岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法与流程

本发明属于岩土与地下工程技术领域，具体涉及一种岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法。

背景技术：

在岩土与地下工程领域，人们常采用试验方法来分析和研究现象的机理与本质，以解决工程实际问题并进行理论验证或提升。试验方法主要包括原型试验和模型试验，其中原型试验方法因费用较高、试验周期较长、边界条件复杂等原因而受到限制；模型试验方法则可根据相似原理使模型和原型的应力与应变等相似，破坏机理等相同，从而再现原型特性，且模型试验克服了原型试验费用较高、试验周期长、边界条件不明确等缺陷，因而被广泛应用于岩土与地下工程等研究领域。

岩土与地下工程模型试验对岩土体模型施加上部静荷载时可采用千斤顶或试块堆载来实现加载。然而，岩土与地下工程模型也可能承受竖向循环交通动荷载的作用，如公路或铁路路堤、穿越公路或铁路的城市地铁等。目前实验室在进行交通动荷载模拟时可采用集成式的加载泵(如动三轴仪)，但该仪器采购成本很高，且加载能力较小，仅适用于小块试样加载，无法完成缩尺模型的交通动荷载加载。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法，以至少解决目前试验室动荷载成本较高，适用范围有限，荷载模拟不够准确等问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，所述模拟装置包括岩土体模型、加载系统、数据采集系统和控制系统；

所述加载系统包括荷载加载单元和荷载加载板，所述荷载加载单元与所述荷载加载板连接，所述荷载加载单元包括动荷载加载单元，所述动荷载加载单元包括第一液压泵站、动荷载减压阀、动荷载换向阀和动荷载液压缸，所述动荷载液压缸设置在所述荷载加载板上，所述荷载加载板设置在所述岩土体模型的上部；

所述数据采集系统包括位移传感器和土压力传感器；所述位移传感器设置在所述岩土体模型的上部，用于测量所述岩土体模型上部的位移；所述土压力传感器设置在岩土体模型的内部，用于测量岩土体模型内部的压力；

所述控制系统分别与动荷载换向阀和数据采集系统连接，用于控制动荷载换向阀的换向频率、接收并处理采集的信息。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，作为优选方案，所述荷载加载单元还包括基础荷载加载单元，所述基础荷载加载单元包括第二液压泵站、基础荷载减压阀、基础荷载换向阀和基础荷载液压缸，所述基础荷载液压缸设置在所述荷载加载板上；

优选地，所述荷载加载单元所采用的液压管路均为金属管；

再优选地，所述动荷载减压阀与所述动荷载换向阀之间设置有动荷载液压表；所述基础荷载减压阀与所述基础荷载换向阀之间设置有基础荷载液压表。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，作为优选方案，所述加载系统还包括反力架，所述反力架上设置有所述基础荷载液压缸和所述动荷载液压缸。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，作为优选方案，所述数据采集系统还包括动压力传感器和静压力传感器；

所述动压力传感器位于所述动荷载液压缸与所述荷载加载板之间，用于测量所述动荷载液压缸施加在所述荷载加载板上的加载力；

所述静压力传感器位于所述基础荷载液压缸与所述荷载加载板之间，用于测量所述基础荷载液压缸施加在所述荷载加载板上的加载力。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，作为优选方案，所述控制系统包括plc，所述控制系统通过所述plc分别控制所述动荷载换向阀和所述基础荷载换向阀的换向。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，作为优选方案，所述控制系统还包括信息采集单元，所述信息采集单元包括显示模块，所述控制系统通过所述信息采集单元采集所述位移传感器、土压力传感器、动压力传感器和静压力传感器的测量数据，并通过所述显示模块进行显示；

优选地，所述信息采集单元还包括数据接口。

一种岩土与地下工程模型试验交通动荷载试验方法，作为优选方案，所述试验方法包括如下步骤：

s1，制作岩土体模型，然后组建模拟装置；

s2，启动模拟装置，对岩土体模型施加荷载；

s3，通过数据采集系统采集所述s2中施加的荷载数据以及所施加荷载对所述岩土体模型的影响。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载试验方法，作为优选方案，所述s1具体包括如下步骤：

s11，制作岩土体模型，在岩土体模型内部埋设土压力传感器，在岩土体模型的上部设置位移传感器；

s12，确定岩土体模型受基础荷载大小，然后在岩土体模型的上部布置基础荷载液压缸；

s13，确定岩土体模型受动荷载大小和频率，然后在岩土体模型的上部布置动荷载液压缸。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载试验方法，作为优选方案，所述s2具体包括如下步骤：

s21，通过基础荷载加载单元对所述岩土体模型施加基础荷载，使所述岩土体模型承受的基础荷载按照模型率和相似原理换算后等于实际原型所受基础荷载的大小；

s22，通过动荷载加载单元对所述岩土体模型施加预设压力和频率的动荷载，使所述岩土体模型承受动荷载大小及频率按照模型率和相似原理换算后等于实际原型承受的动荷载大小及频率。

