实现竖向循环压缩-侧向摇摆剪切动力加载的试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基础工程建设领域中地基土试验装置，尤其是涉及一种实现竖向循环压缩-侧向摇摆剪切动力加载的试验装置。
【背景技术】
[0002]近年来随着经济的飞速发展，各种基础设施建设也日益繁荣，同时也带来了许多重大而复杂的岩土工程问题。特别是地基土、路基土在动荷载作用下的稳定和变形问题日益受到重视，如地震引起的土体液化失稳，高层建筑基础、大型桥梁基础在风荷载下的稳定问题，堤岸在波浪荷载下的稳定问题，路基土在交通荷载下的变形问题等。对这些复杂问题的研宄主要还是通过试验进行。
[0003]地基土是典型的各向异性天然材料，其变形特性除了取决于应力主值大小，还很大程度上依赖于现场的应力主方向，而不同的岩土工程背景由于作用于地基基础的外荷载性质(加载方向及频率)不同，地基土将经历不同的偏应力路径，如图1(a)所示，以长期往复交通移动荷载下路基土受荷路径为例，场地主应力大小及方向发生呈倒“心”形态的耦合性变化。图1(b)所示的波浪荷载下地基的受荷路径，呈现主应力大小不变，而单纯地改变主应力方向的原形加载路径；图1(c)所示地震荷载下地基土的加荷路径，主应力大小循环改变，但主应力方向限制与初始静主应力方向呈特定夹角的特定方向，可以看出，上述三种循环动载问题本质都是两个方向耦合的循环动载。然而，目前模拟这一特定循环动载的试验手段是传统的循环双轴(三轴)试验仪，由于循环双轴(三轴)试验仪只能施加单向(竖向)循环动载，无法在加载过程中实现土样的主应力轴连续偏转，得到的循环加载路径为图1 (d)。相比较，尽管空心圆柱扭转剪切仪可实现土样主应力方向与大小同时耦合变化，但由于扭剪仪土样尺寸过小(一般空心试样壁厚小于5cm)，无法制作碎石(最大粒径可2cm甚至更大)土样，目前只能对黏土和砂土试样进行加载。此外，现有的室内土工试验仪都无法观察土体细观颗粒破碎和组构(颗粒排列)变化。
[0004]中国专利CN 103217348 A公布了一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，该装置包括外围框架、试样盒、轴向加载单元、水平加载系统及数据采集系统，试样盒设在外围框架内部，试样盒内装填碎石土路基试样，碎石土路基试样的上方铺设路面板，轴向加载单元包括小车轮和液压加载系统，小车轮设在路面板上，液压加载系统为小车轮施加轴向压力，水平加载系统维持小车轮水平向往复运动，数据采集系统设在试样盒的侧壁的四角处。该装置可以模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为，得到碎石土路基变形沉降与加载次数、加载频率、轴向荷载等参数的关系，从而合理地指导道路工程建设的工程实践，确保碎石土路基的稳定性。但是上述装置只能施加单向的循环正应力，不能施加循环剪应力。
[0005]为此，本发明提出一种能实现竖向循环压缩-侧向摇摆剪切动力加载的试验装置，并能够研宄各种土体中的主应力轴循环旋转问题，同时还可以实时观察记录试样颗粒结构变化，揭示土体宏观变形的细观机理。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现竖向循环压缩-侧向摇摆剪切动力加载的试验装置。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种实现竖向循环压缩-侧向摇摆剪切动力加载的试验装置，包括外围框架、设置在外围框架内部的模型箱、为模型箱进行加载的加载单元，以及采集模型箱内部土试样试验数据的数据采集单元，所述的模型箱内装填土试样，所述的加载单元包括施加竖向动载的竖向动载作动器、施加侧向摇摆的水平剪切动载的侧向摇摆动力作动器，以及控制模型箱围压静载的侧向压力加载单元。其中，竖向动载作动器与侧向摇摆动力作动器均为电液伺服作动器。竖向动载作动器可施加垂向循环动载范围O?100kN，误差1%，最大加载频率2Hz，2Hz时最大振幅± Imm ;侧向摇摆动力作动器可施加水平剪切荷载范围O?±50kN，误差1%，最大循环频率2Hz，2Hz时最大振幅±4mm。
[0009]所述的模型箱由底板、承载立板及有机玻璃观察窗，所述的底板水平设置，所述的承载立板设有两块，承载立板的下端分别转动连接在底板的左右两侧，两个承载立板通过拉板连接在一起，用于实现同步摇摆转动，所述的有机玻璃观察窗设在底板的前后两侧；所述的模型箱顶部为敞开结构，在土试样上方设有承压顶板。
[0010]所述的底板的左右两侧分别设有销子，所述的承载立板通过销子转动连接在底板上，所述的承载立板可以以销子为中心轴左右摇摆转动。
[0011]所述的模型箱的内侧设有施加围压的液压囊，所述的侧向压力加载单元为向液压囊施加油压的液压油源，液压油源带有风冷却器和高压过滤器，流量20L/min，压力23MPa，电机功率13kW，输油管路采用高压软管。
