专利名称：一种模拟动静荷的试验方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及岩土工程室内模型试验技术，尤其涉及一种模拟动静荷的试验方 法及其装置。
背景技术：
动、静荷载在地基变形和结构物稳定性分析中经常存在，例如重力荷载、 地震荷载、风荷载和爆炸对高层建筑的作用，动水压力对大坝的作用，海浪对海 岸和海上采油平台的冲击，车辆对道路运营的影响等。土和结构物在动、静力荷 载作用下其特性发生了很大的改变，因此对土与结构物在动、静力荷载作用下特
性的研究是涉及岩土工程领域重要的工作。目前关于土与结构物对动、静态荷载 响应特性方面的研究还不多。
按动荷载持时间及其与时间的关系可分为循环荷载(周期荷载)、冲击荷载与 不规则荷载三种循环荷载是指以同一振幅和周期往复循环作用的荷载(如一般 波浪荷载及机械振动等)；冲击荷载是强度很大、持时很短的荷载；不规则荷载 是随时间没有规律变化的荷载(如地震荷载)。试验研究中，基本上将不规则荷载 按照循环荷载或冲击荷载来模拟。
动荷载作用下，土与结构的力学行为与静态下存在较大的差异。早期，欧洲 采用加载率(或应力率)，美国采用应变率进行衡量；目前基本统一用应变率来反 映土与结构动态力学行为的变化规律。近年来，为了得到土以及构筑物的动态力 学参数，国内外研究者做了许多相关试验，但结果相差较大。造成这种差异的原 因是多方面的，但最主要是采用的试验方法和使用的试验仪器不同所致。为此， 应清楚地了解各种试验方法和仪器的试验原理及适用范围。
上世纪70年代出现的电液伺服试验机能够很好地进行脆性材料单轴和三轴 试验，并且能够测定其轴向荷载、轴向变形、横向变形和体积变形等的全过程曲线；常用的设备有美国MTS和英国INSTR0N电液伺服试验系统等。研究者先后进 行了动荷载下混凝土强度变形特性与动态受拉试验，以及采用大型静、动三轴电 液伺服试验系统，对各种应力比下的三向拉、压和拉压联合作用的静动态试验， 分析循环荷载下混凝土疲劳性能、冲击荷载下混凝土的动态性能及动态强度。
目前在场地地震反应分析、土工构筑物的地震稳定性评价、土-桩-结构体系 的动力相互作用分析和近海场地地震稳定性评价中，长期以来人们从不同的角度 和方法去认识并测定土的动力特性以及动力学参数； 一般采用振动台、共振柱、 动扭剪仪、动三轴仪、或循环单剪仪试验测定。共振柱试验的试验应变较小，可 为地面动力反应分析提供小应变时的指标；动扭剪仪可模拟现场应力条件，是测 定动力指标较为理想的仪器，然而该仪器结构复杂，操作困难，仅能做扰动土。 动三轴试验可直接测定较大应变范围的阻尼比，试验时能够方便施加各种应力以 适应工程实际，是室内试验中被最广泛使用的试验方法；循环单剪仪可以直接测 定较大应变范围的阻尼比，能最直接地重现现场土层承受强震条件的情况。由于 各种试验仪器设备、试验方法、数据处理方法等都不尽相同，国内规程、规范都 有较大差别。
除了室内试验研究外，数值分析为土的动、静力特性研究提供了有效手段， 运用大型有限元软件ANSYS、有限差分法FLAC,离散元、边界元等方法对车辆
动荷载作用下黄土暗穴对路基稳定性进行了动力响应分析，系统研究动荷载振 幅、频率以及工程因素对竖向排列地下硐室群稳定性的影响，以及荷载的动力学 效应和路面结构的动、静荷载作用响应等。
基于目前动静荷载条件下岩土体与构筑物的动态响应监测的特点，研究适用 于模拟多种动荷载条件下岩土体变形、应力的监测方法及其装置，对于工程设计 优化、破坏机理分析、稳定性评价和预测具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术单纯依赖室内动三轴、振动台、共振柱 等的缺点和不足，提供一种模拟动静荷的试验方法及其装置。 本发明的目的是这样实现的 一、 一种模拟动静荷的试验方法本方法包括下列步骤
① 模型试验平台设有施加动静荷载的反力装置，为荷载的传递施加反力，其 上安装荷载传递杠杆和模型试验箱；
② 模型箱一侧为可拆卸的透明有机玻璃板,可直观察看箱内岩土体与结构物 模型在荷载作用下的变化，其上安装的补水箱、水位管和泄水阔能实现模型箱 内的水位变化；
③ 荷载传递杠杆通过反力装置与试验平台连接，设有杠杆自重平衡装置以平 衡杠杆自重对试验的影响，荷载施加端的杠杆设有滑槽，可实现施加静载荷的连
