模拟筏板基础筏板受六个方向荷载作用的试验装置

摘要

本发明涉及一种模拟筏板基础筏板受六个方向荷载作用的试验装置，包括：模型槽，该模型槽中装有土体；筏板基础，该筏板基础埋设在模型槽的土体内；支撑柱，该支撑柱安装于模型槽上；水平导轨，该水平导轨安装于支撑柱上；横梁，该横梁设在水平导轨上；竖向导轨，该竖向导轨与横梁连接；四棱台加载框架，该加载四棱台框架连接于竖向导轨上；竖向加载模块，该竖向加载模块连接在四棱台加载框架上，并与筏板基础连接，对筏板基础施加竖向载荷；水平加载模块，该水平加载模块连接在四棱台加载框架上，并与筏板基础连接，对筏板基础施加水平载荷。与现有技术相比，本发明具有能够模拟多种荷载组合加载工况、模拟精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模型加载试验装置，尤其是涉及一种模拟筏板基础筏板受六 个方向荷载作用的试验装置。

背景技术

近几十年来，世界经济飞速增长，科技革新不断推进社会发展，在土木建筑 领域表现尤为突出。目前，大量高层建筑在全球不断兴建，无论从建筑高度、建筑 复杂程度还是建筑功能上，都已经进入了一个新的发展时期和阶段。

改革开放至今，我国的高层建筑也得到了迅猛的发展。出于保护耕地的目的， 我国对建设用地进行严格限制，可以利用的建设面积越来越小，从而促使了高层建 筑的发展。高层建筑体型庞大，荷载较高，而大部分地区的地基承载力并不能满足 如此巨大的荷载。由于上部结构荷载很高、相邻基础影响较大、荷载分布形式复杂， 因此对地基基础提出了更加严格的要求。在软土地区，采用常规基础绝大多数建筑 物都会沉降较大。对于量大面广的高层建筑，合理选用基础方案，要求不仅要满足 技术可行性，而且要充分考虑施工难度和经济条件。

一般认为，桩筏基础整体性能较好，具有很大的刚度，其竖向承载能力和调 整不均匀沉降的作用十分显著，在高层建筑地基基础方案的工程设计中往往被大量 选用。桩筏基础和上部结构作用协调性高，使得结构能够承受较大的风荷载，地震 时能够抵抗更大的水平力，具有不可比拟的优点，在软土和地震设防等级高的地区 应用前景十分广阔。

现阶段，上层结构物的形式越来越复杂，建筑物周边的环境越来越复杂，桩 筏基础往往承受多向耦合荷载的作用，单单考虑竖向荷载的作用而进行筏板基础的 设计是不合理的。针对竖向、水平向以及弯矩荷载耦合作用下的桩筏基础，横山幸 满(1981)指出简单的应力叠加原理并不适合。因此现阶段桩筏基础的设计面临两 个新的问题：(1)多向耦合荷载对装筏基础变形的影响。(2)多向耦合荷载对桩筏 基础承载力的影响。为弥补理论分析的局限性，对于重要工程，需要结合室内模型 试验进行分析，其中的关键技术是如何模拟基础受多向耦合荷载的作用，而目前尚 未发现有关该问题的报道。

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能够模拟多 种荷载组合加载工况、模拟精度高的模拟筏板基础筏板受六个方向荷载作用的试验 装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟筏板基础筏板受六个方向荷载作用的试验装置，包括：

