本發(fā)明屬于試驗裝置技術領域，具體涉及一種超重力場振動臺試驗加卸載裝置和方法。

背景技術：

對于巖土工程抗震問題，常用的研究方法有數(shù)值計算、現(xiàn)場觀測、常規(guī)振動臺試驗和離心機振動臺試驗四種。但數(shù)值計算受本構模型和模型參數(shù)的影響較大，現(xiàn)場觀測實施過程復雜，通常耗資巨大，常規(guī)振動臺試驗無法對巖土材料自重進行模擬，而離心機振動臺可以在原型應力條件下在模型輸入實際的地震波，并直接量測地震在土工結構中造成的影響，是目前研究土體和結構地震響應特性最有效的技術手段。

現(xiàn)有的離心機振動臺試驗受離心機容量和振動臺本身工作條件的限制，試驗研究所能模擬的土層深度一般為20m左右。對于地基上存在建筑物或試驗對象為深埋土體等具體的工況，若實際存在的上覆壓力在試驗中不能得到相應體現(xiàn)，將導致模型地基應力狀態(tài)與原型地基的初始應力狀態(tài)不符，因此在實際模擬過程中需要對模型地基施加一定的上覆壓力。已有的離心機振動臺上覆壓力加載方式由于不能準確控制加載面姿態(tài)，存在不能保證荷載均勻并且豎直的施加于地基表面的缺點，尤其在承載力較低的軟弱地層上覆壓力的模擬過程中，已有的上覆壓力加載裝置存在試驗過程中加載面傾斜、地層發(fā)生偏壓的不足，造成試驗條件與實際工況不相符合的情形。因此，離心機振動臺試驗中上覆壓力施加的準確與否將直接影響振動臺試驗結果的真實性和可靠性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有配重、氣囊加載等加載方式在振動臺試驗過程中可能出現(xiàn)的偏壓或者加載不均的缺陷，提供一種超重力場振動臺試驗加卸載裝置和方法，用于實現(xiàn)離心機振動臺試驗中土體上覆壓力的準確施加，實現(xiàn)模型土體與原型土體的應力、變形條件相匹配。

為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種超重力場振動臺試驗加卸載裝置，其特征在于，包括模型箱、反力框架、加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和機械鎖止裝置；

所述加載裝置包括加載板、氣壓缸、氣壓缸上部管路和壓力總管路，壓力總管路上設有穩(wěn)壓器；

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括傾角傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、控制器和計算機；

所述機械鎖止裝置包括機械鎖止氣壓缸、常閉式兩位三通閥、推桿、鎖止片、齒輪和齒輪槽；

所述反力框架固定設置于模型箱上部，由井字相交的鍛件梁組成；所述鍛件梁交匯處設置通孔，通孔內(nèi)固定設置氣壓缸，每個氣壓缸連接的上部管路上依次設置電磁閥、穩(wěn)壓閥和分流閥；反力框架中心增設鍛件梁，用于固定機械鎖止氣壓缸，增設的鍛件梁上設置通孔，機械鎖止氣壓缸連接的上部管路上設置常閉式兩位三通閥；每條上部管路最后經(jīng)由壓力總管路連接至穩(wěn)壓器和壓力源；

所述反力框架的下表面與加載板接觸，氣壓缸和機械鎖止氣壓缸穿過通孔固定于加載板上表面；

所述加載板下表面安裝傾角傳感器、壓力傳感器和位移傳感器；

所述加載板上表面與機械鎖止氣壓缸接觸點處以及與上表面接觸點對應的加載板下表面接觸點處開設十字形凹槽，十字形凹槽從機械鎖止氣壓缸與加載板上表面接觸點處延伸至模型箱壁面；十字形凹槽內(nèi)埋設推桿，推桿與壁面接觸的一端連接鎖止片；模型箱內(nèi)壁與十字形凹槽四個接觸點處垂直開設齒輪槽，齒輪槽內(nèi)設置齒輪；