续调整；
④ 计算机通过控制功率放大器，输出预设的动荷载波形信号，控制电磁激振 器，对激振梁施加振动荷载，使之对荷载传递杠杆产生向下的激振力，激振力和 振幅可调节；
⑤ 用数据传输线将位移、应力和孔隙水压力传感器的信号传入数据采集系 统，数据采集系统通过计算机总线连入计算机；
⑥ 利用计算机调控动态测试信息的采集、传输、显示和记录。 二、 一种模拟动静荷的试验装置
本装置包括模型试验平台、模型试验箱、荷载传递杠杆、静荷载系统、动荷 载系统、动态信号测试系统、数据采集系统和计算机；
模型试验平台、模型试验箱、荷载传递杠杆依次连接； 荷载传递杠杆分别与静荷载系统、动荷载系统连接； 静荷载系统、动荷载系统分别与动态信号测试系统连接； 动态信号测试系统、数据采集系统和计算机依次连接。 本装置工作原理
通过静荷载系统对模型箱内岩土体与结构物模型施加静力荷载，利用计算 机、功率放大器和激振器模拟车辆、波浪、风、地震、冲击等对岩土体与结构物 模型施加不同形式动荷载，通过对布置于其中的位移、孔隙水压力和土压力传感 器的动态监测，确定岩土体与结构物模型对不同荷载的动态响应特征。
整个过程实现了动静组合条件下岩土体与结构物模型动态响应的实时监控。 本发明具有以下优点和积极效果① 能够克服常规试验中岩土体材料的级配和尺寸效应问题，可针对不同的构 筑物模型开展动、静荷载试验。
② 动荷载的频率、振幅和激振力可控，可预加设定的静载荷，附加的质量块 可为低频试验提供更大的惯性阻尼。
③ 在试验过程中，可实时监测采集在复杂荷载条件下岩土体的变形和应力的 非线性特性。
④ 该装置测试原理直观、结构简单、精度高、稳定性好、易于操作、拆卸方 便，对安装测试人员没有很高的技术要求。
1.3—反力框架立柱， 1.6—杠杆梁反力支座，
图l一本装置组成方框图； 图2—本装置装配结构示意图' 其中 l一模型试验平台，
1. 1—平台承载板， 1.4一试验平台支脚， 1.7—支座螺帽，
2— 模型试验箱，
2. l—铝合金箱板， 2.4—水位指示管， 2. 7—补水控制阀，
2. IO—承载板座固定螺钉；
3— 荷载传递杠杆，
3. 1—荷载传递杠杆梁，3. 2—静载施加滑槽，3. 3—杠杆自重平衡固定销， 3.4—平衡配重挂钩，3.5—平衡配重砝码；
4一静荷载系统，
4. 1—静载砝码， 4. 2—静载挂钩； 5—动荷载系统，
5. 1—功率放大器， 5.2—激振器， 5.3—激振支架，
1.2—立柱固定螺帽， 1.5—反力梁， 1.8—支座固定销；
2.2—有机玻璃箱板， 2. 5—排水控制阀， 2.8—补水箱，
2. 3—箱板固定螺钉， 2. 6—补水管， 2. 9—承载板座，5.4—激振底座，
5. 7—连接框架，
6— 动态信号测试系统，
6. 1—位移传感器，
7— 数据采集系统；
8— PC计算机。
5. 5—激振梁，
5. 8—部位调节孔，
5. 6—激振梁固定销, 5.9—框架固定销；
6. 2—孔隙水压力传感器，6. 3—土压力传感器;
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进一步说明 一、模拟动静荷的试验装置 (一)总体
如图1、图2，本装置包括模型试验平台1、模型试验箱2、荷载传递杠杆3、 静荷载系统4、动荷载系统5、动态信号测试系统6、数据采集系统7和计算机8; 模型试验平台l、模型试验箱2、荷载传递杠杆3依次连接； 荷载传递杠杆3分别与静荷载系统4、动荷载系统5连接； 静荷载系统4、动荷载系统5分别与动态信号测试系统6连接； 动态信号测试系统6、数据采集系统7和计算机8依次连接。 (二)功能块
1、 模型试验平台1
模型试验平台1包括平台承载板1. K立柱固定螺帽1. 2、反力框架立柱1. 3， 试验平台支脚1. 4、反力梁1. 5、杠杆梁反力支座1. 6、支座螺帽1. 7和支座固 定销1.8;
反力框架立柱1. 3下端通过立柱固定螺帽1. 2与试验平台支脚1. 4共同固定 在平台承载板1.1之上，反力框架立柱1. 3上端与反力梁1. 5连接，杠杆梁反力 支座1. 6通过支座螺帽1. 7固定在反力梁1. 5上；
