建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置的制作方法

1.本发明属于建筑技术领域，特别是建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置。


背景技术：

2.缩尺模型实验方法是针对建筑基础减振效果实验模拟的一种重要手段。工程应用中在进行建筑基础振动控制处理时，通常需要对建筑基础底板及侧壁均采取与传播途径隔离阻断的方式实现，如在建筑基础底板下方及地下室侧墙安装隔振垫等。
3.在针对建筑进行缩尺模型减振效果实验过程中，通常也需要针对建筑基础及侧壁实施相应的减振措施。工程中建筑基础的振动控制措施的设计需结合建筑模型基底压应力水平进行隔振系统固有频率的设计，进而细化隔振材料的相关参数，开展基底材料的安装；在进行侧垫选型时需结合实际建筑基础侧壁的侧向土压力荷载情况。建筑缩尺模型减振效果的实验研究中，需根据实际项目中的隔振系统固有频率及建筑基础侧壁的侧压力荷载情况结合缩尺实验模型的相似关系系数进行模型实验固有频率的确定及缩尺模型基础侧壁侧压力的确定。
4.通过调研分析发现，有部分学者也设计研究发明了具备模拟建筑基础及侧壁的压应力实验装置。其中有部分学者通过沙箱模型进行模拟，实验过程中通过在建筑缩尺模型地下室周围回填相关岩土介质，实现建筑基础侧壁岩土材料对地下室侧壁的侧压力施加。但是该方法中，实验箱的加工制作中振动传递介质全部为岩土介质，因此在开展多种实验工况中需对岩土介质进行反复的开挖，回填，夯实，实验过程周期较长，且该方法对夯实程度一致性要求较高。
5.此外，部分学者根据试验需求，设计开发了能够对建筑基础地下结构进行侧土压力模拟的试验装置，在建筑侧壁方向安装横向移动的平直推板，通过动力源对推板施加指定要求的横向推力进一步模拟建筑基础侧壁的侧向压力，侧向压力的施加水平结合实际土压力进行等效处理。该实验装置可以通过精确调整建筑基础侧向等效土压力，但无法体现建筑基础侧向土压力随着建筑埋深的增加而逐渐增大的特性，如附图图1所示，图中γ表示岩土介质的容重；k0表示侧压力系数；h表示岩土介质埋深。因此，该实验装置的对建筑基础侧壁区域靠近地表的约束力较大，对靠近基础位置的约束相对较小，在实验中势必会对建筑结构的振动情况产生额外的影响。
6.因此，如何解决通过横向移动平直推板对建筑基础侧壁施加的侧压力与实际情况不符，存在埋深较浅的位置施加的侧压力过大，埋深较深的位置施加的侧压力较小的问题，成为当前研究的关键问题。


