CN102914632A - 一种多功能土工模型试验箱 - Google Patents

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芮瑞
夏元友
李梅
杨繁
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Abstract

本发明公开了一种采用摄影测量技术的多功能土工模型试验箱装置。该装置由模型试验箱箱体、加载与测试部分、活动桩挡板与下移控制部分，以及位移测试***等部件组成，利用摄像测量技术测得全场位移。可实现20种不同桩距比的土拱效应演示、桩承式路堤填料颗粒土拱效应以及刚性基础下复合地基垫层效应模拟试验。同时还可利用该试验箱进行地埋管受力与变形模拟、边坡变形、基坑开挖与围护结构受力与变形等模拟的土工模型试验装置。

Description

一种多功能土工模型试验箱
技术领域
本发明涉及一种土工模型试验装置研究领域，具体涉及一种多功能土工模型试验箱。
背景技术
目前，在岩土工程的变形、稳定与破坏过程的研究中，由于反应进程较慢，日常研究采用直接观测的方式效果较差，因此目前多数是采用模型试验。
模型试验是目前一个研究岩土工程变形、稳定与破坏过程中研究较多的一项新技术。由于土工模型的影响因素非常多，导致模型非常复杂，因此对土工模型的要求也较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量准确、使用范围广、成本低的土工模型试验箱。
本发明是这样实现的：
一种多功能土工模型试验箱，包括外框架，在外框架内部有一个填料筒，填料筒两侧为钢板，填料筒前后两面为有机玻璃，在外框架顶部有加载横梁，加载横梁上设置有加压测试装置，填料筒下方设置有位移控制装置，多功能土工模型试验箱的底部设置有地锚螺栓。
更进一步的方案是：所述的加压测试装置，包括与加载横梁连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相连的测力环，测力环下部与填料筒上方的加载板连接，可以进行加压和压力测试。
更进一步的方案是：所述的位移控制装置包括位于填料筒底部由升降机支撑架支撑的丝杆升降机，丝杆升降机上方与填料筒内部的下移钢板连接，下移钢板上方通过活动板连接螺栓与活动桩挡板连接。
更进一步的方案是：所述的活动桩挡板也可通过活动板插杆固定在挡板横支撑梁上，下移钢板穿过多个支撑导向杆。
更进一步的方案是：所述的多功能土工模型试验箱还包括位移测试***，所述的位移测试***包括位于填料筒前方的摄像测量工作台，工作台上固定设置有数码相机。
更进一步的方案是：在活动桩挡板上方分层填筑填料，在层间撒上薄层白色石膏粉或石灰，在填料内埋设有水平布置和竖向布置的土压力盒，应变仪与土压力盒连接，从而接收土压力盒压力数据。
更进一步的方案是：所述的有机玻璃背板上绘制有刻度网格。根据刻度网格进行填料分层填筑，采用控制每层填料重量的方式控制填料孔隙率，层间撒上薄层白色石膏粉或石灰以方便直接观察。
本发明的土工模型试验箱，具有如下特点：
（1）采用有机玻璃作为填料筒的前后挡板，可以实时对土工模型试验箱内部填料颗粒位移进行观察，通过摄像测量手段，捕捉颗粒位移，测试得到全场位移量；
（2）通过多组钢质活动桩挡板的组合，利用一套连接装置即可实现多组不同的桩距比试验，可广泛的模拟大多数工程桩土间距的情况；
（3）无需另行配备加载***，并实现了下移控制功能，可模拟桩间土下移的工况；