支座固定销1. 8将荷载传递杠杆梁3. 1连接在杠杆梁反力支座1. 6之上。
2、 模型试验箱2
模型试验箱2包括铝合金箱板2. 1、有机玻璃箱板2.2、箱板固定螺钉2.3、 水位指示管2.4、排水控制阀2.5、补水管2.6、补水控制阀2.7、补水箱2.8、承载板座2. 9和承载板座固定螺钉2. 10;
四块铝合金箱板2. 1和一块有机玻璃箱板2. 2通过箱板固定螺钉2. 3连接
成试验箱体，有机玻璃箱板2. 2可直接观察岩土体或结构物变形情况；
补水箱2. 8通过补水管2. 6与一侧铝合金箱板2. 1底部相连，补水管2. 6 中间设置有补水控制阀2.7;
另一侧铝合金箱板2. 1底部安装水位指示管2. 4，水位指示管2. 4下端设置 有排水控制阀2.5;
补水控制阀2. 7和排水控制阔2. 5能够控制模型试验箱2内水位的升降；
模型试验箱2的底板位于平台承载板1. 1之上；
承载板座2. 9通过承载板座固定螺钉2. 10与荷载传递杠杆梁3. 1连接，以 传递动、静荷载。
有机玻璃箱板2. 2通过箱板固定螺钉2. 3固定在铝合金箱板2. 1上，铝合金 箱板2. 1包括三块侧板和一块底板以锚扣形式连接，试验中要确保箱体四周不透 水，且具有足够的刚度。水位指示管2.4、补水管2. 6与箱体的连接要确保密封 性。
3、 荷载传递杠杆3
荷载传递杠杆3包括荷载传递杠杆梁3. 1、静载施加滑槽3.2、杠杆自重平 衡固定销3. 3、平衡配重挂钩3. 4和平衡配重砝码3. 5;
荷载传递杠杆梁3. 1右端设有静载施加滑槽3. 2，左端依次连接有杠杆自重 平衡固定销3.3、平衡配重挂钩3.4和平衡配重砝码3.5，以消除杠杆自重对试 验造成的影响。
4、 静荷载系统
静荷载系统4包括静载砝码4. 1和静载挂钩4. 2;
静载砝码4. 1通过静载挂钩4. 2在静载施加滑槽3. 2滑动，通过荷载传递杠 杆梁3. 1和承载板座2. 9对岩土体与结构物模型静力加载。
5、 动荷载系统5
动荷载系统5包括功率放大器5.1、激振器5.2、激振支架5.3、激振底座 5.4、激振梁5.5、激振梁固定销5.6、连接框架5.7、部位调节孔5.8和框架固 定销5.9;计算机8、功率放大器5. 1、激振器5. 2和激振梁5. 5的右端依次连接；
激振梁5. 5的中部通过激振梁固定销5. 6与激振支架5. 3的顶部连接，激振 支架5. 3的底部与激振底座5. 4连接；
激振梁5. 5的左端通过连接框架5. 7、部位调节孔5. 8和框架固定销5. 9与 荷载传递杠杆梁3. 1的右端连接。
其工作原理是:计算机8通过功率放大器5. 1将其控制信号输入激振器5. 2， 对激振梁5. 5右端施加向上的动荷载，依据杠杆原理，激振梁5. 5左端对荷载传 递杠杆梁3. 1的右端施加向下的振动荷载。
*功率放大器5. 1
功率放大器5. 1选用HEA-200型功率放大器，为一种线性功率放大器，无任 何干扰释放，保护功能强(过流、过温、电网过压、激振器限位均保护)，开机 无冲击，使用安全，无特别注意事项，输出电流电压指示，经久耐用。
主要性能指标
最大输入电流28A 最大输出功率600W 工作频率范围0-10kHz
输入信号幅值0土5Vp最大噪声电平〈20mVp 环境温度0 40。C 非线性失真《0.5% 相移〈2度(lkHz内)。 *激振器5. 2
激振器5.2采用电磁激振器，将周期变化的电流输入电磁铁线圈，对激振梁 5.5提供周期变化的激励力。
参考型号冊V-200 最大激振力200N频宽0 2000 Hz
最大振幅±10 mm 力常数8 N/A 峰值电流25 A
重量15.5kg 尺寸O180X190 mmXmm
配用功放型号服A-200。 *激振梁5. 5
激振梁5.5要求质量轻，具有足够的硬度和刚度。试验中，连接框架5.7、 激振器5. 2的振动轴心与激振梁固定销5. 6之间的距离必须相等。 6、动态信号测试系统6
动态信号测试系统6包括相对独立的位移传感器6. 1、孔隙水压力传感器6. 2 和土压力传感器6.3;位移传感器6. 1设置在承载板座2. 9上，量测岩土体与结构物模型变形；孔 隙水压力传感器6. 2和土压力传感器6. 3均设置在岩土体与结构物模型内部，监
测不同部位孔压和土压的变化。
