一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，包括载荷板、支撑柱、重物、施压千斤顶、百分表、加载板和加载杆，其中载荷板由支撑柱支撑在测量孔的上方，重物位于载荷板上，施压千斤顶设在载荷板下部，施压千斤顶底座固定于载荷板下表面；加载杆上下两端与加载板相连，位于测量孔内，施压千斤顶与加载杆上端的加载板相接触；百分表位于加载杆上端的加载板上。本实用新型结构简单，采用洛阳铲挖孔，简单便携，采用深度可调节的加载杆，循环利用、经济环保，解决了测定不同深度地层竖向变形承载特性的问题，其测定结果更能反映实际工程中土体竖向承载特性。

主设计要求

1.一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：包括载荷板、支撑柱、重物、施压千斤顶、百分表、加载板和加载杆，其中载荷板由支撑柱支撑在测量孔的上方，重物位于载荷板上，载荷板下部设有施压千斤顶；加载杆上下两端与加载板相连，位于测量孔内，载荷板下部的施压千斤顶与加载杆上端的加载板相接触；百分表位于加载杆上端的加载板上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：所述的施压千斤顶为带压力表的千斤顶。

3.根据权利要求2所述的一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：加载杆包括数节加载杆组件和连接套管，每节加载杆组件的上下两端设有外螺纹，连接套管的上下两端设有内螺纹，加载杆组件与连接套管螺纹连接，加载杆组件通过连接套管顺次相连形成加载杆；加载板设有内螺纹凹孔，加载杆上下两端的加载杆组件螺接在上下加载板的内螺纹凹孔中。

4.根据权利要求1所述的一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：所述的百分表与磁性表座相连，磁性表座设在测量孔外不被扰动的平坦地面上，百分表的测量杆垂直于加载杆上端的加载板的表面，测量头与加载板接触。

5.根据权利要求1所述的一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：加载杆上端的加载板的表面设有气泡水准仪。

6.根据权利要求1所述的一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：所述的支撑柱为千斤顶。

7.根据权利要求1所述的一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，其特征在于：所述的载荷板为矩形板，加载板为圆形板，加载杆为圆柱形杆，加载板的直径大于加载杆的直径，加载板与加载杆同轴固连。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置，属于岩土工程土工试验领域。

背景技术

大量的建筑经验表明，上部建筑结构的变形和破坏主要是由于土体过度变形引起的，因此土体变形计算是基础设计的关键。已有研究表明，室内试验与现场原位试验所确定的土体物理力学特性参数有很大不同，原位试验是直接在现场地基土层中进行的试验，由于干扰小，可以反映所测土体的变形和承载特性，越来越受到重视，它已成为测定原位土体物理力学性质的主要方法。

目前国内对地基变形计算和评价地基承载力的测试方法主要有平板载荷试验和旁压试验两种，平板载荷试验是通过人工挖孔，孔直径大小应不小于承载板直径的3倍，承载板直径通常为800mm，因此施工面积较大，所需的试验荷载相应增大，试验成本和工作量增加，费时费工，且装置需要根据不同深度要求加工不同长度的加载杆，不经济；旁压试验是钻机钻孔，其旁压仪包括旁压器、充水系统、加压系统和变形量测试系统，结构较为复杂，造价高，旁压试验测定的是径向变形，对于各向异性地基不能直接应用。一般采用弹性或理想弹塑性理论确定变形模量和承载力，并依据经验评价地基的沉降变形和允许承载力。如何找到一种简便易操作、可调控深度直接测定地层土体竖向变形承载特性的装置及方法，并将试验结果应用于数值计算进行优化反演分析获得土体本构模型参数是目前亟待解决的关键问题。

发明内容

本实用新型为了解决测定地层竖向变形承载特性的问题，而提供一种变深度地层竖向变形承载特性测定装置。

本实用新型包括载荷板、支撑柱、重物、施压千斤顶、百分表、加载板和加载杆，其中载荷板由支撑柱支撑在测量孔的上方，重物位于载荷板上，载荷板下部设有施压千斤顶，施压千斤顶底座固定于载荷板下表面；加载杆上下两端与加载板相连，位于测量孔内，载荷板下部的施压千斤顶与加载杆上端的加载板相接触；百分表位于加载杆上端的加载板上。

