模拟土表复杂堆载作用的装置及方法与流程

本发明属于岩土工程模型试验工况模拟领域，涉及复杂堆载情况下形成的不规则土表压力模拟装置。

技术背景

土表堆载作用是工程中常见的一种由重力产生的竖向荷载作用形式，可由临时的重物堆积产生，例如施工工地中大量建筑材料的堆积；也可能由永久的重物堆积产生，例如码头工程中的堆场设置，道路工程中的高路堤。这种土表的堆积产生的土表压力会对临近结构物产生明显的不良作用，特别是在软土地区，能够造成结构物不均匀沉降，发生倾斜，直至倾覆。在土表堆载对地下结构作用的研究中，室内模型试验是一种公认的、代价较小、易于控制的研究方法。但是如何有效、真实的模拟土表堆载作用是目前研究工作中主要难题之一。

模型试验中土表堆载的模拟主要涉及堆载压力平面分布不规则、不均匀以及高堆载压力两方面问题。第一，实际工程中，土表堆载多非大面积规则分布，例如最常见的土表边载作用，土表堆载分布在结构物的一侧。更复杂的情况则是压力值不均匀的局部堆载，例如不规则堆场中重物堆积形成的中间大、周边小的压力平面分布不规则、不均匀的堆载作用。由于对实际工程进行了缩尺处理，模型试验中这种复杂的堆积荷载很难直接用实物堆载进行精确模拟。第二，实际工程中重物堆载往往具有较大的堆积高度，由此形成巨大的堆载压力值。在模型试验中如果采用常规的材料（砂、石，金属粉）堆积模拟土表压力，则需要较大的材料堆积高度，这也给试验带来安装困难与安全隐患，同时也限制了复杂平面分布形式堆载作用的模拟。

为了能在模型试验中更精确的模拟土表复杂分布形式的堆载作用，并形成显著的土表堆载压力值，开发一种适用于模型试验的土表堆载模拟装置至关重要。该装置的运用预计可以提高模型试验的工作效率和模拟精度。

技术实现要素：

技术问题：本发明所解决的技术问题是岩土工程模型试验中土表复杂堆载作用的高效模拟，提供一种土表堆载的模拟装置，该装置通过组件间相互锁扣、组合成所需的土表堆载平面分布形式，并且能够形成较大堆载压力值。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明公开了一种模拟土表复杂堆载作用的装置，设于模型试验箱内，装置底部设置于土表，装置边缘与试验箱固定连接，装置是由模块化的组件相互锁扣形成的整体结构，所述模块化的组件是由组件顶盖、组件上段、组件下段和底板依次连接形成的方筒形气压伸缩腔。

具体地，在组件上段顶部设有平衡梁，平衡梁上安装有激光位移传感器，所述组件顶盖的中部设有光学玻璃，底板上设有立柱和顶盘，所述激光位移传感器、光学玻璃与顶盘处于同一直线上。通过激光位移传感器对顶盘的沉降进行监测，用于反映底板的位移量。

具体地，所述组件上段的上部设置有气道以及线缆开孔，气道通过高压气管连接于高压空气泵，所述底板与土体接触侧设有压力传感器，所述线缆连接压力传感器与采集仪，在线缆开孔处设有密封塞。确保组件的气密性，并在组件上段的顶部设有用于连接固定臂的固定孔。

具体地，所述组件下段的顶部与组件上段的底部相连，且连接处设置有沿组件内壁分布的三角形加强撑，加强撑与组件内部的衬板接触，所述组件下段的外侧与组件上段的凹臂内侧平齐。可以保证组件相互锁扣后组件下段的外侧紧贴，所述凹臂的底部有水平挡板。

具体地，所述底板的上部边缘连接有可进行纵向伸缩的伸缩段，伸缩段位于加强撑下部且上端连接衬板，衬板通过衬板螺栓与组件上段的内壁连接，衬板紧贴组件上段的底部内侧且带有一定的内凹弧度。可保证上紧衬板螺栓后组件内部的气密性。

具体地，所述模块化组件的外侧壁上具有用于相互锁扣连接成整体的凹臂和凸臂，所述装置边缘的组件通过固定臂连接试验箱外壁。

本发明同时提供一种模拟土表复杂堆载作用的方法，在模型试验箱内安装上述装置，高压空气泵产生的气压带动底板竖向沉降，组件内气压由组件顶盖处的压力表监测，实际作用于土表的底板处压力值由压力传感器获取，通过调节不同位置组件的压力值及沉降值，实现复杂分布形式的堆载作用模拟。

使用时，通过组件上段的外侧凹臂与另一个组件上段的外侧凸臂锁扣形成整体结构，整体结构底部设置于土表且通过边缘位置组件的固定臂固定于试验箱外壁确保整体结构竖向稳定。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著的进步：

1.本发明通过组件相互锁扣，组成整体结构后进行工作，相比常规的土表重物堆载的设置方式，这种多个组件配合使用的方式可以灵活的实现平面不规则分布的堆载作用，并且每个组件可以独自模拟施加土表压力作用，加载方式可靠性高，且组件间不同的压力组合可以模拟堆载压力的平面不均匀分布工况。