位移传感器6. 1、孔隙水压力传感器6. 2和土压力传感器6. 3均有现成产品。 *位移传感器6. 1
位移传感器6. 1采用应变式位移传感器，至少达到以下要求
非线性《±1%R0 迟滞性《±1%R0 重复性《±0. l%R0max
灵敏度5mV/V (10000X 10—6应变) 工作温度_10 +55°C。
*孔隙水压力传感器6. 2和土压力传感器6. 3
均采用动态力传感器，至少达到以下要求-
灵敏度x轴和y轴/Z轴2. 2/0. 56 (mV/N) 谐振频率90 kHz
分辨率x轴和y轴/Z轴0. 009 / 0. 027 (Nrms) 温度范围-54 +121°C。 7、数据采集系统7
数据采集系统7有现成产品，分别与动态信号测试系统6和计算机8连接， 其功能是将动态信号测试系统6的动态信号传入计算机8进行存储记录和分析计
其基本工作原理为
任意波形发生卡安装在计算机上，计算机生成驱动信号由PCI卡输出经功率 放大器放大后给激振器产生振动。动态响应信号被传感器接收，转换为电信号送 入计算机进行数据采集，量化为数字信号进行数字信号处理，同时计算机还需控 制任意波形发生器产生需要的波形。SAI200型任意波形发生卡，存储深度为 32kbye，最大采样率为20MHz，最大输出波形电压为土5V。
数据采集系统7主要性能指标
测量通道数2 256 激振通道数1 16 程控数字滤波 最高采样频率100kHz 多路信号源输出方波测试信号A/D12bit 程控放大XI， XIO， X100内置专用数字信号处理芯片(DSP)。 8、 PC计算机8
PC计算机8有现成产品，其功能是对接收数据采集系统7传入的动态信号 进行记录分析，对功率放大器5. 1发出指令，控制激振器5. 2的输入振动波形。
权利要求
1、一种模拟动静荷的试验方法，其特征在于包括下列步骤①模型试验平台设有施加动静荷载的反力装置，为荷载的传递施加反力，其上安装荷载传递杠杆和模型试验箱；②模型箱一侧为可拆卸的透明有机玻璃板，可直观察看箱内岩土体与结构物模型在荷载作用下的变化，其上安装的补水箱、水位管和泄水阀能实现模型箱内的水位变化；③荷载传递杠杆通过反力装置与试验平台连接，设有杠杆自重平衡装置以平衡杠杆自重对试验的影响，荷载施加端的杠杆设有滑槽，可实现施加静载荷的连续调整；④计算机通过控制功率放大器，输出预设的动荷载波形信号，控制电磁激振器，对激振梁施加振动荷载，使之对荷载传递杠杆产生向下的激振力，激振力和振幅可调节；⑤用数据传输线将位移、应力和孔隙水压力传感器的信号传入数据采集系统，数据采集系统通过计算机总线连入计算机；⑥利用计算机调控动态测试信息的采集、传输、显示和记录。
2、 一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于包括模型试验平台(1)、模型试验箱(2)、荷载传递杠杆(3)、静荷载 系统(4)、动荷载系统(5)、动态信号测试系统(6)、数据采集系统(7)和 计算机(8);模型试验平台(1)、模型试验箱(2)、荷载传递杠杆(3)依次连接； 荷载传递杠杆(3)分别与静荷载系统(4)和动荷载系统(5)连接； 静荷载系统(4)和动荷载系统5分别与动态信号测试系统(6)连接； 动态信号测试系统(6)、数据采集系统(7)和计算机(8)依次连接。
3、 按权利要求2所述的一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于 所述的模型试验平台(1)包括平台承载板(1.1)、立柱固定螺帽(1.2)、反力框架立柱(1.3)、试验平台支脚(1.4)、反力梁(1.5)、杠杆梁反力支座(1.6)、支座螺帽(1.7)和支座固定销(1.8);反力框架立柱(1.3)下端通过立柱固定螺帽(1.2)与试验平台支脚(1.4) 共同固定在平台承载板(1.1)之上，反力框架立柱(1.3)上端与反力梁(1.5) 连接，杠杆梁反力支座(1.6)通过支座螺帽(1.7)固定在反力梁(1.5)上；支座固定销(1.8)将荷载传递杠杆梁(3.1)连接在杠杆梁反力支座(1.6) 之上。
