本發(fā)明涉及一種用于表征淺基礎(chǔ)動力特性的現(xiàn)場動力試驗裝置，屬于巖土工程地基基礎(chǔ)安全評估領(lǐng)域中一種能夠測試淺基礎(chǔ)動力特性的動力設(shè)備。

背景技術(shù)：

淺基礎(chǔ)的動態(tài)響應(yīng)是土木工程中重點關(guān)注的問題，從基礎(chǔ)振動設(shè)備的設(shè)計到地震荷載作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。對于振動設(shè)備，主要關(guān)心地是地基的固有振動頻率與強(qiáng)迫振動頻率，以防止共振。這類問題一般通過彈性理論，考慮土體割線剛度、土的幾何結(jié)構(gòu)阻尼，在地震作用下，集中關(guān)注在評估地基土的剛度及其隨運動振幅的變化，因為基礎(chǔ)的剛度對整個建筑物的動力性能的影響很大。特別是在高層建筑中，非線性土的性質(zhì)影響動力響應(yīng)的變化程度依賴于振動幅值。

從理論上角度，大部分研究都是基于彈性土體的響應(yīng)假設(shè)，分析方法基于彈性理論提供的一般基礎(chǔ)振動框架，數(shù)值模擬角度，一些基于聯(lián)合有限元(FEM)和離散元(BEM)的方法也研究過基礎(chǔ)的線彈性極限響應(yīng)，從實驗角度，大多數(shù)都是利用物理模型試驗和離心模型試驗，目前很少有學(xué)者研究過天然土淺基礎(chǔ)上的小比例縮尺試驗，對于全尺，真正淺基礎(chǔ)的試驗幾乎沒有。這是因為需要很大的動力，驅(qū)動力，但毫無疑問的是，對于大比例的基礎(chǔ)試驗可以用來驗證本構(gòu)模型，以重現(xiàn)土體性質(zhì)的快速轉(zhuǎn)變：小應(yīng)變響應(yīng)下的大變形直到破壞失效。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對傳統(tǒng)淺基礎(chǔ)的動態(tài)響應(yīng)問題，提出一種表征淺基礎(chǔ)動力特性的現(xiàn)場動力試驗裝置。利用該測試裝置能夠快速有效地進(jìn)行淺基礎(chǔ)土層振動分析，能夠驗證設(shè)計的本構(gòu)模型，并自行進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、儲存工作。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種表征淺基礎(chǔ)動力特性的現(xiàn)場動力試驗裝置，該裝置從上至下依次包括攝像機(jī)、風(fēng)葉、塔、基礎(chǔ)、電纜、卡車、地基；

其中塔頂部與風(fēng)葉相連，并安置攝像機(jī)，塔頂部與卡車通過電纜相連；

電纜上端設(shè)有力傳感器，下端分別設(shè)有快速釋放設(shè)備、手動絞盤；

塔中部安置加速度計，塔底部與基礎(chǔ)固定，基礎(chǔ)上表面安置加速度計，地面上安置地震儀，所有傳感器與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)連在一起。該裝置具有原位、快速、多功能等特點，為巖土工程基礎(chǔ)安全評估提供有力的檢測工具。

優(yōu)選的，所述的加速度計為水平單向，最大量程為2.5g，靈敏度為1000mV/g。

優(yōu)選的，所述的地震儀為三向地震儀，靈敏度為12.5mm/s。

優(yōu)選的，所述的加速度計為垂直單向，最大量程0.5g，靈敏度為9630mV/g。

優(yōu)選的，所述的力傳感器最大量程為20kN，測試精度為0.8％。

有益效果：本發(fā)明解決了傳統(tǒng)試驗針對傳統(tǒng)淺基礎(chǔ)的動態(tài)響應(yīng)問題研究不足、不準(zhǔn)確問題，能夠快速、精確地測試淺基礎(chǔ)地面動力響應(yīng)，以重現(xiàn)土體性能從小應(yīng)變到大變形接近失效的過程，驗證設(shè)計的本構(gòu)模型，且自行進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、儲存工作，為巖土工程地基基礎(chǔ)安全評估提供有力的檢測工具。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體裝置示意圖；

其中有：塔1，高速攝像機(jī)2，風(fēng)葉3，基礎(chǔ)4，加速度計5，電纜6，力傳感器7，快速釋放設(shè)備8，手動絞盤9，卡車10，地基11，地震儀12，加速度計13。

具體實施方式

本發(fā)明的一種表征淺基礎(chǔ)動力特性的現(xiàn)場動力試驗裝置，該裝置從上至下依次包括攝像機(jī)2、風(fēng)葉3、塔1、基礎(chǔ)4、電纜6、卡車10、地基11；

其中塔1頂部與風(fēng)葉3相連，并安置攝像機(jī)2，塔1頂部與卡車10通過電纜6相連；

電纜6上端設(shè)有力傳感器7，下端分別設(shè)有快速釋放設(shè)備8、手動絞盤9；

塔1中部安置加速度計5，塔1底部與基礎(chǔ)4固定，基礎(chǔ)4上表面安置加速度計13，地面上安置地震儀12，所有傳感器與數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)連在一起。該裝置具有原位、快速、多功能等特點，為巖土工程基礎(chǔ)安全評估提供有力的檢測工具。

