模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗模型的制作方法
【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，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，在復合地基的上部設置加載系統。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。
【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
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種離心試驗的模型及制作方法，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。
【背景技術】
[0002]CFG粧是由碎石、石肩、砂、粉煤灰摻水泥加水拌和，用各種成粧機械制成的具有一定強度的可變強度粧。CFG粧是一種低強度混凝土粧，可充分利用粧間土的承載力共同作用，并可傳遞荷載到深層地基中去，CFG粧和粧間土、褥墊層一起形成CFG復合地基。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，CFG復合地基是最近幾年應用日益普遍的一種地基處理技術，造價低、施工方便、復合地基強度高，具有較好的技術性能和經濟效果，與傳統粧基礎相比具有明顯的優勢，具有廣闊的發展和應用前景。
[0003]在對CFG復合地基作用機理進行研究時，現場試驗具有無法比擬的優勢，但是也存在試驗時間長、消耗人力物力大、受現場施工條件限制等無法克服的因素，由于這些不利的因素的存在，現場CFG復合地基的試驗研究受到了極大的制約，不利于CFG復合地基的研究和發展。室內模型試驗雖然無法完全體現現場試驗的優勢，但室內模型試驗的可控性強，對影響因素多、作用機理復雜的研究對象，易于通過調整試驗參數和改變試驗條件集中研究其中一項或幾項因素，從而更能直接揭示問題的本質。因而，模型試驗也是解決工程復雜問題的重要手段。
[0004]隨著越來越多的CFG復合地基應用于工程實例，對CFG復合地基的研究也越來越廣泛，而現場試驗顯然并不適用于這越來越多的研究試驗。本實用新型提供了一種室內試驗的CFG復合地基模型制備方法，用于對復合地基力學性能的試驗研究，掌握復合土體與CFG粧的相互作用機理。試驗模型制備是土工離心模型試驗中重要而基礎的環節，模型試驗制備的好壞直接影響到整個試驗的成功與否。
【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，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，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，在復合地基的上部設置加載系統。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]所述加載系統包括設置于蓋板和墊層之間的加載氣囊，加載氣囊的充氣孔外露與充氣裝置連接，充氣裝置安裝有氣壓傳感器通過控制氣壓大小實現控制均布載荷的大小。
[0019]模擬復合地基豎向荷載傳遞機理的離心試驗裝置的制造方法，具體步驟如下:
[0020]I)根據加速度比例系數，設置符合要求高度的粧體，在粧體上布置測試裝置；
[0021]2)在模型箱內采用砂雨法設置設定厚度的地基土；
[0022]3)在地基土中設置多根粧體并繼續采用砂雨法澆砂至地基土高度與粧體的頂端齊平；
[0023]4)在嵌有粧體的地基土頂部采用砂雨法設置粗砂作為褥墊層；
[0024]5)在模型箱上端設置蓋板，蓋板與模型箱用連接件堅固。
[0025]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。
[0026]所述步驟3)中還包括以下步驟:在地基土內布置土壓力傳感器。
[0027]所述步驟4)中還包括以下步驟:在模型箱內褥墊層上放置加載氣囊，加載氣囊與充氣裝置連接。
[0028]本實用新型的有益效果為:
[0029]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。
[0030]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。
[0031 ] 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。
【附圖說明】
[0032]圖1是本實用新型的俯視圖；
[0033]圖2是本實用新型圖1的1-1剖面圖；
[0034]圖3是本實用新型圖2的2-2剖面圖；
[0035]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I; 9、充氣孔接頭Π ; 1、連接管；11、氣壓傳感器;12、充氣閥。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0037]如圖1-圖3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裝置，包括地基模型和加載系統兩個部分;地基模型包括模型箱I，模型箱I內用砂雨法澆置地基土2至指定高度，隨后布置CFG粧3于地基土2中，再利用砂雨法澆置地基土2至CFG粧3端面，同樣用砂雨法澆置粗砂形成褥墊層4，褥墊層4置于地基土 2和CFG粧3上方，三者共同模擬CFG復合地基。在CFG粧3上設置與上位機連接的測試裝置。
[0038]為了便于觀察，模型箱I一側為透明材質的有機玻璃制成，模型箱I厚度為3?5mm，3CFG粧3的底部呈圓錐狀。
[0039]加載系統包括加載氣囊5、充氣裝置和剛性蓋板6三個部分組成。將加載氣囊5放置在褥墊層4上方，其上端與模型箱I端口齊平，蓋板6置于模型箱I上端，蓋板6四周與模型箱I檐口用螺栓7固定，蓋板6角落處留一小孔便于充氣孔接頭18外接充氣裝置。充氣裝置為帶有氣壓傳感器11的箱體，其上設置充氣孔接頭Π9、連接管10、氣壓傳感器11和充氣閥12四個部分，其充氣孔接頭Π9與模型箱I的充氣孔接頭18用連接管10相連，通過控制箱體內的氣壓調節橡膠充氣囊所施加的均布荷載。反力裝置為剛性蓋板6，置于加載氣囊5上方并與模型箱I固定。
