一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及土壤液化技术领域，特别是涉及一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法。背景技术：2.现场液化试验是指，通过人工震源激励产生“地震动”，直接对场地中的可液化原状土或重塑土施加荷载，以更接近真实场地的模拟条件，获取场地液化动力响应全过程的一种方法。3.目前已有的人工激振下现场液化试验，无论是基于原状土还是重塑土，可液化土的上覆压力不超过20kpa，绝大多数在10kpa以内，大致对应1-2米的土层埋深。根据现有的地震液化资料统计，实际液化土层的埋深集中在0-6m，约占总数的80％，其中2-4m最为集中。而其地下水位埋深集中在0-3m，约占总数的90％，其中1-2m最为集中，真实地震中液化土层所对应的上覆压力范围应集中在0-120kpa，最为集中的均值约50kpa左右。上覆压力是控制土壤液化响应的主要因素之一，当今开展的现场液化试验中可液化土的上覆压力较低，与真实液化场地存在较大差距。已有试验在上覆压力方面与真实液化场景差距大，使得通过现有现场液化试验研究土壤液化问题的价值大打折扣。4.发明人发现，现有的振动台或动力离心机等室内液化试验中，模型土的上覆压力和真实液化场地也会存在差距，往往通过堆载重物的方式来改善。动力离心机试验，虽然可以模拟原型的相近应力水平，但受限于离心机自身性能或模型尺寸等因素，会使模拟液化试验的上覆压力受到限制。当应力水平无法满足时，在n-g重力环境下，采用比土的密度大几倍的材料(如钢材)作为堆载重物，通过较小的堆载高度就会达到理想效果，目前已有不少应用。然而，在振动台或现场试验等这种1-g重力环境下，当所需上覆压力较大时，通过堆载重物给模型土施加上覆压力的方式并不理想，甚至不可行，这是因为试验中堆载重物的高度不可能无限制增加，而且实际加压效果、可操作性等都会遇到问题；若采用传统的“千斤顶+反力架”施压方式，虽然可以实现对模型土施加上覆压力，且能完全满足液化试验需求的压力上限值，但对于液化试验而言，在液化发生前，土体会率先出现沉降变形，微小的沉降都会导致通过千斤顶施加的荷载无法传递，造成上覆压力“瞬间消失”，从而导致试验无法进行。技术实现要素：5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法，将反力架的立柱固定安装在土体内以形成稳定结构，并在反力架上安装反力机构，利用反力机构为加载机构提供反向的推力，当试坑内的土壤液化沉降时，可在反力机构的作用下提供恒定的压力，解决了现有现场液化试验无法人为施加上覆压力的问题。6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：7.第一方面，本发明提供了一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，包括反力架、放置在反力架上的负重块以及放置在反力架正下方的加载机构，所述反力架的立柱埋设在土体内，加载机构的底部通过加载钢板与试坑内的可液化土接触，加载机构的顶部通过反力机构与反力架横梁的底部接触，所述反力机构含有用于向下推动加载机构的弹簧，以在土壤液化沉降时提供恒定的压力。8.作为进一步的实现方式，所述反力架的立柱、横梁以及负重块均为预制的钢筋混凝土结构，横梁的外表面上至少在下表面处安装钢板。9.作为进一步的实现方式，所述反力机构由套筒、安装在套筒内的弹簧、固定安装在套筒顶部的顶板以及固定安装在弹簧底部的底板组成，底板的直径与套筒的内径相同。10.作为进一步的实现方式，所述弹簧通过压条与顶板中心位置处的螺栓连接，压条由平直段以及固定设置在平直段两端的弯弧段组成，平直段两端弯弧段的高度不同，以将两个弯弧段分别卡接在弹簧上两相邻线圈的下方。11.作为进一步的实现方式，所述反力机构可拆卸的安装在支撑移动机构上，支撑移动机构由两个升降立柱以及安装在升降立柱顶部的支撑板组成，升降立柱的底部设有行走轮，反力机构安装在支撑板的下表面上。12.作为进一步的实现方式，所述支撑板的上表面与反力架横梁的下表面紧密接触。13.作为进一步的实现方式，所述加载钢板为一个边角缺失的板状结构。14.第二方面，本发明提供了一种现场液化试验方法，具体如下：15.首先进行反力架的搭建以及试坑的开挖，使得反力架位于试坑的正上方；16.然后安装反力机构，在试坑内放置传感器并将制备好的可液化土填埋至试坑内，填埋完成后将加载钢板放置在试坑内并在加载钢板的上方安装加载机构，使得加载机构的顶部与反力机构的底部接触；17.加载机构安装到位后进行分级、缓慢施压，待施压完成后进行人工激振的现场液化试验；18.现场液化试验结束后，先将电源断开后整理试验仪器。19.作为进一步的实现方式，在现场液化试验前对立柱周侧的土体多次、反复的施加加速度幅值大于液化试验所需的加速度幅值的地震动，直至立柱保持稳定。20.