[0012]所述的外围框架包括底座、模型箱框架、水平承载框架，所述的模型箱框架设在底座上，所述的模型箱设在模型箱框架内，为了消除水平力对竖向加载作动器的影响，所述的模型箱框架外部设有竖向承载立柱，所述的竖向动载作动器固定在竖向承载立柱上，所述的竖向动载作动器与竖向加载板连接，所述的竖向加载板滑动连接在竖向承载立柱上，所述的竖向加载板下侧通过竖向动载传力杆连接到承压顶板上；竖向承载立柱用于导向和承载，保证了加在承压顶板上竖向动载的精度，竖向加载板的存在，消除了摩擦力对竖向动载作动器的影响。所述的水平承载框架固定在底座上，所述的侧向摇摆动力作动器一端通过侧向摇摆动载传力杆连接在承载立板上，另一端固定在水平承载框架上。
[0013]所述的底座、模型箱框架、水平承载框架均为钢结构框架。
[0014]所述的数据采集单元包括设置在模型箱内的土试样中的应力盒与位移传感器，以及采集并分析应力盒与位移传感器数据的计算机，还配备多通道控制器，采用POP-M型多通道控制器，配有两个标准的控制通道，可以同时实现竖向动载作动器和侧向摇摆动力作动器的同步或异步控制，具有扩展成为多通道加载系统的能力；计算机采用嵌入式Windows智能操作系统，用于试验装置的驱动控制及试验数据的记录和处理；试验加载通过多通道试验软件P0PWARE-M实现，可以控制加载的波形、幅值、次数和频率，同时实时显示试验曲线，试验数据储存于内置固态硬盘或外置U盘，并可通过无线网络WLAN或有线网络LAN控制及发布；活动应力盒设置4个，每个由5个压力盒传感器组成，分别对应5个方向，试验时置入土试样内部以测量试样内部应力，每个压力盒传感器通过独立的24位AD转换通道测量试样内部应力，采样频率10Hz ;活动位移传感器4个，测量范围O?30mm，测量误差0.0Olmm,试验时置入试样内部，每个传感器通过独立的24位AD转换通道测量试样位移，采样频率10Hz。
[0015]所述的数据采集单元还包括捕捉不同时刻模型箱内土样形变图像的PIV图像照相机，所述的PIV图像照相机与计算机连接。PIV图像照相机采用高清晰摄像仪捕捉不同时刻的土样形变图像，应用目前PIV技术对图像进行处理，可测量试样中的示踪土粒在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布，得到整个加载直至破坏过程中土样变形的演化规律。
[0016]与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:
[0017](I)现有的循环双轴(三轴)仪只能在土样上施加单向的循环正应力，不能施加循环剪应力。而本发明设计的模型箱左右两侧的承载立板可自由同步摇摆，在侧向摇摆动力作动器作用下，可在土试样的上、下面及左、右面上施加剪应力(或剪应变)。
[0018](2)本发明的摇摆动载和竖向循环动载可独立加载，当只施加围压静载和竖向动载时，本发明试验装置相当于现有的循环双轴仪；当只施加围压静载和摆动动载时，本发明试验装置相当于现有的循环单剪仪。
[0019](3)本发明试验装置施加的摇摆动载和竖向循环动载可按指定的循环正应力波-循环剪应力波进行耦合性动力加载；可给模型箱内土样施加循环交通动载、波浪荷载和地震荷载下地基土的循环偏应力路径(图1所示)；相比较现有循环扭剪仪，本发明试验装置施加的循环剪应力(或剪应变)在试样内更为均匀，而现有循环扭剪仪是在空心圆柱试样的顶面施加扭剪，圆柱内、外剪应力(剪应变)分布不均匀。
[0020](4)本发明的试验装置内置的土试样尺寸400mm(长)X400mm(宽)X400mm(高)，可模拟黏土、砂土和碎石土，而传统循环双轴仪、三轴仪、扭剪仪试样尺寸多小(最大尺寸不超过1cm)，不能模拟交通动载下路基基层的粗颗粒土(如碎石)。
[0021](5)本发明装置前后侧设置透视窗，可与PIV技术结合，观察土颗粒的运动规律，得到加载全过程变形时空分布规律，而传统的试验仪都具备变变形量测的可视化技术。
[0022](6)本发明试验装置结构简单、组装及拆卸容易，实验过程操作简便。本装置用以仿真特定岩土工程的真实场地多维循环动载路径，得到多维循环动载下土颗粒破碎、体累计变形和动力强度与加载次数、加载频率、荷载水平等参数的关系，从而合理地指导地基振(震)动等动力岩土工程实践，确保工程设计的安全性与经济性。
【附图说明】
[0023]图1为不同循环动载下的偏应力路径示意图；
[0024]图2为本发明的装置结构示意图；
[0025]图3为模型箱的结构示意；
[0026]图4为施加于土样应力、应变状态示意图；
[0027]图5为实现交通动载下地基土偏应力路径的加载波形。
[0028]图中标号:1为外围框架，11为底座，12为模型箱框架，13为水平承载框架，2为模型箱，21为底板，22为承载立板，23为有机玻璃观察窗，24为侧向摇摆动载传力杆，25为销子，26为液压囊，27为竖向动载传力杆，3为土试样，31为承压顶板，4为竖向动载作动器，5为侧向摇摆动力作动器，6为计算机，7为PIV图像照相机，8为竖向承载立柱，9为竖向加载板。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。