[发明专利]实现竖向循环压缩‑侧向摇摆剪切动力加载的试验装置

说明书

技术领域

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

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究主要还是通过试验进行。

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。

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。

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，并能够研究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

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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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0～100kN，误差1％，最大加载频率2Hz，2Hz时最大振幅±1mm；侧向摇摆动力作动器可施加水平剪切荷载范围0～±50kN，误差1％，最大循环频率2Hz，2Hz时最大振幅±4mm。

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。

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。