所述計算機采集傳感器數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)分析，并通過控制器監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，控制壓力加載的方向和大小。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述超重力場振動臺試驗加卸載裝置還包括位置控制裝置，所述位置控制裝置包括比例閥和限位器；每個氣壓缸連接的上部管路上依次設置比例閥、限位器、電磁閥、穩(wěn)壓閥和分流閥，后通過壓力總管路連接至穩(wěn)壓器和壓力源；位移傳感器和比例閥輸入端相連，比例閥采集位移傳感器信號并將信號傳輸至控制器，控制器通過電磁閥、比例閥和限位器調(diào)節(jié)氣壓缸活塞的位置。采用位置控制裝置能夠在加載壓力前的調(diào)試過程中調(diào)節(jié)氣壓缸活塞的位置；同時穩(wěn)壓閥和比例閥連接在壓力源通向氣壓缸的管路上，并與控制器的輸出端相連，用以保證輸入氣壓缸的壓力和行進位移的穩(wěn)定性，起到保護氣壓缸和精確控制氣壓缸活塞行進的作用。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述鍛件梁交匯處設置為圓盤形，圓盤上設置圓形通孔，圓形通孔周圍設置螺栓盲孔；氣壓缸活塞向下豎直安裝在反力框架預留通孔內(nèi)，氣壓缸通過螺栓和通孔周圍的螺栓盲孔固定，氣壓缸活塞下部的加壓頭與加載板的上表面通過銷釘以鉸接的方式連接；所述機械鎖止氣壓缸與氣壓缸以相同方式固定在增設的鍛件梁上；所述反力框架通過高強螺栓安裝在模型箱上部為氣壓缸提供反力。本發(fā)明中的裝置可以采用各種通用手段進行固定，以固定牢固為準，本發(fā)明中優(yōu)選采用螺紋連接和螺絲螺母固定，可將裝置固定牢固，此外，氣壓缸、機械鎖止氣壓缸活塞下部的加壓頭與加載板的上表面通過銷釘以鉸接的方式連接，確保壓力加載過程中加載板和氣壓缸穩(wěn)定不發(fā)生位移。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述氣壓缸上部還設置排氣閥。

作為本發(fā)明的進一步改進，壓力源和穩(wěn)壓器之間還設有自動開關閥門，壓力源的接口依次通過自動開關閥門、穩(wěn)壓器連接至氣壓缸和機械鎖止氣壓缸，為氣壓缸和機械鎖止氣壓缸提供壓力。測試時，自動開關閥門處于打開狀態(tài)，當量測系統(tǒng)出現(xiàn)問題時可手動關閉，保護加載系統(tǒng)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述壓力源由離心機氣壓系統(tǒng)提供或外接電動液壓泵。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述位移傳感器為lvdt位移傳感器。選用激光位移傳感器可以快速、精確測定加荷板的位移，并且測量范圍廣，可以根據(jù)試驗要求調(diào)整。

作為本發(fā)明的進一步改進，在模型箱中設置的模型土體內(nèi)設置高頻動孔隙水壓力傳感器，用于監(jiān)測土體孔隙水壓力。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述鍛件梁選用鋁鍛件梁。

