桥梁基础水平受荷试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种桥梁基础水平受荷试验装置及试验方法，试验装置包括用于测量土压力、土体位移及基础模型倾覆、转发和平动等宏观特性的全模型装置和用于分析颗粒位移、旋转和局部孔隙率等细观机理的半模型装置。试验及分析方法将宏观特性与细观机理结合起来，从细观力学机理角度分析基础在荷载作用下的承载机制和破坏模式等宏观现象。本发明不仅具有宏观的理论推导和验证性，而且有颗粒尺度角度的直观性，让人一目了然。

说明书

技术领域

本发明涉及一种桥梁基础水平受荷试验装置及试验方法，属于桥梁基础实验研究领域。

背景技术

国内外跨海大桥建设日渐增多，出现了许多新型的大型桥梁基础形式。这些基础形式大多缺乏理论研究基础，现场实验也很难开展。因而，工程界普遍采用模型试验进行研究。而且，目前国内外的研究着重于宏观力学方面，从细观角度基于土体、基础与土体相互作用的细观根本机理的研究处于欠缺状态。

传统基础的模型试验一般量测基础的位移和力的变化，通过建立力与位移之间的关系进行研究，该宏观方法需要很好的数学推理能力和三维空间想象能力，且该方法不够直观形象，非专业领域人员的理解会有一定的难度。所以，如何让模型试验变得更加直观形象，让人一目了然的看出土体的变化显得尤为重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种桥梁基础水平受荷试验装置及试验方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的桥梁基础水平受荷试验装置，包括试验槽、试验用土和桥梁基础模型，所述试验槽为上部开口的荷载模型箱，所述试验用土填充于试验槽内，所述桥梁基础模型嵌于试验用土中，还包括配重块、土压力盒和百分表，所述配重块通过滑轮向桥梁基础模型施加长期荷载，所述土压力盒置于桥梁基础模型受力侧的试验用土中，所述百分表用于测量桥梁基础模型的倾覆、转动和平动。

作为优选，所述土压力盒布置于桥梁基础模型的正前方、各成45°夹角的左前侧和右前侧。

作为优选，取沿全模型对称轴分开的半模型，所述试验槽侧壁为透明面，在垂直于透明面中轴线的试验槽外架设有用于PIV拍摄的数码相机。

作为优选，所述试验用土中夹杂有层状彩砂。

作为优选，还包括土体位移测量装置，所述土体位移测量装置包括竖直嵌入试验用土中的挡土圆片，所述挡土圆片与试验槽外的百分表连接。

本发明同时提出上述应用实验装置的桥梁基础水平受荷试验方法，包括以下步骤：

1）对测试元件进行设置、校正；

2）在试验槽中布置试验用土，分层摊铺彩砂并注水形成饱和砂土；

3）在试验用土中布置基础模型，视具体模型形式确定是边铺边埋置模型还是先铺砂土再埋模型；

4）在铺设砂土的过程中，在设计高度将土压力盒埋置在砂土内部和基础模型壁上；

5）采用连续加载法进行加、卸载实验；

6）对试验测得的数据进行数据处理，得出相关结论。

其中所述连续加载法的加、卸载实验包括以下步骤：

1）每级加载量是预估最大荷载的1/10，分10级加载，其中预估最大荷载通过预实验确定；

2）加载的前5级荷载每级维持4小时，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h各测读一次，然后进入下一级荷载；

3）加载的后5级荷载每级维持1天，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h、8h、24h各测读一次，然后进入下一级荷载；

4）最后一级荷载持续20天，每天读一次数据；

5）卸载每天卸载一级，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h、8h、24h各测读一次；

6）重复试验，卸载完成后撤除所有测点，提升模型取出所有扰动土层，返回步骤1）重复试验。

为了测量土压力、土体位移及基础模型倾覆、转发和平动等宏观特性，上述试验方法的优选方式之一是采用宏观观测全模型试验：所述步骤2）试验时将试验用彩砂进行分层摊铺，每层厚度5公分，根据设计相对密实度、最大孔隙比、最小孔隙比、土颗粒比重、每层的体积计算出每层土的重量，使用室内轻型压实仪进行多遍夯实，直至土面达到设计高度，每隔一定的高度铺设一层单色砂便于肉眼宏观观察；如此反复，铺设每层土层，装土完成后静置10min以上，以保证每次试验样本的均一性，最后向试验槽里注水，使水没过土层表面，形成饱和砂土。。

