【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及巖土工程室內(nèi)模型試驗技術(shù)，尤其涉及一種用于巖土工程模型試驗的加載裝置及加載方法。

背景技術(shù)：

巖土體及地下結(jié)構(gòu)經(jīng)常同時受到靜力荷載和動力荷載作用，例如鐵路路基承受軌道及其土體自重等靜荷載和高速列車經(jīng)軌道傳遞的動荷載的作用。長期的靜荷載引起巖土體發(fā)生流變變形，而間歇作用的動荷載則導(dǎo)致巖土體產(chǎn)生動力累積變形，充分認識巖土體材料的流變特性與動力變形特性是保證工程安全與穩(wěn)定性的重要前提。因此對動、靜荷載耦合作用巖土體與地下結(jié)構(gòu)物力學(xué)與變形特性的研究是非常有實踐意義。室內(nèi)模型試驗是研究巖土體及地下結(jié)構(gòu)物在動、靜荷載作用下力學(xué)變形特性的重要方法之一，但在試驗中如何模擬巖土體及地下結(jié)構(gòu)物所承受的動、靜荷載一直是技術(shù)難題。

目前，對巖土體施加動、靜荷載的常用設(shè)備有振動臺、大型動靜三軸儀、大型循環(huán)剪切儀、美國mts和邦威儀器生產(chǎn)的電液伺服試驗系統(tǒng)等。由于巖土體的流變的時間較長、尤其軟土的流變時間長達幾年，因此為模擬土體所受的長期荷載，室內(nèi)模型試驗加載的時間往往較長，但采用上述設(shè)備一般僅能開展短期的靜力與動力耦合加載，如進行長期動靜耦合加載，加載成本非常高，造成在室內(nèi)模擬巖土體長期變形與力學(xué)特性的困難。因此需要研發(fā)一種能實現(xiàn)間歇循環(huán)動力荷載與長期靜力荷載耦合作用的巖土工程模型試驗加載方法及其裝置，又要實現(xiàn)低成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，在于提供一種巖土工程模型試驗的加載裝置及加載方法，能低成本實現(xiàn)對巖土工程模型開展靜力蠕變試驗或靜力蠕變試驗和動力疲勞試驗的耦合加載。

本發(fā)明的加載裝置是這樣實現(xiàn)的：一種巖土工程模型試驗的加載裝置，包括靜力加載機構(gòu)，所述靜力加載機構(gòu)包括一地錨、兩反力架立柱、兩力傳感器、一反力架橫梁、兩加載螺栓、一反力板、至少兩加載彈簧以及一承壓板；所述地錨固定在地面上；兩所述反力架立柱采用立柱地腳螺栓固定在地錨上；所述兩力傳感器分別連接在一反力架立柱的中段；所述反力架橫梁跨接在兩所述反力架立柱之間并采用加載螺栓自上而下鎖附；所述反力板設(shè)置在所述反力架橫梁的下方并通過所述加載彈簧固定連接所述承壓板；所述地錨、兩反力架立柱、承壓板之間圍成一試驗?zāi)Ｐ腿葜每臻g。

進一步的，本發(fā)明的加載裝置還包括動力加載機構(gòu)，所述動力加載機構(gòu)包括端頭板、端頭板固定螺栓桿以及作動器，所述端頭板與反力板采用所述端頭板固定螺栓桿連接，所述作動器連接于所述端頭板的上方；且所述反力板與所述承壓板采用反力板固定螺栓桿連接。

進一步的，所述靜力加載機構(gòu)還包括定位螺桿，所述定位螺桿穿過所述反力架橫梁、所述反力板與所述承壓板采用螺紋連接。

進一步的，所述反力架橫梁的底面還通過第一安全螺栓鎖附在所述反力架立柱上。

進一步的，所述加載彈簧的兩端分別與所述反力板和所述承壓板焊接固定；所述加載彈簧上端的中心位置設(shè)置有第二安全螺栓，第二安全螺栓下部采用螺紋連接在所述承壓板上，所述加載彈簧下端的中心位置設(shè)有橡膠圈，橡膠圈采用強力膠水粘貼在所述承壓板上。

