本發(fā)明屬于巖土工程模型試驗工況模擬領域，涉及復雜堆載情況下形成的不規(guī)則土表壓力模擬裝置。

技術背景

土表堆載作用是工程中常見的一種由重力產生的豎向荷載作用形式，可由臨時的重物堆積產生，例如施工工地中大量建筑材料的堆積；也可能由永久的重物堆積產生，例如碼頭工程中的堆場設置，道路工程中的高路堤。這種土表的堆積產生的土表壓力會對臨近結構物產生明顯的不良作用，特別是在軟土地區(qū)，能夠造成結構物不均勻沉降，發(fā)生傾斜，直至傾覆。在土表堆載對地下結構作用的研究中，室內模型試驗是一種公認的、代價較小、易于控制的研究方法。但是如何有效、真實的模擬土表堆載作用是目前研究工作中主要難題之一。

模型試驗中土表堆載的模擬主要涉及堆載壓力平面分布不規(guī)則、不均勻以及高堆載壓力兩方面問題。第一，實際工程中，土表堆載多非大面積規(guī)則分布，例如最常見的土表邊載作用，土表堆載分布在結構物的一側。更復雜的情況則是壓力值不均勻的局部堆載，例如不規(guī)則堆場中重物堆積形成的中間大、周邊小的壓力平面分布不規(guī)則、不均勻的堆載作用。由于對實際工程進行了縮尺處理，模型試驗中這種復雜的堆積荷載很難直接用實物堆載進行精確模擬。第二，實際工程中重物堆載往往具有較大的堆積高度，由此形成巨大的堆載壓力值。在模型試驗中如果采用常規(guī)的材料（砂、石，金屬粉）堆積模擬土表壓力，則需要較大的材料堆積高度，這也給試驗帶來安裝困難與安全隱患，同時也限制了復雜平面分布形式堆載作用的模擬。

為了能在模型試驗中更精確的模擬土表復雜分布形式的堆載作用，并形成顯著的土表堆載壓力值，開發(fā)一種適用于模型試驗的土表堆載模擬裝置至關重要。該裝置的運用預計可以提高模型試驗的工作效率和模擬精度。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明所解決的技術問題是巖土工程模型試驗中土表復雜堆載作用的高效模擬，提供一種土表堆載的模擬裝置，該裝置通過組件間相互鎖扣、組合成所需的土表堆載平面分布形式，并且能夠形成較大堆載壓力值。

技術方案：為了解決上述技術問題，本發(fā)明公開了一種模擬土表復雜堆載作用的裝置，設于模型試驗箱內，裝置底部設置于土表，裝置邊緣與試驗箱固定連接，裝置是由模塊化的組件相互鎖扣形成的整體結構，所述模塊化的組件是由組件頂蓋、組件上段、組件下段和底板依次連接形成的方筒形氣壓伸縮腔。

具體地，在組件上段頂部設有平衡梁，平衡梁上安裝有激光位移傳感器，所述組件頂蓋的中部設有光學玻璃，底板上設有立柱和頂盤，所述激光位移傳感器、光學玻璃與頂盤處于同一直線上。通過激光位移傳感器對頂盤的沉降進行監(jiān)測，用于反映底板的位移量。

具體地，所述組件上段的上部設置有氣道以及線纜開孔，氣道通過高壓氣管連接于高壓空氣泵，所述底板與土體接觸側設有壓力傳感器，所述線纜連接壓力傳感器與采集儀，在線纜開孔處設有密封塞。確保組件的氣密性，并在組件上段的頂部設有用于連接固定臂的固定孔。

具體地，所述組件下段的頂部與組件上段的底部相連，且連接處設置有沿組件內壁分布的三角形加強撐，加強撐與組件內部的襯板接觸，所述組件下段的外側與組件上段的凹臂內側平齊。可以保證組件相互鎖扣后組件下段的外側緊貼，所述凹臂的底部有水平擋板。

