一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置和试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置和试验方法。装置包括有机玻璃箱、盖板、小型电动机、齿轮固定板、电容式薄膜压力传感器、应力采集器、测压管，仪器外形为方形模型箱，箱盖上方锚固一小型电机，通过链条带动齿轮转动，使得齿轮杆下压；条形基础固定在齿轮杆下方；基底设置四个电容式薄膜压力传感器，条形基础压入地基时，通过实测应力绘制的p-S曲线获得不同基础设计情况下的地基承载力，同时以容重、粘聚力c、基础埋深d和基底宽度b及地下水位等参数通过理论公式计算地基承载力，可对各种承载力公式所计算的数值与实际测量的数值进行对比分析。
【专利说明】一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置和试验方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置和试验方法。
【背景技术】
[0003]地基承载力是土力学研究的重要课题之一，如果荷载过大，超过地基的承载能力，将使地基产生滑动破坏。静荷载试验研究和工程实例表明，由于地基承载力不足而使地基遭致破坏的实质是基础下面持力层土的剪切破坏。剪切破坏的形式可分为三种:整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲剪破坏。由于破坏形式本身难以表现和记录，不能满足课堂教学中的直观性，因此有必要开发一种模拟地基破坏形式并能突出显示破坏特征的试验装置。另外，由于整体剪切破坏有连续的滑动面，较易建立理论研究模型，局部剪切破坏和冲剪破坏的过程和特征比较复杂，目前理论研究方面还未能得出地基承载力的计算公式。并且地基承载力的一些理论计算公式也包含了较多的假定，其实用性和误差分析就受到关注。因此在利用理论公式计算地基承载力前，应总结地基破坏规律，对地基承载力的理论值和实际情况进行对比分析。
[0004]目前，国内针对不同的地基破坏模式开展的试验研究相对较少，在本发明之前，中国专利CN101707024公开了一种地基基础承载力破坏模型试验装置，是一个有机玻璃模型试验箱底部填充有砂粒，填充高度为250~350mm，砂粒中竖有多层建筑物模型和高层建筑模型，在模型试验箱外另布置一个支架，支架上悬挂有有机玻璃水容器，通过管道与试验箱底相通。其不足之处在于:
(O由于多层建筑和高层建筑物`模型在试验中荷载恒定，因此装置模拟的地基破坏过程较为粗略，不能演示出荷载逐渐增大时剪切破坏区的开展情况，不能分析地基破坏过程中基底压力和基础沉降的动态变化关系。
[0005](2)采用提高地下水位的方式使得土体有效应力降低，引发地基承载力不足，注水后是否破坏只能试验前预先粗略计算，并且一旦承载力不足，破坏过程较快，不能分辨出剪切破坏的各个阶段，试验可控性较差。
[0006]( 3)该装置仅仅直观演示了地基承载力失效的问题，不能得到准确的地基承载力值，同时也未考虑引起地基承载力变化的各种影响因素，因此无法进行地基承载力的理论和试验的对比验证。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为克服以上不足，提供一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置和试验方法。
[0008]一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置，包括有机玻璃箱、盖板、小型电动机、齿轮固定板、电容式薄膜压力传感器13、应力采集器14、测压管15。有机玻璃箱设置有一盖板，盖板通过固定螺栓固定在有机玻璃箱上方；一小型电动机、齿轮固定板分别固定在盖板上方；齿轮固定板上设置有三个齿轮，其中两个齿轮与齿轮杆咬合，另一齿轮用以引导链条路径；电动机通过链条带动齿轮转动，使得齿轮杆下压；齿轮杆通过盖板上预留的孔洞通向有机玻璃箱内，齿轮杆下方固定连接一基础固定板，条形基础通过杓钉固定在基础固定板底部；条形基础底部设置四个电容式薄膜压力传感器，电容式薄膜压力传感器通过嵌入的方式固定在条形基础上，并通过导线传输至应力采集器；测压管固定在有机玻璃箱一侧；有机玻璃箱内的土体隔层染色，不同分层间由于颜色不同，在滑移线处产生的错动尤为明显，将这些错动相连即可形成完整的破坏线。