作为进一步的实现方式，人工激振过程中，首先开启数据采集仪器，并使激振设备产生地震动幅值在0.01g以下的激励地震动，以用于查验各传感器的工作状态；21.当传感器运行正常时，改变激振设备控制参数，调至液化试验设定的地震动，开始现场液化试验。22.上述本发明的有益效果如下：23.(1)本发明通过反力架与加载结构的配合提供了足够的上覆压力，并将反力架的立柱固定安装在土体内以形成稳定结构，并在反力架上安装反力机构，利用反力机构为加载机构提供反向的推力，当试坑内的土壤液化沉降时，可在反力机构的作用下提供恒定的压力，以防止上覆压力瞬间消失现象的发生。24.(2)本发明在现场液化试验前对立柱周侧的土体多次、反复的施加加速度幅值大于液化试验所需的加速度幅值的地震动，直至立柱保持稳定，以在进行现场液化试验时反力架的立柱作为稳定可靠的固定端。25.(3)本发明人工激振过程中，首先开启数据采集仪器，并使激振设备产生地震动幅值在0.01g以下的激励地震动，以用于查验各传感器的工作状态，防止仪器损坏对监测数据准确性的影响。附图说明26.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。27.图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置的结构示意图(未示出支撑移动机构)；28.图2是本发明根据一个或多个实施方式的反力机构与支撑移动机构的整体结构示意图；29.图3是本发明根据一个或多个实施方式的加载钢板的结构示意图；30.图4是本发明根据一个或多个实施方式的压条的结构示意图；31.图5是本发明根据一个或多个实施方式的上覆施压装置与试坑的位置关系示意图；32.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；33.其中，1、反力架；2、负重块；3、千斤顶；4、反力机构；41、弹簧；42、套筒；43、顶板；44、底板；45、螺栓孔；5、加载钢板；6、支撑移动机构；61、升降立柱；62、支撑板；7、压条；71、平直段；72、弯弧段；8、试坑。具体实施方式34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。35.正如背景技术所介绍的，现有的振动台或动力离心机液化试验上覆压力会受到限制，且是室内液化试验；传统的“千斤顶+反力架”模式的方式，在液化发生前，土体会率先出现沉降变形，微小的沉降都会导致通过千斤顶施加的荷载无法传递，造成上覆压力瞬间消失，从而导致试验无法进行的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置及方法。36.实施例137.本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提出一种用于现场液化试验的上覆压力施加装置，包括，门式的反力架1、放置在反力架1上的负重块2以及设置在反力架1正下方的加载机构，其中，反力架1的两根立柱埋设在土体内，加载机构为千斤顶3，千斤顶3的底部通过加载钢板5与试坑8内的可液化土(如饱和砂土)接触，千斤顶3的顶部通过反力机构4与反力架1的横梁底部接触，从而在土壤液化沉降时，反力机构4能够给予千斤顶3向下的推力，以防止上覆压力瞬间消失现象的发生，以提供恒定的压力。38.具体的，反力架1由两根立柱和一根横梁组成，立柱、横梁均为预制的钢筋混凝土结构，其中，立柱预埋在现场指定位置，立柱的预埋深度可根据实际设计要求进行确定，横梁用于连接两立柱的顶部。39.由于横梁主要起到承重台的作用，为了提高横梁的刚度，至少在横梁的下表面处固定安装钢板，在实际应用中也可在横梁的其他表面安装钢板，钢板的面积与对应的横梁的表面面积相同。40.负重块2放置在横梁上，负重块2同样为预制的钢筋混凝土结构，主要用于提供足够的重量，以提高反力架1的整体稳定性，使得反力架1能够提供足够的反力支持。41.为了便于立柱、横梁以及负重块2的使用，立柱、横梁和负重块2上均固定安装有吊环，以便于吊装、搭建。42.需要注意的是，立柱在埋设过程中，应保证对应的土坑底部的平整度。43.千斤顶3至少设有两个，千斤顶3位于横梁的下方，主要用于对现场液化试验的可液化土施加上覆压力，千斤顶3的底部通过加载钢板5与土体表面接触，千斤顶3的顶部通过反力机构4与反力架1横梁的底部接触。44.如图2所示，反力机构4由弹簧41、套筒42、顶板43、底板44组成，其中，弹簧41安装在套筒42内，套筒42的顶部与顶板43通过焊接的方式固定连接，以对套筒42的顶部进行遮挡；45.顶板43上开设有若干螺栓孔45，具体的，顶板43的中心位置处开设有第一螺栓孔，第一螺栓孔的周侧开设有若干第二螺栓孔，其中，第一螺栓孔用于安装长螺栓，压条7通过螺纹连接的方式与长螺栓连接，弹簧41的顶部通过与压条7连接以实现位置的固定，进而保证弹簧41与套筒42的同轴度。46.