模型槽，该模型槽中装有土体；

筏板基础，该筏板基础埋设在模型槽的土体内；

支撑柱，该支撑柱安装于模型槽上；

水平导轨，该水平导轨安装于支撑柱上；

横梁，该横梁设在水平导轨上；

竖向导轨，该竖向导轨与横梁连接；

四棱台加载框架，该加载四棱台框架连接于竖向导轨上；

竖向加载模块，该竖向加载模块连接在四棱台加载框架上，并与筏板基础连接， 对筏板基础施加竖向载荷；

水平加载模块，该水平加载模块连接在四棱台加载框架上，并与筏板基础连接， 对筏板基础施加水平载荷。

所述的支撑柱设有四个，分别焊接在模型槽的四角上，每两个支撑柱间焊接一 个水平导轨。

所述的横梁端部设有滑轮，横梁通过该滑轮可滑动地连接在水平导轨上。

所述的竖向导轨上设有多个螺栓孔，竖向导轨通过螺栓孔可调整地与横梁连 接。

所述的四棱台加载框架包括顶面四边形和底面四边形，顶面四边形的四角和底 面四边形的四角通过斜棱连接，顶面四边形与竖向导轨连接。

所述的竖向加载模块包括四组竖向加载组件，四组竖向加载组件对称设置在顶 面四边形的两条对边上。

所述的竖向加载组件包括竖向加载作动器和竖向加载杆，所述的竖向加载作动 器与顶面四边形连接，所述的竖向加载杆的一端连接竖向加载作动器，另一端通过 螺栓连接筏板基础，竖向加载作动器带动竖向加载杆对筏板基础施加竖向载荷。

所述的水平加载模块包括四组水平加载组件，每两组水平加载组件连接在底面 四边形的一组对边上，其中两组水平加载组件对筏板基础施加水平X方向载荷， 另外两组水平加载组件对筏板基础施加水平Y方向载荷。

所述的水平加载组件包括两个水平加载作动器和水平加载杆，水平加载杆分别 连接两个水平加载作动器。

所述的水平加载杆包括主杆、两个连接杆和两个副杆，所述的主杆两端分别连 接水平加载作动器，所述的两个连接杆设在主杆的两端，所述的副杆的一端与连接 杆连接，另一端与筏板基础连接，两个副杆间距离可调，夹紧筏板基础。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过设置竖向加载组件和水平加载组件，可实现竖向、水平X向、 水平Y向共六个方向的加载试验，突破了现有试验装置只能进行竖向和水平向单 向加载的限制，能够模拟多种荷载的组合加载工况，适用范围广；

2)本发明四棱台加载框架水平位置可调，高度亦可调，能够很好的适应模型 基础的各种情况，模拟精度高。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的水平加载杆示意图。

图中：1、支撑柱；2、水平导轨；3、横梁；4、竖向导轨；5、顶面四边形； 6、斜棱；7、底面四边形；8、竖向加载作动器；9、竖向加载杆；10、水平加载作 动器；11、水平加载杆；12、筏板基础；13、主杆；14、连接杆；15、副杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

实施例

如图1-图3所示，一种模拟筏板基础筏板受六个方向荷载作用的试验装置， 包括模型槽、筏板基础(桩筏基础)12、支撑柱1、水平导轨2、横梁3、竖向导 轨4、四棱台加载框架、竖向加载模块和水平加载模块，模型槽由槽钢骨架和有机 玻璃构成，槽中装有土体，筏板基础12埋设在模型槽的土体内，支撑柱1安装于 模型槽上，水平导轨2安装于支撑柱1上，横梁3设在水平导轨2上，竖向导轨4 与横梁3连接，加载四棱台框架连接于竖向导轨4上，竖向加载模块连接在四棱台 加载框架上，并与筏板基础12连接，对筏板基础施加竖向载荷，水平加载模块连 接在四棱台加载框架上，并与筏板基础12连接，对筏板基础施加水平载荷。

支撑柱1由H型钢制作并焊接模型槽上，支撑柱1设有四个，分别焊接在模 型槽的四角上，每两个支撑柱间焊接一个水平导轨2，水平导轨2由槽钢制作。

横梁3由槽钢制作，其端部设有滑轮，横梁3通过该滑轮可滑动地连接在水平 导轨2上。

竖向导轨4由槽钢制作，并沿槽钢长度设多个螺栓孔，竖向导轨4通过螺栓孔 可调整地与横梁3连接。

四棱台加载框架包括顶面四边形5和底面四边形7，顶面四边形5的四角和底 面四边形7的四角通过斜棱6焊接在一起，顶面四边形5与竖向导轨4连接。

竖向加载模块包括四组竖向加载组件，四组竖向加载组件对称设置在顶面四边 形5的两条对边上。竖向加载组件包括竖向加载作动器8和竖向加载杆9，竖向加 载作动器8与顶面四边形5连接，竖向加载杆9的一端连接竖向加载作动器8，另 一端通过螺栓连接筏板基础12，竖向加载作动器8带动竖向加载杆9对筏板基础 12施加竖向载荷。

