专利名称：均布荷载下差异材料界面试验装置及光弹试验方法
均布荷载下差异材料界面试验装置及光弹试验方法技术领域
本发明属于地基与基础工程试验研究领域，具体涉及对模拟在差异地基土体特性材料均布荷载下边界层附加应力的传递机理及变形分析的一种光弹模型试验装置及方法。
背景技术：
根据国务院《中长期铁路网规划》，到2020年我国铁路将修建“四纵四横，，铁路快速客运通道以及环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区三个城际客运系统，建设客运专线1.6万km以上。此外，为提升铁路货运运输能力，在“十一五”期间，我国已实现全国铁路2. 8万km重载运输网络。提速、高速和重载已成为我国铁路交通的新特点并作为国家重大发展战略列入我国铁路发展计划之中，而在这些工程中很大一部分将面临软弱地基土问题。通过对既有铁路运营情况的调研工作表明软弱地基土层性质突变区域路基的不均勻沉降导致的线路运行状态恶化现象普遍存在。对路基不均勻沉降的控制已成为我国铁路建设的核心问题和难点。
如何更准确地计算地基沉降(尤其是不均勻沉降)是地基与基础工程中迫切需要解决的课题，而地基内附加应力的计算问题是地基沉降计算的关键问题之一。只有清楚地了解地基内附加应力的分布情况及传递机理，才有可能较准确地进行地基沉降计算。
作为地基土体介质，一方面既具有连续性的特征；另一方面也具有颗粒材料的散体特征。连续性特征和散体特征在一定条件下可以相互转换，但机理极其复杂。现有的地基附加应力及沉降计算理论基于连续介质力学理论对水平分层情况研究的相对较多，但结合颗粒材料散粒体力学理论对不同结构物、不同地基处理形式、不同地基性质等条件下在竖向界面层的附加应力分布与传递情况、地基沉降(变形)计算鲜有研究，尤其是针对在路提荷载作用下的地基不均勻沉降的力学机理缺乏了解，仅有定性的认识，所以现阶段尚无路基不均勻沉降的附加应力及沉降计算方法。因此，根据实际工程的需要为研究均布荷载下地基土体竖向界面层附加应力传递机理与规律，设计了新的试验装置及方法。发明内容
为满足不同荷载不同材料间附加应力传递机理和规律的试验要求，本发明提供了一种均布荷载下下差异材料界面试验装置及光弹试验方法，其通过光弹试验进行应力场与位移场的同步测量。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是
—种均布荷载下下差异材料界面试验装置，其包括试验平台、模型箱装置和加载系统，模型箱装置于试验平台，且模型箱装置与试验平台均为水平放置，加载系统安装于试验平台上部对模型箱装置加卸载均布荷载。
所述试验平台包括底座平台、顶座平台和支撑螺杆，底座平台和顶座平台平行设置，并通过支撑螺杆连接；底座平台和顶座平台上均设有调平水准气泡装置，且试验顶座平台上的调平水准气泡装置向下投影后与试验底座平台上的调平水准气泡装置重合。
所述加载系统包括活动加载装置和荷载装置，活动加载装置包括荷载传递杆导向套管、荷载传递导杆、导杆顶座、点接触荷载传递杆，荷载传递杆导向套管固定于试验平台的上部，荷载传递杆穿过荷载传递杆导向套管，且荷载传递杆与荷载传递杆导向套管之间嵌有点接触导向球；荷载传递杆的一端与导杆顶座相连，另一端与点接触荷载传递杆相连； 荷载装置包括连续加卸载荷载装置和等荷载非连续加卸载荷载装置，通过导杆顶座加卸载。
所述导杆顶座上设有软调平垫层，软调平垫层上设有调平垫层支撑顶座，两个导杆顶座中心连线的中点和软调平垫层支撑顶座的中心、软调平垫层的中心这三个点在同一条竖直线上。
所述活动加载装置为2套。
