土工振动台试验加卸载装置和方法与流程

本发明涉及一种用于土工振动台试验的辅助装置和方法，具体涉及一种土工振动台试验加卸载装置和方法。

背景技术：

振动台试验可再现各种形式的地震波，用以模拟若干地震现象的初震、主震和余震全过程，可直观地了解和认识地震过程中试验对象的反应特征和破坏现象。振动台试验研究内容已涉及地基与基础的静动力响应分析、建筑液化震陷、堤坝和边坡的变形及稳定性评价、土工构筑物地震反应等岩土工程的众多研究领域，目前已成为土工抗震研究所采用的一种主要技术手段。

由于受到振动台台面尺寸和承载能力的限制，模型地基的土层厚度一般不超过2m。对于地基上存在建筑物或试验对象为深埋土体等具体的工况，若实际存在的上覆压力在试验中不能得到相应体现，将导致模型地基应力状态与原型地基的初始应力状态不符，因此在实际模拟过程中需要对模型地基施加一定的上覆压力。已有的振动台上覆压力加载方式如配重法和气囊加载法存在不能准确控制加载面姿态、不能保证荷载均匀并且竖直施加于地基表面的缺点，尤其在承载力较低的软弱地层上覆压力的模拟过程中，已有的上覆压力加载装置由于缺乏力传递导向装置，试验过程中可能出现加载面倾斜、地层发生偏压的现象，造成试验条件与实际工况不相符合的情形。因此，振动台试验中上覆压力施加的准确与否将直接影响振动台试验结果的真实性和可靠性。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种土工振动台试验加卸载装置和方法，用于实现振动台试验中土体上覆压力的准确施加，克服配重、气囊加载等方式在振动台试验过程中可能出现的偏压或者加载不均现象，进而实现模型土体与原型土体的应力、变形条件相匹配。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种土工振动台试验加卸载装置，包括模型箱、反力框架、加载装置和数据采集装置；所述加载装置包括加载板、液压缸、液压缸上部管路和压力总管路；液压缸上部管路上设有电磁阀、稳压阀和分流阀，压力总管路上设有稳压器；

所述数据采集装置包括倾角传感器、压力传感器、位移传感器、控制器和计算机；所述反力框架固定设置于模型箱上部，由井字相交的锻件梁组成；

所述锻件梁交汇处设置通孔，通孔内固定设置液压缸，每个液压缸连接的上部管路上依次设置电磁阀、稳压阀和分流阀，后通过压力总管路连接至稳压器和压力源；

所述反力框架的下表面与加载板接触，液压缸穿过通孔固定于加载板上表面；

所述加载板下表面安装倾角传感器、压力传感器和位移传感器；

所述计算机采集传感器数据，用于数据分析，并通过控制器监测传感器数据，控制压力加载的方向和大小。数据采集装置中倾角传感器和压力传感器安装在加载板下部表面，用来实时监测加载板的姿态以及加载板施加给地基的压力，并将加载板倾角值和加载板施加给地基的压力传输给控制器和计算机；所述控制器同时用于接收加载板倾角值、加载板施加给模型土体的压力值，并将倾角、压力输出给计算机，当倾角值、压力值与加载条件设定值不符时，控制器发出控制指令，进而保证加载的方向以及施加压力的大小的准确性。

作为本发明的进一步改进，所述土工振动台试验机加卸载装置还包括位置控制装置，所述位置控制装置包括比例阀和限位器；每个液压缸连接的上部管路上依次设置比例阀、限位器、电磁阀、稳压阀和分流阀，后通过压力总管路连接至稳压器和压力源；位移传感器和比例阀输入端相连，比例阀采集位移传感器信号并将信号传输至控制器，控制器接收比例阀采集的加载板位移值，通过电磁阀、比例阀和限位器调节液压缸活塞的位置。采用位置控制装置能够在加载压力前的调试过程中调节液压缸活塞的位置；同时稳压阀和比例阀连接在压力源通向液压缸的管路上，并与控制器的输出端相连，用以保证输入液压缸的压力和行进位移的稳定性，起到保护液压缸和精确控制液压缸活塞行进的作用。

作为本发明的进一步改进，所述锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置螺栓盲孔；液压缸活塞向下竖直安装在反力框架预留通孔内，液压缸通过螺栓和通孔周围的螺栓盲孔固定，液压缸活塞下部的加压头与加载板的上表面通过销钉以铰接的方式连接；所述反力框架通过高强螺栓安装在模型箱上部为液压缸提供反力。本发明中的装置可以采用各种通用手段进行固定，以固定牢固为准，本发明中优选采用螺纹连接和螺丝螺母固定，可将装置固定牢固，此外，液压缸活塞下部的加压头与加载板的上表面通过销钉以铰接的方式连接，确保压力加载过程中加载板和液压缸稳定不发生位移。

