一种模拟地基荷载的多功能试验装置及试验方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种模拟地基荷载的多功能试验装置及试验方法。

背景技术：

我国地域广阔，地基土的类型很多，存在许多软弱地基和特殊土地基，这些地基往往不能满足承载力和变形要求，需要经过人工加固后才可在其上修建建筑物。地基处理的目的是通过预压排水固结、夯实水泥土桩、挤密桩、水泥土搅拌桩等地基处理技术改善地基土的工程性质，如改善地基土的抗剪强度、压缩性、渗透特性等。在地基处理过程中对土中应力、孔隙水压力、土层变形和地面沉降等进行跟踪测试，及时掌握地基土工程性质变化规律对指导施工节奏和施工安全控制具有重要作用，对地基处理完成之后进行地基承载力测试，是检验地基处理质量和效果的重要手段和必要环节。

目前在岩土工程专业教学和科学研究中，尚未有既能够系统、全面模拟各种性质土、不同地基处理全过程，长期测试地基处理的岩土参数发展变化(包括：孔隙水压力、土压力、土层变形和地面沉降等参数时间和空间变化)，又能够对固结或加固处理后的地基承载力进行荷载测试的多功能实验装置。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种模拟地基荷载的多功能试验装置及试验方法，以便解决上述提到的技术问题。

本发明的技术方案是：

一种模拟地基荷载的多功能试验装置，包括：

试验箱体，用于盛装试样；

所述试验箱体上部架设有门型架，所述门型架上设置有千斤顶，所述千斤顶竖直放置且位于所述试验箱体的中央，所述千斤顶的上端与所述门型架固定，其下端可拆卸式连接盖板，所述盖板的大小与所述试验箱体的内腔匹配；

所述盖板上设置有荷载传感器，所述试样内设置有土层变形测试计、孔隙水压力计和土压力计，所述土层变形测试计、孔隙水压力计、土压力计、荷载传感器和千斤顶分别与外设的控制器电连接。

优选的，所述试验箱体上端设置有法兰，底部设置有泄水开关，所述试验箱体的四周侧壁的中部设置有若干排水孔，所述若干排水孔位于同一高度，且在所述排水孔下方设置有排水槽，所述排水槽环绕所述试验箱体的四周侧壁设置，所述排水槽上连接有排水管，所述排水管与废水池连通。

优选的，所述盖板包括型钢骨架和设置在型钢骨架下方的钢板。

优选的，所述门型架包括两个工字钢反力架柱-，两个工字钢反力架柱-竖直设置且相互平行，所述工字钢反力架柱-的上端设置有反力架横梁-，所述反力架横梁-的两端分别与两个工字钢反力架柱-垂直固定，两个反力架斜撑-倾斜设置，分别位于所述反力架横梁-的两侧，且两端分别与所述工字钢反力架柱-和反力架横梁-固定。

优选的，还包括用于替换盖板的加载板，所述加载板与所述千斤顶的下端可拆卸式连接。

优选的，还包括：

四根基准梁，两个为一组且两组之间垂直设置，每一组的两根基准梁对称设置在加载板的两侧且相互平行，其中一组的两根基准梁横跨在法兰上；

四个沉降测试表，用于测试加载板的沉降，分别一一对应的设置在一根基准梁上，所述沉降测试表的测量头与所述加载板的上表面接触。

优选的，所述试验箱体的底部设置有移动装置。

一种模拟地基荷载的多功能试验装置的试验方法，包括以下步骤：

对地基进行固结处理；

拆掉盖板换成加载板；

将两根基准梁横跨在法兰上，对称放置在加载板两侧，再将另外两根基准梁垂直于先前放置的两根基准梁，对称放置在加载板的另一方向的两侧；将个沉降测试表基座对称固定在四根基准梁上，再将沉降测试表的测头顶住加载板的不同位置；

通过控制器控制千斤顶，对加载板施加不同等级的荷载，分别记录不同等级荷载下沉降测试表的数据，得到荷载与地基变形之间关系曲线，从而实现地基荷载的实验模拟。

优选的，对地基进行固结处理的方法包括以下步骤：

将软弱土一层层铺装到试验箱体中，同时将沉降管和分层沉降标埋入土层中，在需要测试孔隙水压力和土中应力的位置分别预埋孔隙水压力计和土压力计，将软弱土填埋至排水孔下缘，然后根据预定的平面布置方案在土中插入排水板或其他竖向排水体，排水板顶面应高出软弱土层，并伸入到铺设在软弱土层上面的透水砂层中；

将盖板盖在透水砂层上，同时将土层变形测试计、孔隙水压力计和土压力计的测试线从盖板上预留的孔洞穿出露在外侧与外设的控制器电连接；

将沉降测试表的基座安装在箱体顶面法兰不同位置处；

启动控制器，通过控制器控制千斤顶施加荷载的大小，对软弱土施加不同等级的荷载，同时实时采集土层变形测试计、孔隙水压力计沉降测试表和土压力计的数据并将实时采集到的数据送入控制器进行处理，当实时采集到的数据达到预定的固结指标的下阈值时，完成固结处理。