具體地，所述底板的上部邊緣連接有可進行縱向伸縮的伸縮段，伸縮段位于加強撐下部且上端連接襯板，襯板通過襯板螺栓與組件上段的內壁連接，襯板緊貼組件上段的底部內側且?guī)в幸欢ǖ膬劝蓟《?。可保證上緊襯板螺栓后組件內部的氣密性。

具體地，所述模塊化組件的外側壁上具有用于相互鎖扣連接成整體的凹臂和凸臂，所述裝置邊緣的組件通過固定臂連接試驗箱外壁。

本發(fā)明同時提供一種模擬土表復雜堆載作用的方法，在模型試驗箱內安裝上述裝置，高壓空氣泵產生的氣壓帶動底板豎向沉降，組件內氣壓由組件頂蓋處的壓力表監(jiān)測，實際作用于土表的底板處壓力值由壓力傳感器獲取，通過調節(jié)不同位置組件的壓力值及沉降值，實現(xiàn)復雜分布形式的堆載作用模擬。

使用時，通過組件上段的外側凹臂與另一個組件上段的外側凸臂鎖扣形成整體結構，整體結構底部設置于土表且通過邊緣位置組件的固定臂固定于試驗箱外壁確保整體結構豎向穩(wěn)定。

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下顯著的進步：

1.本發(fā)明通過組件相互鎖扣，組成整體結構后進行工作，相比常規(guī)的土表重物堆載的設置方式，這種多個組件配合使用的方式可以靈活的實現(xiàn)平面不規(guī)則分布的堆載作用，并且每個組件可以獨自模擬施加土表壓力作用，加載方式可靠性高，且組件間不同的壓力組合可以模擬堆載壓力的平面不均勻分布工況。

2.本發(fā)明的組件通過內置氣囊結構，充入高壓空氣實現(xiàn)土表堆載的模擬。該方法相比傳統(tǒng)的重物堆載模擬土表堆載，可以實現(xiàn)更大的荷載值，并且通過調整組件內的氣壓值，可以便捷實現(xiàn)堆載隨時間變化的工況模擬。

3.本發(fā)明組件設置了壓力表，可以實時監(jiān)測組件內部的氣壓狀況，并且通過測定底板內壓力傳感器的數值，精確控制作用在土表的壓力值，消除了傳統(tǒng)試驗模擬中試驗箱邊壁摩擦對堆載效果的影響。

4.本發(fā)明設置了激光位移傳感器和高強光學玻璃，相比傳統(tǒng)裝置，能夠無接觸、高精度地測定試驗中加載過程中底板沉降，結合多個組件的沉降實測數據，能夠獲得土表堆載作用下整個土表沉降的面分布。

5.本發(fā)明組件邊壁設置了凹、凸臂，可以實現(xiàn)便捷的拆卸、組合，通過相互組合能夠適用于不同形狀的試驗箱，而已有的相關裝置多只能適用于特定的試驗箱。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實施例一的組件剖立面圖；

圖2為圖1的a-a的剖視圖；

圖3為圖1的b-b的斷面圖；

圖4為圖1的c-c的斷面圖；

圖5為本發(fā)明實施例二的組合結構剖立面圖；

圖6圖5的俯視圖；

圖中：1-高壓空氣泵；2-高壓氣管；3-頂盤；4-立柱；5-凹臂；6-襯板；7-伸縮段；8-平衡梁；9-壓力表；10-激光位移傳感器；11-光學玻璃；12-組件頂蓋；13-頂蓋螺栓；14-采集儀；15-線纜；16-平衡梁螺栓；17密封塞；18-組件上段；19-凸臂；20-襯板螺栓；21-加強撐；22-組件下段；23-底板；24-壓力傳感器；25-固定孔；26-固定底座；27-固定臂。

