一种超重力场振动台试验加卸载装置和方法与流程

本发明属于试验装置技术领域，具体涉及一种超重力场振动台试验加卸载装置和方法。

背景技术：

对于岩土工程抗震问题，常用的研究方法有数值计算、现场观测、常规振动台试验和离心机振动台试验四种。但数值计算受本构模型和模型参数的影响较大，现场观测实施过程复杂，通常耗资巨大，常规振动台试验无法对岩土材料自重进行模拟，而离心机振动台可以在原型应力条件下在模型输入实际的地震波，并直接量测地震在土工结构中造成的影响，是目前研究土体和结构地震响应特性最有效的技术手段。

现有的离心机振动台试验受离心机容量和振动台本身工作条件的限制，试验研究所能模拟的土层深度一般为20m左右。对于地基上存在建筑物或试验对象为深埋土体等具体的工况，若实际存在的上覆压力在试验中不能得到相应体现，将导致模型地基应力状态与原型地基的初始应力状态不符，因此在实际模拟过程中需要对模型地基施加一定的上覆压力。已有的离心机振动台上覆压力加载方式由于不能准确控制加载面姿态，存在不能保证荷载均匀并且竖直的施加于地基表面的缺点，尤其在承载力较低的软弱地层上覆压力的模拟过程中，已有的上覆压力加载装置存在试验过程中加载面倾斜、地层发生偏压的不足，造成试验条件与实际工况不相符合的情形。因此，离心机振动台试验中上覆压力施加的准确与否将直接影响振动台试验结果的真实性和可靠性。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有配重、气囊加载等加载方式在振动台试验过程中可能出现的偏压或者加载不均的缺陷，提供一种超重力场振动台试验加卸载装置和方法，用于实现离心机振动台试验中土体上覆压力的准确施加，实现模型土体与原型土体的应力、变形条件相匹配。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种超重力场振动台试验加卸载装置，其特征在于，包括模型箱、反力框架、加载装置、数据采集装置和机械锁止装置；

所述加载装置包括加载板、气压缸、气压缸上部管路和压力总管路，压力总管路上设有稳压器；

所述数据采集装置包括倾角传感器、压力传感器、位移传感器、控制器和计算机；

所述机械锁止装置包括机械锁止气压缸、常闭式两位三通阀、推杆、锁止片、齿轮和齿轮槽；

所述反力框架固定设置于模型箱上部，由井字相交的锻件梁组成；所述锻件梁交汇处设置通孔，通孔内固定设置气压缸，每个气压缸连接的上部管路上依次设置电磁阀、稳压阀和分流阀；反力框架中心增设锻件梁，用于固定机械锁止气压缸，增设的锻件梁上设置通孔，机械锁止气压缸连接的上部管路上设置常闭式两位三通阀；每条上部管路最后经由压力总管路连接至稳压器和压力源；

所述反力框架的下表面与加载板接触，气压缸和机械锁止气压缸穿过通孔固定于加载板上表面；

所述加载板下表面安装倾角传感器、压力传感器和位移传感器；

所述加载板上表面与机械锁止气压缸接触点处以及与上表面接触点对应的加载板下表面接触点处开设十字形凹槽，十字形凹槽从机械锁止气压缸与加载板上表面接触点处延伸至模型箱壁面；十字形凹槽内埋设推杆，推杆与壁面接触的一端连接锁止片；模型箱内壁与十字形凹槽四个接触点处垂直开设齿轮槽，齿轮槽内设置齿轮；

所述计算机采集传感器数据，用于数据分析，并通过控制器监测传感器数据，控制压力加载的方向和大小。

作为本发明的进一步改进，所述超重力场振动台试验加卸载装置还包括位置控制装置，所述位置控制装置包括比例阀和限位器；每个气压缸连接的上部管路上依次设置比例阀、限位器、电磁阀、稳压阀和分流阀，后通过压力总管路连接至稳压器和压力源；位移传感器和比例阀输入端相连，比例阀采集位移传感器信号并将信号传输至控制器，控制器通过电磁阀、比例阀和限位器调节气压缸活塞的位置。采用位置控制装置能够在加载压力前的调试过程中调节气压缸活塞的位置；同时稳压阀和比例阀连接在压力源通向气压缸的管路上，并与控制器的输出端相连，用以保证输入气压缸的压力和行进位移的稳定性，起到保护气压缸和精确控制气压缸活塞行进的作用。