本发明提供一种模拟地基荷载的多功能试验装置及试验方法，可以模拟试验各种性质土、不同地基处理方法的全过程，且能完成对地基处理过程的土中应力、孔隙水压力、土层变形和地面沉降同时进行测试；对地基处理效果进行荷载试验，对比地基处理前和处理后地基土工程性质变化，进而评估地基处理质量和地基承载力；对软弱地基和特殊土地基的固结或加固处理过程进行模拟实验研究和长期测试分析；进行地基处理课程的实验教学。

本发明提供的一种模拟地基荷载的多功能试验装置及试验方法，带来的有益效果有：既能够系统、全面模拟各种性质土、不同地基处理全过程，又能够实现长期测试地基处理的岩土参数发展变化，还能够对固结或加固处理后的地基承载力进行荷载测试，整个装置结构简单，测试直观可靠，实用性强，值得推广。

附图说明

图1为本发明的使用状态1的整体结构的立体图；

图2为本发明的使用状态1的整体结构的主视图；

图3为本发明的使用状态1的整体结构的右视图；

图4为本发明的使用状态2的整体结构的立体图；

图5为本发明的使用状态2的整体结构的主视图；

图6为本发明的使用状态2的整体结构的右视图；

图7为本发明的使用状态2的整体结构的俯视图。

附图标记：

1、试验箱体；2、法兰；3、排水槽；4、盖板；5、排水管；6、万向轮；7、泄水开关；8、排水孔；9、沉降测试表；10、千斤顶；11、荷载传感器；12、土层变形测试计；13、孔隙水压力计；14、土压力计；15-1、反力架横梁；15-2、反力架柱；15-3、反力架斜撑；16、基准梁；17、加载板。

具体实施方式

本发明提供了一种模拟地基荷载的多功能试验装置及试验方法，下面结合图1到图7的结构示意图，对本发明进行说明。

一种模拟地基荷载的多功能试验装置，包括：

试验箱体1，用于盛装试样；所述试验箱体1上部架设有门型架，所述门型架上设置有千斤顶10，所述千斤顶10竖直放置且位于所述试验箱体1的中央，所述千斤顶10的上端与所述门型架固定，其下端可拆卸式连接盖板4，所述盖板4的大小与所述试验箱体1的内腔匹配；所述盖板4上设置有荷载传感器11，所述试样内设置有土层变形测试计12、孔隙水压力计13和土压力计14，所述土层变形测试计12、孔隙水压力计13、土压力计14、荷载传感器11和千斤顶10分别与外设的控制器电连接。

进一步的，所述试验箱体1上端设置有法兰2，底部设置有泄水开关7，所述试验箱体1的四周侧壁的中部设置有若干排水孔8，所述若干排水孔8位于同一高度，且在所述排水孔8下方设置有排水槽3，所述排水槽3环绕所述试验箱体1的四周侧壁设置，所述排水槽3上连接有排水管5，所述排水管5与废水池连通。

进一步的，所述盖板4包括型钢骨架和设置在型钢骨架下方的钢板。

进一步的，所述门型架包括两个工字钢反力架柱15-2，两个工字钢反力架柱15-2竖直设置且相互平行，所述工字钢反力架柱15-2的上端设置有反力架横梁15-1，所述反力架横梁15-1的两端分别与两个工字钢反力架柱15-2垂直固定，两个反力架斜撑15-3倾斜设置，分别位于所述反力架横梁15-1的两侧，且两端分别与所述工字钢反力架柱15-2和反力架横梁15-1固定。进一步的，还包括用于替换盖板4的加载板17，所述加载板17与所述千斤顶10的下端可拆卸式连接。

进一步的，还包括：四根基准梁16，两个为一组且两组之间垂直设置，每一组的两根基准梁16对称设置在加载板17的两侧且相互平行，其中一组的两根基准梁16横跨在法兰2上；四个沉降测试表9，用于测试加载板17的沉降，分别一一对应的设置在一根基准梁16上，所述沉降测试表9的测量头与所述加载板17的上表面接触。

进一步的，所述试验箱体1的底部设置有移动装置。

一种模拟地基荷载的多功能试验装置的试验方法，包括以下步骤：对地基进行固结处理；拆掉盖板4换成加载板17；

将两根基准梁16横跨在法兰2上，对称放置在加载板17两侧，再将另外两根基准梁16垂直于先前放置的两根基准梁16，对称放置在加载板17的另一方向的两侧；将4个沉降测试表9基座对称固定在四根基准梁16上，再将沉降测试表9的测头顶住加载板17的不同位置；

通过控制器控制千斤顶10，对加载板17施加不同等级的荷载，分别记录不同等级荷载下沉降测试表9的数据，得到荷载与地基变形之间关系曲线，从而实现地基荷载的实验模拟。

进一步的，对地基进行固结处理的方法包括以下步骤：

将软弱土一层层铺装到试验箱体1中，同时将沉降管和分层沉降标埋入土层中，在需要测试孔隙水压力和土中应力的位置分别预埋孔隙水压力计13和土压力计14，将软弱土填埋至排水孔8下缘，然后根据预定的平面布置方案在土中插入排水板或其他竖向排水体，排水板顶面应高出软弱土层，并伸入到铺设在软弱土层上面的透水砂层中；