（4）可实现土拱效应教学演示试验、桩承式路堤填料颗粒传力与变形模拟试验、刚性基础下复合地基垫层效应模拟试验、地埋管受力与变形模拟试验、基坑开挖与围护结构受力与变形模拟试验，等多项试验功能，大大节约了模型试验成本。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为桩距比试验组合方式。
图3为图1中的A-A剖视图。
图4为图1中的B-B剖视图。
图5为图1中的C-C剖视图。
图6为填土高度600mm采集图像。
图7为填土高度600mm时位移云图与矢量图。
图8为填土高度600mm时土压力时程曲线图。
图9为复合地基垫层效应试验设计图。
图10为地埋管试验设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的说明。
如附图1所示，一种多功能土工模型试验箱，包括外框架1，外框架采用钢板和型钢焊接而成，尺寸高、长、宽为1850mm×1660mm×420mm，在外框架内部有一个填料筒，填料筒尺寸高、长、宽为1200mm ×800mm×300mm，填料筒两侧为钢板，前后两面为有机玻璃；在外框架顶部有加载横梁2，加载横梁上设置有加压测试装置，多功能土工模型试验箱的底板7上设置有地锚螺栓18可以与地面固定，填料筒下方设置有位移控制装置。
所述的加压测试装置，包括与加载横梁2连接的千斤顶19，以及与千斤顶下部相连的测力环20，测力环下部与填料筒上方的加载板3连接，可以进行加压和压力测试。
所述的位移控制装置包括位于填料筒底部由升降机支撑架10支撑的丝杆升降机17，丝杆升降机上方与填料筒下部的下移钢板9连接，下移钢板9上方通过活动板连接螺栓13与活动桩挡板11连接，在下移钢板9下方，通过多个支撑导向杆12与底板7连接。在下移钢板9与活动桩挡板11之间，还设置有挡板横支撑梁8，用于支撑前后透明挡板16和固定活动桩挡板11。
所述的多功能土工模型试验箱还包括位移测试***，所述的位移测试***包括位于填料筒前方的摄像测量工作台，工作台上固定设置有数码相机。
在活动桩挡板上方分层填筑填料，在层间撒上薄层白色石膏粉或石灰，在填料内埋设有水平布置和竖向布置的土压力盒，应变仪与土压力盒连接，从而接收土压力盒压力数据。
所述的有机玻璃背板上绘制有刻度网格。根据刻度网格进行填料分层填筑，采用控制每层填料重量的方式控制填料孔隙率，层间撒上薄层白色石膏粉或石灰以方便直接观察。
在左右外框立柱上分别焊接一个填料箱侧板6，在填料箱侧板6内侧焊接填料箱内板5，前后有机玻璃透明挡板16通过挡板压板4与压板螺栓14固定，填料箱侧板6、填料箱内板5以及通过挡板压板4与压板螺栓14固定的前后有机玻璃透明挡板16共同组成填料筒。
本发明的多功能土工模型试验箱可实现4种桩体尺寸、20组不同桩距比及80mm以内的桩土相对位移量模拟。
本发明的多功能土工模型试验箱试验参数如下：
（1）桩距比    
可设置的桩距比方式可以有几种，分别见附图2的abcd，
其中：
a. 相似比约为1:5至1:8     
b. 相似比约为1:3至1:4 
c. 相似比约为1:1.7至1:2.7 
d. 相似比约为1:1.3至1:2
这里所谓的桩距比是桩平面尺寸与相邻桩中心距之间的比例关系，相似比是模型所模拟的尺寸与相关实际工程尺寸之间的比例关系。
（2）其他参数
桩土相对位移：0至80mm
最大加载量：50kN
最大填土高度：800mm。
测试***
在桩顶与桩间土中心位置埋设水平布置和竖向布置的土压力盒。在装置正面设置摄像测量工作台，设置高像素数码相机，保证数码相机位置固定。采用相关软件处理后期图像数据。采用在填料中埋设土压力盒测量压力，采用应变仪接收土压力盒数据。
本发明试验箱在使用时，需要注意如下操作：
（1）填料填筑方式
安装有机玻璃挡板，在一面有机玻璃背板上绘制刻度网格，用以控制填土，在摄像拍照一面的有机玻璃挡板上可临时拉线作为刻度；