作为本发明的进一步改进，所述将加载板由不同尺寸的分块加载板组成，每个液压缸活塞对分块加载板单独加载，实现对模型土体不同区域施加不同的上覆荷载。本发明中液压缸活塞设置于井字分布的反力框架锻件梁交汇处，液压缸活塞分布均匀，确保了上覆压力的稳定性，同时可根据试验需求，增加锻件梁和液压缸活塞的数量，实现多个模型土体多个不同区域不同上覆荷载的施加。

作为本发明的进一步改进，所述液压缸上部还设置排气阀。

作为本发明的进一步改进，压力源和稳压器之间还设有自动开关阀门，压力源的接口依次通过自动开关阀门、稳压器、分流阀、稳压阀连接至液压缸，为液压缸提供液压。测试时，自动开关阀门处于打开状态，当量测系统出现问题时可手动关闭，保护加载系统。

作为本发明的进一步改进，所述压力源采用连接振动台的液压系统或外接电动液压泵。

作为本发明的进一步改进，所述位移传感器为lvdt高精度激光位移传感器。选用激光位移传感器可以快速、精确测定加荷板的位移，并且测量范围广，可以根据试验要求调整。

作为本发明的进一步改进，所述锻件梁选用铝锻件梁。

本发明还提供了一种土工振动台试验加卸载装置，具体包括如下步骤：

步骤1：在模型箱内设置模型土体；

步骤2：将井字相交的锻件梁作为反力框架，在锻件梁交汇处设置通孔，固定液压缸；加载板与液压缸活塞的下部连接，在加载板下部与液压缸活塞对应位置与模型土体接触的下表面安装倾角传感器、压力传感器和位移传感器，并使传感器与加载板的下表面平齐；在液压缸上部的管路上依次安装比例阀、限位器、电磁阀、稳压阀和分流阀，并由压力总管路连接至稳压器和自动开关阀门通至压力源，将传感器通过数据线与控制器和计算机相连组成数据采集系统，最后将反力框架通过螺栓固定于模型箱的上部，安装完毕后对加载装置进行调试；

步骤3：调整加载板与模型土体加载前的接触；通过计算机将模型土体表面的倾斜或水平状况换算为加载板下表面倾角传感器和液压缸的位移，控制器向液压缸发出指令调整液压缸的位移，加载板行进与模型土体接触，压力传感器达到控制器设置接触阈值之后，电磁阀关闭，限位器启动，液压缸活塞停止行进位置锁定；

步骤4：对模型箱内模型土体施加上覆压力；根据试验要求将上覆压力输入计算机，控制器发出指令，电磁阀开启，液压缸行进，加载板下表面的压力传感器实时反馈加载板施加给模型土体的上覆压力，控制器在压力传感器测值达到设定值之后，控制器发出信号，加载停止。

本发明的方法与装置与现有技术相比的有益效果如下：

（1）本发明土工振动台试验加卸载装置和方法的加载装置可以适用于振动台试验过程中水平和倾斜地基上覆压力的施加，能够精确控制施加在地基土体表面上覆压力的大小和方向，解决传统振动台水平地基上覆压力加载过程中地基土的偏压现象，为开展复杂地基上覆荷载条件下振动台试验提供技术基础。

（2）加载装置可采用装配式设计，可以适用不同尺寸的离心机模型箱，可以根据试验的需求，将加载板设置为由不同尺寸的分块加载板组成，每个液压活塞对分块加载板单独加载，可以实现对地基土体不同区域不同上覆荷载的施加；

（3）压力源可以是振动台的液压系统或者外接电动液压泵，能够提供的压力范围可以根据具体试验要求进行调整，适用范围广；

（4）能够通过布置在加载板上部的液压缸、比例阀、限位器、电磁阀等准确控制加载板的加载速率、姿态和加载板的位置，可以确保在振动台试验过程中上覆压力加载的方向按照试验设定准确施加，使地基土表面每个点的受力和变形与试验边界条件相同，保证加载的准确性和试验结果的可靠性；

（5）与控制器输入端相连的倾角传感器、位移传感器和压力传感器可以采集和控制加载板的行进值和倾角，进而调整施加在地基上的压力，实现对模型土体加载和卸载；

（6）加载板的倾斜角度可以按照具体试验要求进行调整，从而实现对倾斜地基施加上覆压力。

附图说明

图1为本发明实施例1加卸载装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1中液压缸在反力框架上表面的布置位置示意；

