岩土工程模型试验的加载装置及加载方法与流程

【技术领域】

本发明涉及岩土工程室内模型试验技术，尤其涉及一种用于岩土工程模型试验的加载装置及加载方法。

背景技术：

岩土体及地下结构经常同时受到静力荷载和动力荷载作用，例如铁路路基承受轨道及其土体自重等静荷载和高速列车经轨道传递的动荷载的作用。长期的静荷载引起岩土体发生流变变形，而间歇作用的动荷载则导致岩土体产生动力累积变形，充分认识岩土体材料的流变特性与动力变形特性是保证工程安全与稳定性的重要前提。因此对动、静荷载耦合作用岩土体与地下结构物力学与变形特性的研究是非常有实践意义。室内模型试验是研究岩土体及地下结构物在动、静荷载作用下力学变形特性的重要方法之一，但在试验中如何模拟岩土体及地下结构物所承受的动、静荷载一直是技术难题。

目前，对岩土体施加动、静荷载的常用设备有振动台、大型动静三轴仪、大型循环剪切仪、美国mts和邦威仪器生产的电液伺服试验系统等。由于岩土体的流变的时间较长、尤其软土的流变时间长达几年，因此为模拟土体所受的长期荷载，室内模型试验加载的时间往往较长，但采用上述设备一般仅能开展短期的静力与动力耦合加载，如进行长期动静耦合加载，加载成本非常高，造成在室内模拟岩土体长期变形与力学特性的困难。因此需要研发一种能实现间歇循环动力荷载与长期静力荷载耦合作用的岩土工程模型试验加载方法及其装置，又要实现低成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，在于提供一种岩土工程模型试验的加载装置及加载方法，能低成本实现对岩土工程模型开展静力蠕变试验或静力蠕变试验和动力疲劳试验的耦合加载。

本发明的加载装置是这样实现的：一种岩土工程模型试验的加载装置，包括静力加载机构，所述静力加载机构包括一地锚、两反力架立柱、两力传感器、一反力架横梁、两加载螺栓、一反力板、至少两加载弹簧以及一承压板；所述地锚固定在地面上；两所述反力架立柱采用立柱地脚螺栓固定在地锚上；所述两力传感器分别连接在一反力架立柱的中段；所述反力架横梁跨接在两所述反力架立柱之间并采用加载螺栓自上而下锁附；所述反力板设置在所述反力架横梁的下方并通过所述加载弹簧固定连接所述承压板；所述地锚、两反力架立柱、承压板之间围成一试验模型容置空间。

进一步的，本发明的加载装置还包括动力加载机构，所述动力加载机构包括端头板、端头板固定螺栓杆以及作动器，所述端头板与反力板采用所述端头板固定螺栓杆连接，所述作动器连接于所述端头板的上方；且所述反力板与所述承压板采用反力板固定螺栓杆连接。

进一步的，所述静力加载机构还包括定位螺杆，所述定位螺杆穿过所述反力架横梁、所述反力板与所述承压板采用螺纹连接。

进一步的，所述反力架横梁的底面还通过第一安全螺栓锁附在所述反力架立柱上。

进一步的，所述加载弹簧的两端分别与所述反力板和所述承压板焊接固定；所述加载弹簧上端的中心位置设置有第二安全螺栓，第二安全螺栓下部采用螺纹连接在所述承压板上，所述加载弹簧下端的中心位置设有橡胶圈，橡胶圈采用强力胶水粘贴在所述承压板上。

进一步的，所述反力架立柱为实心钢柱，且表面设螺纹；

所述反力架横梁为焊接钢结构箱梁；

所述承压板、反力板、端头板均为经过精加工的高强度方形钢板；

所述反力板与反力架横梁间设有防滑胶垫；

所述反力板固定螺栓杆下部采用螺纹连接在承压板上，反力板固定螺栓杆为双螺母结构的螺栓，且设置有弹性垫片；

所述加载螺栓、第一安全螺栓与反力架横梁间设有弹性垫片。

本发明加载方法之一是这样实现的：一种岩土工程模型试验的加载方法，利用本发明上述加载装置并采用下述步骤进行静荷载施加试验：

步骤s11、预估试验模型加载的极限荷载，初步确定每级荷载和加载级数；

步骤s12、缓慢对称往下拧加载螺栓，荷载依次从反力架横梁、反力板、加载弹簧传递至承压板；

在加载过程中，通过力传感器实时监测荷载大小，同时采用电子位移计记录试验模型的变形；当荷载变化率达3％时，缓慢对称往下拧加载螺栓，以保持试验模型承受静荷载的相对稳定；当相邻24小时轴向应变差值与总应变之比小于5％，继续往下拧加载螺栓施加下一级荷载。