4、 按权利要求2所述的一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于-所述的模型试验箱(2)包括铝合金箱板(2.1)、有机玻璃箱板(2.2)、箱板固定螺钉(2.3)、水位指示管(2.4)、排水控制阀(2.5)、补水管(2.6)、补 水控制阀(2.7)、补水箱(2.8)、承载板座(2.9)和承载板座固定螺钉(2. 10);四块铝合金箱板(2. 1)和一块有机玻璃箱板(2. 2)通过箱板固定螺钉(2. 3) 连接成试验箱体；补水箱(2.8)通过补水管(2.6)与一侧铝合金箱板(2.1)底部相连，补 水管(2.6)中间设置有补水控制阀(2.7);另一侧铝合金箱板(2.1)底部安装水位指示管(2.4)，水位指示管(2.4) 下端设置有排水控制阀(2.5);模型试验箱(2)的底板位于平台承载板(1.1)之上；承载板座(2.9)通过承载板座固定螺钉(2.10)与荷载传递杠杆梁(3.1) 连接。
5、 按权利要求2所述的一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于 荷载传递杠杆(3)包括荷载传递杠杆梁(3.1)、静载施加滑槽(3. 2)、杠杆自重平衡固定销(3. 3)、平衡配重挂钩(3. 4)和平衡配重砝码(3. 5);荷载传递杠杆梁(3. 1)左端设有静载施加滑槽(3. 2)，右端是杠杆自重平衡固 定销3. 3、平衡配重挂钩3. 4和平衡配重砝码3. 5依次连接。
6、 按权利要求2所述的一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于-静荷载系统(4)包括静载砝码(4.1)和静载挂钩(4.2);静载砝码(4.1)通过静载挂钩(4.2)在静载施加滑槽(3.2)滑动，通过 荷载传递杠杆梁(3.1)和承载板座(2.9)对岩土体与结构物模型静力加载。
7、 按权利要求2所述的一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于动荷载系统(5)包括功率放大器(5.1)、激振器(5.2)、激振支架(5.3)、 激振底座(5.4)、激振梁(5.5)、激振梁固定销(5.6)、连接框架(5.7)、部位 调节孔(5.8)和框架固定销(5.9);计算机(8)、功率放大器(5.1)、激振器(5.2)和激振梁(5.5)的右端依 次连接；激振梁(5.5)的中部通过激振梁固定销(5.6)与激振支架(5.3)的顶部 连接，激振支架(5.3)的底部与激振底座(5.4)连接；激振梁(5.5)的左端通过连接框架(5.7)、部位调节孔(5.8)和框架固定 销(5.9)与荷载传递杠杆梁(3.1)的右端连接；计算机8将其控制信号通过功率放大器(5.1)输入激振器(5.2),对激振 梁(5.5)右端施加向上的动荷载，依据杠杆原理，激振梁(5.5)左端对荷载传 递杠杆梁(3.1)的右端施加向下的振动荷载。
8、按权利要求2所述的一种模拟动静荷的试验装置，其特征在于动态信号测试系统(6)包括相对独立的位移传感器(6.1)、孔隙水压力传 感器(6.2)和土压力传感器(6.3);位移传感器(6.1)设置在承载板座(2.9)上；孔隙水压力传感器(6.2)和土压力传感器(6.3)均设置在岩土体与结构物 模型内部。
全文摘要
本发明公开了一种模拟动静荷的试验方法及其装置，涉及岩土工程室内模型试验技术。本装置的结构是模型试验平台(1)、模型试验箱(2)、荷载传递杠杆(3)依次连接；荷载传递杠杆(3)分别与静荷载系统(4)和动荷载系统(5)连接；静荷载系统(4)和动荷载系统(5)分别与动态信号测试系统(6)连接；动态信号测试系统(6)、数据采集系统(7)和计算机(8)依次连接。本发明可针对不同的构筑物模型开展动静荷载试验；可实时监测采集在复杂荷载条件下岩土体的变形和应力的非线性特性；该装置测试原理直观、结构简单、精度高、稳定性好、易于操作、拆卸方便，对安装测试人员没有很高的技术要求。
文档编号G01N3/00GK101532931SQ20091006164
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者孔令伟, 孟庆山, 徐东生, 超 杨, 稔 汪, 胡明鉴 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所