图3为本发明实施例1中液压缸示意图以及液压缸管路上阀门位置示意图；

图中：1.模型箱，2.模型土体，3.加载板，4.反力框架，5.液压缸，51.液压缸活塞，52.液压缸活塞加压头，6.计算，61.倾角传感器，62.压力传感器，63.位移传感器,64.控制器，7.液压缸上部管路，71.比例阀，72.限位器，73.电磁阀，74.稳压阀，75.分流阀，8.压力总管路，81.稳压器，82.自动开关阀门。

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

如图1-图3所示的土工振动台试验加卸载装置，包括模型箱1、反力框架4、加载装置和数据采集装置；

所述加载装置包括加载板3、液压缸5、液压缸上部管路7和压力总管路8，液压缸上部管路7上设有电磁阀73、稳压阀74和分流阀75，压力总管路8上设有稳压器81；

所述数据采集装置包括倾角传感器61、压力传感器62、位移传感器63、控制器64和计算机6；

所述反力框架4固定设置于模型箱1上部，由井字相交的铝锻件梁组成；所述铝锻件梁交汇处设置通孔，通孔内固定设置液压缸5，所述锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置螺栓盲孔；液压缸活塞51向下竖直安装在反力框架4预留通孔内，液压缸5通过螺栓和通孔周围的螺栓盲孔固定，液压缸活塞51下部的加压头52与加载板3的上表面通过销钉以铰接的方式连接；所述反力框架4通过高强螺栓安装在模型箱1上部为液压缸5提供反力。液压缸5上部设置排气阀排气，每个液压缸5连接的上部管路7上依次设置电磁阀73、稳压阀74和分流阀75，后通过压力总管路8连接至稳压器81、自动开关阀门82和压力源；

所述反力框架4的下表面与加载板3接触，液压缸5穿过通孔固定于加载板3上表面；

所述加载板4下表面安装倾角传感器61、压力传感器62和位移传感器63；

所述计算机6采集传感器数据，用于数据分析，并通过控制器64监测传感器数据，控制压力加载的方向和大小。

其中，根据需求，加载板3可由不同尺寸的分块加载板组成，每个液压缸活塞51对分块加载板单独加载，实现对模型土体不同区域施加不同的上覆荷载。压力源可采用直接连接振动台的液压系统或外接电动液压泵。

本实施例中，位移传感器63选用lvdt高精度激光位移传感器。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，还包括位置控制装置，所述位置控制装置包括比例阀71和限位器72；位移传感器63和比例阀71输入端相连，比例阀71采集位移传感器63信号并将信号传输至控制器64，控制器64通过电磁阀73、比例阀71和限位器72调节液压缸活塞51的位置。

实施例3

本实施例具体说明本发明方法的实施方式。

本发明的土工振动台试验加卸载方法具体包括如下步骤：

步骤1：在模型箱1内设置模型土体2；

步骤2：将井字相交的锻件梁作为反力框架4，在锻件梁交汇处设置通孔，固定液压缸5；加载板4与液压缸活塞51的下部连接，在加载板3下部与液压缸活塞51对应位置与模型土体2接触的下表面安装倾角传感器61压力传感器62和位移传感器63，并使传感器与加载板3的下表面平齐；在液压缸上部的管路7上依次安装比例阀71、限位器72、电磁阀73、稳压阀74和分流阀75，并由压力总管路8连接至稳压器81和自动开关阀门82通至压力源，将传感器通过数据线与控制器64和计算机6相连组成数据采集系统，最后将反力框架4通过螺栓固定于模型箱1的上部，安装完毕后对加载装置进行调试；

步骤3：调整加载板3与模型土体2加载前的接触；通过计算机将模型土体2表面的倾斜或水平状况换算为加载板下表面倾角传感器61和液压缸5的位移，控制器64向液压缸5发出指令调整液压缸的位移，加载板3行进与模型土体2接触，压力传感器62达到控制器64设置接触阈值之后，电磁阀73关闭，限位器72启动，液压缸活塞51停止行进位置锁定；

步骤4：对模型箱1内模型土体2施加上覆压力；根据试验要求将上覆压力输入计算机6，控制器64发出指令，电磁阀73开启，液压缸5行进，加载板3下表面的压力传感器62实时反馈加载板施加给模型土体2的上覆压力，控制器64在压力传感器62测值达到设定值之后，发出信号，加载停止。