地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统及其方法

本发明属于水平加载的技术领域，具体涉及一种地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统及其方法。

背景技术：

由于波浪、水流和风荷载等的影响，地基基础(如：桩基、地下连续墙)的上部结构需要长期承受水平循环荷载。地基基础在长期的水平循环荷载下会使其周围土体的承载力产生弱化现象，从而影响基础以及上部结构的安全服役。因此，开展地基基础在水平循环荷载下的承载特性研究显得十分必要，而室内土工模型试验正是开展相关研究的重要手段和方式。

目前，针对地基基础的室内水平循环加载，已有相关的装置和方案。但需要注意的是，目前相关的装置原理和操作较为复杂，且较难实现多向水平循环加载和控制频率的加载。因此，发展一种简单、有效的地基基础室内土工模型试验的水平循环加载试验系统十分必要，且将会对地基基础的水平循环受力分析产生巨大的促进作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统及其方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一方面，一种地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统，其包括门型龙门钢骨架；门型龙门钢骨架上依次间隔设置第一可移动悬挂固定装置、第二可移动悬挂固定装置和第三可移动悬挂固定装置；第一可移动悬挂固定装置与左滑轮连接，第二可移动悬挂固定装置与钢绞线固定卡具相连，第三可移动悬挂固定装置与右滑轮固定连接；左滑轮、钢绞线固定卡具和右滑轮之间通过钢绞线依次连接；

靠近左滑轮的钢绞线一端与左配重平衡砝码连接，位于左滑轮和钢绞线固定卡具之间的钢绞线通过橡胶套箍与地基基础上部相似结构模型连接；钢绞线固定卡具和右滑轮之间的钢绞线上安装拉力传感器，靠近右滑轮的所述钢绞线一端与右配重平衡砝码连接；右配重平衡砝码固定于电机驱动装置上。

进一步地，地基基础上部相似结构模型设置于地基基础相似模型上，地基基础相似模型容置于地基填土相似模型材料内，且地基填土相似模型材料均匀分布于模型槽内。

进一步地，钢绞线固定卡具包括固定孔道，钢绞线穿过固定孔道并通过两端的卡塞锚定。

进一步地，固定孔道与第二可移动悬挂固定装置刚接。

进一步地，电机驱动装置包括保护壳，保护壳内开设有呈弧形状的光滑轨道；光滑轨道内设置有驱动右配重平衡砝码上下位移的驱动组件。

进一步地，驱动组件包括可旋转转动的半月转片，半月转片与电机转轴转动连接，用于驱动半月转片旋转；半月转片上的活动孔道与连接杆通过固定螺栓活动连接，通过调整固定螺栓在活动孔道中的位置，调节连接杆与转轴之间的距离；连接杆与位于其上方的活塞铰接；活塞的顶部与支撑杆底部固定连接，支撑杆顶部与用于固定右配重平衡砝码的托盘固定连接。

进一步地，保护壳通过底部稳定支座安装于地面。

一方面，一种地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统的加载方法，包括以下步骤：

s1、加载前，激活钢绞线固定卡具，将右配重平衡砝码固定于托盘中；

s2、设定电机转轴的角速度w，启动电机驱动装置，支撑杆受力并推动托盘和右配重平衡砝码产生周期性的上下位移，同时，施加给右配重平衡砝码周期性变化的向上推力t；

s3、拉力传感器实时采集位于钢绞线固定卡具右侧的钢绞线拉力；

s4、获取拉力传感器采集的拉力数据，若采集的最大拉力值小于预设值，则调整固定螺栓位于活动孔道中的位置，使连接杆远离转轴，增大支撑杆的上下位移值，增大施加给右配重平衡砝码的最大拉力值；若采集的最大拉力值大于预设值，则调整固定螺栓位于活动孔道中的位置，使连接杆靠近转轴，减小支撑杆的上下位移值，减小施加给右配重平衡砝码的最大拉力；