条形基础设计为可拆卸部件，制作了不同宽度的条形基础以供使用，同时可在填土时控制条形基础的不同埋深，以及土的容重 、粘聚力C、地下水位等不同的设置，通过实测应力绘制的/7-^曲线获得不同基础设计情况下的地基承载力，同时以容重 、粘聚力C、基础埋深和基底宽度6及地下水位等参数通过理论公式计算地基承载力，可对各种承载力公式所计算的数值与实际测量的数值进行对比分析。
[0009]一种地基破坏形式模拟及承载力测试的试验方法，包括如下步骤:
I)根据不同地基破坏模式选择相应压缩特性的土，试验前先测定土的容重7及粘聚力C，在有机玻璃箱I内填置一定高度的地基土，并分层染色。
[0010]2)根据设计的宽度，按一定比例选择合适宽度6的条形基础，通过杓钉固定在基础固定板上，并将条形基础埋设至一定埋深cL
[0011]3)使齿轮杆通过预留的圆形孔洞，保持垂直卡入在两个传力齿轮中间，用固定螺栓将盖板固定在有机玻璃箱上方。如图所示安装好链条，使得电动机转动时两传力齿轮分别为顺时针和逆时针转动，带动齿轮杆下压。
[0012]4)打开电动机开关，使得条形基础匀速缓缓向下压地基。地基应力由条形基础底部的电容式薄膜压力传感器测定并记录在应力采集器中。绘制条形基础下沉量与基底压力的曲线。
[0013]5)通过实测应力绘制的曲线，通过/74曲线获得实际地基承载力，同时以容重F、粘聚力C、基础埋深i/和基础宽度6等参数通过理论公式计算地基承载力，对比各种理论计算值与实际值的吻合度。
[0014]本发明具有的有益效果
本发明可借助电动机的转动带动齿轮杆，使得条形基础下土体以恒定的应变速率受压，模拟地基土承受上部荷载时剪切破坏的渐变过程。特别是采用了电容式薄膜压力传感器，可测定实时基底压力，电动机按一定速率下压条形基础，基底压力逐渐增大随基础沉降逐渐增大；在有机玻璃箱内填置较坚硬或密实的土，即可演示整体剪切破坏，填置软弱粘土，即可演示局部剪切破坏或冲剪破坏，由此可以得到不同破坏模式下基底压力和基础沉降的变化关系的不同；试验时通过分层染色的方式，可使得不同分层间产生的错动突出，可形成完整的破坏线，即可直观观察滑动面的延伸区域。并且，条形基础设计为可拆卸部件，制作了不同宽度的条形基础以供使用，同时可在填土时控制条形基础的不同埋深，以及土的容重 、粘聚力C、地下水位等不同的设置，通过实测应力绘制的/7-^曲线获得不同基础设计情况下的地基承载力，同时以容重7、粘聚力C、基础埋深和基底宽度6及地下水位等参数通过理论公式计算地基承载力，可对各种承载力公式所计算的数值与实际测量的数值进行对比分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构正立面图；
图2是本发明的主体结构的俯视图；
图中:有机玻璃箱1、盖板2、固定螺栓3、小型电动机4、齿轮固定板5、传力齿轮6、齿轮杆7、辅助齿轮8、链条9、基础固定板10、条形基础11、杓钉12、电容式薄膜压力传感器13、应力采集器14、测压管15。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0017]如图1、2所示，一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置，包括有机玻璃箱1、盖板2、固定螺栓3、小型电动机4、齿轮固定板5、传力齿轮6、齿轮杆7、辅助齿轮8、链条9、基础固定板10、条形基础11、杓钉12、电容式薄膜压力传感器13、应力采集器14、测压管15。