如上所述的岩土与地下工程模型试验交通动荷载试验方法，作为优选方案，所述s3具体包括如下步骤：

s31，通过信息采集单元采集所动压力传感器和静压力传感器的压力数值以及动压力传感器的压力变化频率，验证基础荷载加载单元和动荷载加载单元的加载准确性与可靠性，并根据验证结果调整plc的控制参数、动载减压阀和基础荷载减压阀；

s32，通过所述信息采集单元采集位移传感器和土压力传感器的数据并经过处理，得出所述岩土体模型的变形与受力分布情况。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明提供的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法，采用基础荷载加载单元和动荷载加载单元对岩土体模型施加荷载，使岩土体模型受力能够反映原型情况。动荷载加载单元采用高频换向阀来实现动荷载加载，动荷载加载单元和基础荷载加载单元采用各自独立的液压加压泵站，使试验压力更加稳定。通过设置动压力传感器和静压力传感器，量测试验时加载的真实压力与频率，使试验结果更加可靠，也有利于模拟装置控制系统的修正。采用plc控制动荷载换向阀的换向，可以实现动荷载加载单元的加载频率随意调节，使加载频率调整范围进一步扩大，同时通过plc控制动荷载换向阀的换向频率可以避免换向迟滞造成的动荷载加压不稳定。本发明的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置适用于不同加载压力和频率下动荷载和基础荷载的模拟，应用范围较广、成本低，加载能力强，可以多组同时加载，对交通动荷载作用下岩土与地下工程模型试验研究具有重要的意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

其中：

图1为本发明实施例的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置结构示意图；

图2为本发明实施例的岩土体模型和模型箱结构示意图；

图3为本发明实施例的动荷载加载单元示意图；

图4为本发明实施例的基础荷载加载单元示意图；

图5为本发明实施例的控制系统示意图；

图6为本发明实施例的岩土与地下工程模型荷载加载模式图；

图7为本发明实施例2中的模型箱内结构示意图。

图中：11、模型箱；12、岩土体模型；121、模型隧道；21、第一液压泵站；22、动荷载减压阀；23、动荷载换向阀；24、动荷载液压缸；26、动荷载液压表；31、第二液压泵站；32、基础荷载减压阀；33、基础荷载换向阀；34、基础荷载液压缸；36、基础荷载液压表；41、位移传感器；42、土压力传感器；43、动压力传感器；44、静压力传感器；45、孔隙水压力传感器；46、应变片；5、溢流阀；6、过滤器；71、工控机；72、plc；73、信息采集单元；8、反力架。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例1

根据本发明的具体实施例，如图1至图5所示，本发明提供一种岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置，该模拟装置包括岩土体模型12、加载系统、数据采集系统和控制系统。

加载系统包括荷载加载单元和荷载加载板，荷载加载单元与荷载加载板连接，荷载加载单元包括动荷载加载单元，动荷载加载单元包括第一液压泵站21、动荷载减压阀22、动荷载换向阀23和动荷载液压缸24，动荷载液压缸24设置在荷载加载板上，荷载加载板加载在岩土体模型12的上部；数据采集系统包括位移传感器41和土压力传感器42；位移传感器41设置在岩土体模型12的上部，用于测量岩土体模型12上部的位移；土压力传感器42设置在岩土体模型12内部，用于测量岩土体模型12内部的土压力。

控制系统分别与动荷载换向阀23和数据采集系统连接，用于控制动荷载换向阀23的换向频率、接收并处理采集的信息。

在使用时，打开动荷载加载单元，第一液压泵输出液压油，经动荷载减压阀22、动荷载换向阀23后到达动荷载液压缸24，动荷载液压缸24经动荷载加载板将压力加载在岩土体模型12，通过控制系统控制动荷载换向阀23的换向频率，通过动荷载减压阀22调节输入到动荷载液压缸24内的液压使其符合实际工况的动荷载，然后通过数据采集系统采集岩土体模型12的位移和岩土体模型12内的土压力，经控制系统的分析处理，得出交通荷载模拟试验结果。在本发明的实施例中，位移传感器41设置有多个，多个位移传感器41设置在岩土体模型12的上部。优选地，多个位移传感器41均匀设置在岩土体模型12的上部。