s5、关闭电机驱动装置，根据试验预设要求的加载频率f重新设置电机转轴的角速度w；

s6、解除钢绞线固定卡具，并将左配重平衡砝码悬挂于靠近左滑轮的钢绞线一端，并开启电机驱动装置，对地基基础模型进行水平循环加载。

进一步地，对地基基础模型进行水平循环加载包括单向水平循环加载、双向不对称水平循环加载和双向对称水平循环加载；

单向水平循环加载，包括：开启电机驱动装置，对地基基础模型的水平循环加载；

双向不对称水平循环加载，包括：在执行步骤s4时，拉力传感器采集最大拉力值f不等于左配重平衡砝码的自重g1；

双向对称水平循环加载，包括：在执行步骤s4时，拉力传感器采集的最大拉力值fmax与最小拉力值fmin，满足：

fmax－g1＝g1－fmin。

本发明提供的地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统及其方法，具有以下有益效果：

本发明通过左配重平衡砝码、钢绞线固定卡具、右配重平衡砝码和电机驱动装置的巧妙配合，实现了对多向水平循环加载和控制频率的加载，具有较强的实用性和推广性。

附图说明

图1为加载试验系统的结构示意图。

图2为电机驱动装置结构示意图。

图3为钢绞线固定卡具结构示意图。

图4为单向水平循环加载受力图。

图5为双向非对称水平循环加载受力图。

图6为双向对称水平循环加载受力图。

其中，1、左配重平衡砝码；2、左滑轮；3、可移动悬挂固定装置；4、门型龙门钢骨架；5、橡胶套箍；6、地基基础上部相似结构模型；7、钢绞线；8、地基填土相似模型材料；9、地基基础相似模型；10、拉力传感器；11、模型槽；12、右滑轮；13、右配重平衡砝码；14、电机驱动装置；15、钢绞线固定卡具；16、托盘；17、支撑杆；18、活塞；19、电机转轴；20、连接杆；21、半月转片；22、固定螺栓；23、保护壳；24、底部稳定支座；25、固定孔道；26、旋转卡塞。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例一，参考图1，本方案的地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统及其方法，包括用于承载、支撑的门型龙门钢骨架4。

门型龙门钢骨架4上依次间隔设置多个可移动悬挂固定装置3，可移动悬挂固定装置3包括依次活动设置的第一可移动悬挂固定装置、第二可移动悬挂固定装置和第三可移动悬挂固定装置。

其中，第一可移动悬挂固定装置下方与左滑轮2连接，第二可移动悬挂固定装置下方与钢绞线固定卡具15相连，第三可移动悬挂固定装置下方与右滑轮12固定连接；左滑轮2、钢绞线固定卡具15和右滑轮12之间通过钢绞线7依次连接。

靠近左滑轮2的钢绞线7一端与左配重平衡砝码1连接，位于左滑轮2和钢绞线固定卡具15之间的钢绞线7通过橡胶套箍5与地基基础上部相似结构模型6连接，地基基础上部相似结构模型6设置于地基基础相似模型9上，地基基础相似模型9容置于地基填土相似模型材料8内，且地基填土相似模型材料8均匀分布于模型槽11内。

钢绞线固定卡具15和右滑轮12之间的钢绞线7上安装拉力传感器10，靠近右滑轮12的钢绞线7一端与右配重平衡砝码13连接；右配重平衡砝码13固定于电机驱动装置14上。

本实施例采用可控往复上下位移的电机驱动装置14进行驱动，对右配重平衡砝码13施加周期性变化的向上推力，再通过连接右配重平衡砝码13与地基基础上部相似结构模型6的高强度钢绞线7、右滑轮12和橡胶套箍5，将右配重平衡砝码13的自重g2与可控往复上下位移的电机驱动装置14施加在右配重平衡砝码13上的推力t的合力f传递给地基基础上部相似结构模型6，同时，左配重平衡砝码1的自重g1通过左滑轮2、高强度钢绞线7和橡胶套箍5传递给地基基础上部相似结构模型6。

此时，作用于地基基础上部相似结构模型6的合力大小即为f－g1，而作用于与地基基础上部相似结构模型6刚性连接的地基基础相似模型9的水平力亦为f-g1，通过调整电机驱动装置14的上下位移时位移值s的范围控制向上推力t和控制电机工作的角速度w，即可实现对地基基础相似模型9施加不同频率、幅度与方向的水平循环荷载。

