一种用于离心模型试验的加载及测量试验装置的制作方法

本实用新型属于土工实验设备技术领域，涉及一种用于离心模型试验的加载及测量试验装置。

背景技术：

土工离心模型试验是利用离心机提供的离心力模拟重力，按相似准则，将原型的几何形状按比例缩小，用相同物理性状的土体制成模型，使其在离心力场中的应力状态与原型在重力场中一致，以研究工程性状的测试技术。离心模型试验使模型与原型相应点土体在自重作用下的力学状态相等，再现原型特征，方便灵活，且不受现场条件约束，是进行模型试验的重要手段之一，因此，离心模型试验装置显得十分重要。

目前，对于现有的模型箱支架都是固定且不可移动的，其模拟的工况也十分有限，只有单一的竖轴向加载和横轴向加载；另外，模型试验中如果比例尺较大，相应的位移极小，现有的装置不能达到准确测量，这样对于现实的使用和经济中存在着局限性。因此，目前试验装置主要存在以下缺点：

一、传统的试验装置测量结果较粗略，不便于进行精准测量。

二、传统的试验装置只能单一的进行竖向或横向加载，不利于复杂工况的试验研究。

三、支架及位移计位置固定，不方便移动。不同的工况要制作不同的支架，工作量大，在经济上比较浪费。

四、传统的试验装置仅适用于单桩，结构简单，无法研究群桩等不同类型的桩基。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种用于离心模型试验的加载及测量试验装置，解决现有的测量试验装置只能单一的进行竖向或横向加载的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案予以实现：

一种用于离心模型试验的加载及测量试验装置，包括用于承装地基土的模型箱、竖向承载平台、横向承载平台和设置在模型箱上方的支架，竖向承载平台底部连接试验桩，试验桩插入到地基土中；所述的支架上设置有用于测量试验桩位移的位移计，其特征在于，

所述的支架下方设置有一定滑轮，定滑轮上设置有钢丝绳，钢丝绳的一端连接在靠近试验桩桩顶处的竖向承载平台上，另一端连接在横向承载平台上；所述的竖向承载平台上设置有第一配重，所述的第一配重的设置位置使得第一配重的重心偏离试验桩的轴心；所述的横向承载平台上设置有第二配重，第二配重的设置位置使得第二配重的重心偏离横向承载平台的重心。

具体的，所述的竖向承载平台包括主体板和设置在主体板中心的套筒，所述的套筒的直径与试验桩的直径匹配。

优选的，所述的主体板的侧部设置有垂直于主体板的侧板，用于接收位移计发射的激光。

具体的，所述的第一配重为板体，所述的板体对称上设置有连接孔，所述的竖向承载平台设置有与连接孔匹配的连接轴；所述的第一配重与第一配重的结构相同。

具体的，所述的板体的长度与竖向承载平台的长度相同，宽度为竖向承载平台宽度的一半。

具体的，还包括位移计支撑板，所述的位移计支撑板为L型板体，位移计支撑板的一端连接在支架上，另一端悬空在支架下方；所述的位移计包括测量试验桩竖向位移的竖向位移计和横向位移的横向位移计，横向位移计设置在位移计支撑板的悬空端，竖向位移计设置在竖向承载平台正上方的位移计支撑板上。

具体的，所述的位移计支撑板的一端设置有多个长圆孔，位移计支撑板通过螺栓和长圆孔固定在支架上。

具体的，所述的支架底部连接有L型转接板，所述的定滑轮固定在L 型转接板上，且定滑轮的位置靠近模型箱的箱壁。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型试验装置不仅仅局限于单一的轴向加载，不仅实现了同时进行竖向与横向的组合加载，还可以实现偏心加载等复杂工况的研究。

本实用新型的位移支撑架及位移计位置灵活，方便移动，不同的工况仅需要调整位置就可以实现，有很好的经济效益。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本实用新型的单桩试验装置的正视图。