本發(fā)明還提供了一種超重力場振動臺試驗加卸載方法，具體包括如下步驟：

步驟1：將井字相交的鍛件梁作為反力框架，在鍛件梁交匯處設置通孔，固定氣壓缸，反力框架中心增設鍛件梁，上設置通孔固定機械鎖止氣壓缸；將加載板與氣壓缸活塞和機械鎖止氣壓缸活塞的下部連接，加載板與固定機械鎖止氣壓缸接觸點的上下表面處開設十字形溝槽，溝槽內(nèi)埋設推桿，推桿遠離固定機械鎖止氣壓缸的一端連接鎖止片；加載板下部與氣壓缸活塞對應位置與模型土體接觸的下表面安裝傾角傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，并使傳感器與加載板的下表面平齊；在氣壓缸的上部管路上依次安裝比例閥，限位器，電磁閥，穩(wěn)壓閥，分流閥；機械鎖止氣壓缸的上部管路上安裝常閉式兩位三通閥；氣壓缸的上部管路和機械鎖止氣壓缸的上部管路交匯并入壓力總管路，并由壓力總管路連接至穩(wěn)壓器和自動開關閥門通至壓力源；傾角傳感器、壓力傳感器、位移傳感器和穩(wěn)壓器通過控制器連接計算機；

步驟2：在模型箱與加載板十字溝槽的接觸處設置垂直的齒輪槽，齒輪槽內(nèi)設置齒輪；后在模型箱內(nèi)設置模型土體，將反力框架通過螺栓固定于模型箱的上部，然后將模型箱放置在振動臺臺面上，并放置在吊籃中；安裝完畢后對加載裝置進行調(diào)試；

步驟3：調(diào)整加載板與模型土體的加載前的接觸；通過計算機將模型土體表面的傾斜或水平狀況換算為加載板下表面傾角傳感器和氣壓缸的位移，控制器向氣壓缸發(fā)出指令調(diào)整氣壓缸的位移，加載板行進與模型土體接觸，壓力傳感器達到控制器設置接觸閾值之后，電磁閥關閉，限位器啟動，氣壓缸活塞停止行進位置鎖定；

步驟4：對模型土體施加上覆壓力；根據(jù)試驗要求將上覆壓力輸入計算機，控制器發(fā)出指令，電磁閥開啟，氣壓缸行進，加載板下表面的壓力傳感器實時反饋加載板施加給模型土體的上覆壓力，控制器在壓力傳感器測值達到設定值之后，發(fā)出信號，加載停止；

步驟5：上覆壓力施加結束之后，常閉式兩位三通閥觸發(fā)啟動，機械鎖止氣壓缸驅動活塞向下運動推動推桿，推桿另一端的鎖止片向前深入齒輪槽中，當機械鎖止氣壓缸活塞行進至設定值之后停止運動，加載板的位置經(jīng)機械鎖止裝置固定，裝置進入試驗就緒狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果如下：

（1）本發(fā)明的裝置既可以模擬建筑物（構筑物）的基底壓力，也可以模擬深厚覆蓋層上作用的上覆土體自重應力。同時，該裝置可以模擬地基土體的卸載過程，以及模擬由卸載引起的超固結土體的動力響應特性。應用于離心機振動臺試驗，不增加模型本身的重量，可在現(xiàn)有設備技術條件基礎上，有效增加離心機振動臺研究土層的深度，為進一步研究深部土體動力響應特征試驗提供重要的技術支撐。

（2）加載裝置裝配式設計，加載板的尺寸可以根據(jù)離心機振動臺模型箱的尺寸進行調(diào)整；

（3）壓力源可由離心機氣壓系統(tǒng)提供，不需要單獨設置外接壓力源，操作簡便；

（4）能夠通過布置在加載板上部的氣壓缸、比例閥、限位器、電磁閥等準確控制加載板的加載速率、姿態(tài)和加載板的位置，可以確保在振動臺試驗過程中上覆壓力加載的方向是按照試驗設定準確施加；

（5）機械鎖止裝置的設置保證了在離心機振動臺試驗過程中上覆加載壓力值不受試驗荷載擾動影響；

（6）氣壓缸活塞的行進量程可以根據(jù)具體的試驗要求進行調(diào)整，適用范圍廣泛。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1加卸載裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例1中氣壓缸和機械鎖止氣壓缸在模型箱壓蓋上表面的布置位置示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例1中氣壓缸示意圖以及氣壓缸管路上閥門位置示意圖；