在本发明的实施例中，岩土体模型12设置在模型箱11中。模型箱11用于承载岩土体模型12。

进一步地，荷载加载单元还包括基础荷载加载单元，基础荷载加载单元包括第二液压泵站31、基础荷载减压阀32、基础荷载换向阀33和基础荷载液压缸34，基础荷载液压缸34设置在荷载加载板上，荷载加载板加载在岩土体模型12的上部。为了最大限度的减小荷载波动，荷载加载单元采用的液压管路均为金属管。在本发明的实施例中，动荷载减压阀22和基础荷载减压阀32出口处压力恒定，且压力大小可以调节。试验过程中岩土体模型12会随荷载变化产生变形，但基础荷载液压缸34内油压保持不变，始终按照预先设定的额定荷载随动加载，从而实现基础荷载加载的恒定不变。本加载系统的基础荷载可预先根据实际需要任意设定，基础荷载液压缸34也可根据实际受力状况任意增减数量，位置自由设定。在本发明的实施例中，动荷载换向阀23采用高频换向阀，对整个加载系统提供频率可预设的控制，预设频率范围0-20hz(比如1hz、2hz、4hz、6hz、8hz、10hz、12hz、14hz、16hz、18hz、19hz)。基础荷载加载单元的换向阀换向频率很低，只是起到压力开关作用，即通过换向阀实现基础荷载的施加与取消。

在本发明的实施例中，动荷载减压阀22与动荷载换向阀23之间设置有动荷载液压表26；基础荷载减压阀32与基础荷载换向阀33之间设置有基础荷载液压表36，以便于实时观测动荷载减压阀22和基础荷载减压阀的调压效果。优选地，动荷载液压表26和基础荷载液压表36均采用数显液压表。同时，为了防止第一液压泵站21和第二液压泵站31压力过大对动荷载加载单元以及基础荷载加载单元产生影响，在第一液压泵站21与动荷载减压阀22之间设置有过滤器6和溢流阀5，在第二液压泵站31与基础荷载减压阀32之间也设置有过滤器6和溢流阀5。

进一步地，加载系统还包括反力架8，反力架8上设置有基础荷载液压缸34和动荷载液压缸24。在本发明的实施例中，模型箱11采用高强度刚性箱体，模型箱11的侧壁设置钢化玻璃视窗。便于直观观测岩土体模型12在不同荷载条件下的位移或破坏模式。

进一步地，数据采集系统还包括动压力传感器43和静压力传感器44；动压力传感器43位于动荷载液压缸24与荷载加载板之间，用于测量动荷载液压缸24施加在荷载加载板上的加载力。静压力传感器44位于基础荷载液压缸34与荷载加载板之间，用于测量基础荷载液压缸34施加在荷载加载板上的加载力。通过分别设置动压力传感器43和静压力传感器44，量测试验时加载的真实压力与频率，使试验结果更加可靠，也有利于模拟装置控制系统的修正。为了进一步采集岩土体模型12中的孔隙水压力，在本发明的实施例中，数据采集系统还包括孔隙水压力传感器45，孔隙水压力传感器45设置在岩土体模型12内部。

进一步地，控制系统包括plc72(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)和信息采集单元73，控制系统通过plc72控制动荷载换向阀23和基础荷载换向阀33的换向。

信息采集单元73包括显示模块，控制系统通过信息采集单元73采集位移传感器41、土压力传感器42、孔隙水压力传感器45、动压力传感器43和静压力传感器44的测量数据，并通过显示模块显示出来。信息采集单元73还包括数据接口，用于将测量数据转移到外部设备，数据采集系统也可通过该数据接口与信息采集单元73连接。在本发明的实施例中，低频的被测试信号可在线输出并通过显示模块显示出来，高频的被测试信号可记录、存储在ram或flash中。在本发明的具体实施例中，数据接口为usb数据接口，在测试结束后可以通过usb接口把数据转移到外部设备。在本发明的具体实施例中，显示模块为真彩液晶显示界面。

在本发明的实施例中，控制系统采用工控机71进行集中控制，工控机71分别控制高精度的实时送变器信息采集单元73和plc72可编程逻辑控制器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等的操作，通过数字式或模拟式的输入输出来控制动荷载换向阀23和基础荷载换向阀33。