作为本发明的进一步改进，所述锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置螺栓盲孔；气压缸活塞向下竖直安装在反力框架预留通孔内，气压缸通过螺栓和通孔周围的螺栓盲孔固定，气压缸活塞下部的加压头与加载板的上表面通过销钉以铰接的方式连接；所述机械锁止气压缸与气压缸以相同方式固定在增设的锻件梁上；所述反力框架通过高强螺栓安装在模型箱上部为气压缸提供反力。本发明中的装置可以采用各种通用手段进行固定，以固定牢固为准，本发明中优选采用螺纹连接和螺丝螺母固定，可将装置固定牢固，此外，气压缸、机械锁止气压缸活塞下部的加压头与加载板的上表面通过销钉以铰接的方式连接，确保压力加载过程中加载板和气压缸稳定不发生位移。

作为本发明的进一步改进，所述气压缸上部还设置排气阀。

作为本发明的进一步改进，压力源和稳压器之间还设有自动开关阀门，压力源的接口依次通过自动开关阀门、稳压器连接至气压缸和机械锁止气压缸，为气压缸和机械锁止气压缸提供压力。测试时，自动开关阀门处于打开状态，当量测系统出现问题时可手动关闭，保护加载系统。

作为本发明的进一步改进，所述压力源由离心机气压系统提供或外接电动液压泵。

作为本发明的进一步改进，所述位移传感器为lvdt位移传感器。选用激光位移传感器可以快速、精确测定加荷板的位移，并且测量范围广，可以根据试验要求调整。

作为本发明的进一步改进，在模型箱中设置的模型土体内设置高频动孔隙水压力传感器，用于监测土体孔隙水压力。

作为本发明的进一步改进，所述锻件梁选用铝锻件梁。

本发明还提供了一种超重力场振动台试验加卸载方法，具体包括如下步骤：

步骤1：将井字相交的锻件梁作为反力框架，在锻件梁交汇处设置通孔，固定气压缸，反力框架中心增设锻件梁，上设置通孔固定机械锁止气压缸；将加载板与气压缸活塞和机械锁止气压缸活塞的下部连接，加载板与固定机械锁止气压缸接触点的上下表面处开设十字形沟槽，沟槽内埋设推杆，推杆远离固定机械锁止气压缸的一端连接锁止片；加载板下部与气压缸活塞对应位置与模型土体接触的下表面安装倾角传感器、压力传感器和位移传感器，并使传感器与加载板的下表面平齐；在气压缸的上部管路上依次安装比例阀，限位器，电磁阀，稳压阀，分流阀；机械锁止气压缸的上部管路上安装常闭式两位三通阀；气压缸的上部管路和机械锁止气压缸的上部管路交汇并入压力总管路，并由压力总管路连接至稳压器和自动开关阀门通至压力源；倾角传感器、压力传感器、位移传感器和稳压器通过控制器连接计算机；

步骤2：在模型箱与加载板十字沟槽的接触处设置垂直的齿轮槽，齿轮槽内设置齿轮；后在模型箱内设置模型土体，将反力框架通过螺栓固定于模型箱的上部，然后将模型箱放置在振动台台面上，并放置在吊篮中；安装完毕后对加载装置进行调试；

步骤3：调整加载板与模型土体的加载前的接触；通过计算机将模型土体表面的倾斜或水平状况换算为加载板下表面倾角传感器和气压缸的位移，控制器向气压缸发出指令调整气压缸的位移，加载板行进与模型土体接触，压力传感器达到控制器设置接触阈值之后，电磁阀关闭，限位器启动，气压缸活塞停止行进位置锁定；

步骤4：对模型土体施加上覆压力；根据试验要求将上覆压力输入计算机，控制器发出指令，电磁阀开启，气压缸行进，加载板下表面的压力传感器实时反馈加载板施加给模型土体的上覆压力，控制器在压力传感器测值达到设定值之后，发出信号，加载停止；

