模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統的制作方法

模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統，包括模型箱，所述模型箱內下部布設地基土，所述地基土上布設墊層，所述模型箱頂部由蓋板封閉；所述地基土內由墊層向下豎直埋設多個樁體，樁體、墊層和地基土形成復合地基，在所述樁體上設置與上位機連接的測試裝置。適用于模擬和追溯復合地基豎向荷載傳遞機理的離心模型試驗；測試裝置中PIV標記點、應變片的設置位置，能較為準確地模擬測量樁體處的軸力與彎矩等分布規律，更好地指導實踐工作。
【專利說明】
模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種離心試驗的試驗測試系統及方法，尤其涉及一種用于模擬和追溯復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統及方法。
【背景技術】
[0002]傳統巖土工程室內試驗是在常重力條件下進行的，由于無法或很難再現現場實際尺寸條件，因此常為縮尺模型，依據土體自重應力，縮尺模型帶來的是土體深度h的倍縮，進而改變土體自重應力場，對以自重為主要荷載的結構，不能反映原型應力狀態，導致模型試驗無法模擬原型所發生的現象。土工離心模型試驗能夠真實模擬重力場的存在，再現工程實際應力狀態，被廣大學者公認是目前進行巖土工程技術研究中最先進、最有效的試驗方法，土工離心模型試驗相對于原型觀測、室內常重力場試驗機數值分析模擬方法具有不可替代和獨特的優勢。
[0003]隨復合地基理論日漸成熟，大量多高層建筑采用了CFG粧復合地基。目前，國內外缺乏針對側向開挖條件下既有復合地基力學性狀及其基坑支護結構理論的研究使工程界缺乏正確進行此類基坑工程設計的理論和方法，設計人員一般忽略既有復合地基增強體，無視既有群粧能夠減少支護結構位移的有利作用，而把復合地基看成原狀土，保守的進行基坑工程設計，造成了大量的資源浪費。
[0004]測量系統是試驗取得成功的前提保證，其工作狀態和性能直接關系試驗結果的準確性和可靠性，甚至決定一次試驗的成敗，量測儀器的發展除了表現為功能的增強外，還表現為體積和質量的減少，這些發展大大地降低了其自身對試驗結果的影響。隨著當代電子技術的飛速發展，該技術也已逐漸應用到了離心模型試驗中，利用數字照相技術把試驗過程記錄成為高清晰度的數字圖像，然后利用計算機圖像處理技術進行分析可得出相應的位移曲線，擴散曲線等，該方法的精度已經達到毫米級，它作為一種新型非接觸式量測技術目前正在被廣泛使用。本實用新型提出了一種便于在離心機模型試驗用于的量測系統，能夠很好的和用于模擬和追溯復合地基豎向荷載傳遞機理的離心模型試驗相匹配，其構造簡單，造價低廉，量測結果精確。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統，通過設置帶有測試裝置的試驗系統，可配合其他荷載施加系統，用于對復合地基基坑豎向荷載傳遞機理的研究，對建立以保證復合地基安全為目標的基坑支護設計理論和方法，具有緊迫的工程價值和長遠的理論意義。
[0006]為實現上述目的，本實用新型采用下述技術方案:
[0007]模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統，包括模型箱，所述模型箱內下部布設地基土，所述地基土上布設墊層，所述模型箱頂部由蓋板封閉;所述地基土內由墊層向下豎直埋設多個粧體，粧體、墊層和地基土形成復合地基，在所述粧體上設置與上位機連接的測試裝置。整個試驗系統可根據需求設置用于測試復合地基中地基土變形位移數據等的測試系統，可以模擬復合地基豎向荷載傳遞機理，研究復合地基的力或者位移產生的變化，從而更好的指導實踐。