电机驱动装置14，具体包括：托盘16、支撑杆17、活塞18、电机转轴19、连接杆20、半月转片21、固定螺栓22、保护壳23和底部稳定支座24。

在保护壳23内开设有呈弧形状的光滑轨道；光滑轨道内设置有驱动右配重平衡砝码13上下位移的驱动组件，保护壳23通过底部稳定支座24安装于地面。

驱动组件包括可旋转转动的半月转片21，半月转片21与电机转轴19转动连接，用于驱动半月转片21旋转；半月转片21上的活动孔道与连接杆20通过固定螺栓22活动连接，通过调整固定螺栓22在活动孔道中的位置，调节连接杆20与转轴之间的距离；连接杆20与位于其上方的活塞18铰接；活塞18的顶部与支撑杆17底部固定连接，支撑杆17顶部与用于固定右配重平衡砝码13的托盘16固定连接。

电机驱动装置14的工作原理为：通电后，电机转轴19带动半月转片21顺时针旋转，进而带动通过固定螺栓22固定在其上的连接杆20旋转与摆动，而连接杆20又与上部的活塞18铰接，此时，活塞18在保护壳23形成的光滑轨道内就会产生循环往复的上下位移，从而带动其上的支撑杆17与托盘16产生相应的循环往复的上下位移。

钢绞线固定卡具15包括：固定孔道25和旋转卡塞26；钢绞线7穿过固定孔道25，并通过卡塞进行锚定，同时，固定孔道25与可移动悬挂固定装置刚接，可以保证钢绞线固定卡具15激活后，右侧钢绞线7所受拉力不传递至地基基础上部相似结构模型6。

电机转轴19的中心点与活塞18的中心点的连线应与支撑杆17中轴线重合；支撑杆17的中轴线应与铅垂线平行。固定孔道25的内径应大于钢绞线7的外径。

实施例二，参考图1-图6，一种地基基础室内土工模型试验的水平循环加载系统的加载方法，包括以下步骤：

s1、先不将左配重平衡砝码1和右配重平衡砝码13连接于钢绞线7上，加载前，激活钢绞线固定卡具15，将右配重平衡砝码13固定于托盘16中；

s2、设定电机转轴19的角速度w，可设为2π，启动电机驱动装置14，支撑杆17受力并推动托盘16和右配重平衡砝码13产生周期性的上下位移，同时，施加给右配重平衡砝码13周期性变化的向上推力t；

s3、拉力传感器10实时采集位于钢绞线固定卡具15右侧的钢绞线7拉力，此时的拉力为右配重平衡砝码13的自重与推力t的合力；

s4、获取拉力传感器10采集的拉力数据，若采集的最大拉力值小于预设值，则调整固定螺栓22位于活动孔道中的位置，使连接杆20远离转轴，增大支撑杆17的上下位移值，增大施加给右配重平衡砝码13的最大拉力值；若采集的最大拉力值大于预设值，则调整固定螺栓22位于活动孔道中的位置，使连接杆20靠近转轴，减小支撑杆17的上下位移值，减小施加给右配重平衡砝码13的最大拉力；

s5、关闭电机驱动装置14，根据试验预设要求的加载频率f重新设置电机转轴19的角速度w；

w＝2πf

s6、解除钢绞线固定卡具15，并将左配重平衡砝码1悬挂于靠近左滑轮2的钢绞线7一端，并开启电机驱动装置14，对地基基础模型进行水平循环加载。

对地基基础模型进行水平循环加载包括单向水平循环加载、双向不对称水平循环加载和双向对称水平循环加载。

单向水平循环加载，包括：开启电机驱动装置14，对地基基础模型的水平循环加载。

双向不对称水平循环加载，包括：在执行步骤s4时，拉力传感器10采集最大拉力值f不等于左配重平衡砝码1的自重g1。

双向对称水平循环加载，包括：在执行步骤s4时，拉力传感器10采集的最大拉力值fmax与最小拉力值fmin，满足：

fmax－g1＝g1－fmin。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。