如图4所示，压条7由中间的平直段71及其两端的弯弧段72组成，平直段71的中间位置处开设有螺纹孔，以用于与长螺栓的螺纹连接，弯弧段72朝上弯曲，位于平直段一端的弯弧段72的高度高于另一端弯弧段72的高度，从而可将两个弯弧段72分别卡接在弹簧41上两相邻线圈的下方，进而实现弹簧41位置的固定，使得弹簧41线圈的圆心、底板44的圆心以及千斤顶3的中心处于同一条直线上。47.弹簧41的底部与底板44焊接固定，底板44为圆形钢板结构，底板44的外径与套筒42的内径相同，从而底板44可在套筒42内沿轴向上下移动，弹簧41通过底板44与千斤顶3接触。48.反力机构4可拆卸安装在支撑移动机构6上，如图2所示，支撑移动机构6由升降立柱61和支撑板62组成，其中，升降立柱61设有两个，升降立柱61的顶部通过支撑板62固定连接在一起，升降立柱61的底部安装有行走轮。49.支撑板62上开设有若干与顶板43配合的螺栓孔45，螺栓孔45与顶板43上的第二螺栓孔配合，以通过螺栓将顶板43与支撑板62固定连接在一起，进而将反力机构4可拆卸的安装在支撑板62的底部。50.升降立柱61能够调节反力机构4的高度，且能够方便的带动反力机构4进行位置的转移，大大提高了反力机构4的适应能力。51.需要注意的是，支撑板62上的螺栓孔45应为阶梯孔结构，以保证螺栓安装完成后支撑板62上表面的平整度。52.在实际应用中，支撑板62的上表面与反力架1横梁的底部相接触，从而可看作是反力架1的一部分，以起到支撑、反力的作用。53.如图3所示，加载钢板5为一个边角缺失的四边形板结构，边角缺失处用于加载钢板5底部线缆的引出。54.实施例255.本发明的另一种典型的实施方式中，提出一种现场液化试验方法，利用了实施例1中所述的上覆施压装置(如图5所示)，具体过程如下：56.首先进行反力架1的安装以及试坑8的开挖；57.其中，试坑8的开挖尺寸根据实际需求进行确定，试坑8位于反力架1横梁的正下方，且所有试坑8的受力点均在同一条直线上，试坑8内铺设有防水布。58.在进行反力架1的搭建时，先将立柱埋设在地表下设定深度，使得立柱的底部保持水平，然后将横梁放置在立柱上。59.其中，在现场液化试验前需要对立柱周侧的土体多次、反复的施加加速度幅值大于液化试验所需的加速度幅值的地震动，直至立柱保持稳定，从而在进行现场液化试验时反力架1的立柱可作为稳定可靠的固定端。60.需要注意的是，试坑8的开挖以及反力架1的搭建先后顺序可根据实际需求进行选择，这里不做过多的限制，反力架1与试坑8间的距离以及试坑8的尺寸根据实际设计要求进行确定。61.反力架1搭建完成后，进行反力机构4的安装，将反力机构4安装在支撑移动机构6的支撑板62上，然后将支撑移动机构6、反力机构4整体移动到反力架1横梁的正下方，调整升降立柱61的长度，使得支撑板62的上表面与反力架1横梁的下表面紧密接触。62.可以理解的是，在实际应用中也可以取消支撑移动机构6的使用，直接将反力机构4焊接在横梁的底部，此时装置的整体适应能力较差。63.反力机构4安装完成后制备可液化土，并将可液化土填埋到试坑8内，在进行填埋时需在试坑8内放置传感器，可液化土填埋完成后放将加载钢板5放置在试坑8内，使得传感器的线缆从加载钢板5缺失边角的位置处引出；64.加载钢板5安装到位后在加载钢板5上放置千斤顶3，使得千斤顶3的底部与加载钢板5接触，千斤顶3的顶部与反力机构4的底板44接触。65.需要注意的是，在安装过程中应保证加载钢板5的中心、千斤顶3、反力机构4、横梁的中心线处于同一竖直线上。66.千斤顶3安装到位后进行施压，通过千斤顶3对可液化土施加上覆压力，施加上覆压力的速度和加压数值依据试验要求自行确定。67.加压方式为分级、缓慢加压，即：将需要施加的上覆压力分成若干份、放缓加压速度，如：若施加20kpa的上覆压力，将20kpa分成4等份(5/10/15/20kpa)来施加，用时2分钟将上覆压力从0kpa施加到5kpa，后静置2分钟，在静置过程中观察上覆压力的变化，若上覆压力一直维持稳定，则重复加压步骤，直至将20kpa的上覆压力施加完毕。68.待砂土所需上覆压力施加完成后，进行人工激振的现场液化试验，人工激振产生的水平向震动，通过反力架立柱周围的土层传递，以“地震动”的形式直接对试坑8内的可液化土施加动荷载，不存在振动台试验的动力边界效应问题，地震动加速度幅值可取0.05-0.20g之间。69.试验时，首先开启数据采集仪器，并使激振设备产生较小的激励地震动，一般情况下地震动幅值在0.01g以下，以用于查验各传感器的工作状态；70.若各仪器未正常运行，则停止激振，检查并替换传感器，然后重复上述操作；71.若各仪器运行正常，改变激振设备控制参数，调至液化试验设定的地震动(即地震动加速度幅值在0.05-0.20g之间)，开始现场液化试验。72.需要注意的是，试验过程中，需时刻注意各设备的运转情况，保证试验人员安全。73.现场液化试验结束后，先将电源断开后整理试验仪器。74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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