所述模型箱装置包括试验模型箱装置底座、后固定可透视面板、中固定可透视隔板、前可拆卸透视面板和模型材料，后固定可透视面板固定于试验模型箱装置底座上，其前方通过连接件依次连接固定有中固定可透视面板、前固定可透视面板构成模型箱；试验模型箱装置底座上靠近前可拆卸透视面板处设有调平水准气泡装置；模型材料置于该模型箱内，模型材料上铺设均布荷载细颗粒垫层，均布荷载细颗粒垫层上设有下均化荷载硬质条块，下均化荷载硬质条块上设有上均化荷载硬质条块，且模型材料的中心设有十字光标；前可拆卸透视面板的四个角点设有参考比例基点。
所述模型材料包括矩形或六边形材料。
一种光弹试验方法，采用上述装置，其包括以下步骤
1)将不同性质的模型材料布置十字光标，根据试验要求的间距将试验平台搭建于光弹试验仪前、后偏光镜之间，并将试验平台调平；
2)构建模型箱装置，将满足试验要求加工的不同性质的模型材料置于模型箱装置内，微调模型箱装置，使其与试验平台位于一个水平基准面上；
3)根据试验要求选择加卸载类型及量值，导杆顶座半径大小及厚度，点或矩形荷载及尺寸，将加载系统的活动加载装置安装于试验平台上部；
4)确定加卸载类型和量值及与模型材料的接触方式和接触位置，将符合试验要求的加卸载类型和量值施加于活动加载装置上；
5)通过非接触光电设备采集试验数据，通过对模型材料光标读取试验过程中模型材料受荷载后变形、偏转情况，并通过参考比例基点换算出实际情况来进行后续试验数据的处理与分析。
进一步，若需研究不同的模型材料接触方式和接触位置、加卸载类型和量值对试验结果的影响，重复步骤3)-5)。
所述模型材料为光弹材料，根据不同试验要求选定，根据尺寸大小模拟不同的土体性质，其按照试验尺寸要求冲切后，保证其洁净状态并在观测一面布置十字光标。
所述步骤幻的处理分析是指在图像解析时，通过观测十字光标的位移大小和转角大小，换算出模型材料实际的应力和应变值大小。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点可实时获取在均布荷载作用下模型材料内部尤其是两差异材料边界面的应力传递与变形数据，为相应的理论与实际工程研究提供准确的试验数据，该试验系统结构简单，易于操作，重复性强，数据准确，试验效果好。
图1是本发明试验装置的结构示意图。
图2是本发明中试验平台及加载系统的结构示意图。
图3是沿图2中A-A剖面线的剖面示意图。
图4是沿图2中B-B剖面线的剖面示意图。
图5是本发明中两种加卸载荷载装置的结构示意图。
图6是本发明中模型箱装置的结构示意图。
图7是沿图6中C-C剖面线的剖面示意图。
图8是沿图6中D-D剖面线的剖面示意图。
图9是本发明的光弹试验的工作流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明，以便于同行业技术人员的理解
本发明试验装置包括试验平台、加载系统和模型箱装置如图1所示，模型箱装置放置于试验平台上；加载系统置于试验平台上部，对模型箱装置进行垂直施压。
其中，试验平台包括试验底座平台1、试验支撑螺杆2、固定螺母3、试验顶座平台 4、调平水准气泡装置5，如图1-4所述，试验支撑螺杆2分别穿入试验底座平台1和试验顶座平台4，试验底座平台1和试验顶座平台4平行，通过固定螺母3分别将试验底座平台1 和试验支撑螺杆2、试验顶座平台1和试验支撑螺杆2进行固定连接；试验顶座平台4和试验底座平台1上分别设有调平水准气泡装置5，且试验顶座平台4上的调平水准气泡装置5 向下投影后与下部试验底座平台1上的调平水准气泡装置5重合，通过观测调平水准气泡装置5并调节固定螺母3，可以确保试验平台处于水平状态，从而确保试验平台上的模型箱装置也处于水平状态，而加载系统则处于垂直状态。