可根据试验需要选择不同粒径和材料的砂、玻璃球、钢棒等作为填料。当选取砂作为填料时，可根据填料重量控制每层的密实度，每层用夯板夯实至预定厚度，层间撒上白色石膏粉。也可采用颜色不同或染色砂分层填筑。
（2）加载***安装
当进行刚性基础下复合地基垫层效应等试验时需要进行加载。完成填料工作后，将加载板通过吊车缓慢放入土工模型试验箱中，安装上加载连杆和测力环，并可以通过液压千斤顶施加压力；
当进行交通荷载试验时将加压设备拆除，换上激振器，通过顶杆与承载板相连。
（3）钢质活动桩挡板的安装
钢质活动桩挡板共可安装16块，可通过连接螺杆固定在下移钢板上，也可以通过插杆固定在有机玻璃挡板的搁板上。因此，可以随意调节挡板，选择固定或随下移钢板一起向下移动，从而模拟不同桩距比。
（4）下移量控制
当加载完成后，转动升降机手柄，在下移钢板重力的带动下，钢质承载板跟随钢板向下移动，通过安装在下移钢板下的百分表读取下移量。
（5）数码摄像测量要点
室内照明条件不佳的情况下，尽量使用闪光灯，调整闪光灯位置以防止有机玻璃反光；
使用脚架并采取措施保证脚架固定；
拍摄过程中如相机移动，立即停止转动手柄下移承载板。
在进行了上述准备工作之后，可以应用本发明的试验箱进行如下模拟试验。
（一）桩承式路堤填料土拱效应模拟
实际工程中的桩承式路堤分2种不同的工况，即 “加载同时下移托板”和“填料高度不变，下移托板”两种方式，对应桩间土瞬时沉降和固结沉降2种工况。可采取不同的桩距比模式，采用不同类型的填料，在填料箱中分别填筑到不同的高度（0至800mm），讨论在不同填土高度下，桩间土下沉形成的宏观土拱模式、模式之间的转化及对应的桩土应力调整。土压力盒可埋设在钢质托板顶部和填料内部。
试验模拟步骤如下：
（1）安置好土压力盒，将应变仪调零；
（2）按设定层厚铺设填料，夯实，层间均匀撒上一层石膏粉；
（3）夯实完成后采集1次土压力盒数据，并拍摄1张照片；
（4）待土压力数据稳定后填筑下一层土，重复步骤（2）至（3）直至填土至设计高程；
（5）当加载过程结束后，以缓慢的速率下移活动挡板，每下移0.1mm，采集1次土压力盒数据及1张图像数据；
（6）继续下移挡板直至填料完全破坏，持续观察记录填料内部位移与应力变化。
对于每组试验，需要采集以下测试数据：
①全过程的数码相片
②全过程中土压力数据
③加载高度
④桩间土挡板下移量
采用级配砂砂作为填料，可以得到如附图6、7、8的试验结果，其中附图6为典型的图像数据，附图7为处理后的位移数据，附图8为土压力数据。
（二）刚性基础下复合地基垫层效应试验
可采用不同的桩距比组合方式，根据相似比选取不同厚度与粒径的颗粒作为填料。采用数码摄像测量方法测量试验过程中的颗粒变位。装置结构见图9。
试验步骤如下：
（1）按照桩距比组合方式设置摆放桩间挡板与桩挡板；
（2）用吊车吊起加载板（68.63 kg），调整至模型试验箱中间，悬挂在仪器上；
（3）敷设一薄层细砂（厚1cm），安置土压力盒；
（4）将填料按一定层厚（如30mm）分层填筑并压实，记录每层砂的填筑重量，控制每层填砂的重量相等，通过重量控制孔隙率；
（5）填筑到预定厚度后，放下加载板，安装加载连杆（重量待测）、测力环，调整千斤顶；
（6）缓慢施加荷载，每级荷载10kN；
（7）荷载施加稳定后，手动控制升降机下移速度，并根据需要设置摄影测量时间间隔，直至桩间土破坏或者下移量达到80mm。按实际加载—位移曲线进行试验时，每次加载稳定后，下移活动桩挡板至预定值，继续加载后再下移活动桩挡板。下移升降板的同时要注意荷载与加载板下沉量的变化；
（8）土压力盒的数据需要及时的采集，应尽量做到与数码照相同步。
