基于多向加载的全机械式桩基模型试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大型粧基模型试验技术领域，特别涉及一种基于多向加载的全机械式粧基模型试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的快速发展，粧基础在超高层建筑、高铁、深基坑支护等工程中的应用越来越多，与粧基础相关的粧基测试也变得越来越重要。由于粧基现场测试具有费用高、工程粧不能加载到破坏的程度、考虑因素有限等缺陷，因此，在现场试验条件有限的情况下进行大比例尺模型试验，各种工况下都可以加载到破坏，更能综合考虑单粧和群粧承载性能的影响因素，对掌握各种粧基础粧土相互作用机理以及优化粧基础设计具有重要的意义。
[0003]目前，专利号为ZL 03125454.3的发明专利公开了一种非饱和土粧基模型试验装置，其由上盖和底座可以拆卸的压力容器组成，通过对上盖、底座和凹槽特殊处理，可在试验中方便地控制土样的地质吸力，实现非饱和土体中模型粧的承载性能测试；但是，该装置中模型比例小，且属于非全机械式连接，不能实现水平粧的有效加载。另有专利号为ZL201210081275.3的发明专利，其公开了一种土工离心模型试验模型粧的压粧装置，该装置能针对单粧和群粧等实施压入操作，能够调节粧的压入角度和速度，保证模型粧埋设位置的准确性，能够在lg和离心环境下完成压粧过程；但是，该装置仅局限于离心环境下实现模型粧的准确压入，没有涉及大比例尺模型粧多向加载试验方法，且属于非全机械式连接方式。
[0004]另外，普通模型试验装置多为钢筋混凝土结构，模型侧壁无法调节，大多只能实现单向静载荷试验，且在加载中所模拟的粧长和测试方法单一，无法实现同时多向加载或不同粧长的模型试验，使用局限性较大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种结构合理、便于调节、操作简便和可对模型单粧或群粧进行多向加载试验的基于多向加载的全机械式粧基模型试验装置及试验方法。
[0006]本发明技术方案为:基于多向加载的全机械式粧基模型试验装置，包括槽底座和槽底座上垂直设置的四根槽立柱，相邻槽立柱之间设有槽侧壁，同侧两根槽立柱上部分别设有柱顶横梁，两柱顶横梁之间连接有反力架。
[0007]所述槽底座包括地下室顶层和地下室顶层上预设的锚固孔；槽立柱包括柱基座和垂直设于柱基座上的Η形钢柱，柱基座通过锚固孔内的基础螺栓固定于地下室顶层上，Η形钢柱的翼板边缘处均布设有螺栓孔，且Η形钢柱的翼板所在平面与柱顶横梁的长度方向一致；柱顶横梁为Η形箱体梁，Η形箱体梁两端与对应的Η形钢柱卡装固连，Η形箱体梁的边缘均布设有螺栓孔；反力架包括反力梁和反力梁两端的固定机构，固定机构包括边缘设孔的固定板和穿设在孔内的螺栓，反力梁通过固定板和螺栓安装在柱顶横梁上；槽侧壁包括多级挡板，每级挡板包括边框和边框内的面板，同一侧面内的相邻挡板通过边框相连。
[0008]所述面板包括钢板或者钢化玻璃板；边框上均布设有螺栓孔，同一侧面内的相邻挡板通过边框螺纹连接。
[0009]所述Η形钢柱的翼板边缘螺接有侧面反力架，侧面反力架为等边角钢，侧面反力架的两边均设有螺栓孔，侧面反力架另一边与边框螺纹连接。
[0010]所述槽侧壁的上方纵向叠加设置有空心方钢，空心方钢两端与侧面反力架螺纹连接或者与Η形钢柱的槽内壁相接。
[0011 ] 所述空心方钢最上方低于柱顶横梁。
[0012]所述柱基座为槽型，柱基座的槽内壁与侧面反力架之间、基础螺栓与侧面反力架或者挡板之间均设有槽底垫块，槽底垫块为矩形长钢条。