为了分析颗粒位移、旋转和局部孔隙率等细观机理，上述试验方法的另一种优选方式是采用PIV摄像半模型试验：

所述试验槽的一侧壁为透明面；

所述步骤2）中在紧贴有透明内壁铺设大量不同颜色的彩砂以便拍摄观察；

所述步骤3）中基础模型侧壁紧贴玻璃内壁；

在加、卸载实验过程中还包括以下操作：

在试验进程中设置相机每隔30min对指定区域进行一次拍摄；

运用专门软件对拍摄得到的一系列照片进行处理，得出跟踪颗粒位变等参数；

运用离散元软件建模，得出颗粒的位移、旋转等相关结果；

从细观角度对桥梁基础长期水平荷载作用下土体特性进行研究。

本发明具有以下有益效果：

1、在全模型试验时，于模型正前方、左前和右前（各成45°方向）方布置一系列土压力盒，用于测量模型前方水平向土压力的变化，左前和右前方向的土压力盒通过一定的数学变换可以消除横向水平土压力的影响，从而仅仅考虑纵向水平土压力的变化。

 2、本发明的另一个优势是采用了PIV摄像半模型试验技术，从宏观和细观多尺度对该基础形式进行研究，宏观上研究基础在水平向静力荷载作用下的位移、应变等响应，细观上从颗粒尺度，根据颗粒位移和旋转、局部孔隙率、颗粒配位数等细观参数，分析该基础在长期荷载作用下的承载机制和破坏模式，可以直观明确地反映出该基础形式的宏观力特性和细观物理机理。

3、将PIV摄像技术成果与离散元软件理论计算结果进行直观对比，有利于试验分析，从细观角度对桥梁基础长期水平荷载作用下土体特性进行研究，为研究桥梁基础开辟了全新的研究思路和方法。

4、在新型试验装置方面，在传统的模型试验槽基础上提供了一种改进的试验槽装置，利用该装置可以对基础模型进行细观观测，得到相关的细观参数，为后期的数据处理和与离散元软件的对比分析做准备。

5、研究方法方面，试验及分析方法将宏观特性与细观机理结合起来，从细观力学机理角度分析基础在荷载作用下的承载机制和破坏模式等宏观现象，从宏观和细观、全模型和半模型等角度对桥梁基础在荷载作用下的性能进行分析研究。不仅具有宏观的理论推导和验证性，而且有颗粒尺度角度的直观性，让人一目了然。并且通过全、半模型实验和软件分析的对比来验证实验结论的正确性。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的桥梁基础水平受荷试验装置及试验方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明的实施例一的全模型试验装置示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明实施例二的半模型试验装置示意图；

图4是图3中深层土体位移测量装置示意图；

图5是对应的软件处理效果示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例采用全模型试装置进行桥梁基础水平受荷的分析计算，该试验装置如图1和图2所示，由配重块2、土压力盒1、试验槽4、百分表3等组成，通过配重块2给模型施加长期荷载，用土压力盒1测量土体和模型壁土压力的变化，用百分表3数据分析模型的倾覆、转动和平动情况。

使用时，宏观观测试验的步骤如下：

Step1:进行测试元件设置；将试验所用到的所有元件（位移计、油压表、土压力盒等）进行设置、校正，确保能正确的使用和读数。

：试验时将试验用彩砂进行分层摊铺，每层厚度5公分，根据设计相对密实度、最大孔隙比、最小孔隙比、土颗粒比重、每层的体积计算出每层土的重量，使用室内轻型压实仪进行多遍夯实，直至土面达到设计高度（每隔一定的高度铺设一层单色砂便于肉眼宏观观察）。如此反复，铺设每层土层，装土完成后静置10min以上，以保证每次试验样本的均一性。最后，向试验槽里注水，使水没过土层表面，形成饱和砂土。

：在铺设砂土的同时或者铺设完砂土后，将基础模型埋入其中（视具体模型形式确定是边铺边埋置模型还是先铺砂土再埋模型）。

：在铺设砂土的过程中，在设计高度将土压力盒1埋置在砂土内部和模型壁上。

加、卸载实验：采用连续加载法，具体方法如下：

1）每级加载量是预估最大荷载的1/10，分10级加载。（预估最大荷载通过预实验确定）

2）加载的前5级荷载每级维持4小时，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h各测读一次，然后进入下一级荷载。