進一步的，所述反力架立柱為實心鋼柱，且表面設(shè)螺紋；

所述反力架橫梁為焊接鋼結(jié)構(gòu)箱梁；

所述承壓板、反力板、端頭板均為經(jīng)過精加工的高強度方形鋼板；

所述反力板與反力架橫梁間設(shè)有防滑膠墊；

所述反力板固定螺栓桿下部采用螺紋連接在承壓板上，反力板固定螺栓桿為雙螺母結(jié)構(gòu)的螺栓，且設(shè)置有彈性墊片；

所述加載螺栓、第一安全螺栓與反力架橫梁間設(shè)有彈性墊片。

本發(fā)明加載方法之一是這樣實現(xiàn)的：一種巖土工程模型試驗的加載方法，利用本發(fā)明上述加載裝置并采用下述步驟進行靜荷載施加試驗：

步驟s11、預(yù)估試驗?zāi)Ｐ图虞d的極限荷載，初步確定每級荷載和加載級數(shù)；

步驟s12、緩慢對稱往下擰加載螺栓，荷載依次從反力架橫梁、反力板、加載彈簧傳遞至承壓板；

在加載過程中，通過力傳感器實時監(jiān)測荷載大小，同時采用電子位移計記錄試驗?zāi)Ｐ偷淖冃?；?dāng)荷載變化率達3％時，緩慢對稱往下擰加載螺栓，以保持試驗?zāi)Ｐ统惺莒o荷載的相對穩(wěn)定；當(dāng)相鄰24小時軸向應(yīng)變差值與總應(yīng)變之比小于5％，繼續(xù)往下擰加載螺栓施加下一級荷載。

本發(fā)明加載方法之二是這樣實現(xiàn)的：一種巖土工程模型試驗的荷載加載方法，利用本發(fā)明具有動力加載機構(gòu)的加載裝置進行動靜耦合加載試驗，包括：

步驟s1、預(yù)估試驗?zāi)Ｐ图虞d的極限荷載，初步確定每級荷載和加載級數(shù)；

步驟s2、緩慢對稱往下擰加載螺栓，荷載依次從反力架橫梁、反力板、加載彈簧傳遞至承壓板；在加載過程中，通過力傳感器實時監(jiān)測荷載大小，同時采用電子位移計記錄試驗?zāi)Ｐ偷淖冃危划?dāng)荷載變化率達3％時，緩慢對稱往下擰加載螺栓，以保持試驗?zāi)Ｐ统惺莒o荷載的相對穩(wěn)定；當(dāng)相鄰24小時軸向應(yīng)變差值與總應(yīng)變之比小于5％，繼續(xù)往下擰加載螺栓施加下一級荷載，或按下述步驟s3至s5施加動荷載，且在施加動荷載后，通過步驟s6至s8進行動、靜荷載的轉(zhuǎn)換；

步驟s3、控制作動器施加荷載至當(dāng)前一級靜荷載數(shù)值，反力架橫梁退出工作；

步驟s4、采用反力板固定螺栓桿固定反力板和承壓板，保證加載彈簧在動荷載施加過程中不產(chǎn)生受力變形；

步驟s5、控制作動器輸出預(yù)設(shè)波形的動荷載和加載次數(shù)，施加動力循環(huán)荷載；

步驟s6、在動力循環(huán)荷載施加完畢后，松開反力板固定螺栓桿，控制作動器輸出靜力荷載，該荷載數(shù)值略小于試驗?zāi)Ｐ拖乱还r需要承受的荷載；

步驟s7、往下緩慢松開第一安全螺栓，使得反力架橫梁與反力板剛好接觸，采用力傳感器監(jiān)測接觸情況；

步驟s8、緩慢卸除作動器輸出的荷載，松開并移除端頭板固定螺栓桿，反力架橫梁開始工作，對稱緩慢向下微調(diào)加載螺栓，直至荷載達到規(guī)定數(shù)值。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明提供的加載裝置及方法可對不同尺寸模型開展靜荷載或動靜耦合加載，能克服現(xiàn)有動靜加載設(shè)備中巖土材料的尺寸效應(yīng)問題；

2、通過機械的方式來施加靜壓力，且整個試驗過程壓力可調(diào)、可控，可實現(xiàn)試驗過程中靜壓力處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，實驗成本低；

3、可實現(xiàn)靜荷載、動荷載在時間上的自由組合，可以得到在復(fù)雜動靜荷載共同作用下巖土體的變形和力學(xué)特性，與現(xiàn)場實際情況更吻合；