所述的加速度計5為水平單向，最大量程為2.5g，靈敏度為1000mV/g。

所述的地震儀12為三向地震儀，靈敏度為12.5mm/s。

所述的加速度計13為垂直單向，最大量程0.5g，靈敏度為9630mV/g。

所述的力傳感器7最大量程為20kN，測試精度為0.8％。

風(fēng)塔1淺基礎(chǔ)的方形基座坐落在淤泥粒狀土中，通過單元測試進(jìn)行動態(tài)激勵，風(fēng)塔1用一根固定在卡車10上的電纜6拉住，然后牽引力在快速釋放設(shè)備8的作用下突然釋放，從而風(fēng)塔1產(chǎn)生較寬幅度自由振動，在自由振蕩的過程中，通過高速攝像機(jī)2拍攝來準(zhǔn)確監(jiān)測位移，通過加速度計5測試風(fēng)塔1的加速度，基礎(chǔ)4的加速度通過高度靈敏的加速度計13測試，基礎(chǔ)趾邊緣周邊地面的速度通過高精度的地震儀12測試，數(shù)據(jù)收集的異常性與準(zhǔn)確性能夠推斷基礎(chǔ)趾地面的性能，通過特定的方法識別工程參數(shù)來描述基礎(chǔ)的動態(tài)響應(yīng)(旋轉(zhuǎn)剛度與阻尼)，這些工程參數(shù)的確定依賴于基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)的幅度。地面地震儀12的測量能夠確保檢測表面的位移由于基礎(chǔ)腳趾的土體基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動。

基于小應(yīng)變剛度的基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)剛度計算根據(jù)泰勒(1967)提出的彈性關(guān)系：

式中B為基礎(chǔ)的寬度，L為基礎(chǔ)的長度，υ為泊松比，I_θ為影響因子，E_s為壓縮模量。

通過高速攝像機(jī)2測試的照片獲取位移，第一次被分析來評估隨振動幅值變化的頻率，短時間窗口塔定位移測量直接使用以下諧波運動理論：

x(t)＝x₀sin(ωt+φ) (2)

ω為角頻率，x₀為振幅，相位φ為自由參數(shù)。

在確定的固有頻率、結(jié)構(gòu)阻尼ξ在第二個步驟中，通過擬合測量的位移進(jìn)行評估在小的時間窗內(nèi)用以下方程：

不確定參數(shù)，ξ為結(jié)構(gòu)阻尼比，ω，φ同上述

因為塔的運動只有一個振動模式，即為一個單一自由度振蕩器，整體的模態(tài)剛度k由兩部分組成，分別為總的地基旋轉(zhuǎn)模態(tài)剛度k_b、塔平移的模態(tài)剛度k_t；地基旋轉(zhuǎn)模態(tài)剛度k_b由地基旋轉(zhuǎn)模態(tài)剛度k_j和旋轉(zhuǎn)模態(tài)剛度基礎(chǔ)k_f組成。

總的模態(tài)剛度由系統(tǒng)兩個彈簧串聯(lián)組成，計算如下：

k_t為塔的剛度，為常數(shù)，根據(jù)線性彈性有限元模型確定，h為風(fēng)塔高度。

認(rèn)為整體模態(tài)剛度k、模態(tài)質(zhì)量m由地基的旋轉(zhuǎn)剛度k_b確定，即通過剛度與模態(tài)頻率之間的關(guān)系，可得：

整體模態(tài)質(zhì)量可由同一模態(tài)的三維有限元分析得到，計算式為：

基礎(chǔ)剛度k_b取決于振幅x₀，在塔頂，即因為是獨立的，那么模態(tài)剛度k和模態(tài)質(zhì)量m被認(rèn)為是振幅x₀的函數(shù)，即和

地基的模態(tài)剛度k_b，整體的模態(tài)剛度k，運用機(jī)械系統(tǒng)的等效關(guān)系，可得到：

kf為基礎(chǔ)的模態(tài)剛度，x₀為塔頂?shù)哪B(tài)位移(高速攝像機(jī)測試)；x_0f為頂部模態(tài)位移的百分?jǐn)?shù)，由基礎(chǔ)的剛性旋轉(zhuǎn)引起的，可由基礎(chǔ)趾地面的豎向加速度測試得到，通過結(jié)構(gòu)動力學(xué)位移與加速度之間的關(guān)系中可得x_0f的計算式如下：

為基礎(chǔ)旋轉(zhuǎn)的模態(tài)振幅，和分別為基礎(chǔ)的模態(tài)加速度幅值，通過基礎(chǔ)趾地面加速度計的測試得到，d為基礎(chǔ)趾地面加速度計之間的間隔。

那么基礎(chǔ)的剛度可由式(7)、(8)得到：

運用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)動力學(xué)概念，考慮模態(tài)加速度幅值由基礎(chǔ)表面的加速度計測試獲得，計算基礎(chǔ)的剛度如下：

地基剛度k_j可由式(10)中的串聯(lián)彈簧剛度得到：

地基的旋轉(zhuǎn)的模態(tài)振幅基礎(chǔ)搖擺的模態(tài)振幅計算分別為：

該測試裝置解決了傳統(tǒng)試驗針對傳統(tǒng)淺基礎(chǔ)的動態(tài)響應(yīng)問題研究不足、不準(zhǔn)確等問題，能夠快速、精確地測試淺基礎(chǔ)地面動力響應(yīng)，以重現(xiàn)土體性能從小應(yīng)變到大變形接近失效的過程，驗證設(shè)計的本構(gòu)模型，且自行進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、儲存工作，為巖土工程地基基礎(chǔ)安全評估提供有力的檢測工具。