具體實施方式

實施例一

本實施例的模擬土表復雜堆載作用的裝置的組件如圖1、圖2、圖3和圖4所示，組件整體呈矩形桶狀，由組件頂蓋12、組件上段18、組件下段22和底板23組成。組件頂蓋12為矩形鋼板，通過頂蓋螺栓13連接于組件上段18的頂部，頂蓋螺栓13沿組件頂蓋12的邊緣等間距分布。組件頂蓋12頂部安裝有壓力表9，用于組件內部氣壓的監(jiān)測。組件頂蓋12中部鑲嵌有高強度的光學玻璃11。組件上段18由鋼板圍成矩形，其外側分別設置兩個凹臂5和兩個凸臂19，凹臂5和凸臂19由鋼板切割而成，凹臂5兩側有伸臂且底部有水平擋板，凸臂19可以由上往下插入凹臂5內部并且到達凹臂5底部的水平擋板。組件上段18上部設置有氣道和線纜開孔，氣道通過高壓氣管2連接至高壓空氣泵1，線纜15兩端分別與壓力傳感器24及采集儀14相連，線纜開孔處設置了密封塞17確保組件的氣密性。矩形鋼板制成的固定底座26通過平衡梁螺栓16與組件上段18的頂部相連，固定底座26上方設置有長條形鋼質平衡梁8，平衡梁8中間固定有激光位移傳感器10，激光位移傳感器10豎直位于光學玻璃11正上方。組件下段22由鋼板圍成矩形且頂部與組件上段18的底部相連，并且在連接處設置有三角形的鋼質加強撐21，加強撐21沿組件下段22內壁均勻分布，組件下段22的外側與凹臂5內側平齊，可以保證組件相互鎖扣、連接后相鄰組件的組件下段22的外側相互緊貼。襯板6通過襯板螺栓20固定于組件上段18的內壁，襯板6為鋼質薄板帶有一定的內凹弧度，可保證上緊襯板螺栓20后組件內部的氣密性。襯板6下部緊貼加強撐21且底部與伸縮段7相連，伸縮段7為柔性橡膠材質，可以提供豎向的伸縮位移，伸縮段7底部連接底板23的邊緣。底板23為矩形鋼板且位于組件下段22的內部且能沿組件下段22的內壁上下移動，底板23的底部中間與土體接觸側設置有壓力傳感器24，壓力傳感器24通過線纜15與采集儀14相連，底板23的頂部中間設置有豎直的鋼質圓立柱4，立柱4頂部固定圓盤狀鋼頂盤3。頂盤3中心軸線、光學玻璃11中心軸線與激光位移傳感器10的激光射線在同一豎直線上。

實施例二

發(fā)明實施例的模擬土表復雜堆載作用的裝置配合模型試驗箱使用，模擬中間大四周小的土表堆載。如圖5和圖6所示，由安裝在組件外壁的凹臂和凸臂將單個組件相互鎖扣、連接成整體結構進而實現(xiàn)本發(fā)明裝置的預定功能。整體結構的平面形狀根據所模擬的土表堆載平面分布情況確定，且由邊緣位置組件的固定臂固定于模型試驗箱壁上，用以確保整體結構豎向穩(wěn)定。

通過9個組件相互鎖扣、連接形成整體結構，外側組件通過固定臂固定于模型試驗箱壁上。中間組件施加較大氣壓值，形成較大土表堆載作用，外側組件施加較小氣壓值，形成較小土表堆載作用。組件內壓入高壓空氣后，底板帶動立柱和頂盤下移，通過激光位移傳感器可獲得底板的沉降值，組件對土表作用產生的壓力可由采集儀采集壓力傳感器的數據獲知，通過監(jiān)測壓力表和調節(jié)高壓空氣泵，實現(xiàn)試驗過程中的土表堆載作用實時控制。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發(fā)明中的具體含義。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發(fā)明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化，在本發(fā)明的原理和技術思想的范圍內，對這些實施方式進行多種變化、修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。