加载系统包括荷载传递杆导向套管6、点接触导向球7、荷载传递导杆8、导杆顶座 9、连接螺栓10、软调平垫层11、调平垫层支撑顶座12、点接触荷载传递杆13、上均化荷载硬质条块14、下均化荷载硬质条块15、均布荷载细颗粒垫层16、连续加卸载荷载装置17和等荷载非连续加卸载荷载装置18。如图1-5所示，荷载传递杆导向套管6穿过试验顶座平台 4，并与试验顶座平台4垂直并固定连接；荷载传递导杆8穿过荷载传递杆导向套管6，且荷载传递导杆8和荷载传递杆导向套管6之间嵌有点接触导向球7，点接触导向球7的作用是为确�：稍卮莸几�8向下移动时，接触到点接触导向球7，带动点接触导向球7发生同步转动，而不直接与荷载传递杆导向套管6内壁摩擦，确保被施加荷载的荷载传递导杆8不受到向上摩擦阻力的影响。荷载传递导杆8 —端通过连接螺栓10与导杆顶座9相连，另一端与模拟点接触的点接触荷载传递杆13固定连接。导杆顶座9主要为给连续加卸载荷载装置17或等荷载非连续加卸载荷载装置18提供稳定的支撑平台。荷载传递导杆8可以根据需求选定其数量，在本实施例中选用2个荷载传递导杆8。两个导杆顶座9上部铺设软调平垫层11，两者固定连接；软调平垫层11上部铺设调平垫层支撑顶座12，两者固定连接；安装时保证两个导杆顶座9中心连线的中点和软调平垫层支撑顶座12的中心、软调平垫层11的中心这三个点在同一条竖直线上；为确保施加荷载时，模型材料25能够承受均布荷载， 在不同性质的模型材料25均勻铺设均布荷载细颗粒垫层16，均布荷载细颗粒垫层16上部安装下均化荷载硬质条块15，在下均化荷载硬质条块15上部安装上均化荷载硬质条块14， 在导杆顶座9上施加的荷载同步传递到两根荷载传递导杆8、点接触荷载传递杆13后，再通过上均化荷载硬质条块14、下均化荷载硬质条块15和均布荷载细颗粒垫层16将荷载均勻作用到不同性质的模型材料25上。导杆顶座9通过将连续加卸载荷载装置17和等荷载非连续加卸载荷载装置18在导杆顶座9上放置和取下的操作分别来模拟连续加卸载和等荷载非连续加、卸载荷载。
模型箱装置包括试验模型箱装置底座19、后固定可透视面板20、中固定可透视隔板21、调平水准气泡装置5、前可拆卸透视面板22、长连接螺栓23、参考比例基点M、模型材料25、模型材料颗粒的十字光标沈。如图1、图6-8所示，后固定可透视面板20与试验模型箱装置底座19固定连接；前可拆卸透视面板22与中固定可透视隔板21、后固定可透视面板20通过长连接螺栓进行连接，中固定可透视隔板21水平向侧面分别紧贴前可拆卸透视面板22、后固定可透视面板20，且中固定可透视隔板21下部紧贴试验模型箱装置底座19 ； 参考比例基点M设置在前可拆卸透视面板22四个角点附近；不同性质的模型材料25可以矩形或六边形材料构成，模型材料25中心设置十字光标沈；模型材料25放置于由试验模型箱装置底座19、后固定可透视面板20、中固定可透视隔板21和前可拆卸透视面板22组成的模型箱内部；在靠近前可拆卸透视面板22的试验模型箱装置底座19上设有调平水准气泡装置5。
现有的光弹试验从前到后的设备包括反光镜、光源、准光镜、起偏镜、1/4波片、模型、1/4波片、检偏镜、成像透镜和屏幕等标准设备组成，由于现有的光弹试验中的模型装置部分不能够满足实时获取模型材料内部尤其是两差异材料边界面的应力传递与变形数据的要求，本发明的试验装置可以代替现有光弹试验中的模型装置部分，并借助现有光弹试验中的反光镜、光源、准光镜、起偏镜、1/4波片、检偏镜、成像透镜和屏幕等已有的标准设备配合完成试验。
图9为上述试验系统装置的光弹试验的工作流程，采用上述试验系统对均布荷载下差异材料边界面应力及变形情况的试验方法为
步骤一，不同性质的模型材料25为光弹材料(可根据不同试验要求选购)，能通过改变根据尺寸大小模拟不同的土体性质，其按照试验尺寸要求冲切后，保证其洁净状态并在观测一面布置十字光标26。
步骤二，按照试验要求架构并调整模型试验平台，使得试验底座平台1及试验顶座平台4的在一个水准平面内；并根据试验要求的间距将试验底座平台搭在光弹试验仪前、后偏光镜间，前、后偏光镜与试验底座平台的间距根据试验要求可进行调整。