[0040]測試裝置由應變片、微型土壓力傳感器、模型側面色砂及PIV標記點共三個部分組成，應變片布置在CFG粧3上，微型土壓力傳感器布置于地基土2層中，在模型箱I有機玻璃一側布置PIV標記點，并利用PIV記錄模擬過程中的土體位移參數。模型制備完畢，啟動離心機，地基土達到既定穩定狀況，分步逐次加載。微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。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。
[0041]—般沒有粧基的普通地基是有地基土本身來傳遞和承受上部荷載，有粧的粧基礎一般不考慮土地本身的荷載承受能力，所有荷載全部由粧承擔，而復合地基的荷載由土體和粧體共同承受，即既考慮土體的荷載承受能力有考慮粧體的荷載承受能力，復合地基的荷載傳遞機理就是土體和粧體共同承受上部荷載并傳遞給下部地層土。本實用新型模型中砂土模擬地基土，鋁管模擬粧體，加載系統模擬荷載施加，通過加載系統施加的荷載作用在地基土和粧體組成的復合地基模型上來模擬實際的復合地基受荷并傳遞的情況，以此研究復合地基的受力及變形情況。
[0042]如圖2所示，整個CFG復合地基模型主體在高度方向從下至上分為4個部分，依次為下部地基土 2、褥墊層4、加載氣囊5、蓋板6，加上外接的充氣裝置。鋁合金CFG模擬粧3插入地基土 2中，模型箱I中間有一層較薄的褥墊層4置于地基土 2及模擬CFG粧3的上方，模型箱I上部置橡膠加載氣囊5，蓋板6置于模型箱I上端并與模型箱I四周用螺栓7固定。
[0043]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。
[0044]CFG粧3由鋁合金管根據抗壓剛度等效原則制作，為了增加鋁管模型粧3表面的摩擦系數，需要在其表面涂一層厚度大概0.5_厚的環氧涂層，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。
[0045]褥墊層4同樣根據砂雨法由粗砂澆置，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，其厚度根據離心加速度比例系數確定。
[0046]加載氣囊5為橡膠氣囊，用于模擬CFG群粧及CFG群粧所受荷載，其效果為對模型施加均布荷載，其充氣孔接頭18從剛性蓋板6露出并外接充氣裝置。
[0047]充氣裝置安裝有氣壓傳感器11，用連接管10與加載氣囊5相連，可實時控制氣壓大小進而控制均布荷載大小。
[0048]蓋板6由剛度較大的金屬制成，一般由鐵或者鋁合金制造，蓋板角落處留有一小孔，便于充氣孔外接充氣裝置。剛性蓋板四周與模型箱壁用螺栓連接，保證在最大充氣壓力下蓋板不會被擠壓彈出。
[0049]加載方式為分級施加荷載，各級荷載穩定一定時間，每次加載到預設荷載并穩定后進行下一次荷載加載，并在相應值采集試驗數據。
[0050]離心試驗模型裝置的制造方法，具體步驟如下:
[0051]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；加速度比例系數就是離心機加速度值，試驗前綜合考慮后確定的離心機加速度值，確定這個加速度值后模型試驗中的各個單位需按照規定以這個比例縮小，比如加速度大小為40，模型長度尺寸單位就應該是原型的1/40大小；
[0052]2)在模型箱I內采用砂雨法設置設定厚度的地基土 2;
[0053]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。
[0054]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。
[0055]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。
[0056]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。
[0057]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，并是現將軸力應變片和彎矩應變片對稱布置在CFG粧3鋁管壁兩側，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h1、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下端處停止澆砂，并同時布置微型土壓力傳感器；同樣利用砂雨法置預先制備的粗砂于模型箱I中至高度h4處，制備褥墊層4，將加載氣囊5放入模型箱I中，其上端與模型箱I端口齊平，蓋板6置于模型箱I上端，蓋板6四周與模型箱檐口用螺栓7固定，蓋板6角落處留一小孔便于充氣孔接頭18外接充氣裝置，充氣裝置為帶有氣壓傳感器11的箱體，其充氣孔接頭Π 9與模型的充氣孔接頭18用連接管10相連，通過控制箱體內的氣壓調節橡膠充氣囊所施加的均布荷載。
[0058]模型制備完畢，啟動離心機，地基土達到既定穩定狀況，分步逐次加載。
[0059]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，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，在復合地基的上部設置加載系統。2.如權利要求1所述的離心試驗模型，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，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，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，其特征是，所述模型箱由透明材料制成;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。6.如權利要求5所述的離心試驗模型，其特征是，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。7.如權利要求1或2所述的離心試驗模型，其特征是，所述墊層為粗砂制成的褥墊層。8.如權利要求1或3所述的離心試驗模型，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。9.如權利要求1或3所述的離心試驗模型，其特征是，所述粧體為CFG粧;所述粧體的底部呈圓錐體。10.如權利要求1或2所述的離心試驗模型，其特征是，所述加載系統包括設置于蓋板和墊層之間的加載氣囊，加載氣囊的充氣孔外露與充氣裝置連接，充氣裝置安裝有氣壓傳感器通過控制氣壓大小實現控制均布載荷的大小。
【文檔編號】G01N3/00GK205562270SQ201620388488
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月30日
【發明人】李連祥, 王興政, 符慶宏, 黃佳佳
【申請人】山東大學