图2是本实用新型的位移计支撑板的示意图。

图3是横向承载平台的正视图和俯视图。

图4本实用新型的多桩试验装置的正视图。

图中各标号表示为：1-模型箱，2-竖向承载平台，3-横向承载平台，4- 支架，5-试验桩，7-位移计，8-定滑轮，9-钢丝绳，10-配重，11-位移计支撑板，12-L型转接板；

(2-1)-主体板，(2-2)-套筒，(2-3)-凸起，(2-4)-侧板，(2-5) -连接轴；

(7-1)-竖向位移计，(7-2)-横向位移计；

(11-1)-长圆孔。

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施方式，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指相应部件轮廓的内和外，“前、底、上、下”是以图1的图面为基准定义的，“竖直、水平”是以图1的图面为基准定义的。

如图1所示，本实用新型公开了一种用于离心模型试验的加载及测量试验装置，包括用于承装地基土的模型箱1、竖向承载平台2、横向承载平台 3和设置在模型箱上方的支架4，模型箱安装在土工离心机设备内，竖向承载平台2底部连接试验桩5，试验桩5插入到地基土中；支架4上设置有用于测量试验桩位移的位移计7，在本实施例中，位移计7包括测量试验桩竖向位移的竖向位移计7-1和横向位移的横向位移计7-2，测量范围为25mm～30mm，位移计采用高精度微米(10^-3mm)级HG-C1000的位移计，实现对桩横向与竖向位移的精确测量。

其中，在本实施例中，支架4采用钢制的方形管，在反力架的两端底部焊接一长条带孔钢片，用以调节支架在模型箱上的水平位置。支架的作用主要是放置其下方的位移计支撑板11和L型转接板12，维持整体稳定。

支架4下方设置有一定滑轮8，定滑轮8上设置有钢丝绳9，钢丝绳9 的一端连接在靠近试验桩5桩顶处的竖向承载平台2上，另一端连接在横向承载平台3上。

具体的，如图3所示，竖向承载平台2包括主体板2-1和设置在主体板 2-1中心的套筒2-2，套筒2-2的直径与试验桩5的直径匹配，试验桩一端安装在套筒2-2内，并在套筒2-2的外表面焊接有一凸起2-3，凸起2-3用于连接钢丝绳9。本实施例采用管状的空心桩，通过套筒2-2不仅可以将试验桩5与竖向承载平台2连接在一起，同时也将位移计的接线整理至桩外。其中，主体板2-1是厚度3mm左右的方形铁板，竖向承载平台2设置有几个高度一致的连接轴2-5。

优选的，主体板2-1的侧部设置有垂直于主体板的侧板2-4，用于接收位移计7发射的激光。作为横向位移计激光发射的主要接收位置；或者将主体板2-1的厚度设置到保证能够接受到水平位移计7-2激光的厚度，一般采用本实用新型的方式。

竖向承载平台2上设置有第一配重10，第一配重10的设置位置使得第一配重的重心偏离试验桩5的轴心；横向承载平台3上设置有第二配重(图中未标出)，第二配重的布置位置和方式与第一配重相同，第二配重的设置位置使得第二配重的重心偏离横向承载平台3的重心。其中，第一配重10 为板体，板体上对称设置有与连接轴2-5匹配的连接孔(图中未标出)。在本实施例中，第一配重10的长度与竖向承载平台2的长度相同，宽度为竖向承载平台2宽度的一半。一是利用第一配重的质量在离心加速度的作用下，按照相似准则，模拟实际荷载，并且第一配重统一规格，可以实现等级加载。二是由于竖向承载平台(或横向承载平台)与第一配重的位置相统一，在试验时可以仅在左侧放一片或者两片砝码(右侧同理)，以此实现偏心加载的复杂工况的研究。

横向承载平台3原理与竖向加载平台2相同，并且规格相同配重在装置中是通用的，不仅节省计算离心力的过程，而且提高了同时进行横向加载和竖向加载的工作效率。另外，为了节省空间，在不扰动模型箱内的桩土环境的前提下，在模型箱1的边缘内侧埋置长度适当的pvc管，用以保护横向加载平台3上的砝码在离心机工作时甩出。