[0008]所述測試裝置包括用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧軸力分布和地基土荷載分擔的軸力應變片和/或用于輔助獲得基粧模型粧彎矩分布及變化規律的彎矩應變片;通過布置在粧體上的軸力應變片，獲得荷載施加過程中粧軸力分布和粧土荷載分擔，及在這過程中引起的復合地基粧體軸力變化，模擬豎向荷載對復合地基承載力影響;通過布置在粧體上的彎矩應變片，獲得豎向荷載引起的基粧模型粧彎矩分布及變化規律，進而分析粧體的變形規律。
[0009]所述軸力應變片均勻設置在多個粧體中的設定的若干粧體上，所述彎矩應變片均勻設置在其他粧體上;此外，軸力應變片在基粧模型粧兩側對稱設置，彎矩應變片布置在基粧模型粧粧身兩側。根據離心模型試驗的特點，選取復合地基中間位置處的幾個粧體布置軸力應變片，用于測量粧體的軸力應變值。根據離心模型試驗的特點，選取幾根其它典型位置處粧體布置彎矩應變片，注意結合試驗目的和需要確定彎矩應變片朝向以測得需要方向的彎矩應變值，所有應變片均以全橋方式布置。
[0010]所述測試裝置還包括在地基土中布設多個用于測量地基土壓力值的土壓力傳感器;所述土壓力傳感器為T型土壓力傳感器，在地基土分層澆置過程中根據試驗目的和需要以一定間距豎直布置于復合地基中，根據試驗目的和需要確定T型土壓力傳感器的朝向，以便測得試驗需要方向的土壓力值。
[0011 ]為了便于觀察，所述模型箱由透明材料制成;模型箱厚度為3?5_。
[0012]所述模型箱的外側設置多個PIV標記點，PIV標記點的位置與至少一個用于記錄地基土位移的攝像裝置相對應；用于記錄模擬過程中的土體位移場，攝像裝置安裝在離心機大梁上。
[0013]所述PIV標記點設置于透明材料制成的板上，所述板與模型箱的外側壁相平行設置;PIV標記點根據試驗目的和需要以一定間距布置在一塊比模型箱側壁一側略小且厚度為3-5mm的透明材質板正面上，并將布置了 PIV標記點的透明材質板背面豎向靠置在模型箱側壁一側。
[0014]所述墊層為粗砂制成的褥墊層。
[0015]所述粧體的表面涂覆有增加摩擦系數的環氧涂層，環氧涂層中帶有砂子;為了增加基粧模型粧表面的摩擦系數，需要在其表面涂一層厚度在0.5mm左右厚度的環氧涂層，在環氧涂層干凝前灑上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系數，其間距根據實際間距按照加速度比例系數確定或根據實驗需要確定。
[0016]所述粧體為CFG粧，由鋁合金管按照抗壓剛度等效制成。
[0017]所述粧體的底部呈圓錐體;便于插入地基土中，上端封口，其長度根據離心機離心加速度比例大小確定。
[0018]本實用新型的有益效果為:
[0019]I)本實用新型中的試驗裝置原理簡單，結構構造清晰，便于安裝制造，造價低廉。
[0020]2)通過地基土、粧體和褥墊層共同形成復合地基作為實際工況的施工環境，與實際施工工況一致，符合地基土實際應力變化，通過整個試驗裝置的研究，獲得的數據具有實際研究意義。
[0021 ] 3)根據實際施工環境制作的試驗裝置，利用粧體代替實際中的基粧，雖結構簡單，但實用性高，有利于實際工況的研究。
[0022]4)適用于模擬和追溯復合地基豎向荷載傳遞機理的離心模型試驗；測試裝置中PIV標記點、應變片的設置位置，能較為準確地測量模擬粧體處的軸力與彎矩等分布規律，更好地指導實踐工作。
【附圖說明】
[0023]圖1為本實用新型的俯視圖；
[0024]圖2為圖1中1-1剖面圖；
[0025]圖3為圖2中2-2剖面圖；
[0026]圖4是本實用新型中軸力應變片在基粧模型粧的布置圖；
[0027]圖5是本實用新型中彎矩應變片在基粧模型粧的布置圖；
[0028]圖6是本實用新型中應變片在基粧模型粧的布置俯視圖；
[0029]圖7是本實用新型中應變片在基粧模型粧的布置側視圖；
[0030]圖8是本實用新型中應變片的布置結構圖；
[0031]圖中，1、模型箱;2、地基土;3、CFG粧;4、褥墊層;5、加載氣囊;6、蓋板;7、螺栓;8、充氣孔接頭;9、PIV標記點；10、土壓力傳感器;11、軸力應變片；12、彎矩應變片；13、環氧涂層；14、軸力應變片布置粧，町、1?2、1?、1?4均為應變片。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0033]實施例:
