實(shí)現(xiàn)豎向循環(huán)壓縮-側(cè)向搖擺剪切動(dòng)力加載的試驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基礎(chǔ)工程建設(shè)領(lǐng)域中地基土試驗(yàn)裝置，尤其是涉及一種實(shí)現(xiàn)豎向循環(huán)壓縮-側(cè)向搖擺剪切動(dòng)力加載的試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也日益繁榮，同時(shí)也帶來(lái)了許多重大而復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題。特別是地基土、路基土在動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定和變形問(wèn)題日益受到重視，如地震引起的土體液化失穩(wěn)，高層建筑基礎(chǔ)、大型橋梁基礎(chǔ)在風(fēng)荷載下的穩(wěn)定問(wèn)題，堤岸在波浪荷載下的穩(wěn)定問(wèn)題，路基土在交通荷載下的變形問(wèn)題等。對(duì)這些復(fù)雜問(wèn)題的研宄主要還是通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行。
[0003]地基土是典型的各向異性天然材料，其變形特性除了取決于應(yīng)力主值大小，還很大程度上依賴于現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)力主方向，而不同的巖土工程背景由于作用于地基基礎(chǔ)的外荷載性質(zhì)(加載方向及頻率)不同，地基土將經(jīng)歷不同的偏應(yīng)力路徑，如圖1(a)所示，以長(zhǎng)期往復(fù)交通移動(dòng)荷載下路基土受荷路徑為例，場(chǎng)地主應(yīng)力大小及方向發(fā)生呈倒“心”形態(tài)的耦合性變化。圖1(b)所示的波浪荷載下地基的受荷路徑，呈現(xiàn)主應(yīng)力大小不變，而單純地改變主應(yīng)力方向的原形加載路徑；圖1(c)所示地震荷載下地基土的加荷路徑，主應(yīng)力大小循環(huán)改變，但主應(yīng)力方向限制與初始靜主應(yīng)力方向呈特定夾角的特定方向，可以看出，上述三種循環(huán)動(dòng)載問(wèn)題本質(zhì)都是兩個(gè)方向耦合的循環(huán)動(dòng)載。然而，目前模擬這一特定循環(huán)動(dòng)載的試驗(yàn)手段是傳統(tǒng)的循環(huán)雙軸(三軸)試驗(yàn)儀，由于循環(huán)雙軸(三軸)試驗(yàn)儀只能施加單向(豎向)循環(huán)動(dòng)載，無(wú)法在加載過(guò)程中實(shí)現(xiàn)土樣的主應(yīng)力軸連續(xù)偏轉(zhuǎn)，得到的循環(huán)加載路徑為圖1 (d)。相比較，盡管空心圓柱扭轉(zhuǎn)剪切儀可實(shí)現(xiàn)土樣主應(yīng)力方向與大小同時(shí)耦合變化，但由于扭剪儀土樣尺寸過(guò)小(一般空心試樣壁厚小于5cm)，無(wú)法制作碎石(最大粒徑可2cm甚至更大)土樣，目前只能對(duì)黏土和砂土試樣進(jìn)行加載。此外，現(xiàn)有的室內(nèi)土工試驗(yàn)儀都無(wú)法觀察土體細(xì)觀顆粒破碎和組構(gòu)(顆粒排列)變化。
[0004]中國(guó)專利CN 103217348 A公布了一種模擬往復(fù)交通移動(dòng)荷載下碎石土路基力學(xué)行為的試驗(yàn)裝置，該裝置包括外圍框架、試樣盒、軸向加載單元、水平加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試樣盒設(shè)在外圍框架內(nèi)部，試樣盒內(nèi)裝填碎石土路基試樣，碎石土路基試樣的上方鋪設(shè)路面板，軸向加載單元包括小車輪和液壓加載系統(tǒng)，小車輪設(shè)在路面板上，液壓加載系統(tǒng)為小車輪施加軸向壓力，水平加載系統(tǒng)維持小車輪水平向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)在試樣盒的側(cè)壁的四角處。該裝置可以模擬往復(fù)交通移動(dòng)荷載下碎石土路基力學(xué)行為，得到碎石土路基變形沉降與加載次數(shù)、加載頻率、軸向荷載等參數(shù)的關(guān)系，從而合理地指導(dǎo)道路工程建設(shè)的工程實(shí)踐，確保碎石土路基的穩(wěn)定性。但是上述裝置只能施加單向的循環(huán)正應(yīng)力，不能施加循環(huán)剪應(yīng)力。