本发明还提供一种岩土与地下工程模型试验交通动荷载试验方法，该试验方法包括如下步骤：

s1，根据实际工程地质情况、模型率和相似原理在模型箱11内制备岩土体模型12，并布置土压力传感器42、孔隙水压力传感器45和位移传感器41，然后组建模拟装置。该步骤具体包括如下步骤：

s11，根据实际工程地质情况确定试验模型率，根据相似原理选择模型试验岩土和结构材料，然后制备岩土体模型12；在岩土体模型12的制备过程中，在岩土体模型12内部埋设土压力传感器42和孔隙水压力传感器45，在岩土体模型12的上部设置位移传感器41。

s12，模拟实际工程受基础荷载情况，按照试验模型率和相似原理确定岩土体模型12受基础荷载大小，然后在岩土体模型12的上部布置合适数量的基础荷载液压缸34。

s13，根据实际工程受交通动荷载大小和频率，按照试验模型率和相似原理确定岩土体模型12受动荷载大小和频率，然后在岩土体模型12顶部布置合适数量的动荷载液压缸24。

s2，启动模拟装置，对模型箱11内的岩土体模型12施加荷载。该步骤具体包括如下步骤：

s21，通过基础荷载加载单元对岩土体模型12施加基础荷载，使岩土体模型12承受的基础荷载按照模型率和相似原理换算后等于实际原型所受基础荷载的大小。在本发明的具体实施例中，基础荷载为静荷载，即在试验过程中基础荷载的大小不变。实际原型指的是实际工程地质情况。

s22，通过动荷载加载单元对岩土体模型12施加预设压力和频率的动荷载，使岩土体模型12承受动荷载大小及频率按照模型率和相似原理换算后等于实际原型承受的动荷载大小及频率。如图6所示为本发明实施例的岩土与地下工程模型荷载加载模式图，图中n为荷载值，t为时间，n1和n2为基础载荷，图6的(a)和(b)中基础荷载大小、动荷载大小及加载频率不相同，以模拟不同工况和不同类型的交通荷载。

s3，通过数据采集系统采集步骤s2中施加的荷载数据以及所施加荷载对岩土体模型12的影响。该步骤具体包括如下步骤：

s31，通过信息采集单元73采集动压力传感器43和静压力传感器44的压力数值以及动压力传感器43的压力变化频率，验证基础荷载加载单元和动荷载加载单元的加载准确性与可靠性，并根据验证结果调整plc72控制参数、动载减压阀和基础荷载减压阀32，使试验结果更加可靠。

s32，通过信息采集单元73采集位移传感器41、土压力传感器42和孔隙水压力传感器45的数据并经过处理，得出岩土体模型12变形与受力分布情况，从而得出交通荷载对岩土体模型12受力和变形的影响。

实施例2

为了模拟交通荷载对岩土体内部隧道的影响，如图7所示，在本实施例中，在岩土体模型12内部设置模型隧道121；数据采集系统还包括应变片46，应变片46设置在模型隧道121的周壁，用于量测岩土体模型12内部模型隧道121的应变，以计算模型隧道121内的应力。其他结构与实施例1相同，在此不再赘述。通过在岩土体模型12内部设置模型隧道121，测量交通荷载对岩土体内部隧道的影响，大大的扩展了本发明的交通动荷载模拟装置的应用范围。

综上，本发明提供的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置及试验方法，采用基础荷载加载单元和动荷载加载单元对岩土体模型施加荷载，使岩土体模型受力能够反映原型情况。动荷载加载单元采用高频换向阀来实现动荷载加载，动荷载加载单元和基础荷载加载单元采用各自独立的液压加压泵站，使试验压力更加稳定。通过设置动压力传感器和静压力传感器，量测试验时加载的真实压力与频率，使试验结果更加可靠，也有利于模拟装置控制系统的修正。采用plc控制动荷载换向阀和基础荷载换向阀的换向，可以实现动荷载加载单元加载频率随意调节，使动荷载加载单元加载频率调整范围进一步扩大，同时通过plc控制动载换向阀的换向频率可以避免换向迟滞造成的动荷载加压不稳定。本发明的岩土与地下工程模型试验交通动荷载模拟装置适用于不同地质条件下动静荷载的试验，应用范围较广、成本低，加载能力强，可以多组同时加载，对交通动荷载作用下岩土与地下工程模型试验研究具有重要的意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。