[发明专利]模拟土表复杂堆载作用的装置及方法

说明书

本发明公开了一种模拟土表复杂堆载作用的装置及方法，该装置由若干组件相互锁扣形成具有指定平面形状的整体结构，组件由组件顶盖、组件上段、组件下段和底板组成，组件顶盖中部嵌有光学玻璃，组件上段外侧有供组件相互锁扣的凹臂和凸臂，组件下段外侧与凹臂内侧平齐且内部安装有衬板、伸缩段，伸缩段底部与底板相连，加载时底板处沉降和土表处压力均可获取。该方法通过对组件内部压入高压气体实现整体结构范围内的土表堆载作用模拟。本发明拆卸、组合便捷，组件独立加载可靠性高，多组件配合使用可以模拟堆载的平面不规则分布和压力不均匀分布，高压空气加载方式能够实现显著的土表堆载压力作用。

技术领域

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。

发明内容

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。