所述的施压千斤顶为带压力表的千斤顶，可直接得出加载压力。

加载杆包括数节加载杆组件和连接套管，每节加载杆组件的上下两端设有外螺纹，连接套管的上下两端设有内螺纹，加载杆组件与连接套管螺纹连接，加载杆组件通过连接套管顺次相连形成加载杆；加载板设有内螺纹凹孔，加载杆上下两端的加载杆组件螺接在上下加载板的内螺纹凹孔中。

所述的百分表与磁性表座相连，磁性表座设在测量孔外不被扰动的平坦地面上，百分表的测量杆垂直于加载杆上端的加载板的表面，测量头与加载板接触，百分表用于测沉降量。

加载杆上端的加载板的表面设有气泡水准仪。

所述的支撑柱为千斤顶。

所述的载荷板为矩形板，加载板为圆形板，加载杆为圆柱形杆，加载板的直径大于加载杆的直径，加载板与加载杆同轴固连。

本实用新型的工作原理：

使用洛阳铲定位挖测量孔，洛阳铲铲头的直径为5-20cm，可以实现挖不同直径的孔，洛阳铲铲杆的长度为1-12m，可以实现挖不同深度的测量孔，将孔底处理平整。根据测量孔的深度，选取数节加载杆组件和连接套管，将加载杆组件和连接套管顺次螺纹固连形成加载杆整体，加载杆上下两端分别与加载板螺纹固连；连接后将加载杆竖直置于测量孔内，加载杆下端的加载板与孔底接触，上端的加载板略高于测量孔孔口处，根据加载杆上端加载板表面的气泡水准仪调节加载杆，使加载杆上端加载板水平，即加载杆垂直于地面。

载荷板的四个角通过支撑柱支撑在测量孔的上方，载荷板保持水平，在载荷板上均匀堆积重物；载荷板下部固定的施压千斤顶的下端顶杆与加载杆上端加载板接触，百分表的测量杆垂直于加载杆上端的加载板的表面，测量头与加载板接触，百分表用于测沉降量，对加载前读取记录百分表初始读数。

通过载荷板下部固定的施压千斤顶向加载杆逐级加压，通过施压千斤顶自带的压力表读取压力读数并记录，同时记录百分表的度数变化，绘制荷载-沉降曲线，加压过程中观察气泡水准仪并及时作出相应调整以保证加载杆始终处于垂直状态，采用反演优化算法推测土体的本构参数值，方法如下：在合适的范围内根据经验给定假定土体本构模型参数，进行初步的数值有限元模拟，并绘制模拟荷载-沉降曲线，然后定义目标函数来测量两组实测曲线和模拟曲线之间的差异。如果两者差异小于给定的阈值时，说明给定的模型参数是适合的；如果两者差异大于给定的阈值，则采用优化算法选择给定新的本构模型参数值，并利用这些更新值进行一组新的有限元模拟，然后重新计算目标函数的值，以提供实测曲线与模拟曲线之间差异的最新目标函数值。重复这个过程，直到找到最优的给定参数值，即目标函数的值小于给定的阈值，确定所测土体的本构参数值。

本实用新型的有益效果：

本实用新型结构简单，采用压重法进行加载，加载重物可就地取材，简单易操作；通过分段加载杆和螺纹连接套管的联合使用实现了加载杆长度可调节，可循环利用，经济环保，能适应不同深度孔底土体竖向变形承载特性的测定；此装置竖向加载，考虑了土体各向异性的上部结构与地基基础共同作用，测试结果更能反映实际工程中土体竖向承载特性。本实用新型与洛阳铲挖孔配合，施工面积小，无需下到孔底作业，安全高效，不同直径的洛阳铲铲头和不同长度的洛阳铲铲杆实现了不同直径和不同深度的挖孔。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为本实用新型加载杆组件结构示意图。