步骤三，即将满足试验要求加工的不同性质的模型材料25并布置十字光标沈后放入由试验模型箱装置底座19、后固定可透视面板20、中固定可透视面板21和前可拆卸透视面板22构成的试验舱室内，前可拆卸透视面板22、中固定可透视隔板21、、后固定可透视面板20固定连接，中固定可透视隔板21夹于前可拆卸透视面板22和后固定可透视面板20 之间。通过微调试验模型箱装置底座19，根据调平水准气泡装置5保证模型箱与试验底座平台1在一个水平基准面上。
步骤四，根据试验的具体要求选择加卸载类型17或18及量值，在两导杆顶座9上设置软调平垫层11和调平垫层支撑顶座12来调整荷载传递过程中的均勻性，加载系统待试验平台安装完毕、模型箱装置组装完毕并放置于试验平台后，进行组装荷载传递导杆8、 导杆顶座9、连接螺栓10、软调平垫层11、调平垫层支撑顶座12、点接触荷载传递杆13，待前述加载系统的部件组合完毕后，在试验过程中根据试验要求选择合适的加卸载类型和量值。荷载传递导杆8与试验模型接触面主要有为模拟均布接触的上均化荷载硬质条块14， 下均化荷载硬质条块15和均布荷载细颗粒垫层16构成，均布荷载细颗粒垫层16、下均化荷载硬质条块15和上均化荷载硬质条块14是从下到上依次叠放。荷载传递导杆8主要通过荷载传递导向套管6中通过两组点接触导向球7控制方向并减少摩擦力后向模型材料施加荷载。
步骤五，将连续加卸载装置17或等荷载非连续加卸载装置18放置于导杆顶座上带动荷载传递导杆竖直向下移动来实现连续加载或非连续加载，试验前确定加卸载类型和量值及与模型材料的接触方式和接触位置，试验数据(包括十字光标26的位移大小和转角大小)通过非接触光电设备采集，通过对模型材料光标沈来读取试验过程中模型材料受荷载后变形，偏转等情况，并通过设置在前可拆卸透视面板22两侧的参考比例基点M换算出实际情况来进行后续试验数据的处理与分析，即在图像解析时，通过观测光标沈的位移大小和转角大�。凰愠瞿Ｐ筒牧鲜导实挠α陀Ρ渲荡笮�。若需研究不同的模型材料21 接触方式和接触位置、加卸载类型和量值对试验结果的影响，需重复步骤四、五。
该试验装置可实时获取均布荷载形式，不同荷载水平下，不同边界条件等参数下差异材料(连续介质材料与不同组构、形状散粒体材料)的界面层范围内的附加应力场及位移场的数据，为附加应力传递的机理与计算及进一步的地基沉降计算提供准确的分析数据。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于其包括试验平台、模型箱装置和加载系统，模型箱装置于试验平台，且模型箱装置与试验平台均为水平放置，加载系统安装于试验平台上部对模型箱装置加卸载均布荷载。
2.如权利要求1所述的均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于所述试验平台包括底座平台、顶座平台和支撑螺杆，底座平台和顶座平台平行设置，并通过支撑螺杆连接；底座平台和顶座平台上均设有调平水准气泡装置，且试验顶座平台上的调平水准气泡装置向下投影后与试验底座平台上的调平水准气泡装置重合。
3.如权利要求1所述的均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于所述加载系统包括活动加载装置和荷载装置，活动加载装置包括荷载传递杆导向套管、荷载传递导杆、导杆顶座、点接触荷载传递杆，荷载传递杆导向套管固定于试验平台的上部，荷载传递杆穿过荷载传递杆导向套管，且荷载传递杆与荷载传递杆导向套管之间嵌有点接触导向球；荷载传递杆的一端与导杆顶座相连，另一端与点接触荷载传递杆相连；荷载装置包括连续加卸载荷载装置和等荷载非连续加卸载荷载装置，通过导杆顶座加卸载。
4.如权利要求3所述的均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于所述导杆顶座上设有软调平垫层，软调平垫层上设有调平垫层支撑顶座，两个导杆顶座中心连线的中点和软调平垫层支撑顶座的中心、软调平垫层的中心这三个点在同一条竖直线上。