技术实现要素：

7.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置，通过模拟岩土材料与实验模型的相互作用，有助于解决现实中通过横向移动平直推板对建筑基础侧壁施加的侧压力与实际情况不符、存在埋深较浅的位置施
加的侧压力过大、埋深较深的位置施加的侧压力较小等问题。
8.本发明实施例提供了建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置，包括：推力施加设备(1)和岩土侧土压力模拟设备(2)；
9.所述岩土侧土压力模拟设备(2)呈直角梯形；
10.所述岩土侧土压力模拟设备(2)的斜面用于抵接岩土材料；
11.所述推力施加设备(1)用于对所述岩土侧土压力模拟设备(2)的直角面施加推力，使所述岩土侧土压力模拟设备(2)与岩土材料紧密接触。
12.进一步地，所述岩土材料位于建筑模型地下室侧墙与所述岩土侧土压力模拟设备(2)之间。
13.进一步地，所述岩土侧土压力模拟设备(2)包括约束箱(21)、调压气囊(22)和直接作用板(23)；
14.所述约束箱(21)内设有多个横向隔板，每个横向隔板上均设有所述调压气囊(22)；
15.所述约束箱(21)的开口一侧的上端与所述直接作用板(23)铰链连接；所述直接作用板(23)用于抵接岩土材料。
16.进一步地，每个所述横向隔板上调压气囊的初始长度均比上一个横向隔板上调压气囊的初始长度长预设尺寸。
17.进一步地，所述约束箱(21)的开口一侧的上端通过约束轴(24)与所述直接作用板(23)铰链连接。
18.进一步地，所述直接作用板(23)由多个板状结构铰链连接而成。
19.进一步地，所述约束箱(21)的上下两侧均安装有一对固定滑轨(25)；所述约束箱(21)与所述固定滑轨(25)滑动连接；
20.所述推力施加设备(1)在所述约束箱(21)的开口另一侧施加推力后，所述约束箱(21)在所述固定滑轨(25)上横向滑动。
21.进一步地，所述约束箱(21)通过约束耳环(26)与所述固定滑轨(25)滑动连接。
22.与现有技术相比，本发明记载的建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置，具有如下有益效果：
23.本发明应用于存在地下室结构的缩尺模型试验箱，通过建筑四周填埋少量岩土。通过推力施加设备横向推动岩土侧土压力模拟设备实现建筑该方向侧土对建筑基础的水平向约束；通过精确调整推力施加设备的横向推力实现侧土压力的模拟。
24.本发明可根据常用的岩土侧土压力参数确定设置最上部与最下面的高精度调压气囊的长度差，直接模拟真实的侧向土压力分布情况。此外，基于本发明实验装置针对特殊的三角形土压力分布特点，可通过精确调整气囊被压缩后各气囊的压力，实现特殊岩土的三角形岩土压力。进而实现不同岩土三角形土压力的精确模拟(本发明实施例中，岩土侧土压力模拟设备的横截面是梯形的，其在工作中施加的横向土压力是模拟的岩土侧向土压力，实际生活中建筑地下室基础侧墙的侧压力为三角形分布特点)。
25.本发明中通过设置不同调压气囊受压前的初始长度，进而实现气囊受压后不同深度位置气囊的压力，最终实现直接作用板在不同深度位置处对外施加不同的压力，实现随深度变化的不同侧压力施加。
26.本发明中可任意更换直接作用板与地下室结构间的部分岩土材料，从而快速实现不同岩土材料的模拟，解决了传统实验中反复大量开挖岩土的问题。
27.传统缩尺模型试验箱采用全岩土介质对建筑地下结构四周措施施加侧压力，侧压力大小取决于实验者对岩土的夯实的丰富经验；而本发明中通过调整高精度推力施加机构即可实现土压力模拟机构横向移动，可快速实现侧土压力的施加与卸载，节省了聘请专业岩土实验工作人员的相关费用，并提升了实验效率。
28.本发明仅需要在直接作用板与建筑模型地下室侧墙位置少量填埋部分岩土材料，实现真实岩土摩擦系数模拟。
29.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
30.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
31.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
32.图1为现有相关技术提供的侧向静土压力分布示意图。
33.图2为本发明实施例提供的侧向静土压力分布示意图。
34.图3为本发明实施例提供的建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置结构示意图。
35.图4为本发明实施例提供的载荷施加前结构示意图。
36.图5为本发明实施例提供的载荷施加后结构示意图。
37.图6为本发明实施例提供的载荷施加前原理示意图。
38.图7为本发明实施例提供的载荷施加后原理示意图。
具体实施方式
39.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
40.本发明实施例中，为让建筑结构侧向土压力结合实际情况进行精确模拟，设定建筑模型地下室侧墙为竖直墙面，且建筑模型地下室侧墙与侧向岩土材料之间呈现静平衡状态。岩土材料静土压力计算公式表示为：
41.垂向力：e＝γh
42.水平力：e0＝γk0h
43.其中，γ表示岩土材料的容重；k0表示侧压力系数；h表示岩土材料埋深；
44.结合上述岩土材料静土压力计算公式得，建筑结构侧土压力随着结构埋深的增加而增大。具体分布情况如图2所示。结合该分布图，土压力角表示为：
45.46.结合建筑侧壁的侧向静土压力分布情况，本发明实施例提供了一种建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置，如图3所示，该装置包括推力施加设备1和岩土侧土压力模拟设备2；其中，岩土侧土压力模拟设备2呈直角梯形；岩土侧土压力模拟设备2的斜面用于抵接岩土材料；该岩土材料位于建筑模型地下室侧墙与岩土侧土压力模拟设备2之间；当推力施加设备1对岩土侧土压力模拟设备2的直角面施加推力后，可以使岩土侧土压力模拟设备2与岩土材料紧密接触，该具体施加的推力可以精确控制。
