模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统，包括模型箱，所述模型箱内下部布设地基土，所述地基土上布设垫层，所述模型箱顶部由盖板封闭；所述地基土内由垫层向下竖直埋设多个桩体，桩体、垫层和地基土形成复合地基，在所述桩体上设置与上位机连接的测试装置。适用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心模型试验；测试装置中PIV标记点、应变片的设置位置，能较为准确地模拟测量桩体处的轴力与弯矩等分布规律，更好地指导实践工作。
【专利说明】
模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种离心试验的试验测试系统及方法，尤其涉及一种用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统及方法。
【背景技术】
[0002]传统岩土工程室内试验是在常重力条件下进行的，由于无法或很难再现现场实际尺寸条件，因此常为缩尺模型，依据土体自重应力，缩尺模型带来的是土体深度h的倍缩，进而改变土体自重应力场，对以自重为主要荷载的结构，不能反映原型应力状态，导致模型试验无法模拟原型所发生的现象。土工离心模型试验能够真实模拟重力场的存在，再现工程实际应力状态，被广大学者公认是目前进行岩土工程技术研究中最先进、最有效的试验方法，土工离心模型试验相对于原型观测、室内常重力场试验机数值分析模拟方法具有不可替代和独特的优势。
[0003]随复合地基理论日渐成熟，大量多高层建筑采用了CFG粧复合地基。目前，国内外缺乏针对侧向开挖条件下既有复合地基力学性状及其基坑支护结构理论的研究使工程界缺乏正确进行此类基坑工程设计的理论和方法，设计人员一般忽略既有复合地基增强体，无视既有群粧能够减少支护结构位移的有利作用，而把复合地基看成原状土，保守的进行基坑工程设计，造成了大量的资源浪费。
[0004]测量系统是试验取得成功的前提保证，其工作状态和性能直接关系试验结果的准确性和可靠性，甚至决定一次试验的成败，量测仪器的发展除了表现为功能的增强外，还表现为体积和质量的减少，这些发展大大地降低了其自身对试验结果的影响。随着当代电子技术的飞速发展，该技术也已逐渐应用到了离心模型试验中，利用数字照相技术把试验过程记录成为高清晰度的数字图像，然后利用计算机图像处理技术进行分析可得出相应的位移曲线，扩散曲线等，该方法的精度已经达到毫米级，它作为一种新型非接触式量测技术目前正在被广泛使用。本实用新型提出了一种便于在离心机模型试验用于的量测系统，能够很好的和用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心模型试验相匹配，其构造简单，造价低廉，量测结果精确。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统，通过设置带有测试装置的试验系统，可配合其他荷载施加系统，用于对复合地基基坑竖向荷载传递机理的研究，对建立以保证复合地基安全为目标的基坑支护设计理论和方法，具有紧迫的工程价值和长远的理论意义。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案:
[0007]模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统，包括模型箱，所述模型箱内下部布设地基土，所述地基土上布设垫层，所述模型箱顶部由盖板封闭;所述地基土内由垫层向下竖直埋设多个粧体，粧体、垫层和地基土形成复合地基，在所述粧体上设置与上位机连接的测试装置。整个试验系统可根据需求设置用于测试复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统，可以模拟复合地基竖向荷载传递机理，研究复合地基的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。
[0008]所述测试装置包括用于辅助获得荷载施加过程中基粧模型粧轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和/或用于辅助获得基粧模型粧弯矩分布及变化规律的弯矩应变片;通过布置在粧体上的轴力应变片，获得荷载施加过程中粧轴力分布和粧土荷载分担，及在这过程中引起的复合地基粧体轴力变化，模拟竖向荷载对复合地基承载力影响;通过布置在粧体上的弯矩应变片，获得竖向荷载引起的基粧模型粧弯矩分布及变化规律，进而分析粧体的变形规律。
[0009]所述轴力应变片均匀设置在多个粧体中的设定的若干粧体上，所述弯矩应变片均匀设置在其他粧体上;此外，轴力应变片在基粧模型粧两侧对称设置，弯矩应变片布置在基粧模型粧粧身两侧。根据离心模型试验的特点，选取复合地基中间位置处的几个粧体布置轴力应变片，用于测量粧体的轴力应变值。根据离心模型试验的特点，选取几根其它典型位置处粧体布置弯矩应变片，注意结合试验目的和需要确定弯矩应变片朝向以测得需要方向的弯矩应变值，所有应变片均以全桥方式布置。
[0010]所述测试装置还包括在地基土中布设多个用于测量地基土压力值的土压力传感器;所述土压力传感器为T型土压力传感器，在地基土分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距竖直布置于复合地基中，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向，以便测得试验需要方向的土压力值。