[0005]為此，本發(fā)明提出一種能實(shí)現(xiàn)豎向循環(huán)壓縮-側(cè)向搖擺剪切動(dòng)力加載的試驗(yàn)裝置，并能夠研宄各種土體中的主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)觀察記錄試樣顆粒結(jié)構(gòu)變化，揭示土體宏觀變形的細(xì)觀機(jī)理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種實(shí)現(xiàn)豎向循環(huán)壓縮-側(cè)向搖擺剪切動(dòng)力加載的試驗(yàn)裝置。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0008]一種實(shí)現(xiàn)豎向循環(huán)壓縮-側(cè)向搖擺剪切動(dòng)力加載的試驗(yàn)裝置，包括外圍框架、設(shè)置在外圍框架內(nèi)部的模型箱、為模型箱進(jìn)行加載的加載單元，以及采集模型箱內(nèi)部土試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集單元，所述的模型箱內(nèi)裝填土試樣，所述的加載單元包括施加豎向動(dòng)載的豎向動(dòng)載作動(dòng)器、施加側(cè)向搖擺的水平剪切動(dòng)載的側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器，以及控制模型箱圍壓靜載的側(cè)向壓力加載單元。其中，豎向動(dòng)載作動(dòng)器與側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器均為電液伺服作動(dòng)器。豎向動(dòng)載作動(dòng)器可施加垂向循環(huán)動(dòng)載范圍O?100kN，誤差1%，最大加載頻率2Hz，2Hz時(shí)最大振幅± Imm ;側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器可施加水平剪切荷載范圍O?±50kN，誤差1%，最大循環(huán)頻率2Hz，2Hz時(shí)最大振幅±4mm。
[0009]所述的模型箱由底板、承載立板及有機(jī)玻璃觀察窗，所述的底板水平設(shè)置，所述的承載立板設(shè)有兩塊，承載立板的下端分別轉(zhuǎn)動(dòng)連接在底板的左右兩側(cè)，兩個(gè)承載立板通過(guò)拉板連接在一起，用于實(shí)現(xiàn)同步搖擺轉(zhuǎn)動(dòng)，所述的有機(jī)玻璃觀察窗設(shè)在底板的前后兩側(cè)；所述的模型箱頂部為敞開(kāi)結(jié)構(gòu)，在土試樣上方設(shè)有承壓頂板。
[0010]所述的底板的左右兩側(cè)分別設(shè)有銷子，所述的承載立板通過(guò)銷子轉(zhuǎn)動(dòng)連接在底板上，所述的承載立板可以以銷子為中心軸左右搖擺轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0011]所述的模型箱的內(nèi)側(cè)設(shè)有施加圍壓的液壓囊，所述的側(cè)向壓力加載單元為向液壓囊施加油壓的液壓油源，液壓油源帶有風(fēng)冷卻器和高壓過(guò)濾器，流量20L/min，壓力23MPa，電機(jī)功率13kW，輸油管路采用高壓軟管。