47.上述岩土侧土压力模拟设备2包括约束箱21、调压气囊22和直接作用板23；其中：
48.约束箱21内设有多个横向隔板，每个横向隔板上均设有调压气囊22；每个横向隔板上调压气囊的初始长度均比上一个横向隔板上调压气囊的初始长度长预设尺寸，最终这多个调压气囊呈现出一个斜面；在本发明实施例中，共设有5个横向隔板，每个横向隔板上均设有调压气囊，从下到上依次记作气囊1、气囊2、气囊3、气囊4和气囊5；其中，气囊1的长度与约束箱的长度一致，后续的每个气囊均比上一个气囊长预设尺寸，使最后5个气囊所呈现出来的形状刚好是直角梯形的斜边，即岩土侧土压力模拟设备2的斜面；
49.约束箱21的开口一侧(即图3中约束箱的左侧)的上端与直接作用板23铰链连接；该直接作用板23用于抵接岩土材料。在本发明实施例中，约束箱21的开口一侧的上端通过约束轴24与直接作用板23铰链连接；直接作用板23由多个板状结构铰链连接而成，板状结构的数量和气囊的数量一致，且每个板状结构均对应一个气囊；基于此，每个气囊的力作用于对应的板状结构上，可以确保气囊压力可直接通过板状结构传递至岩土结构上，不受临近气囊压力的影响；
50.上述岩土材料所指的是大地的不同名称土壤、岩石等岩土结构；包括杂填土、粘土、粉土、砂、卵石、泥岩等，不同地区由于地质条件不同，因此所选择的岩土材料也会存在差异。
51.约束箱21的上下两侧均安装有一对固定滑轨25；约束箱21与固定滑轨25滑动连接；在本发明实施例中，约束箱21通过约束耳环26与固定滑轨25滑动连接；当推力施加设备1在约束箱21的开口另一侧(即图3中约束箱的右侧)施加推力后，约束箱21通过约束耳环26在固定滑轨25上横向滑动，使所述岩土侧土压力模拟设备2逐渐与岩土材料紧密接触。
52.本发明实施例中，通过高精度推力施加设备横向推动约束箱横向移动，使铰链式直接作用板23与地下室侧墙或岩土材料直接接触。在该过程中，多个相同横截面不同长度的封闭调压气囊受到横向的挤压后推动直接作用板；参见图4所示，气囊1～气囊n随着初始气囊长度的减小，承受的压力也逐渐减小，实现不同埋深位置不同的侧土压力的施加，施加推理后装置的最终状态参见图5所示。通过在推板与建筑模型地下室之间安装不同性质的岩土材料，进而模拟真实的岩土与实验模型的相互作用。调压气囊在推动直接作用板的过程中，直接作用板受压顺着约束轴转动，逐渐与岩土材料紧密接触。
53.接下来对本发明实施例所提供的建筑基础外墙侧向土压力模拟施加装置的工作原理进行说明：
54.本发明实施例中侧向荷载施加装置采用相同横截面s，不同长度的密封腔体作为主要侧压力调节装置(即调压气囊)。在腔体内填充相同初始压力p0的气体。通过外力作用推动横向移动整体施加装置，水平移动调整直接作用板与实验对象的位置关系，实现调整直接作用板与建筑模型地下室侧墙的接触程度，实现不同岩土材料下侧向土压力大小的模
拟。相关原理图参见图6和图7所示。
55.高精度调压气囊受压过程相对缓慢，受压缩前后气体温度变化可忽略不计。根据理想气体状态方程设计各高精度调压气囊初始状态横向长度。距离设计过程如下：
56.理想气体状态方程表示为：
57.pv＝nrt
58.p表示理想气体的压强；v表示理想气体的体积；n表示气体物质的量；t表示理想气体的热力学温度；r表示理想气体常数。
59.由于各个气囊为封闭状态，气囊受挤压前后气体无泄漏。由于施加过程缓慢，气体温度变化可忽略不计。即：
60.p
0v0
＝p
1v1
61.p0表示气囊初始状态内部气体压强；v0表示气囊初始状态内部气体体积；p1表示气囊受压缩后稳定状态内部气体压强；v1表示气囊受压缩后稳定状态内部气体体积；
62.实验装置的各气囊横截面相同均为s，且气囊处于截面相同的隔舱内，各隔舱长度存在差异，即挤压前后的腔体横截面无变化。因此，实验装置荷载施加前后以上公式可简化为：
63.p0l0＝p1l164.p0表示气囊初始状态内部气体压强；l0表示气囊初始状态总长度；p1表示气囊受压缩后稳定状态内部气体压强；l1表示气囊受压缩后稳定状态总长度；
65.在实验装置完美模拟建筑基础侧向土压力时，地下室侧土压力最大值与最下方气囊1压力一致。即：
66.kp1＝e067.k表示实验条件与实际真实情况的相似关系系数；p1表示气囊受压缩后稳定状态内部气体压强；e0表示埋深h处地下室水平向土压力；
68.推导整理得：
[0069][0070]
在实验装置完美模拟建筑实际侧土压力时，真实侧向土压力斜面倾角与岩土岩土压力模拟装置中直接作用板与水平方向的夹角一致，即θ＝α；
[0071]
θ表示真实侧向土压力斜边与水平面的夹角(参见附图图2)；α岩土岩土压力模拟装置中直接作用板与水平方向的夹角(参见附图图6)；
[0072]
进行推导：
[0073][0074][0075]
即：
[0076]
[0077]
其中，δl＝l
0-l1；即δl＝hk0；h表示约束箱高度(即岩土侧土压力模拟设备高度)。
[0078]
本发明通过理论计算推导，获得了模拟实验装置在完全能够模拟真实岩土静土侧压力分布特点的情况下。实验装置的上下气囊长度差应符合δl(δl＝hk0)要求。根据常用的岩土参数可设置最上部与最下面的高精度调压气囊的长度差。除此之外，各气囊初始压力应符合p0要求。
[0079]
本发明实施例淘汰了原有的简单粗暴的均匀荷载的施加方式，更换为能够实现针对不同埋深，调整不同横向约束力大小的横向力施加装置。结合岩土横向土压力特点，埋深越深，横向土压力越大，通过调整整个横向挡板的横向荷载施加水平进行任意横向土压力模拟，精确调压之余也优化了试验流程，加快了实验的进度。避免了反复开挖的流程，并节省了岩土介质配置的成本及技术难度。
[0080]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。