4、該裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，便于推廣使用。

【附圖說明】

下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為本發(fā)明加載裝置僅具有靜力加載機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明加載裝置具有靜力加載機構(gòu)和動力加載機構(gòu)時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明加載裝置靜荷載施加時承壓板與反力板的連接剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明加載裝置動荷載施加時承壓板與反力板的連接剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明加載裝置動荷載施加時端頭板與反力板的連接剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】

實施例1

如圖1、圖3所示，本發(fā)明的加載裝置的一實施例僅包括靜力加載機構(gòu)1，所述靜力加載機構(gòu)1包括一地錨11、兩反力架立柱12、兩力傳感器13、一反力架橫梁14、兩加載螺栓15、一反力板16、至少兩加載彈簧17以及一承壓板18；所述地錨11固定在地面上；兩所述反力架立柱12采用立柱地腳螺栓121固定在地錨11上；所述兩力傳感器13分別連接在一反力架立柱12的中段；所述反力架橫梁14跨接在兩所述反力架立柱12之間并采用加載螺栓15自上而下鎖附；所述反力板16設(shè)置在所述反力架橫梁14的下方并通過所述加載彈簧17固定連接所述承壓板18；所述地錨11、兩反力架立柱12、承壓板18之間圍成一試驗?zāi)Ｐ蚥容置空間a。

所述靜力加載機構(gòu)1還包括定位螺桿19，所述定位螺桿19穿過所述反力架橫梁14、所述反力板16與所述承壓板18采用螺紋連接。

安裝時定位螺桿19可用于固定承壓板18、反力板16的水平位置，計算機實時監(jiān)測力傳感器13數(shù)據(jù)，緩慢對稱向下擰反力架立柱12上的加載螺栓15，使得反力架橫梁14與反力板16剛好接觸。調(diào)整過程中用水準(zhǔn)泡或水平尺校核反力架橫梁14、反力板16、承壓板18是否水平。

所述反力架橫梁14除了頂面設(shè)置加載螺栓15鎖附在所述反力架立柱12上外，其底面還通過第一安全螺栓142鎖附在所述反力架立柱12上，所述加載螺栓15、第一安全螺栓142與反力架橫梁14間設(shè)有彈性墊片(未圖示)，通過扳動加載螺栓15和第一安全螺栓142實現(xiàn)反力架橫梁14的上下調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)靜力加載與卸載。

所述加載彈簧17的兩端分別與所述反力板16和所述承壓板18焊接固定；所述加載彈簧17上端的中心位置設(shè)置有第二安全螺栓172，第二安全螺栓172下部采用螺紋連接在所述承壓板18上，所述加載彈簧17下端的中心位置設(shè)有橡膠圈174，橡膠圈174采用強力膠水粘貼在所述承壓板18上，第二安全螺栓172和橡膠圈174可以保證加載彈簧17在加載過程中不失穩(wěn)彈出。

所述反力架立柱12為實心鋼柱，且表面設(shè)螺紋；

所述反力架橫梁14為焊接鋼結(jié)構(gòu)箱梁；

所述承壓板18、反力板16均為經(jīng)過精加工的高強度方形鋼板；

所述反力板16與反力架橫梁14間設(shè)有防滑膠墊162，起緩沖保護作用。

本發(fā)明僅具靜力加載機構(gòu)只能進行靜荷載施加試驗，結(jié)合圖3所示，加載方法如下：

步驟s11、預(yù)估試驗?zāi)Ｐ蚥加載的極限荷載，初步確定每級荷載和加載級數(shù)；

步驟s12、緩慢對稱往下擰加載螺栓15，荷載依次從反力架橫梁14、反力板16、加載彈簧17傳遞至承壓板18；

在加載過程中，通過力傳感器13實時監(jiān)測荷載大小，同時采用電子位移計記錄試驗?zāi)Ｐ蚥的變形；當(dāng)荷載變化率達3％時，緩慢對稱往下擰加載螺栓15，以保持試驗?zāi)Ｐ蚥承受靜荷載的相對穩(wěn)定；當(dāng)相鄰24小時軸向應(yīng)變差值與總應(yīng)變之比小于5％，繼續(xù)往下擰加載螺栓15施加下一級荷載。

實施例2

如圖2、圖4以及圖5所示，本發(fā)明的加載裝置的一實施例包括靜力加載機構(gòu)1和動力加載機構(gòu)2，即，在上述實施例1的基礎(chǔ)上增加一動力加載機構(gòu)2，所述動力加載機構(gòu)2包括端頭板21、端頭板固定螺栓桿22以及作動器23，所述端頭板21與反力板16采用所述端頭板固定螺栓桿22連接，所述作動器23連接于所述端頭板21的上方；且所述反力板16與所述承壓板18采用反力板固定螺栓桿164連接，端頭板21、反力板16、承壓板18通過端頭板固定螺栓桿22連接后，形成空間動荷載傳遞體系。在承壓板18、反力板16、端頭板21連接時，需采用水準(zhǔn)泡校核是否水平。