水平加载模块包括四组水平加载组件，每两组水平加载组件连接在底面四边形 的一组对边上，其中两组水平加载组件对筏板基础施加水平X方向载荷，另外两 组水平加载组件对筏板基础施加水平Y方向载荷。水平加载组件包括两个水平加 载作动器10和水平加载杆11，水平加载杆11分别连接两个水平加载作动器10。 如图4所示，水平加载杆11包括主杆13、两个连接杆14和两个副杆15，所述的 主杆13两端分别连接水平加载作动器10，所述的两个连接杆15设在主杆13的两 端，所述的副杆15的一端与连接杆14连接，另一端与筏板基础12连接，两个副 杆间距离可调，夹紧筏板基础。

如图1～图4所示，模型槽长为3000mm，高为1500mm，宽为2000mm，由槽 钢骨架和有机玻璃构成。支撑柱1高为700mm，由H型钢制作，翼缘宽度为100mm， 厚度为10mm，腹板宽度为100mm，腹板厚度为10mm，分别布置在离边缘250mm 处；水平导轨2为槽钢制作，高度为100mm，腿宽度为60mm，腰厚10mm，长度 为2500mm，焊接在支撑柱上；横梁3为槽钢制作，长为2000mm，高度为100mm， 腿宽度为60mm，腰厚20mm，在距离两端700mm处，在内测腿上，分别设置四 个螺栓孔。竖向导轨4为槽钢制作，长800mm，高度为100mm，腿宽度为60mm， 腰厚20mm，沿长度方向每80mm布置两个螺栓孔，能够调整的安装在横梁3上。 四棱台加载框架的顶面四边形5为槽钢焊接而成，其中槽钢高度为100mm，腿宽 为60mm，腰厚为10mm，其中两根长600mm，两根长为480mm；底面四边形7 为槽钢焊接而成，其中槽钢高度为100mm，腿宽为60mm，腰厚为10mm，其中两 根长1200mm，两个长为1080；斜楞6为槽钢制作长545mm，控制上下面之间的 距离为450mm，与顶面四边形5和底面四边形7焊接连接成四棱台加载框架；此 四棱台加载框架通过焊接连接到竖向导轨4上；竖向加载作动器8焊接在顶面四边 形5的两条对边上，离端部距离为200mm，共布置四个；竖向加载杆9为圆柱形 实心刚管，直径为5mm，长750mm，底部20mm处设置连接处，连接处上设置2 个螺栓孔，可与筏板基础顶部的连接处固定，上部连接在竖向加载作动器上。水平 加载作动器10焊接在底面四边形7的一组对边上，共布置两组，每一组离最近的 端部距离为275mm。

水平加载杆11由主杆13、连接杆14、副杆15组成，主杆13为圆柱形实心钢 管，直径为50mm，长1400mm，副杆15为圆柱形实心钢管，直径为50mm，长 240mm，穿过连接杆的开孔处，并且可以移动，能够夹住筏板基础12。连接杆14 根据连接杆长度的不同分为两种尺寸，分别用于X方向和Y方向的水平加载杆上。 用于X方向水平加载杆的连接杆用H型钢制作，在主杆13两端布置，离主杆端部 距离为160mm，长度为210mm，横截面高70mm，翼缘宽度为50mm，厚度为8mm， 腹板厚度为8mm，连接杆下部离顶端160mm处腹板开孔，孔径为50mm，可穿过 副杆15。用于Y方向水平加载杆的连接杆，用H型钢制作，在主杆13两端布置， 离主杆端部距离为160mm，长度为150mm，横截面高70mm，翼缘宽度为50mm， 厚度为8mm，腹板厚度为8mm，连接杆下部离顶端100mm处腹板开孔，孔径为 50mm，可穿过副杆15。连接杆14上部焊接在主杆13上，连接杆下部翼缘开设螺 栓孔，可通过螺栓固定副杆。

筏板基础12置于模型槽内，在竖向加载杆9对应位置设置连接处，连接处上 设置两个螺栓孔，可以竖向加载杆9螺栓连接。

本装置的工作过程：在模型槽中装填试验用土体，在土体内埋设桩筏模型基础， 调整横梁和竖向导轨的位置，将四根竖向加载杆用螺栓连接在筏板顶面上。通过外 部计算机控制，即可对筏板基础实现六个方向荷载的多种荷载组合工况，并可即时 记录加载情况(荷载大小)；通过测量装置可收集数据，分析模型基础的承载及变 形特性，以及桩周土体发生的位移情况。