[发明专利]离心模型试验竖向大行程加荷装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于土工离心机上的辅助装置，具体涉及一种可用于进行竖向大行程加荷工况离心模型试验的装置，特别适用于在离心模型试验中模拟竖向的长距离运动过程，如桩基的压入或拔出、静力触探测试、深海海洋平台吸力锚施工、箱筒形或桶式基础防波堤的下沉施工、静力触探试验、标准贯入试验等等。 

背景技术

岩土工程中有很多结构物的施工或测试主要是竖向的长距离运动，即竖向打入、压入以及拔出，最显著的代表就是各种桩基础，另外还有用于深海海洋平台的吸力式锚桩[张建红， 林小静 深海海洋平台基础简介[J]，岩土工程界， 2004， 7(12)： 19-22]、张力腿平台基础[张建红， 林小静， 鲁晓兵 水平荷载作用下张力腿平台吸力式基础的物理模拟[J] 岩土工程学报, 2007， 29(1)： 77-81]，以及箱筒形基础防波堤[李伟, 别社安. 天津港箱筒形基础防波堤结构工程试验[A] 港口工程分会技术交流文集[C]  中国港口工程建设新发展学术研讨会2005，中国北京 182-191]、桶形基础[施晓春， 龚晓南， 俞建霖， 陈国祥 桶形基础抗拔力试验研究[J]  建筑结构， 2003， 33(8)： 49-56]等。对于这些结构物，国内外学者已经开展了大量的理论分析和试验研究，其中离心模型试验是重要的研究手段，研究内容主要集中在桩基础（单桩及群桩）的承载力、变形特性；桩基础的抗拔特性；海洋平台基础、箱筒形基础、桶形基础在荷载作用下的稳定性及变形等。目前专门研究这类结构物施工过程的研究尚属少见， 

岩土工程中还有一类重要的测试属于竖向的长距离运动，即静力触探试验、标准贯入试验，这些试验多用于现场勘查，试验结果可用于确定土体密实度、强度、承载力等，还可用于估算单桩承载力、评价地基液化可能性等，应用十分广泛[《工程地质手册》编委会 工程地质手册[M]  北京， 中国建筑工业出版社, 2007]。但这类试验应用于离心模型试验中，除了要特别制作小型的触探锥头，还必须研制专门的加载装置[M. Katagiri, M. Okamura, 1998. Cone penetration test. Centrifuge 98, Kimura, Kusakabe & Takemura (eds) Balkema, 1059-1065]。

目前适用于离心模型试验的竖向大行程加荷装置尚未见报导。 

发明内容

本发明的目的是提供一种离心模型试验竖向大行程加荷装置，旨在解决离心机高重力加速度场下的以下关键问题：现有技术不能进行竖向大行程加荷。本发明还将提供这种离心模型试验竖向大行程加荷的测试方法。 

完成上述发明任务的技术方案是：离心模型试验竖向大行程加荷装置，由模型箱、步进电机、齿轮、蜗轮蜗杆和荷重传感器组成，步进电机、齿轮和蜗轮蜗杆设置在模型箱的顶盖上表面，所述步进电机水平设置，涡轮轴采用滚珠丝杠，滚珠丝杠垂直穿过模型箱顶盖，模型箱顶盖的下方、涡轮轴的下端设有荷重传感器，所述步进电机转轴经齿轮减速后连接至蜗杆。 

作为本发明的进一步改进，所述离心模型试验竖向大行程加荷装置还设有导向支座， 所述导向支座的两个导向轨垂直固定在模型箱顶盖的上表面，蜗轮轴的上端设有滑块，滑块和导向轨可滑动连接。采用导向支架保证涡轮轴只进行竖向运动，涡轮轴贯穿涡轮，实现最大达到涡轮轴长度的大行程运动。 

作为本发明的进一步改进，所述模型箱内设有模型。 

作为本发明的进一步改进，所述离心模型试验竖向大行程加荷装置还设有控制系统，所述控制系统包括单片机，用于采集荷重传感器的数据，控制步进电机的加荷速率，以恒定加荷速率（等应变速率控制模式）工作，在设定范围0.02-8mm/min内可调，无级变速。 

1.  本装置由3部分组成：驱动部分、传动加荷部分和控制部分； 

2.  驱动部分包括：步进电机和蜗轮，步进电机作为驱动源，驱动蜗轮转动；

3.  传动加荷部分包括：涡轮轴、导向支架和拉压力传感器，涡轮轴将涡轮的回转运动转化为竖向的直线运动，且在涡轮轴的高效传动下，竖向最大拉（压）力可达10 kN；采用导向支架保证涡轮轴只进行竖向运动，涡轮轴贯穿涡轮，实现最大达到涡轮轴长度的大行程运动；涡轮轴下端连接拉压力传感器，准确测量所施加的竖向拉压平力；

4. 控制部分包括单片机，控制装置的加荷速率，以恒定加荷速率（等应变速率控制模式）工作，在设定范围0.02-8mm/min内可调，无级变速；

5. 装置采用高强度螺栓与模型箱相连接固定。