[0012]所述的外圍框架包括底座、模型箱框架、水平承載框架，所述的模型箱框架設(shè)在底座上，所述的模型箱設(shè)在模型箱框架內(nèi)，為了消除水平力對(duì)豎向加載作動(dòng)器的影響，所述的模型箱框架外部設(shè)有豎向承載立柱，所述的豎向動(dòng)載作動(dòng)器固定在豎向承載立柱上，所述的豎向動(dòng)載作動(dòng)器與豎向加載板連接，所述的豎向加載板滑動(dòng)連接在豎向承載立柱上，所述的豎向加載板下側(cè)通過(guò)豎向動(dòng)載傳力桿連接到承壓頂板上；豎向承載立柱用于導(dǎo)向和承載，保證了加在承壓頂板上豎向動(dòng)載的精度，豎向加載板的存在，消除了摩擦力對(duì)豎向動(dòng)載作動(dòng)器的影響。所述的水平承載框架固定在底座上，所述的側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器一端通過(guò)側(cè)向搖擺動(dòng)載傳力桿連接在承載立板上，另一端固定在水平承載框架上。
[0013]所述的底座、模型箱框架、水平承載框架均為鋼結(jié)構(gòu)框架。
[0014]所述的數(shù)據(jù)采集單元包括設(shè)置在模型箱內(nèi)的土試樣中的應(yīng)力盒與位移傳感器，以及采集并分析應(yīng)力盒與位移傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，還配備多通道控制器，采用POP-M型多通道控制器，配有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的控制通道，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)豎向動(dòng)載作動(dòng)器和側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器的同步或異步控制，具有擴(kuò)展成為多通道加載系統(tǒng)的能力；計(jì)算機(jī)采用嵌入式Windows智能操作系統(tǒng)，用于試驗(yàn)裝置的驅(qū)動(dòng)控制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和處理；試驗(yàn)加載通過(guò)多通道試驗(yàn)軟件P0PWARE-M實(shí)現(xiàn)，可以控制加載的波形、幅值、次數(shù)和頻率，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于內(nèi)置固態(tài)硬盤或外置U盤，并可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)WLAN或有線網(wǎng)絡(luò)LAN控制及發(fā)布；活動(dòng)應(yīng)力盒設(shè)置4個(gè)，每個(gè)由5個(gè)壓力盒傳感器組成，分別對(duì)應(yīng)5個(gè)方向，試驗(yàn)時(shí)置入土試樣內(nèi)部以測(cè)量試樣內(nèi)部應(yīng)力，每個(gè)壓力盒傳感器通過(guò)獨(dú)立的24位AD轉(zhuǎn)換通道測(cè)量試樣內(nèi)部應(yīng)力，采樣頻率10Hz ;活動(dòng)位移傳感器4個(gè)，測(cè)量范圍O?30mm，測(cè)量誤差0.0Olmm,試驗(yàn)時(shí)置入試樣內(nèi)部，每個(gè)傳感器通過(guò)獨(dú)立的24位AD轉(zhuǎn)換通道測(cè)量試樣位移，采樣頻率10Hz。
[0015]所述的數(shù)據(jù)采集單元還包括捕捉不同時(shí)刻模型箱內(nèi)土樣形變圖像的PIV圖像照相機(jī)，所述的PIV圖像照相機(jī)與計(jì)算機(jī)連接。PIV圖像照相機(jī)采用高清晰攝像儀捕捉不同時(shí)刻的土樣形變圖像，應(yīng)用目前PIV技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，可測(cè)量試樣中的示蹤土粒在已知很短時(shí)間間隔內(nèi)的位移來(lái)間接地測(cè)量流場(chǎng)的瞬態(tài)速度分布，得到整個(gè)加載直至破壞過(guò)程中土樣變形的演化規(guī)律。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0017](I)現(xiàn)有的循環(huán)雙軸(三軸)儀只能在土樣上施加單向的循環(huán)正應(yīng)力，不能施加循環(huán)剪應(yīng)力。而本發(fā)明設(shè)計(jì)的模型箱左右兩側(cè)的承載立板可自由同步搖擺，在側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器作用下，可在土試樣的上、下面及左、右面上施加剪應(yīng)力(或剪應(yīng)變)。