3）加载的后5级荷载每级维持1天，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h、8h、24h各测读一次，然后进入下一级荷载。

4）最后一级荷载持续20天，每天读一次数据。

5）卸载每天卸载一级，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h、8h、24h各测读一次。

重复试验：卸载完成后撤除所有测点，提升模型取出所有扰动土层，然后按上述第一步开始进行重复试验。

对试验测得的数据进行数据处理，得出相关结论。

实施例二

本实施例采用PIV摄像半模型试验装置进行桥梁基础水平受荷的分析计算，对半模型进行细观拍摄，根据颗粒位移和旋转、局部孔隙率、颗粒配位数等细观参数，从颗粒尺度分析土体在长期荷载作用下的蠕变情况。

如图3所示，试验槽4一个立面采用透明有机玻璃，取沿全模型对称轴分开的一半模型8，半模型8侧壁与透明有机玻璃内壁紧贴，模型8埋置在试验用砂6中，同时每隔相同的间距布置肉眼观察用的单色调彩砂层7，利用配重块2对模型8进行加载，在垂直于有机玻璃中轴线的箱外架设用于PIV拍摄的数码相机5。同时在土中埋入土体位移测量设备9，测量深层土体的位移情况。土压力盒1的埋置方式与全模型类似，其他试验装置与全模型试验相似。

其中土体位移测量设备9如图4所示，是由细铁丝10连接的百分表11和挡土圆片12，使用时挡土圆片12嵌入试验用土中，百分表11安放在试验槽外。

使用时，PIV摄像半模型试验包括以下步骤：

Step1:进行测试元件设置；将试验所用到的所有元件（位移计、油压表、土压力盒等）进行设置、校正，确保能正确的使用和读数。

：铺设试验用土方法与上述全模型一致，但是在紧贴有机玻璃内侧撒大量不同颜色的彩砂6以便拍摄观察。

：在将试验用土铺设至模型底标高时，放入半模型8，并保证模型侧壁紧贴玻璃内壁。将半模型固定好后再继续填土至设计标高。

：在铺设砂土的过程中，在设计高度将土压力盒1埋置在砂土和模型壁上，并且将深层土体位移测量设备9埋置。

加、卸载实验：采用连续加载法，具体方法如下：

 1）每级加载量是预估最大荷载的1/10，分10级加载。（预估最大荷载通过预实验确定）

2）加载的前5级荷载每级维持4小时，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h各测读一次，然后进入下一级荷载。

3）加载的后5级荷载每级维持1天，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h、8h、24h各测读一次，然后进入下一级荷载。

4）最后一级荷载持续20天，每天读一次数据。

5）卸载每天卸载一级，分别在5min、15min、30min、60min、2h、4h、8h、24h各测读一次。

在试验进程中设置相机5每隔30min对指定区域进行一次拍摄。

运用专门软件对拍摄得到的一系列照片进行处理。

如图5所示，运用离散元软件建模，得出颗粒的位移、旋转等相关结果。

将两种方法得到的结论进行对比分析，论证结果：将数码相机跟踪的颗粒照片运用软件处理，得出相关颗粒的位移、旋转等细观量。同时运用离散元软件建模，经计算机计算后得出相关颗粒的位移等细观量。

以图5为例（该图为颗粒的位移矢量图），从图中可以清楚看出：

1、基础前壁上部土体明显凸起，并且颗粒有斜向上45度的运动趋势；

2、基础后壁土体颗粒有明显向下运动趋势，以填补基础移动后留下的空隙；

3、基础底部土体颗粒运动较为复杂，前端颗粒由于受到基础的倾覆作用，有向下压密运动趋势，而后端颗粒为主动土压力，有填补基础由于倾覆产生的空隙的趋势，并且从图中可以清楚看出前端颗粒中有部分有向后端运动的趋势。

上述软件分析结果与目前的相关理论一致：基础前壁和底部前端为被动土压力，后壁和底部后端为主动土压力。试验中土体的位移情况也验证了软件分析的正确性，并且位移矢量图能预测颗粒的运动趋势，对后续试验有一定的指导作用。