[0011 ]为了便于观察，所述模型箱由透明材料制成;模型箱厚度为3?5_。
[0012]所述模型箱的外侧设置多个PIV标记点，PIV标记点的位置与至少一个用于记录地基土位移的摄像装置相对应；用于记录模拟过程中的土体位移场，摄像装置安装在离心机大梁上。
[0013]所述PIV标记点设置于透明材料制成的板上，所述板与模型箱的外侧壁相平行设置;PIV标记点根据试验目的和需要以一定间距布置在一块比模型箱侧壁一侧略小且厚度为3-5mm的透明材质板正面上，并将布置了 PIV标记点的透明材质板背面竖向靠置在模型箱侧壁一侧。
[0014]所述垫层为粗砂制成的褥垫层。
[0015]所述粧体的表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层，环氧涂层中带有砂子;为了增加基粧模型粧表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度在0.5mm左右厚度的环氧涂层，在环氧涂层干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定。
[0016]所述粧体为CFG粧，由铝合金管按照抗压刚度等效制成。
[0017]所述粧体的底部呈圆锥体;便于插入地基土中，上端封口，其长度根据离心机离心加速度比例大小确定。
[0018]本实用新型的有益效果为:
[0019]I)本实用新型中的试验装置原理简单，结构构造清晰，便于安装制造，造价低廉。
[0020]2)通过地基土、粧体和褥垫层共同形成复合地基作为实际工况的施工环境，与实际施工工况一致，符合地基土实际应力变化，通过整个试验装置的研究，获得的数据具有实际研究意义。
[0021 ] 3)根据实际施工环境制作的试验装置，利用粧体代替实际中的基粧，虽结构简单，但实用性高，有利于实际工况的研究。
[0022]4)适用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心模型试验；测试装置中PIV标记点、应变片的设置位置，能较为准确地测量模拟粧体处的轴力与弯矩等分布规律，更好地指导实践工作。
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型的俯视图；
[0024]图2为图1中1-1剖面图；
[0025]图3为图2中2-2剖面图；
[0026]图4是本实用新型中轴力应变片在基粧模型粧的布置图；
[0027]图5是本实用新型中弯矩应变片在基粧模型粧的布置图；
[0028]图6是本实用新型中应变片在基粧模型粧的布置俯视图；
[0029]图7是本实用新型中应变片在基粧模型粧的布置侧视图；
[0030]图8是本实用新型中应变片的布置结构图；
[0031]图中，1、模型箱;2、地基土;3、CFG粧;4、褥垫层;5、加载气囊;6、盖板;7、螺栓;8、充气孔接头;9、PIV标记点；10、土压力传感器;11、轴力应变片；12、弯矩应变片；13、环氧涂层；14、轴力应变片布置粧，町、1?2、1?、1?4均为应变片。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0033]实施例:
[0034]如图1-图2所示，用于模拟和追溯复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统，包括模型箱I，模型箱I内下部布设地基土2，地基土2上布设褥垫层4，模型箱I顶部由盖板6封闭；地基土2内由褥垫层4向下竖直埋设多个CFG粧3，CFG粧3、褥垫层4和地基土2形成复合地基，在CFG粧3上设置与上位机连接的测试装置。整个试验系统可根据需求设置用于测试复合地基中地基土变形位移数据等的测试系统，可以模拟复合地基竖向荷载传递机理，研究复合地基的力或者位移产生的变化，从而更好的指导实践。本实用新型中地基模型是用来模拟竖向荷载传递机理的，加设测试系统可以测试模拟试验工程中某些变化参数。
[0035]为了便于观察，模型箱I的一侧由透明材质的有机玻璃制成。
[0036]地基土2取现场原形土去除土中大颗粒杂质，利用烘烤箱对土样进行烘干处理后，用一点式砂雨法分层浇置而成，控制落距、出砂孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度。
[0037]如图3-图5所示，测试装置包括应变片，应变片分为轴力应变片11和弯矩应变片12，选取CFG复合地基中间位置处的几个CFG粧3上布置轴力应变片11，用于测量CFG粧3的轴力应变值，布置轴力应变片11的CFG粧3为轴力应变片布置粧14。选取几根其它典型位置处CFG粧3布置弯矩应变片12，注意结合试验目的和需要确定弯矩应变片朝向以测得需要方向的弯矩应变值，所有应变片均以全桥方式布置。通过布置在复合地基CFG粧3上的轴力应变片11，获得荷载施加过程中粧轴力分布和粧土荷载分担，研究加载对复合地基承载力影响；通过布置在复合地基CFG粧3上的弯矩应变片12，获得加载引起的复合地基CFG粧3弯矩分布及变化规律，进而分析复合地基CFG粧3随加载的变形规律。
[0038]测试装置还包括在地基土2中布设多个用于测量地基土压力值的土压力传感器10，如图2所示，土压力传感器10为T型土压力传感器，在地基土 2分层浇置过程中根据试验目的和需要以一定间距布置于CFG复合地基中，根据试验目的和需要确定T型土压力传感器的朝向以便测得试验需要方向的土压力值。土压力传感器10在地基土2分层浇置过程中布置于地基土2中，获得对应位置处土压力值，研究加载对主动区土体侧压力的影响，并与推导结果对比。根据实验需要测定的土压力方向确定T型土压力传感器的朝向，若试验需要测定竖向土压力值，将T型土压力传感器竖向直立放置并且端面朝上，若试验需要测定水平土压力值，将T型土压力传感器侧向放置并且端面朝向水平方向。