步骤5：上覆压力施加结束之后，常闭式两位三通阀触发启动，机械锁止气压缸驱动活塞向下运动推动推杆，推杆另一端的锁止片向前深入齿轮槽中，当机械锁止气压缸活塞行进至设定值之后停止运动，加载板的位置经机械锁止装置固定，装置进入试验就绪状态。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明的装置既可以模拟建筑物（构筑物）的基底压力，也可以模拟深厚覆盖层上作用的上覆土体自重应力。同时，该装置可以模拟地基土体的卸载过程，以及模拟由卸载引起的超固结土体的动力响应特性。应用于离心机振动台试验，不增加模型本身的重量，可在现有设备技术条件基础上，有效增加离心机振动台研究土层的深度，为进一步研究深部土体动力响应特征试验提供重要的技术支撑。

（2）加载装置装配式设计，加载板的尺寸可以根据离心机振动台模型箱的尺寸进行调整；

（3）压力源可由离心机气压系统提供，不需要单独设置外接压力源，操作简便；

（4）能够通过布置在加载板上部的气压缸、比例阀、限位器、电磁阀等准确控制加载板的加载速率、姿态和加载板的位置，可以确保在振动台试验过程中上覆压力加载的方向是按照试验设定准确施加；

（5）机械锁止装置的设置保证了在离心机振动台试验过程中上覆加载压力值不受试验荷载扰动影响；

（6）气压缸活塞的行进量程可以根据具体的试验要求进行调整，适用范围广泛。

附图说明

图1为本发明实施例1加卸载装置的示意图；

图2为本发明实施例1中气压缸和机械锁止气压缸在模型箱压盖上表面的布置位置示意图；

图3为本发明实施例1中气压缸示意图以及气压缸管路上阀门位置示意图；

图4为本发明机械锁锁止装置在加载板上布置示意图；

图中：1.模型箱，2.模型土体，3.反力框架，4.加载板，5.气压缸，51.气压缸活塞，52.气压缸活塞加压头，6.计算机，61.倾角传感器，62.压力传感器，63.位移传感器，64.控制器，7.气压缸上部管路，71.比例阀，72.限位器，73.电磁阀，74.稳压阀，75分流阀，8.压力总管路，81.稳压器，82.自动开关阀门，9.机械锁止气压缸，91.常闭式两位三通阀，92.推杆，93.锁止片，94.齿轮，95.齿轮槽。

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

如图1-4所示的超重力场振动台试验加卸载装置，包括模型箱1、反力框架3加载装置、数据采集装置和机械锁止装置；

所述加载装置包括加载板4、气压缸5、气压缸上部管路7和压力总管路8，压力总管路8上设有稳压器；

所述数据采集装置包括倾角传感器61、压力传感器62、位移传感器63、控制器64和计算机6；

所述机械锁止装置包括机械锁止气压缸9、常闭式两位三通阀、推杆、锁止片、齿轮和齿轮槽；

所述反力框架3固定设置于模型箱1上部，由井字相交的铝锻件梁组成；所述铝锻件梁交汇处设置通孔，通孔内固定设置气压缸5，气压缸5上设置排气阀，每个气压缸5连接的上部管路7上依次设置电磁阀73、稳压阀74和分流阀75；反力框架3中心增设锻件梁，用于固定机械锁止气压缸9，增设的锻件梁上设置通孔，机械锁止气压缸9连接的上部管路7上设置常闭式两位三通阀91；所述锻件梁交汇处设置为圆盘形，圆盘上设置圆形通孔，圆形通孔周围设置螺栓盲孔；气压缸活塞51向下竖直安装在反力框架3预留通孔内，气压缸5通过螺栓和通孔周围的螺栓盲孔固定，气压缸活塞51下部的加压头52与加载板4的上表面通过销钉以铰接的方式连接；所述机械锁止气压缸9与气压缸5以相同方式固定在增设的锻件梁上；所述反力框架3通过高强螺栓安装在模型箱1上部为气压缸5提供反力。每条上部管路7最后经由压力总管路8连接至稳压器81、自动开关阀门82和压力源；