本发明加载方法之二是这样实现的：一种岩土工程模型试验的荷载加载方法，利用本发明具有动力加载机构的加载装置进行动静耦合加载试验，包括：

步骤s1、预估试验模型加载的极限荷载，初步确定每级荷载和加载级数；

步骤s2、缓慢对称往下拧加载螺栓，荷载依次从反力架横梁、反力板、加载弹簧传递至承压板；在加载过程中，通过力传感器实时监测荷载大小，同时采用电子位移计记录试验模型的变形；当荷载变化率达3％时，缓慢对称往下拧加载螺栓，以保持试验模型承受静荷载的相对稳定；当相邻24小时轴向应变差值与总应变之比小于5％，继续往下拧加载螺栓施加下一级荷载，或按下述步骤s3至s5施加动荷载，且在施加动荷载后，通过步骤s6至s8进行动、静荷载的转换；

步骤s3、控制作动器施加荷载至当前一级静荷载数值，反力架横梁退出工作；

步骤s4、采用反力板固定螺栓杆固定反力板和承压板，保证加载弹簧在动荷载施加过程中不产生受力变形；

步骤s5、控制作动器输出预设波形的动荷载和加载次数，施加动力循环荷载；

步骤s6、在动力循环荷载施加完毕后，松开反力板固定螺栓杆，控制作动器输出静力荷载，该荷载数值略小于试验模型下一工况需要承受的荷载；

步骤s7、往下缓慢松开第一安全螺栓，使得反力架横梁与反力板刚好接触，采用力传感器监测接触情况；

步骤s8、缓慢卸除作动器输出的荷载，松开并移除端头板固定螺栓杆，反力架横梁开始工作，对称缓慢向下微调加载螺栓，直至荷载达到规定数值。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供的加载装置及方法可对不同尺寸模型开展静荷载或动静耦合加载，能克服现有动静加载设备中岩土材料的尺寸效应问题；

2、通过机械的方式来施加静压力，且整个试验过程压力可调、可控，可实现试验过程中静压力处于相对稳定状态，实验成本低；

3、可实现静荷载、动荷载在时间上的自由组合，可以得到在复杂动静荷载共同作用下岩土体的变形和力学特性，与现场实际情况更吻合；

4、该装置结构简单、操作方便，便于推广使用。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明加载装置仅具有静力加载机构的结构示意图。

图2为本发明加载装置具有静力加载机构和动力加载机构时的结构示意图。

图3为本发明加载装置静荷载施加时承压板与反力板的连接剖面结构示意图。

图4为本发明加载装置动荷载施加时承压板与反力板的连接剖面结构示意图。

图5为本发明加载装置动荷载施加时端头板与反力板的连接剖面结构示意图。

【具体实施方式】

实施例1

如图1、图3所示，本发明的加载装置的一实施例仅包括静力加载机构1，所述静力加载机构1包括一地锚11、两反力架立柱12、两力传感器13、一反力架横梁14、两加载螺栓15、一反力板16、至少两加载弹簧17以及一承压板18；所述地锚11固定在地面上；两所述反力架立柱12采用立柱地脚螺栓121固定在地锚11上；所述两力传感器13分别连接在一反力架立柱12的中段；所述反力架横梁14跨接在两所述反力架立柱12之间并采用加载螺栓15自上而下锁附；所述反力板16设置在所述反力架横梁14的下方并通过所述加载弹簧17固定连接所述承压板18；所述地锚11、两反力架立柱12、承压板18之间围成一试验模型b容置空间a。

所述静力加载机构1还包括定位螺杆19，所述定位螺杆19穿过所述反力架横梁14、所述反力板16与所述承压板18采用螺纹连接。

安装时定位螺杆19可用于固定承压板18、反力板16的水平位置，计算机实时监测力传感器13数据，缓慢对称向下拧反力架立柱12上的加载螺栓15，使得反力架横梁14与反力板16刚好接触。调整过程中用水准泡或水平尺校核反力架横梁14、反力板16、承压板18是否水平。

所述反力架横梁14除了顶面设置加载螺栓15锁附在所述反力架立柱12上外，其底面还通过第一安全螺栓142锁附在所述反力架立柱12上，所述加载螺栓15、第一安全螺栓142与反力架横梁14间设有弹性垫片(未图示)，通过扳动加载螺栓15和第一安全螺栓142实现反力架横梁14的上下调节，进而实现静力加载与卸载。

所述加载弹簧17的两端分别与所述反力板16和所述承压板18焊接固定；所述加载弹簧17上端的中心位置设置有第二安全螺栓172，第二安全螺栓172下部采用螺纹连接在所述承压板18上，所述加载弹簧17下端的中心位置设有橡胶圈174，橡胶圈174采用强力胶水粘贴在所述承压板18上，第二安全螺栓172和橡胶圈174可以保证加载弹簧17在加载过程中不失稳弹出。

