一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法

本发明涉及土壤液化，特别是涉及一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法。

背景技术：

1、现场液化试验是指，通过人工震源激励产生“地震动”，直接对场地中的可液化原状土或重塑土施加荷载，以更接近真实场地的模拟条件，获取场地液化动力响应全过程的一种方法。

2、目前已有的人工激振下现场液化试验，无论是基于原状土还是重塑土，可液化土的上覆压力不超过20kpa，绝大多数在10kpa以内，大致对应1-2米的土层埋深。根据现有的地震液化资料统计，实际液化土层的埋深集中在0-6m，约占总数的80％，其中2-4m最为集中。而其地下水位埋深集中在0-3m，约占总数的90％，其中1-2m最为集中，真实地震中液化土层所对应的上覆压力范围应集中在0-120kpa，最为集中的均值约50kpa左右。上覆压力是控制土壤液化响应的主要因素之一，当今开展的现场液化试验中可液化土的上覆压力较低，与真实液化场地存在较大差距。已有试验在上覆压力方面与真实液化场景差距大，使得通过现有现场液化试验研究土壤液化问题的价值大打折扣。

3、发明人发现，现有的振动台或动力离心机等室内液化试验中，模型土的上覆压力和真实液化场地也会存在差距，往往通过堆载重物的方式来改善。动力离心机试验，虽然可以模拟原型的相近应力水平，但受限于离心机自身性能或模型尺寸等因素，会使模拟液化试验的上覆压力受到限制。当应力水平无法满足时，在n-g重力环境下，采用比土的密度大几倍的材料(如钢材)作为堆载重物，通过较小的堆载高度就会达到理想效果，目前已有不少应用。然而，在振动台或现场试验等这种1-g重力环境下，当所需上覆压力较大时，通过堆载重物给模型土施加上覆压力的方式并不理想，甚至不可行，这是因为试验中堆载重物的高度不可能无限制增加，而且实际加压效果、可操作性等都会遇到问题；若采用传统的“千斤顶+反力架”施压方式，虽然可以实现对模型土施加上覆压力，且能完全满足液化试验需求的压力上限值，但对于液化试验而言，在液化发生前，土体会率先出现沉降变形，微小的沉降都会导致通过千斤顶施加的荷载无法传递，造成上覆压力“瞬间消失”，从而导致试验无法进行。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法，将反力架的立柱固定安装在土体内以形成稳定结构，并在反力架上安装反力机构，利用反力机构为加载机构提供反向的推力，当试坑内的土壤液化沉降时，可在反力机构的作用下提供恒定的压力，解决了现有现场液化试验无法人为施加上覆压力的问题。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，包括反力架、放置在反力架上的负重块以及放置在反力架正下方的加载机构，所述反力架的立柱埋设在土体内，加载机构的底部通过加载钢板与试坑内的可液化土接触，加载机构的顶部通过反力机构与反力架横梁的底部接触，所述反力机构含有用于向下推动加载机构的弹簧，以在土壤液化沉降时提供恒定的压力。

4、作为进一步的实现方式，所述反力架的立柱、横梁以及负重块均为预制的钢筋混凝土结构，横梁的外表面上至少在下表面处安装钢板。

5、作为进一步的实现方式，所述反力机构由套筒、安装在套筒内的弹簧、固定安装在套筒顶部的顶板以及固定安装在弹簧底部的底板组成，底板的直径与套筒的内径相同。

6、作为进一步的实现方式，所述弹簧通过压条与顶板中心位置处的螺栓连接，压条由平直段以及固定设置在平直段两端的弯弧段组成，平直段两端弯弧段的高度不同，以将两个弯弧段分别卡接在弹簧上两相邻线圈的下方。

7、作为进一步的实现方式，所述反力机构可拆卸的安装在支撑移动机构上，支撑移动机构由两个升降立柱以及安装在升降立柱顶部的支撑板组成，升降立柱的底部设有行走轮，反力机构安装在支撑板的下表面上。

8、作为进一步的实现方式，所述支撑板的上表面与反力架横梁的下表面紧密接触。

9、作为进一步的实现方式，所述加载钢板为一个边角缺失的板状结构。

10、第二方面，本发明提供了一种现场液化试验方法，具体如下：

11、首先进行反力架的搭建以及试坑的开挖，使得反力架位于试坑的正上方；

12、然后安装反力机构，在试坑内放置传感器并将制备好的可液化土填埋至试坑内，填埋完成后将加载钢板放置在试坑内并在加载钢板的上方安装加载机构，使得加载机构的顶部与反力机构的底部接触；