所述反力框架3的下表面与加载板4接触，气压缸5和机械锁止气压缸9穿过通孔固定于加载板4上表面；

所述加载板4下表面安装倾角传感器61、压力传感器62和位移传感器63；

所述加载板4上表面与机械锁止气压缸9接触点处以及与所述上表面接触点对应的加载板4下表面接触点处开设十字形凹槽，十字形凹槽从机械锁止气压缸9与加载板4上表面接触点处延伸至模型箱1壁面；十字形凹槽内埋设推杆92，推杆92与壁面接触的一端连接锁止片93；模型箱1内壁与十字形凹槽四个接触点处垂直开设齿轮槽95，齿轮槽95内设置齿轮94；

所述计算机6采集传感器数据，用于数据分析，并通过控制器监测传感器数据，控制压力加载的方向和大小。

本实施例的压力源可由离心机气压系统提供或外接电动液压泵，可以在在模型箱1中设置的模型土体2内设置高频动孔隙水压力传感器，用于监测土体孔隙水压力。

本实施例中，位移传感器63选用lvdt位移传感器。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，还包括位置控制装置，所述位置控制装置包括比例阀71和限位器72；每个气压缸5连接的上部管路7上依次设置比例阀71、限位器72、电磁阀73、稳压阀74和分流阀75，后通过压力总管路8连接至稳压器81和压力源；位移传感器63和比例阀71输入端相连，比例阀71采集位移传感器信号并将信号传输至控制器64，控制器通过电磁阀73、比例阀71和限位器72调节气压缸活塞51的位置。

实施例3

本实施例对本发明的加卸载方法作进一步描述。

本发明的超重力场振动台加卸载方法具体包括如下步骤：

步骤1：将井字相交的锻件梁作为反力框架3，在锻件梁交汇处设置通孔，固定气压缸5，反力框架3中心增设锻件梁，上设置通孔固定机械锁止气压缸9；将加载板4与气压缸5活塞和机械锁止气压缸9活塞的下部连接，加载板4与固定机械锁止气压缸9接触点的上下表面处开设十字形沟槽，沟槽内埋设推杆92，推杆92远离固定机械锁止气压缸9的一端连接锁止片93；在加载板4下部与气压缸5活塞对应位置与模型土体2接触的下表面安装倾角传感器61、压力传感器62和位移传感器63，并使传感器与加载板4的下表面平齐；在气压缸5的上部管路7上依次安装比例阀71，限位器72，电磁阀73，稳压阀74，分流阀75；机械锁止气压缸9的上部管路7上安装常闭式两位三通阀91；气压缸5的上部管路和机械锁止气压缸9的上部管路交汇并入压力总管路8，并由压力总管路8连接至稳压器81和自动开关阀门82通至压力源；倾角传感器61、压力传感器62、位移传感器63和稳压器81通过控制器64连接计算机6；

步骤2：在模型箱1与加载板4十字沟槽的接触处设置垂直的齿轮槽95，齿轮槽内设置齿轮94；后在模型箱1内设置模型土体2，将反力框架3通过螺栓固定于模型箱1的上部，然后将模型箱1放置在振动台台面上，并放置在吊篮中；安装完毕后对加载装置进行调试；

步骤3：调整加载板4与模型土体2的加载前的接触；通过计算机6将模型土体2表面的倾斜或水平状况换算为加载板4下表面倾角传感器61和气压缸5的位移，控制器64向气压缸5发出指令调整气压缸5的位移，加载板4行进与模型土体2接触，压力传感器62达到控制器64设置接触阈值之后，电磁阀73关闭，限位器72启动，气压缸5活塞停止行进位置锁定；

步骤4：对模型土体2施加上覆压力；根据试验要求将上覆压力输入计算机，控制器64发出指令，电磁阀73开启，气压缸5行进，加载板4下表面的压力传感器62实时反馈加载板4施加给模型土体2的上覆压力，控制器64在压力传感器62测值达到设定值之后，发出信号，加载停止；

步骤5：上覆压力施加结束之后，常闭式两位三通阀91触发启动，机械锁止气压缸9驱动活塞向下运动推动推杆92，推杆另一端的锁止片93向前深入齿轮槽95中，当机械锁止气压缸9活塞行进至设定值之后停止运动，加载板4的位置经机械锁止装置固定，装置进入试验就绪状态。