圖4為本發(fā)明機械鎖鎖止裝置在加載板上布置示意圖；

圖中：1.模型箱，2.模型土體，3.反力框架，4.加載板，5.氣壓缸，51.氣壓缸活塞，52.氣壓缸活塞加壓頭，6.計算機，61.傾角傳感器，62.壓力傳感器，63.位移傳感器，64.控制器，7.氣壓缸上部管路，71.比例閥，72.限位器，73.電磁閥，74.穩(wěn)壓閥，75分流閥，8.壓力總管路，81.穩(wěn)壓器，82.自動開關閥門，9.機械鎖止氣壓缸，91.常閉式兩位三通閥，92.推桿，93.鎖止片，94.齒輪，95.齒輪槽。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖說明對本發(fā)明的技術方案做進一步說明。

實施例1

如圖1-4所示的超重力場振動臺試驗加卸載裝置，包括模型箱1、反力框架3加載裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和機械鎖止裝置；

所述加載裝置包括加載板4、氣壓缸5、氣壓缸上部管路7和壓力總管路8，壓力總管路8上設有穩(wěn)壓器；

所述數(shù)據(jù)采集裝置包括傾角傳感器61、壓力傳感器62、位移傳感器63、控制器64和計算機6；

所述機械鎖止裝置包括機械鎖止氣壓缸9、常閉式兩位三通閥、推桿、鎖止片、齒輪和齒輪槽；

所述反力框架3固定設置于模型箱1上部，由井字相交的鋁鍛件梁組成；所述鋁鍛件梁交匯處設置通孔，通孔內(nèi)固定設置氣壓缸5，氣壓缸5上設置排氣閥，每個氣壓缸5連接的上部管路7上依次設置電磁閥73、穩(wěn)壓閥74和分流閥75；反力框架3中心增設鍛件梁，用于固定機械鎖止氣壓缸9，增設的鍛件梁上設置通孔，機械鎖止氣壓缸9連接的上部管路7上設置常閉式兩位三通閥91；所述鍛件梁交匯處設置為圓盤形，圓盤上設置圓形通孔，圓形通孔周圍設置螺栓盲孔；氣壓缸活塞51向下豎直安裝在反力框架3預留通孔內(nèi)，氣壓缸5通過螺栓和通孔周圍的螺栓盲孔固定，氣壓缸活塞51下部的加壓頭52與加載板4的上表面通過銷釘以鉸接的方式連接；所述機械鎖止氣壓缸9與氣壓缸5以相同方式固定在增設的鍛件梁上；所述反力框架3通過高強螺栓安裝在模型箱1上部為氣壓缸5提供反力。每條上部管路7最后經(jīng)由壓力總管路8連接至穩(wěn)壓器81、自動開關閥門82和壓力源；

所述反力框架3的下表面與加載板4接觸，氣壓缸5和機械鎖止氣壓缸9穿過通孔固定于加載板4上表面；

所述加載板4下表面安裝傾角傳感器61、壓力傳感器62和位移傳感器63；

所述加載板4上表面與機械鎖止氣壓缸9接觸點處以及與所述上表面接觸點對應的加載板4下表面接觸點處開設十字形凹槽，十字形凹槽從機械鎖止氣壓缸9與加載板4上表面接觸點處延伸至模型箱1壁面；十字形凹槽內(nèi)埋設推桿92，推桿92與壁面接觸的一端連接鎖止片93；模型箱1內(nèi)壁與十字形凹槽四個接觸點處垂直開設齒輪槽95，齒輪槽95內(nèi)設置齒輪94；

所述計算機6采集傳感器數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)分析，并通過控制器監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，控制壓力加載的方向和大小。

本實施例的壓力源可由離心機氣壓系統(tǒng)提供或外接電動液壓泵，可以在在模型箱1中設置的模型土體2內(nèi)設置高頻動孔隙水壓力傳感器，用于監(jiān)測土體孔隙水壓力。