图3为本实用新型连接套管结构示意图。

图4为本实用新型加载板结构示意图。

图5为本实用新型加载杆组件连接示意图。

图6为本实用新型加载杆组件与加载板连接示意图。

图7为本实用新型反演优化算法推测土体的本构参数值流程示意图。

1、载荷板 2、支撑柱 3、重物 4、施压千斤顶 5、百分表

6、加载板 7、加载杆 8、测量孔 9、加载杆组件 10、连接套管

11、内螺纹凹孔 12、磁性表座 13、气泡水准仪。

具体实施方式

请参阅图1-7所示：

本实用新型包括载荷板1、支撑柱2、重物3、施压千斤顶4、百分表5、加载板6和加载杆7，其中载荷板6由支撑柱2支撑在测量孔8的上方，重物3位于载荷板1上，载荷板1下部设有施压千斤顶4，施压千斤顶4底座固定于载荷板1下表面正中间位置；加载杆7上下两端与加载板6相连，位于测量孔8内，载荷板1下部的施压千斤顶4与加载杆7上端的加载板6相接触，加载杆7下端的加载板6位于测量孔8底部；百分表5位于加载杆7上端的加载板6上。

所述的施压千斤顶4为带压力表的千斤顶4。

加载杆7包括数节加载杆组件9和连接套管10，每节加载杆组件9的上下两端设有外螺纹，连接套管10的上下两端设有内螺纹，加载杆组件9与连接套管10螺纹连接，加载杆组件9通过连接套管10顺次相连形成加载杆7；加载板6设有内螺纹凹孔11，加载杆7上下两端的加载杆组件9连接在上下加载板6的内螺纹凹孔11中。

所述的百分表5与磁性表座12相连，磁性表座12设在测量孔8外不被扰动的平坦地面上，百分表5的测量杆垂直于加载杆7上端的加载板6的表面，测量头与加载板6接触。

加载杆7上端的加载板6的表面设有气泡水准仪13。

所述的支撑柱2为施压千斤顶，可以通过改变高度调整载荷板1的水平度。

所述的载荷板1为矩形板，加载板6为圆形板，加载杆7为圆柱形杆，加载板6的直径大于加载杆7的直径，加载板6与加载杆7同轴固连。

本实用新型的工作原理：

使用洛阳铲定位挖测量孔8，洛阳铲铲头的直径为5-20cm，可以实现挖不同直径的测量孔8，洛阳铲铲杆的长度为1-12m，可以实现挖不同深度的测量孔8，将孔底处理平整。根据测量孔8的深度，选取数节加载杆组件9和连接套管10，将加载杆组件9和连接套管10顺次螺纹固连形成加载杆7整体，加载杆7上下两端分别与加载板6螺纹固连；连接后将加载杆7竖直置于测量孔8内，加载杆7下端的加载板6与孔底接触，上端的加载板6位于测量孔8孔口处，根据加载杆7上端加载板6表面的气泡水准仪13调节加载杆7，使加载杆7上端加载板6水平，即加载杆7垂直于地面。

载荷板1的四个角通过支撑柱2支撑在测量孔8的上方，载荷板1保持水平，在载荷板1上均匀堆积重物3；载荷板1下部固定的施压千斤顶4的下端顶杆与加载杆7上端加载板6接触，百分表5的测量杆垂直于加载杆7上端的加载板6的表面，测量头与加载板6接触，百分表5用于记录向加载杆7施压的过程中加载杆7相对于地面的沉降高度即土层沉降高度，对加载杆7施压前读取百分表5初始读数并记录。

通过载荷板1下部固定的施压千斤顶4向加载杆7逐级加压，通过施压千斤顶4自带的压力表读取压力读数并记录，同时记录百分表5的度数变化，并绘制荷载-沉降曲线。由荷载-沉降曲线可以求得地层土体的变形模量和承载力，也可以利用反演优化算法推测出地层土体的本构参数值。方法如下：

在合适的范围内根据经验给定假定土体邓肯-张模型参数，邓肯-张模型参数有10个，即

其中c、设计图

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