[0018](2)本發(fā)明的搖擺動(dòng)載和豎向循環(huán)動(dòng)載可獨(dú)立加載，當(dāng)只施加圍壓靜載和豎向動(dòng)載時(shí)，本發(fā)明試驗(yàn)裝置相當(dāng)于現(xiàn)有的循環(huán)雙軸儀；當(dāng)只施加圍壓靜載和擺動(dòng)動(dòng)載時(shí)，本發(fā)明試驗(yàn)裝置相當(dāng)于現(xiàn)有的循環(huán)單剪儀。
[0019](3)本發(fā)明試驗(yàn)裝置施加的搖擺動(dòng)載和豎向循環(huán)動(dòng)載可按指定的循環(huán)正應(yīng)力波-循環(huán)剪應(yīng)力波進(jìn)行耦合性動(dòng)力加載；可給模型箱內(nèi)土樣施加循環(huán)交通動(dòng)載、波浪荷載和地震荷載下地基土的循環(huán)偏應(yīng)力路徑(圖1所示)；相比較現(xiàn)有循環(huán)扭剪儀，本發(fā)明試驗(yàn)裝置施加的循環(huán)剪應(yīng)力(或剪應(yīng)變)在試樣內(nèi)更為均勻，而現(xiàn)有循環(huán)扭剪儀是在空心圓柱試樣的頂面施加扭剪，圓柱內(nèi)、外剪應(yīng)力(剪應(yīng)變)分布不均勻。
[0020](4)本發(fā)明的試驗(yàn)裝置內(nèi)置的土試樣尺寸400mm(長(zhǎng))X400mm(寬)X400mm(高)，可模擬黏土、砂土和碎石土，而傳統(tǒng)循環(huán)雙軸儀、三軸儀、扭剪儀試樣尺寸多小(最大尺寸不超過(guò)1cm)，不能模擬交通動(dòng)載下路基基層的粗顆粒土(如碎石)。
[0021](5)本發(fā)明裝置前后側(cè)設(shè)置透視窗，可與PIV技術(shù)結(jié)合，觀察土顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到加載全過(guò)程變形時(shí)空分布規(guī)律，而傳統(tǒng)的試驗(yàn)儀都具備變變形量測(cè)的可視化技術(shù)。
[0022](6)本發(fā)明試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝及拆卸容易，實(shí)驗(yàn)過(guò)程操作簡(jiǎn)便。本裝置用以仿真特定巖土工程的真實(shí)場(chǎng)地多維循環(huán)動(dòng)載路徑，得到多維循環(huán)動(dòng)載下土顆粒破碎、體累計(jì)變形和動(dòng)力強(qiáng)度與加載次數(shù)、加載頻率、荷載水平等參數(shù)的關(guān)系，從而合理地指導(dǎo)地基振(震)動(dòng)等動(dòng)力巖土工程實(shí)踐，確保工程設(shè)計(jì)的安全性與經(jīng)濟(jì)性。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為不同循環(huán)動(dòng)載下的偏應(yīng)力路徑示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為模型箱的結(jié)構(gòu)示意；
[0026]圖4為施加于土樣應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)示意圖；
[0027]圖5為實(shí)現(xiàn)交通動(dòng)載下地基土偏應(yīng)力路徑的加載波形。
[0028]圖中標(biāo)號(hào):1為外圍框架，11為底座，12為模型箱框架，13為水平承載框架，2為模型箱，21為底板，22為承載立板，23為有機(jī)玻璃觀察窗，24為側(cè)向搖擺動(dòng)載傳力桿，25為銷子，26為液壓囊，27為豎向動(dòng)載傳力桿，3為土試樣，31為承壓頂板，4為豎向動(dòng)載作動(dòng)器，5為側(cè)向搖擺動(dòng)力作動(dòng)器，6為計(jì)算機(jī)，7為PIV圖像照相機(jī)，8為豎向承載立柱，9為豎向加載板。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。