)包括支架(62)、设于支架(62)上对内部工件提供径向围压的充气式围压加载装置(63)。
2.根据权利要求1所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述充气式围压加载装置(63)包括气囊(631)和气门嘴，所述气囊(631)位于支架(62)上，所述气门嘴位于气囊(631)侧面。
3.根据权利要求2所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述气囊(631)为环形气囊(631)，气囊(631)的材质为橡胶，气囊(631)的顶面和底面为平面。
4.根据权利要求1所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述支架(62)包括底环(623)、中环(622)和顶环(621)，所述底环(623)、中环(622)、顶环(621)之间焊接连接。
5.根据权利要求1或4所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述支架(62)下部连接有若干个支撑脚(64)，所述支撑脚(64)与支架(62)焊接连接，所述支撑脚(64)沿支架(62)的底环(623)外圈设置多个，形成供支架(62)放置的底座。
6.根据权利要求1所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述支座部件(3)包括槽轨(2)上的底部固定板(30)，底部固定板(30)上有多个底部框架柱(31)，所述底部框架柱(31)上固接有上部固定板(32)；
所述上部固定板(32)上连接有若干上部框架柱(33)，上部框架柱(33)上连接有顶部连接板(34)；所述顶部连接板(34)两侧设有螺纹孔。
7.根据权利要求1所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述竖向荷载部件(4)包括两个竖向立柱(43)，竖向立柱(43)上部固接有横梁(44)；立柱底端两侧有加固支板(41)，加固支板(41)上端两侧连接有连接钢板(42)；
所述连接钢板(42)上有螺栓孔，通过螺栓与所述支座部件(3)的顶部连接板(34)连接。
8.根据权利要求1所述的一种土工试验加压装置，其特征在于：所述下压装置(5)包括连接装置(51)，所述连接装置(51)包括位于横梁(44)下部的下部连接板(512)和位于横梁(44)上部的上部连接板(511)；
所述上部连接板(511)和下部连接板(512)上有若干个螺栓孔，所述上部连接板(511)和下部连接板(512)通过双头螺栓连接；所述连接装置(51)可以沿横梁(44)方向滑动；
还包括对试件施加竖向荷载的伺服电机(52)。
9.一种土工试验加压装置的实验方法，其特征在于：
S1.准备阶段
S1.1土工实验确定土和砂的粒径及含水率，算出桩的极限承载力；
S1.2定位并水平放置支架(62)，将未充气的气囊(631)依次水平放置在支架(62)上，同时填筑底层砂土和淤泥质粘土至预设高度，最后定位试件位置并竖直打入试件至预设深度；
S2.调整阶段
S2.1 计算不同深度土压，根据计算数值对不同位置的充气式围压加载装置(63)分别充气至预定压力；
S2.2 根据试件所在位置，将下压装置(5)沿横梁(44)方向滑移至与试验桩对齐并固定连接装置(51)；
S2.3 连接实验仪器，调整实验仪器参数；
S3 实验阶段
S3.1 通过下压装置(5)预设的荷载对试件缓慢的静力加载或往复循环加载压力；
S3.2 通过数采仪记录实验数据；
S4 结束阶段
S4.1 实验结束后停止加载。
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