将盖板4盖在透水砂层上，同时将土层变形测试计12、孔隙水压力计13和土压力计14的测试线从盖板4上预留的孔洞穿出露在外侧与外设的控制器电连接；将沉降测试表9的基座安装在箱体顶面法兰2不同位置处；

启动控制器，通过控制器控制千斤顶10施加荷载的大小，对软弱土施加不同等级的荷载，同时实时采集土层变形测试计12、孔隙水压力计13沉降测试表9和土压力计14的数据并将实时采集到的数据送入控制器进行处理，当实时采集到的数据达到预定的固结指标的下阈值时，完成固结处理。

具体的使用中，试验箱体1采用厚钢板制作，可做成圆柱体或长方体，用于盛装土体。

为了便于实验装置的搬移，如图1到图6所示，试验箱体1底面安装4个万向轮6；试验箱体1底部有泄水口，通过泄水开关7排泄试验箱内的水；试验箱体1两侧面上焊接工字钢反力架柱15-2，柱顶用工字钢连接作为反力架横梁15-1，反力架横梁15-1与反力架柱15-2通过反力架斜撑15-3连接，提高反力架横梁15-1的刚度和承载能力；试验箱体1顶缘口四周焊接法兰2对试验箱体1起到加劲作用，并可用于安装沉降测试表9的基座；在法兰2下方20cm～25cm试验箱体1四周侧壁的同一高度处开设若干排水孔8，以便箱体内土体固结过程中排出的孔隙水能及时从箱体侧壁上的排水孔8排出；排水孔8正下方焊接排水槽3，排水槽3用于盛接从排水孔8排出的水，并将水汇聚到一处，由排水管5收集处理；在地基处理模拟试验时，需在试验箱体1内装填土体至排水孔8下缘，然后在土体上方铺设20cm砂垫层，再在砂垫层上盖上盖板4，盖板4由厚钢板和型钢焊接而成，型钢作为加劲肋焊在钢板四周、横轴向对称轴以及对角线位置；在盖板4上正中处放置荷载传感器11，在所述荷载传感器11上放千斤顶10，所述千斤顶10通过顶举反力架横梁15-1而产生对盖板4的反作用力，进而形成对土体的固结压力；千斤顶10通过控制器控制，对盖板4施加固结荷载，试验箱体1土层变形、孔隙水压力、土压力的数据分别通过预埋在土体中的土层变形测试计12、孔隙水压力计13和土压力计14测定得到。

对地基进行固结处理时，如图1到图3所示，首先将软弱土一层层铺装到试验箱体1中，同时将沉降管和分层沉降标埋入土层中，在需要测试孔隙水压力和土中应力的位置分别预埋孔隙水压力计13和土压力计14，将软弱土填埋至排水孔8下缘，然后根据预定的平面布置方案在土中插入排水板或其他竖向排水体，排水板顶面应高出软弱土层，并伸入到铺设在软弱土层上面的透水砂层中；

接着将盖板4盖在透水砂层上，同时需要将土层变形测试计12、孔隙水压力计13和土压力计14的测试线从盖板4上预留的孔洞穿出露在外侧与外设的控制器电连接，以便相关数据采集。在施加预压荷载之前，须先将沉降测试表9的基座安装在箱体顶面法兰2不同位置处，用于测试软弱土排水固结过程中的地面沉降量。软弱土中的水在预压荷载作用下，向透水砂层渗流，并从排水孔8排出流入排水槽3，最终通过排水管收集到废水池。

启动控制器，通过控制器控制千斤顶10施加荷载的大小，对软弱土施加不同等级的荷载，同时实时采集土层变形测试计12、孔隙水压力计13沉降测试表9和土压力计14的数据并将实时采集到的数据送入控制器进行处理，当实时采集到的数据达到预定的固结指标的下阈值时，完成固结处理。

对软弱土和特殊土地基进行处理固结完成之后，可进行地基承载力实验，以检验地基处理的效果，具体步骤如下：

如图4到图7所示，拆掉盖板4换成加载板17；

将两根基准梁16横跨在箱体顶面法兰2上，对称放置在加载板17两侧，再将另外两根基准梁16垂直放置在横向基准梁16上，对称放置在加载板17另一方向的两侧；将4个沉降测试表9基座对称固定在四根基准梁16上，再将沉降测试表9测头顶住加载板17不同位置；通过控制器控制千斤顶10，对加载板17施加不同等级的荷载，分别记录不同等级荷载下沉降测试表9的数据，得到荷载与地基变形之间关系曲线，实现地基荷载的实验模拟。

本发明提供的一种模拟地基荷载的多功能试验装置，能够系统、全面模拟各种性质土、不同地基处理全过程，又能够实现长期测试地基处理的岩土参数发展变化，还能够对固结或加固处理后的地基承载力进行荷载测试，整个装置结构简单，测试直观可靠，实用性强，值得推广。

以上公开的仅为本发明的较佳具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。