5.如权利要求3或4所述的均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于所述活动加载装置为2套。
6.如权利要求1所述的均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于所述模型箱装置包括试验模型箱装置底座、后固定可透视面板、中固定可透视隔板、前可拆卸透视面板和模型材料，后固定可透视面板固定于试验模型箱装置底座上，其前方通过连接件依次连接固定有中固定可透视面板、前固定可透视面板构成模型箱；试验模型箱装置底座上靠近前可拆卸透视面板处设有调平水准气泡装置；模型材料置于该模型箱内，模型材料上铺设均布荷载细颗粒垫层，均布荷载细颗粒垫层上设有下均化荷载硬质条块，下均化荷载硬质条块上设有上均化荷载硬质条块，且模型材料的中心设有十字光标；前可拆卸透视面板的四个角点设有参考比例基点。
7.如权利要求1所述的均布荷载下下差异材料界面试验装置，其特征在于所述模型材料包括矩形或六边形材料。
8.一种光弹试验方法，采用权利要求1-7任一项所述的装置，其包括以下步骤1)将不同性质的模型材料布置十字光标，根据试验要求的间距将试验平台搭建于光弹试验仪前、后偏光镜之间，并将试验平台调平；2)构建模型箱装置，将满足试验要求加工的不同性质的模型材料置于模型箱装置内， 微调模型箱装置，使其与试验平台位于一个水平基准面上；3)根据试验要求选择加卸载类型及量值，导杆顶座半径大小及厚度，点或矩形荷载及尺寸，将加载系统的活动加载装置安装于试验平台上部；4)确定加卸载类型和量值及与模型材料的接触方式和接触位置，将符合试验要求的加卸载类型和量值施加于活动加载装置上；5)通过非接触光电设备采集试验数据，通过对模型材料光标读取试验过程中模型材料受荷载后变形、偏转情况，并通过参考比例基点换算出实际情况来进行后续试验数据的处理与分析。
9.如权利要求8所述的光弹试验方法，其特征在于若需研究不同的模型材料接触方式和接触位置、加卸载类型和量值对试验结果的影响，重复步骤；3)-5)。
10.如权利要求8所述的光弹试验方法，其特征在于所述模型材料为光弹材料，根据不同试验要求选定，根据尺寸大小模拟不同的土体性质，其按照试验尺寸要求冲切后，保证其洁净状态并在观测一面布置十字光标。
11.如权利要求8所述的光弹试验方法，其特征在于所述步骤幻的处理分析是指在图像解析时，通过观测十字光标的位移大小和转角大�。凰愠瞿Ｐ筒牧鲜导实挠α陀Ρ渲荡笮�。
全文摘要
本发明公开了一种均布荷载下下差异材料界面试验装置及光弹试验方法，该试验装置包括试验平台、模型箱装置和加载系统，模型箱装置于试验平台，且模型箱装置与试验平台均为水平放置，加载系统安装于试验平台上部对模型箱装置加卸均布荷载。该光弹试验方法采用前述装置，按照试验要求架构并调整模型试验平台，加工模型材料且布置十字光标后安装并调整试验模型箱装置，选择并调整荷载加载系统。通过非接触光电数据采集系统并结合参考比例基点对试验数据进行后处理。本发明实时获取模型材料内部尤其是两差异材料边界面的应力传递与变形数据，为理论与实际工程研究提供准确的试验数据，其结构简单，易于操作，重复性强，数据准确，试验效果好。
文档编号G01L1/24GK102494815SQ20111034873
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年11月7日
发明者代仁平, 周顺华, 季昌, 王炳龙, 王长丹 申请人:同济大学
专业数控铣床产品供应商
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