端頭板21為經(jīng)過精加工的高強度方形鋼板；所述反力板固定螺栓桿164下部采用螺紋連接在承壓板18上，反力板固定螺栓桿164為雙螺母結(jié)構(gòu)的螺栓，且設(shè)置有彈性墊片。

本發(fā)明包括靜力加載機構(gòu)1和動力加載機構(gòu)2的加載裝置的加載方法，可以單獨進行靜荷載施加試驗(如實施例一所述)，還可以進行動靜耦合加載試驗，如圖1至圖5所示，該動靜耦合加載過程具體包括：

步驟s1、預(yù)估試驗?zāi)Ｐ蚥加載的極限荷載，初步確定每級荷載和加載級數(shù)；

步驟s2、緩慢對稱往下擰加載螺栓15，荷載依次從反力架橫梁14、反力板16、加載彈簧17傳遞至承壓板18；

在加載過程中，由于試驗?zāi)Ｐ妥冃?，加載彈簧變長導(dǎo)致荷載變小，即可通過力傳感器13實時監(jiān)測荷載大小，同時采用電子位移計或千分表來記錄試驗?zāi)Ｐ蚥的變形；當(dāng)荷載變化率達3％時，緩慢對稱往下擰加載螺栓15，以保持試驗?zāi)Ｐ蚥承受靜荷載的相對穩(wěn)定；當(dāng)相鄰24小時軸向應(yīng)變差值與總應(yīng)變之比小于5％，可認為變形已經(jīng)穩(wěn)定，可繼續(xù)往下擰加載螺栓15施加下一級荷載，或根據(jù)時間來施加下一級荷載，或按下述步驟s3至s5施加動荷載，且在施加動荷載后，通過步驟s6至s8進行動、靜荷載的轉(zhuǎn)換。

步驟s3、控制作動器23施加荷載至當(dāng)前一級靜荷載數(shù)值，反力架橫梁14退出工作；在此之前需向上擰緊第一安全螺栓142，即可使反力架橫梁14在動力加載過程中不再往下；

步驟s4、采用反力板固定螺栓桿164固定反力板16和承壓板18，保證加載彈簧17在動荷載施加過程中不產(chǎn)生受力變形，以形成由反力板、承壓板、反力板固定螺栓組成的空間傳力體系；

步驟s5、控制作動器23輸出預(yù)設(shè)波形的動荷載和加載次數(shù)，施加動力循環(huán)荷載，由作動器23輸出的動荷載依次從端頭板21、端頭板固定螺栓桿22、反力板16、反力板固定螺栓桿164傳遞至承壓板18上，進而實現(xiàn)對試驗?zāi)Ｐ偷膭恿虞d；

步驟s6、在動力循環(huán)荷載施加完畢后，松開反力板固定螺栓桿164，控制作動器23輸出靜力荷載，該荷載數(shù)值略小于試驗?zāi)Ｐ拖乱还r需要承受的荷載；

步驟s7、往下緩慢松開第一安全螺栓142，使得反力架橫梁14與反力板16剛好接觸，采用力傳感器13監(jiān)測接觸情況；

步驟s8、緩慢卸除作動器23輸出的荷載，松開并移除端頭板固定螺栓桿22，反力架橫梁14開始工作，對稱緩慢向下微調(diào)加載螺栓15，直至荷載達到規(guī)定數(shù)值，這樣，動靜荷載就實現(xiàn)了自由轉(zhuǎn)換。

該實施例能夠很好地模擬巖土體承受靜力荷載和動力荷載的耦合作用，可實現(xiàn)對巖土工程模型施加動靜荷載，分析數(shù)據(jù)可以得到在復(fù)雜動靜荷載共同作用下巖土體的變形和力學(xué)特性，測試的結(jié)果更接近于實際情況。

雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，我們所描述的具體的實施例只是說明性的，而不是用于對本發(fā)明的范圍的限定，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在依照本發(fā)明的精神所作的等效的修飾以及變化，都應(yīng)當(dāng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求所保護的范圍內(nèi)。