13、加载机构安装到位后进行分级、缓慢施压，待施压完成后进行人工激振的现场液化试验；

14、现场液化试验结束后，先将电源断开后整理试验仪器。

15、作为进一步的实现方式，在现场液化试验前对立柱周侧的土体多次、反复的施加加速度幅值大于液化试验所需的加速度幅值的地震动，直至立柱保持稳定。

16、作为进一步的实现方式，人工激振过程中，首先开启数据采集仪器，并使激振设备产生地震动幅值在0.01g以下的激励地震动，以用于查验各传感器的工作状态；

17、当传感器运行正常时，改变激振设备控制参数，调至液化试验设定的地震动，开始现场液化试验。

18、上述本发明的有益效果如下：

19、(1)本发明通过反力架与加载结构的配合提供了足够的上覆压力，并将反力架的立柱固定安装在土体内以形成稳定结构，并在反力架上安装反力机构，利用反力机构为加载机构提供反向的推力，当试坑内的土壤液化沉降时，可在反力机构的作用下提供恒定的压力，以防止上覆压力瞬间消失现象的发生。

20、(2)本发明在现场液化试验前对立柱周侧的土体多次、反复的施加加速度幅值大于液化试验所需的加速度幅值的地震动，直至立柱保持稳定，以在进行现场液化试验时反力架的立柱作为稳定可靠的固定端。

21、(3)本发明人工激振过程中，首先开启数据采集仪器，并使激振设备产生地震动幅值在0.01g以下的激励地震动，以用于查验各传感器的工作状态，防止仪器损坏对监测数据准确性的影响。

技术特征：

1.一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，包括反力架、放置在反力架上的负重块以及放置在反力架正下方的加载机构，所述反力架的立柱埋设在土体内，加载机构的底部通过加载钢板与试坑内的可液化土接触，加载机构的顶部通过反力机构与反力架横梁的底部接触，所述反力机构含有用于向下推动加载机构的弹簧，以在土壤液化沉降时提供恒定的压力。

2.根据权利要求1所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，所述反力架的立柱、横梁以及负重块均为预制的钢筋混凝土结构，横梁的外表面上至少在下表面处安装钢板。

3.根据权利要求1所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，所述反力机构由套筒、安装在套筒内的弹簧、固定安装在套筒顶部的顶板以及固定安装在弹簧底部的底板组成，底板的直径与套筒的内径相同。

4.根据权利要求3所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，所述弹簧通过压条与顶板中心位置处的螺栓连接，压条由平直段以及固定设置在平直段两端的弯弧段组成，平直段两端弯弧段的高度不同，以将两个弯弧段分别卡接在弹簧上两相邻线圈的下方。

5.根据权利要求1所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，所述反力机构可拆卸的安装在支撑移动机构上，支撑移动机构由两个升降立柱以及安装在升降立柱顶部的支撑板组成，升降立柱的底部设有行走轮，反力机构安装在支撑板的下表面上。

6.根据权利要求5所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，所述支撑板的上表面与反力架横梁的下表面紧密接触。

7.根据权利要求1所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，所述加载钢板为一个边角缺失的板状结构。

8.一种现场液化试验方法，利用了如权利要求1-7中任一项所述的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，其特征在于，具体如下：

9.根据权利要求8所述的一种现场液化试验方法，其特征在于，在现场液化试验前对立柱周侧的土体多次、反复的施加加速度幅值大于液化试验所需的加速度幅值的地震动，直至立柱保持稳定。

10.根据权利要求8所述的一种现场液化试验方法，其特征在于，人工激振过程中，首先开启数据采集仪器，并使激振设备产生地震动幅值在0.01g以下的激励地震动，以用于查验各传感器的工作状态；

技术总结
本发明公开了一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法，涉及土壤液化技术领域，解决了现有现场液化试验无法考虑上覆压力影响的问题，提高了试验准确性，具体方案如下：包括反力架、放置在反力架上的负重块以及放置在反力架正下方的加载机构，所述反力架的立柱埋设在土体内，加载机构的底部通过加载钢板与试坑内的可液化土接触，加载机构的顶部通过反力机构与反力架横梁的底部接触，所述反力机构含有用于向下推动加载机构的弹簧，以在土壤液化沉降时提供恒定的压力。

技术研发人员：付海清,伊纪祥
受保护的技术使用者：山东建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13