所述反力架立柱12为实心钢柱，且表面设螺纹；

所述反力架横梁14为焊接钢结构箱梁；

所述承压板18、反力板16均为经过精加工的高强度方形钢板；

所述反力板16与反力架横梁14间设有防滑胶垫162，起缓冲保护作用。

本发明仅具静力加载机构只能进行静荷载施加试验，结合图3所示，加载方法如下：

步骤s11、预估试验模型b加载的极限荷载，初步确定每级荷载和加载级数；

步骤s12、缓慢对称往下拧加载螺栓15，荷载依次从反力架横梁14、反力板16、加载弹簧17传递至承压板18；

在加载过程中，通过力传感器13实时监测荷载大小，同时采用电子位移计记录试验模型b的变形；当荷载变化率达3％时，缓慢对称往下拧加载螺栓15，以保持试验模型b承受静荷载的相对稳定；当相邻24小时轴向应变差值与总应变之比小于5％，继续往下拧加载螺栓15施加下一级荷载。

实施例2

如图2、图4以及图5所示，本发明的加载装置的一实施例包括静力加载机构1和动力加载机构2，即，在上述实施例1的基础上增加一动力加载机构2，所述动力加载机构2包括端头板21、端头板固定螺栓杆22以及作动器23，所述端头板21与反力板16采用所述端头板固定螺栓杆22连接，所述作动器23连接于所述端头板21的上方；且所述反力板16与所述承压板18采用反力板固定螺栓杆164连接，端头板21、反力板16、承压板18通过端头板固定螺栓杆22连接后，形成空间动荷载传递体系。在承压板18、反力板16、端头板21连接时，需采用水准泡校核是否水平。

端头板21为经过精加工的高强度方形钢板；所述反力板固定螺栓杆164下部采用螺纹连接在承压板18上，反力板固定螺栓杆164为双螺母结构的螺栓，且设置有弹性垫片。

本发明包括静力加载机构1和动力加载机构2的加载装置的加载方法，可以单独进行静荷载施加试验(如实施例一所述)，还可以进行动静耦合加载试验，如图1至图5所示，该动静耦合加载过程具体包括：

步骤s1、预估试验模型b加载的极限荷载，初步确定每级荷载和加载级数；

步骤s2、缓慢对称往下拧加载螺栓15，荷载依次从反力架横梁14、反力板16、加载弹簧17传递至承压板18；

在加载过程中，由于试验模型变形，加载弹簧变长导致荷载变小，即可通过力传感器13实时监测荷载大小，同时采用电子位移计或千分表来记录试验模型b的变形；当荷载变化率达3％时，缓慢对称往下拧加载螺栓15，以保持试验模型b承受静荷载的相对稳定；当相邻24小时轴向应变差值与总应变之比小于5％，可认为变形已经稳定，可继续往下拧加载螺栓15施加下一级荷载，或根据时间来施加下一级荷载，或按下述步骤s3至s5施加动荷载，且在施加动荷载后，通过步骤s6至s8进行动、静荷载的转换。

步骤s3、控制作动器23施加荷载至当前一级静荷载数值，反力架横梁14退出工作；在此之前需向上拧紧第一安全螺栓142，即可使反力架横梁14在动力加载过程中不再往下；

步骤s4、采用反力板固定螺栓杆164固定反力板16和承压板18，保证加载弹簧17在动荷载施加过程中不产生受力变形，以形成由反力板、承压板、反力板固定螺栓组成的空间传力体系；

步骤s5、控制作动器23输出预设波形的动荷载和加载次数，施加动力循环荷载，由作动器23输出的动荷载依次从端头板21、端头板固定螺栓杆22、反力板16、反力板固定螺栓杆164传递至承压板18上，进而实现对试验模型的动力加载；

步骤s6、在动力循环荷载施加完毕后，松开反力板固定螺栓杆164，控制作动器23输出静力荷载，该荷载数值略小于试验模型下一工况需要承受的荷载；

步骤s7、往下缓慢松开第一安全螺栓142，使得反力架横梁14与反力板16刚好接触，采用力传感器13监测接触情况；

步骤s8、缓慢卸除作动器23输出的荷载，松开并移除端头板固定螺栓杆22，反力架横梁14开始工作，对称缓慢向下微调加载螺栓15，直至荷载达到规定数值，这样，动静荷载就实现了自由转换。

该实施例能够很好地模拟岩土体承受静力荷载和动力荷载的耦合作用，可实现对岩土工程模型施加动静荷载，分析数据可以得到在复杂动静荷载共同作用下岩土体的变形和力学特性，测试的结果更接近于实际情况。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。