[0034]如圖1-圖2所示，用于模擬和追溯復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統，包括模型箱I，模型箱I內下部布設地基土2，地基土2上布設褥墊層4，模型箱I頂部由蓋板6封閉；地基土2內由褥墊層4向下豎直埋設多個CFG粧3，CFG粧3、褥墊層4和地基土2形成復合地基，在CFG粧3上設置與上位機連接的測試裝置。整個試驗系統可根據需求設置用于測試復合地基中地基土變形位移數據等的測試系統，可以模擬復合地基豎向荷載傳遞機理，研究復合地基的力或者位移產生的變化，從而更好的指導實踐。本實用新型中地基模型是用來模擬豎向荷載傳遞機理的，加設測試系統可以測試模擬試驗工程中某些變化參數。
[0035]為了便于觀察，模型箱I的一側由透明材質的有機玻璃制成。
[0036]地基土2取現場原形土去除土中大顆粒雜質，利用烘烤箱對土樣進行烘干處理后，用一點式砂雨法分層澆置而成，控制落距、出砂孔尺寸和出沙頭總流量以達到目標相對密實度。
[0037]如圖3-圖5所示，測試裝置包括應變片，應變片分為軸力應變片11和彎矩應變片12，選取CFG復合地基中間位置處的幾個CFG粧3上布置軸力應變片11，用于測量CFG粧3的軸力應變值，布置軸力應變片11的CFG粧3為軸力應變片布置粧14。選取幾根其它典型位置處CFG粧3布置彎矩應變片12，注意結合試驗目的和需要確定彎矩應變片朝向以測得需要方向的彎矩應變值，所有應變片均以全橋方式布置。通過布置在復合地基CFG粧3上的軸力應變片11，獲得荷載施加過程中粧軸力分布和粧土荷載分擔，研究加載對復合地基承載力影響；通過布置在復合地基CFG粧3上的彎矩應變片12，獲得加載引起的復合地基CFG粧3彎矩分布及變化規律，進而分析復合地基CFG粧3隨加載的變形規律。
[0038]測試裝置還包括在地基土2中布設多個用于測量地基土壓力值的土壓力傳感器10，如圖2所示，土壓力傳感器10為T型土壓力傳感器，在地基土 2分層澆置過程中根據試驗目的和需要以一定間距布置于CFG復合地基中，根據試驗目的和需要確定T型土壓力傳感器的朝向以便測得試驗需要方向的土壓力值。土壓力傳感器10在地基土2分層澆置過程中布置于地基土2中，獲得對應位置處土壓力值，研究加載對主動區土體側壓力的影響，并與推導結果對比。根據實驗需要測定的土壓力方向確定T型土壓力傳感器的朝向，若試驗需要測定豎向土壓力值，將T型土壓力傳感器豎向直立放置并且端面朝上，若試驗需要測定水平土壓力值，將T型土壓力傳感器側向放置并且端面朝向水平方向。
[0039]在模型箱I有機玻璃一側設置多個PIV標記點9，PIV標記點9部分用攝像機照下來，用matlab軟件分析照片得到土體位移場;PIV標記點9用于記錄和測試加載過程中的土體位移參數，分析獲得加載引起的整個地基土體變形趨勢;攝像裝置安裝在離心機大梁上，用于拍攝整個離心模型實驗過程。PIV標記點9根據試驗目的和需要以一定間距布置在一塊比模型箱I有機玻璃一側略小、厚度為3_5mm的有機玻璃正面上，并將布置了PIV標記點9的有機玻璃背面豎向靠置在模型箱I有機玻璃一側，用于記錄加載過程中的土體位移參數。
[0040]在CFG粧3表面涂覆有增加摩擦系數的環氧涂層13，環氧涂層13中帶有砂子;為了增加CFG粧3表面的摩擦系數，需要在其表面涂一層厚度在0.5_左右厚度的環氧涂層13，在環氧涂層12干凝前灑上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系數，其間距根據實際間距按照加速度比例系數確定或根據實驗需要確定。
[0041 ]離心試驗模型測試系統的制作方法，具體步驟如下:
[0042]I)根據加速度比例系數，設置符合要求高度的CFG粧3，在CFG粧3上布置測試裝置；
[0043]2)在模型箱I內采用砂雨法設置設定厚度的地基土 2;
[0044]3)在地基土 2中設置多根CFG粧3并繼續采用砂雨法澆砂至地基土 2高度與CFG粧3的頂端齊平;在地基土 2內布置土壓力傳感器10。