对于每组试验，需要采集以下测试数据：
（1）全过程的数码相片
（2）全过程中土压力数据
（3）加载量与加载板沉降量
（4）桩间土挡板下移量
当一级荷载加完后，应吊起加载板，并重新填土，布设土压力盒。
通过上述步骤，可以完成刚性基础下复合地基垫层效应的模拟。
（三）地埋管土压力与变形试验模拟
通过试验研究在不同管材、管埋深（管顶面埋深）、基础包角、颗粒粒径下地下埋管管道填料颗粒变位、破坏模式、土压力分布，及管道受力与破坏模式。可设置不同管埋深与基础形式。在管周可布设土压力盒和，应变片内外壁可布设应变片。
试验步骤如下：
（1）将桩间挡板通过螺杆与下部活动桩挡板全部相连，桩挡板短边侧面采用螺杆***，固定在挡板横支撑梁上；
（2）用吊车吊起加载板（68.63 kg），调整至模型试验箱中间，悬挂在仪器上；
（3）用聚乙烯条将挡板周围空隙封闭住；
（4）将土压力盒粘贴在管的外壁，应变片粘贴在管的内外壁；
（5）安装有机玻璃挡板，在一面有机玻璃背板上绘制刻度网格，用以控制填土，在摄像拍照一面的有机玻璃挡板上绘制拍摄区域线框；
（6）按设定层厚填筑填料，安置管基础（如无则不用安置），填土至管顶；
（7）将填料按一定层厚（如30mm）分层填筑并压实，记录每层砂的填筑重量，控制每层填砂的重量相等，通过重量控制孔隙率；
（8）填筑到预定厚度后，放下加载板，安装加载连杆（重量待测）、测力环，调整千斤顶；
（9）缓慢施加荷载，每级荷载10kN，以后按照每级荷载10kN施加；
（10）土压力盒与应变片的数据需要及时的采集，应尽量做到与数码照相同步。
对于每组试验，需要采集以下测试数据：
（1）全过程的数码相片
（2）全过程中土压力数据
（3）管内外壁应变片数据。
（四）其他试验
本试验箱还可以用于其他试验，如边坡变形试验、基坑开挖与围护结构受力与变形等，可根据需要在本试验箱内进行。如地埋管试验设计图见图10。具体的试验过程不再赘述。

Claims (7)

1.一种多功能土工模型试验箱，包括外框架，其特征在于：在外框架内部有一个填料筒，填料筒两侧为钢板，填料筒前后两面为有机玻璃，在外框架顶部有加载横梁，加载横梁上设置有加压测试装置，填料筒下方设置有位移控制装置，多功能土工模型试验箱的底部设置有地锚螺栓。
2.根据权利要求1所述多功能土工模型试验箱，其特征在于所述的加压测试装置，包括与加载横梁连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相连的测力环，测力环下部与填料筒上方的加载板连接，可以进行加压和压力测试。
3.根据权利要求1所述多功能土工模型试验箱，其特征在于所述的位移控制装置包括位于填料筒底部由升降机支撑架支撑的丝杆升降机，丝杆升降机上方与下移钢板连接，下移钢板上方通过活动板连接螺栓与活动桩挡板连接。
4.根据权利要求3所述多功能土工模型试验箱，其特征在于所述的活动桩挡板通过活动板插杆固定在挡板横支撑梁上，下移钢板穿过多个支撑导向杆。
5.根据权利要求1所述多功能土工模型试验箱，其特征在于所述的多功能土工模型试验箱还包括位移测试***，所述的位移测试***包括位于填料筒前方的摄像测量工作台，工作台上固定设置有数码相机。
6.根据权利要求3所述多功能土工模型试验箱，其特征在于：在活动桩挡板上方分层填筑填料，在层间撒上薄层白色石膏粉或石灰，在填料内埋设有水平布置和竖向布置的土压力盒，应变仪与土压力盒连接，从而接收土压力盒压力数据。
7.根据权利要求1所述多功能土工模型试验箱，其特征在于：所述的有机玻璃背板上绘制有刻度网格。
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