直观显示集中力作用下地基竖向应力变化规律的试验装置

技术领域

本发明是一种地基应力的显示装置，尤其涉及直观显示集中力作用下地基竖向应力变化规律，属于土力学教学领域。

背景技术

空间问题基本解——Boussinesq解

在半无限空间弹性体的表面，作用一竖向集中力，如附图1所示。

1885年，J.V.Boussinesq用弹性理论解决了集中力作用下地基中的附加应力状态问题。Boussinesq解的6个应力分量中，对地基沉降计算意义最大的是竖向应力σ_z，它的分布规律自然也是关键之处。

${\sigma }_z=\frac{3P}{2\pi }·\frac{z^3}{R^5}=\frac{3}{2\pi }·\frac{1}{{[1+{\left(\frac{r}{z}\right)}^2]}^{5/2}}·\frac{P}{z^2}=k_c·\frac{P}{z^2}---\left(1\right)$

式中$k_c=\frac{3}{2\pi }·\frac{1}{{[1+{\left(\frac{r}{z}\right)}^2]}^{5/2}}$

R——计算点M至坐标原点的距离，m

z——计算点M距地表面的垂直深度，m

P——地基表面的竖向集中力，N

由于竖直向集中力作用下地基中的应力状态是轴对称空间问题，因此可以在通过P作用线所切出的任意竖直面上进行σ_z分布特征的讨论。

1.在集中力P作用线上的σ_z分布

在P作用线上，r＝0，由式(2)及式(1)可知，$k_c=\frac{3}{2\pi },$${\sigma }_z=\frac{3}{2\pi }·\frac{P}{z^2}.$

当z＝0时，σ_z→∞。出现这一结果是由于将集中力作用面积看作零所致。它一方面说该解不适用集中力作用点处及其附近，因此在选择应力计算点时，不应过于接近集中力作用点；另一方面也说明在靠近P作用线处应力σ_z很大。当z→∞，σ_z＝0。z＝0点为奇异点，显示装置布测点时应避免此点。

可见，沿P作用线上σ_z的分布是随深度增加而递减，如附图2所示。

2.在r＞0的竖直线上的σ_z分布

从式(1)可知，z＝0时，σ_z＝0；随着z的增加，σ_z从零逐渐增大，至一定深度后又随着z的增加逐渐变小，如附图2所示。

3.在z＝常数的水平面上的σ_z分布

σ_z值在集中力作用线上最大，并随着r的增加而逐渐减小。随着深度z增加，集中力作用线上的σ_z减小，而水平面上应力的分布趋于均匀，如附图2所示。

在现有技术中，还没有能直观显示集中力作用下地基竖向应力变化规律的试验装置。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种直观显示集中力作用下地基竖向应力变化规律的试验装置，结合试验室中地基应力模型试验，使土力学教学具有形象性与生动性。

为达到上述目的，本发明的构思是：

集中力作用下地基竖向应力变化规律已众所皆知，但仅限于抽象的计算作图显示规律。

本发明中用一系列U形连通管构成装置主要组成部分，放在支架上，各连通管之间设置控水阀，每根连通管都有一处凸口，供连接透明橡胶管，橡胶管的另一端连接扁平橡胶水囊，水囊端部设置排气阀。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种直观显示集中力作用下地基竖向应力变化规律的试验装置，它包括U形连通管、支架和排气阀，n个所述U形连通管等距离平行排列安置在所述支架上，n为除零之外的自然数，各相邻U形连通管间的连通管上设有排水阀，所述各U形连通管的下部各有一个凸口连接一个透明橡胶管的一端，所述透明橡胶管的另一端连接一个扁平橡胶水囊，所述扁平水囊的端部设有排气阀。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明构造简单，制作容易，埋置在模型箱内地基土不同部位的扁平橡胶水囊受到的不同压力使各U形连通管的液面发生变化，从而形象地展现集中力作用下地基竖向应力变化规律。

附图说明

附图1为Boussinesq解地基附加应力分量关系图

附图2为Boussinesq解竖向应力分布规律图

附图3为本发明的试验装置结构示意图

附图4为本试验装置直观显示集中力作用点下竖向应力垂直分布示意图

附图5为本试验装置直观显示距集中力作用r处竖向应力垂直分布示意图

附图6为本试验装置直观显示距地面z(较浅)处对称一半的竖向应力的水平分布示意图

附图7为本试验装置直观显示距地面z(较深)处对称一半的竖向应力的水平分布示意图