2.本发明的组件通过内置气囊结构，充入高压空气实现土表堆载的模拟。该方法相比传统的重物堆载模拟土表堆载，可以实现更大的荷载值，并且通过调整组件内的气压值，可以便捷实现堆载随时间变化的工况模拟。

3.本发明组件设置了压力表，可以实时监测组件内部的气压状况，并且通过测定底板内压力传感器的数值，精确控制作用在土表的压力值，消除了传统试验模拟中试验箱边壁摩擦对堆载效果的影响。

4.本发明设置了激光位移传感器和高强光学玻璃，相比传统装置，能够无接触、高精度地测定试验中加载过程中底板沉降，结合多个组件的沉降实测数据，能够获得土表堆载作用下整个土表沉降的面分布。

5.本发明组件边壁设置了凹、凸臂，可以实现便捷的拆卸、组合，通过相互组合能够适用于不同形状的试验箱，而已有的相关装置多只能适用于特定的试验箱。

附图说明

图1为本发明的实施例一的组件剖立面图；

图2为图1的a-a的剖视图；

图3为图1的b-b的断面图；

图4为图1的c-c的断面图；

图5为本发明实施例二的组合结构剖立面图；

图6图5的俯视图；

图中：1-高压空气泵；2-高压气管；3-顶盘；4-立柱；5-凹臂；6-衬板；7-伸缩段；8-平衡梁；9-压力表；10-激光位移传感器；11-光学玻璃；12-组件顶盖；13-顶盖螺栓；14-采集仪；15-线缆；16-平衡梁螺栓；17密封塞；18-组件上段；19-凸臂；20-衬板螺栓；21-加强撑；22-组件下段；23-底板；24-压力传感器；25-固定孔；26-固定底座；27-固定臂。

具体实施方式

实施例一

本实施例的模拟土表复杂堆载作用的装置的组件如图1、图2、图3和图4所示，组件整体呈矩形桶状，由组件顶盖12、组件上段18、组件下段22和底板23组成。组件顶盖12为矩形钢板，通过顶盖螺栓13连接于组件上段18的顶部，顶盖螺栓13沿组件顶盖12的边缘等间距分布。组件顶盖12顶部安装有压力表9，用于组件内部气压的监测。组件顶盖12中部镶嵌有高强度的光学玻璃11。组件上段18由钢板围成矩形，其外侧分别设置两个凹臂5和两个凸臂19，凹臂5和凸臂19由钢板切割而成，凹臂5两侧有伸臂且底部有水平挡板，凸臂19可以由上往下插入凹臂5内部并且到达凹臂5底部的水平挡板。组件上段18上部设置有气道和线缆开孔，气道通过高压气管2连接至高压空气泵1，线缆15两端分别与压力传感器24及采集仪14相连，线缆开孔处设置了密封塞17确保组件的气密性。矩形钢板制成的固定底座26通过平衡梁螺栓16与组件上段18的顶部相连，固定底座26上方设置有长条形钢质平衡梁8，平衡梁8中间固定有激光位移传感器10，激光位移传感器10竖直位于光学玻璃11正上方。组件下段22由钢板围成矩形且顶部与组件上段18的底部相连，并且在连接处设置有三角形的钢质加强撑21，加强撑21沿组件下段22内壁均匀分布，组件下段22的外侧与凹臂5内侧平齐，可以保证组件相互锁扣、连接后相邻组件的组件下段22的外侧相互紧贴。衬板6通过衬板螺栓20固定于组件上段18的内壁，衬板6为钢质薄板带有一定的内凹弧度，可保证上紧衬板螺栓20后组件内部的气密性。衬板6下部紧贴加强撑21且底部与伸缩段7相连，伸缩段7为柔性橡胶材质，可以提供竖向的伸缩位移，伸缩段7底部连接底板23的边缘。底板23为矩形钢板且位于组件下段22的内部且能沿组件下段22的内壁上下移动，底板23的底部中间与土体接触侧设置有压力传感器24，压力传感器24通过线缆15与采集仪14相连，底板23的顶部中间设置有竖直的钢质圆立柱4，立柱4顶部固定圆盘状钢顶盘3。顶盘3中心轴线、光学玻璃11中心轴线与激光位移传感器10的激光射线在同一竖直线上。

实施例二

发明实施例的模拟土表复杂堆载作用的装置配合模型试验箱使用，模拟中间大四周小的土表堆载。如图5和图6所示，由安装在组件外壁的凹臂和凸臂将单个组件相互锁扣、连接成整体结构进而实现本发明装置的预定功能。整体结构的平面形状根据所模拟的土表堆载平面分布情况确定，且由边缘位置组件的固定臂固定于模型试验箱壁上，用以确保整体结构竖向稳定。

通过9个组件相互锁扣、连接形成整体结构，外侧组件通过固定臂固定于模型试验箱壁上。中间组件施加较大气压值，形成较大土表堆载作用，外侧组件施加较小气压值，形成较小土表堆载作用。组件内压入高压空气后，底板带动立柱和顶盘下移，通过激光位移传感器可获得底板的沉降值，组件对土表作用产生的压力可由采集仪采集压力传感器的数据获知，通过监测压力表和调节高压空气泵，实现试验过程中的土表堆载作用实时控制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。