[0018]有机玻璃箱I设有一盖板2，盖板2通过固定螺栓3固定在有机玻璃箱I上方；盖板2上方锚固有一小型电动机4,可以以不同的恒定速率速率转动；盖板2上方有一齿轮固定板5，齿轮固定板5与盖板2固定连接；齿轮固定板5上设置有三个齿轮，其中两个传力齿轮6与齿轮杆7咬合，另一辅助齿轮8用以引导链条9路径；电动机4通过链条9带动齿轮转动，使得齿轮杆7可以恒定速率下压；齿轮杆7通过盖板2上预留的圆形孔洞通向有机玻璃箱内，齿轮杆7下方固定连接一基础固定板10，条形基础11通过杓钉12固定在基础固定板10上；条形基础基11底部设置四个电容式薄膜压力传感器13，电容式薄膜压力传感器13通过嵌入的方式固定在条形基础11上，并通过导线传输至应力采集器14 ;有机玻璃箱一侧设置一根测压管15用以观察 静水水位高度。有机玻璃箱I内的土体隔层染色，不同分层间由于颜色不同，在滑移线处产生的错动尤为明显，将这些错动相连即可形成完整的破坏线。条形基础设计为可拆卸部件，制作了不同宽度的条形基础以供使用，同时可在填土时控制条形基础的不同埋深，以及土的容重/、粘聚力C、地下水位等不同的设置，通过实测应力绘制的/7-^曲线获得不同基础设计情况下的地基承载力，同时以容重7、粘聚力C、基础埋深d和基底宽度b及地下水位等参数通过理论公式计算地基承载力，可对各种承载力公式所计算的数值与实际测量的数值进行对比分析。
[0019]一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置的试验方法，包括以下步骤:
(I)根据不同地基破坏模式选择相应压缩特性的土，试验前先测定土的容重f及粘聚力C，在有机玻璃箱I内填置一定高度的地基土。
[0020](2)根据设计的宽度，按一定比例的选择合适宽度6的条形基础11，通过杓钉12固定在基础固定板10上，并将条形基础11埋设至一定埋深d。
[0021 ] (3 )移动盖板2使得齿轮杆7通过预留的圆形孔洞，保持垂直卡入在两个传力齿轮6中间，用固定螺栓3将盖板2固定在有机玻璃箱上方。安装链条9，使得电动机4转动时两传力齿轮6分别为顺时针和逆时针转动，带动齿轮杆7下压。
[0022](4)打开电动机4开关，使得条形基础11匀速缓缓向下压地基。地基应力由条形基础11底部的电容式薄膜压力传感器13测定并记录在应力采集器中。绘制条形基础11下沉量与基底压力的/7-^曲线。[0023](5)通过实测应力绘制的/7-^曲线获得实际地基承载力，同时以容重、粘聚力C、基础埋深和基础宽度b等参数通过理论公式计算地基承载力，对各种理论计算值与实际测量的基底压力进行对比分析。
【权利要求】
1.一种地基破坏形式模拟及承载力测试装置，包括有机玻璃箱、盖板、小型电动机、齿轮固定板、电容式薄膜压力传感器、应力采集器、测压管，其特征在于:有机玻璃箱设置有一盖板，盖板通过固定螺栓固定在有机玻璃箱上方；小型电动机、齿轮固定板分别固定在盖板上方；齿轮固定板上设置有三个齿轮，其中两个齿轮与齿轮杆咬合，另一齿轮用以引导链条路径；齿轮杆通过盖板上预留的孔洞通向有机玻璃箱内，齿轮杆下方固定连接一基础固定板，条形基础通过杓钉固定在基础固定板底部；条形基础底部设置四个电容式薄膜压力传感器，电容式薄膜压力传感器通过嵌入的方式固定在条形基础上，并通过导线传输至应力采集器；测压管固定在有机玻璃箱一侧；有机玻璃箱内的土体隔层染色。
2.一种地基破坏形式模拟及承载力测试的试验方法，包括如下步骤: 1)根据不同地基破坏模式选择相应压缩特性的土，试验前先测定土的容重:z及粘聚力C，在有机玻璃箱I内填置一定高度的地基土，并分层染色； 2)根据设计的宽度，按一定比例选择合适宽度6的条形基础，通过杓钉固定在基础固定板上，并将条形基础埋设至一定埋深d ； 3)使齿轮杆通过预留的圆形孔洞，保持垂直卡入在两个传力齿轮中间，用固定螺栓将盖板固定在有机玻璃箱上方；安装好链条，使得电动机转动时两传力齿轮分别为顺时针和逆时针转动，带动齿轮杆下压； 4)开电动机开关，使得条形基础匀速缓缓向下压地基，地基应力由条形基础底部的电容式薄膜压力传感器测定并记录在应力采集器中，绘制条形基础下沉量与基底压力的/7-^曲线； 5)打通过实测应力绘制的/7-^曲线，通过/7曲线获得实际地基承载力，同时以容重/、粘聚力C、基础埋深和基础宽度6等参数通过理论公式计算地基承载力，对比各种理论计算值与实际值的吻合度。`
【文档编号】E02D33/00GK103485371SQ201310431671
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】沈扬, 葛冬冬, 王保光, 吕若冰 申请人:河海大学