[0013]所述地下室顶层由钢筋混凝土构成，其厚度不小于15cm，混凝土强度等级不小于C40，锚固孔等间距分布，锚固孔的直径不小于10cm ;H形钢柱的高度为3?5m，相邻Η形钢柱的水平间距为2?3m，且高度与水平间距的比值为1.5?2 ;基础螺栓的直径不小于10cm ;每级挡板的高度为50cm、长度为2?3m，槽侧壁的高度为2?4m ;钢板的厚度不小于3mm，钢化玻璃板的厚度不小于1cm，空心方钢的数量为20?30根，空心方钢的截面边长为5cm ;反力梁的截面宽度不小于15cm、厚度不小于1cm。
[0014]所述的基于多向加载系统的大型粧基模型试验方法，包括如下步骤:(1)、铺设槽底座、固定模型粧，在槽底座上围绕模型粧安装基于多向加载的全机械式粧基模型试验装置，包括自下而上安装面板为钢板的槽侧壁与面板为钢化玻璃板的槽侧壁以及安装柱顶横梁和反力架，且在需要提供水平反力的槽侧壁上方固定空心方钢；(2)、安装水平反力装置:在空心方钢内侧固定液压千斤顶，液压千斤顶端部安装荷载传感器，使用球形支座连接荷载传感器与模型粧的粧头，以保证模型粧始终受到水平荷载的作用；(3)、安装竖向反力装置:首先，根据模型粧所处位置调整反力架在柱顶横梁上的位置，使反力架位于待测模型粧的正上方，以保证各个位置模型粧的竖向加载能够顺利进行；然后，在反力架上固定荷载传感器，模型粧的粧头设置液压千斤顶，连接荷载传感器与液压千斤顶；(4)、布置多向加载系统:以匹配基于多向加载的全机械式粧基模型试验装置为原则，多向加载系统包括主机、端前测控器和无线通信器，主机可满足最多同时控制三个方向加载的要求，以实现控制单根模型粧三个方向同时加载或者三根模型粧同时单向加载的目的；(5)、加载测试:通过无线通信器控制多向加载系统，试验中多向加载系统自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录，自动采集数据。
[0015]所述模型粧为单粧或者群粧，即单根模型粧或者多根模型粧；在步骤(2)中，空心方钢内侧设有位于液压千斤顶底部的垫板，使空心方钢受力均匀，垫板的高度与空心方钢的叠加高度相等、长度不小于lm;在步骤(3)中，模型粧的粧头上设有垫板，垫板与液压千斤顶相连，垫板与模型粧的粧头之间铺设5mm厚的砂土，以保证模型粧均匀受力；在步骤
(4)中，主机放置在实验室内。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、本发明公开了一种基于多向加载的全机械式粧基模型试验装置，该试验装置各部件间多通过螺栓连接，为全机械式连接，便于拆装，可依据试验内容进行多种组合，且可根据试验要求调整装置的宽度和高度，调节能力强；槽侧壁为多级拼接而成，槽侧壁的面板选用钢化玻璃板时，便于观测土体特性，同时可根据试验需要增设空心方钢，根据试验需要可在单面、双面、三面或四面布置空心方钢，空心方钢能承受较大的水平载荷，保证结构强度和稳定性，从而实现多向水平加载。
[0017]2、本发明的试验方法设计合理，工艺简单，操作简便，可同时进行多根单粧加载试验或者单粧多向加载试验，试验过程中，可实现自动判稳、自动稳压维荷、自动加载、自动记录和自动采集数据，可确保试验精度，可提高试验效率，且主机放置在实验室内，通过无线控制操作，作业环境好；多向加载系统为无线传输装置，能满足单粧多向加载或者多粧同时加载的要求，适用范围宽。
[0018]3、在同侧两根槽立柱上部分别设有柱顶横梁，两柱顶横梁之间连接有反力架，柱顶横梁的作用为:固定4根Η形钢柱，形成整体钢架结构，使装置结构稳定性强；可根据实际试验要求调整自身高度，使装置能够适应不同长度模型粧的多向载荷试验，试验范围宽；为反力架提供支撑，给槽底座内的单粧或群粧提供竖向反力；作为反力架的支