[0045]4)在嵌有CFG粧3的地基土2頂部采用砂雨法設置粗砂作為褥墊層4;在模型箱I內褥墊層上放置加載氣囊5，加載氣囊5的充氣孔接頭8外露與充氣裝置連接。
[0046]5)在模型箱I上端設置蓋板6，蓋板6與模型箱I用螺栓7堅固。
[0047]在步驟I)和步驟4)中均采用一線點式砂雨法，控制落距、出沙孔尺寸和出沙頭總流量以達到目標相對密實度。
[0048]步驟1)-3)的具體操作過程為:根據加速度比例系數，預先計算好CFG粧3高度h2，取地基土 2高度hl+CFG粧高度h2為CFG粧3高度的兩倍左右，即取hi =h2，并在模型箱I壁對應位置hl、h2處標記刻度，將預先制備好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I內，在地基土高度hi略高處后停止砂雨法置砂，利用水平細線找齊CFG粧3上端，布置各個CFG粧3于地基土 2中，水平細線齊平預定位置h3下端處，再次利用砂雨法在復合地基區澆砂于模型箱I中至高度h3下端處;在安裝CFG粧3的同時，CFG粧3兩側對稱設置軸力應變片10，在CFG粧3粧身兩側布置彎矩應變片11，并在地基土2中設置土壓力傳感器1。
[0049]上述雖然結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內。
【主權項】
1.模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型測試系統，其特征是，包括模型箱，所述模型箱內下部布設地基土，所述地基土上布設墊層，所述模型箱頂部由蓋板封閉；所述地基土內由墊層向下豎直埋設多個粧體，粧體、墊層和地基土形成復合地基，在所述粧體上設置與上位機連接的測試裝置。2.如權利要求1所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述測試裝置包括用于輔助獲得荷載施加過程中基粧模型粧軸力分布和地基土荷載分擔的軸力應變片和/或用于輔助獲得基粧模型粧彎矩分布及變化規律的彎矩應變片。3.如權利要求2所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述軸力應變片均勻設置在多個粧體中的設定的若干粧體上，所述彎矩應變片均勻設置在其他粧體上。4.如權利要求1或2所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述測試裝置還包括在地基土中布設多個用于測量地基土壓力值的土壓力傳感器。5.如權利要求1或2所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述模型箱由透明材料制成，所述粧體的底部為圓錐體。6.如權利要求1或2所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述模型箱的外側設置多個PIV標記點，PIV標記點的位置與至少一個用于記錄地基土位移的攝像裝置相對應。7.如權利要求6所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述PIV標記點設置于透明材質制成的板上，所述板與模型箱的外側壁相平行設置。8.如權利要求1所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述墊層為粗砂制成的褥墊層。9.如權利要求1或3所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述粧體的表面涂覆有增加摩擦系數的環氧涂層，環氧涂層中帶有砂子。10.如權利要求1或3所述的離心試驗模型測試系統，其特征是，所述粧體為CFG粧，由鋁合金管按照抗壓剛度等效制成。
【文檔編號】E02D33/00GK205530403SQ201620388499
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月30日
【發明人】李連祥, 李先軍, 黃佳佳, 劉兵
【申請人】山東大學