在本实用新型的一个实施例中，该装置还包括连接位移计的位移计支撑板11。其中，位移计支撑板11为L型板体，位移计支撑板11的一端焊接或者栓接在支架4上，另一端悬空在支架4下方；横向位移计7-2设置在位移计支撑板11的悬空端，竖向位移计7-1设置在竖向承载平台2正上方的位移计支撑板11上。其中，位移计支撑板11为厚度约为3mm的铁制带孔薄板。

优选的，位移计支撑板11与支架的连接方式为：位移计支撑板11的一端设置有多个长圆孔11-1，位移计支撑板11通过螺栓和长圆孔11-1固定在支架4上，这样位移计支撑板11整体在支架4的长度方向可以进行位置上的微调，以此满足位移计的量程要求。

同理，位移计7也可通过长圆孔和螺栓连接在位移计支撑板上，位移计 7的位置通过孔洞的剩余空间，亦可以进行水平方向的调整。

在本实用新型的一个实施例中，该装置的支架4底部还连接有L型转接板12，L型转接板12为铁制异形铁板，厚度约为3mm，解决了用于横向加载的滑轮在空间上的不足等问题，将定向滑轮与支架连接在一起。定滑轮 8固定在L型转接板12上，且定滑轮8的位置靠近模型箱1的侧壁，防止定滑轮、竖向承载平台、横向承载平台之间的相互干扰。

上述实施例中的试验桩5可以是单桩，也可以是群桩，群桩的竖向承载平台同单桩竖向承载平台的原理类似，如图4所示。

本实用新型的装置还可以适用于轴心加载，在轴心加载时，设置第一配重的重心与试验桩5的轴心重合或者不设置第一配重，设置第二配重的重心与横向承载平台3的重心重合或者不设置第二配重。偏心加载与轴心加载的原理相同。

在此说明本试验装置的使用过程。

单桩：在进行单桩的横向承载特性试验前，确定好模型箱底部的填土高度，如图4所示，将配好的土样逐层铺好并夯实至定好的填土高度。在模型箱1顶拉线确定试验桩5的位置，放置桩到结束准备工作的过程中都要时刻检查桩的位置是否偏移、桩身是否倾斜，以免影响试验结果。桩定好位置后，将剩余土样以同样的步骤填至最终高度(该个高度不定，可以根据工况调节，最高在竖向承载台2下面)，预留好保护横向承载平台3的PVC管的位置。首先将位移计支撑板11通过螺栓连接到支架4上，然后将竖向位移计7-1 横竖向位移计7-2通过螺栓固定在位移计支撑板11上，如图1所以，其次通过螺栓将定滑轮8固定在L型转接板12上，钢丝绳9的一端连接在单桩桩头的凸起2-3处，另外一端连接到横向承载平台3上。此时位移计支撑板 11、位移计、L型转接板12、定滑轮9等构件都安装完毕，检查位置是否准确。将支架4放置于箱顶，位置视实际情况而定，若有偏差，可通过支架 4底部的带孔钢片进行调整。单桩的竖向承载特性试验与横向相同，将各构件安装好后，通过相似原则将计算好的分级荷载对应的配重放置在竖向承载平台2上，随后检查离心机各构件是否处于正常状态，此时准备工作结束；

开始偏心加载：偏心加载主要通过改变带配重的布置方式来实现偏心。在各构件安装固定好之后，可以只放置左侧配重或者只放置右侧配重，启动离心机，密切关注计算机上的实时位移，若发现异常，立即关闭电源，停止工作。另外，也可以同时进行竖向与横向组合荷载作用下的桩基承载力特性试验，实验方法同上，此时需要安装好横向加载测量装置与竖向加载测量装置。通过本试验装置，大大提高了实验人员的工作效率，并且有一定的经济效益。

群桩：群桩与单桩的实验方法类似，工作机理相同，通过提前计算好的砝码重量实现逐级加载。

在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。