本實施例中，位移傳感器63選用lvdt位移傳感器。

實施例2

本實施例與實施例1的不同之處僅在于，還包括位置控制裝置，所述位置控制裝置包括比例閥71和限位器72；每個氣壓缸5連接的上部管路7上依次設置比例閥71、限位器72、電磁閥73、穩(wěn)壓閥74和分流閥75，后通過壓力總管路8連接至穩(wěn)壓器81和壓力源；位移傳感器63和比例閥71輸入端相連，比例閥71采集位移傳感器信號并將信號傳輸至控制器64，控制器通過電磁閥73、比例閥71和限位器72調(diào)節(jié)氣壓缸活塞51的位置。

實施例3

本實施例對本發(fā)明的加卸載方法作進一步描述。

本發(fā)明的超重力場振動臺加卸載方法具體包括如下步驟：

步驟1：將井字相交的鍛件梁作為反力框架3，在鍛件梁交匯處設置通孔，固定氣壓缸5，反力框架3中心增設鍛件梁，上設置通孔固定機械鎖止氣壓缸9；將加載板4與氣壓缸5活塞和機械鎖止氣壓缸9活塞的下部連接，加載板4與固定機械鎖止氣壓缸9接觸點的上下表面處開設十字形溝槽，溝槽內(nèi)埋設推桿92，推桿92遠離固定機械鎖止氣壓缸9的一端連接鎖止片93；在加載板4下部與氣壓缸5活塞對應位置與模型土體2接觸的下表面安裝傾角傳感器61、壓力傳感器62和位移傳感器63，并使傳感器與加載板4的下表面平齊；在氣壓缸5的上部管路7上依次安裝比例閥71，限位器72，電磁閥73，穩(wěn)壓閥74，分流閥75；機械鎖止氣壓缸9的上部管路7上安裝常閉式兩位三通閥91；氣壓缸5的上部管路和機械鎖止氣壓缸9的上部管路交匯并入壓力總管路8，并由壓力總管路8連接至穩(wěn)壓器81和自動開關閥門82通至壓力源；傾角傳感器61、壓力傳感器62、位移傳感器63和穩(wěn)壓器81通過控制器64連接計算機6；

步驟2：在模型箱1與加載板4十字溝槽的接觸處設置垂直的齒輪槽95，齒輪槽內(nèi)設置齒輪94；后在模型箱1內(nèi)設置模型土體2，將反力框架3通過螺栓固定于模型箱1的上部，然后將模型箱1放置在振動臺臺面上，并放置在吊籃中；安裝完畢后對加載裝置進行調(diào)試；

步驟3：調(diào)整加載板4與模型土體2的加載前的接觸；通過計算機6將模型土體2表面的傾斜或水平狀況換算為加載板4下表面傾角傳感器61和氣壓缸5的位移，控制器64向氣壓缸5發(fā)出指令調(diào)整氣壓缸5的位移，加載板4行進與模型土體2接觸，壓力傳感器62達到控制器64設置接觸閾值之后，電磁閥73關閉，限位器72啟動，氣壓缸5活塞停止行進位置鎖定；

步驟4：對模型土體2施加上覆壓力；根據(jù)試驗要求將上覆壓力輸入計算機，控制器64發(fā)出指令，電磁閥73開啟，氣壓缸5行進，加載板4下表面的壓力傳感器62實時反饋加載板4施加給模型土體2的上覆壓力，控制器64在壓力傳感器62測值達到設定值之后，發(fā)出信號，加載停止；

步驟5：上覆壓力施加結束之后，常閉式兩位三通閥91觸發(fā)啟動，機械鎖止氣壓缸9驅動活塞向下運動推動推桿92，推桿另一端的鎖止片93向前深入齒輪槽95中，當機械鎖止氣壓缸9活塞行進至設定值之后停止運動，加載板4的位置經(jīng)機械鎖止裝置固定，裝置進入試驗就緒狀態(tài)。