[0039]在模型箱I有机玻璃一侧设置多个PIV标记点9，PIV标记点9部分用摄像机照下来，用matlab软件分析照片得到土体位移场;PIV标记点9用于记录和测试加载过程中的土体位移参数，分析获得加载引起的整个地基土体变形趋势;摄像装置安装在离心机大梁上，用于拍摄整个离心模型实验过程。PIV标记点9根据试验目的和需要以一定间距布置在一块比模型箱I有机玻璃一侧略小、厚度为3_5mm的有机玻璃正面上，并将布置了PIV标记点9的有机玻璃背面竖向靠置在模型箱I有机玻璃一侧，用于记录加载过程中的土体位移参数。
[0040]在CFG粧3表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层13，环氧涂层13中带有砂子;为了增加CFG粧3表面的摩擦系数，需要在其表面涂一层厚度在0.5_左右厚度的环氧涂层13，在环氧涂层12干凝前洒上砂子，待凝固后形成一定的摩擦表面，增大摩擦系数，其间距根据实际间距按照加速度比例系数确定或根据实验需要确定。
[0041 ]离心试验模型测试系统的制作方法，具体步骤如下:
[0042]I)根据加速度比例系数，设置符合要求高度的CFG粧3，在CFG粧3上布置测试装置；
[0043]2)在模型箱I内采用砂雨法设置设定厚度的地基土 2;
[0044]3)在地基土 2中设置多根CFG粧3并继续采用砂雨法浇砂至地基土 2高度与CFG粧3的顶端齐平;在地基土 2内布置土压力传感器10。
[0045]4)在嵌有CFG粧3的地基土2顶部采用砂雨法设置粗砂作为褥垫层4;在模型箱I内褥垫层上放置加载气囊5，加载气囊5的充气孔接头8外露与充气装置连接。
[0046]5)在模型箱I上端设置盖板6，盖板6与模型箱I用螺栓7坚固。
[0047]在步骤I)和步骤4)中均采用一线点式砂雨法，控制落距、出沙孔尺寸和出沙头总流量以达到目标相对密实度。
[0048]步骤1)-3)的具体操作过程为:根据加速度比例系数，预先计算好CFG粧3高度h2，取地基土 2高度hl+CFG粧高度h2为CFG粧3高度的两倍左右，即取hi =h2，并在模型箱I壁对应位置hl、h2处标记刻度，将预先制备好的地基土 2用砂雨法置入模型箱I内，在地基土高度hi略高处后停止砂雨法置砂，利用水平细线找齐CFG粧3上端，布置各个CFG粧3于地基土 2中，水平细线齐平预定位置h3下端处，再次利用砂雨法在复合地基区浇砂于模型箱I中至高度h3下端处;在安装CFG粧3的同时，CFG粧3两侧对称设置轴力应变片10，在CFG粧3粧身两侧布置弯矩应变片11，并在地基土2中设置土压力传感器1。
[0049]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
【主权项】
1.模拟复合地基竖向荷载传递机理的离心试验模型测试系统，其特征是，包括模型箱，所述模型箱内下部布设地基土，所述地基土上布设垫层，所述模型箱顶部由盖板封闭；所述地基土内由垫层向下竖直埋设多个粧体，粧体、垫层和地基土形成复合地基，在所述粧体上设置与上位机连接的测试装置。2.如权利要求1所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述测试装置包括用于辅助获得荷载施加过程中基粧模型粧轴力分布和地基土荷载分担的轴力应变片和/或用于辅助获得基粧模型粧弯矩分布及变化规律的弯矩应变片。3.如权利要求2所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述轴力应变片均匀设置在多个粧体中的设定的若干粧体上，所述弯矩应变片均匀设置在其他粧体上。4.如权利要求1或2所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述测试装置还包括在地基土中布设多个用于测量地基土压力值的土压力传感器。5.如权利要求1或2所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述模型箱由透明材料制成，所述粧体的底部为圆锥体。6.如权利要求1或2所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述模型箱的外侧设置多个PIV标记点，PIV标记点的位置与至少一个用于记录地基土位移的摄像装置相对应。7.如权利要求6所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述PIV标记点设置于透明材质制成的板上，所述板与模型箱的外侧壁相平行设置。8.如权利要求1所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述垫层为粗砂制成的褥垫层。9.如权利要求1或3所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述粧体的表面涂覆有增加摩擦系数的环氧涂层，环氧涂层中带有砂子。10.如权利要求1或3所述的离心试验模型测试系统，其特征是，所述粧体为CFG粧，由铝合金管按照抗压刚度等效制成。
【文档编号】E02D33/00GK205530403SQ201620388499
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】李连祥, 李先军, 黄佳佳, 刘兵
【申请人】山东大学