CN105604104A - 一种基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于气囊的模拟地基不均匀沉降的试验模型，包括上端开口的模型箱，特征在于：模型箱空腔的底部设置有基底框架，基底框架由隔板组成，隔板之间为方格，方格中设置有预制板；预制板的下方设置有气囊，气囊连接有气泵***。本发明的实验方法，包括：a).构建模型箱；b).布置基底框架；c).设置气囊和预制板；d).填筑地基层；e).构建上部工程结构层；f).地基沉降模拟；g).数据采集和分析。本发明的实验模型及方法，气囊可驱使相应方格内预制板的升降，实现地基层多点、不均匀沉降的模拟，通过采集、分析传感器输出的数据，实现对地基多点不均匀沉降规律的分析，具有模拟效果好、成本低、可重复实验性强的优点。

Description

一种基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟地基不均匀沉降的试验模型及方法，更具体的说，尤其涉及一种利用气囊的缩胀来模拟地基不均匀沉降的试验模型及方法。

背景技术

受外部荷载作用、温度、水等多重因素影响，公路铁路路基、房屋建筑等构筑物极易出现地基不均匀沉降的病害，地基不均匀沉降的机理与防治可通过理论计算、数值仿真、模型试验、现场测试等方法进行研究。其中，模型试验是按比例缩尺复原工程结构，可实现模拟对象变形的可监测、多条件控制、可重复，是研究工程结构受力变形的有效手段，通过对地基模型及上部工程结构的受力变形测试，可用于估算分析真实工程结构的各项性能指标。模型箱是缩尺模型试验常用设备，当前的模型箱均采用分层摊铺地基土的模型制作方法，无法模拟下层地基土的沉陷变形，无法实现对不均匀沉降的模拟。理论计算与数值仿真可以一定程度上反映地基受力变形变化规律，但与实际误差较大，精准度有待提高，现场测试虽可以最直观反映不均匀沉降问题，但造价较高且难以进行多影响因素控制下的重复试验，模型试验兼具两者优点，因此开发可实现模拟地基不均匀沉降的试验模型具有较高的工程价值。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型及方法。

本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型，包括上端开口的模型箱，模型箱的内部为设置地基层的空腔，地基层的上方用于设置待试验的工程结构层；其特别之处在于：所述模型箱空腔的底部设置有基底框架，基底框架由相互交错的隔板组成，相邻隔板之间形成内部为空腔的方格，方格中设置有预制板；所述预制板的下方设置有气囊，预制板下方的两侧固定有滑轮，隔板上设置有对滑轮导向的轮轨，气囊连接有气泵***；通过气泵***可控制不同方格内的气囊缩胀，以实现地基层不同位置的沉降。

本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型，所述基底框架的上方设置有防止地基层中的泥土下漏至方格中的土工布。

本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型，所述模型箱的一个侧面为便于观察空腔中状况的透明玻璃门，透明玻璃门的两侧设置有固定于模型箱上的固定框架，固定框架上设置有便于玻璃门***和取出的导向槽。

本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型的实验方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).构建模型箱，根据试验要求和目的，构建长、宽、高尺寸符合要求的模型箱；b).布置基底框架，根据要模拟的实际工程情况，首先在模型箱空腔的底部安装尺寸、方格数目符合要求的基底框架；c).设置气囊和预制板，首先根据所要构建的地基层和工程结构层的重量，计算出每个预制板的受力范围，在基底框架的每个方格内安装气囊，并使气囊与气泵***的相应端口相连接，然后在气囊的上方安置预制板，并保证预制板上的滑轮落入隔板上的轮轨中；d).填筑地基层，根据要模拟的实际工程地质条件，选取适宜的土质铺设于基底框架的上方，形成地基层；并根据试验要求在地基层中埋设一定数量的压力传感器、位移传感器；e).构建上部工程结构层，针对模拟对象，在地基层上修筑与待模拟对象一致的工程构筑物，形成工程结构层，并在相应的位置埋设应变、压力、位移传感器；f).地基沉降模拟，根据设定的沉降位置，通过气泵***控制相应方格内的气囊进行收缩，以实现模型箱中地基层相应位置的沉降，通过控制气囊的缩胀大小来控制地基层的沉降量；g).数据采集和分析，在地基沉降模拟过程中，测量并记录所有埋设传感器的数据，通过监测数据传感器的数据变化，分析地基多点不均匀沉降引起的上部结构受力变形的变化规律，模拟测试可至地基层上的工程结构层完全破坏。

本发明的有益效果是：本发明的模拟地基不均匀沉降的实验模型及方法，模型箱空腔中由下至上设置有地基层和工程结构层，地基层的下方设置有若干方格构成的基底框架，方格中设置有预制板以及驱使预制板升降的气囊，在气泵***对气囊的控制下，可驱使相应方格内预制板的升降，进而实现地基层多点、不均匀沉降的模拟；通过采集、分析传感器输出的数据，实现对地基多点不均匀沉降规律的分析。相对于仿真实验来说，获取的数据和分析结果更加实际，相对于现场测试来说，具有可重复性、成本低的优点，因此，本发明的实验模型及方法具有模拟效果好、成本低、可重复实验性强的优点，有益效果显著，适于应用推广。

（1）、可以根据试验要求的不同，灵活设置基底框架结构独立空间的位置，通过控制分隔独立空间的位置预制板的升降，可实现深层地基土不均匀沉降的模拟，实现桥头跳车、不均匀沉降、沟谷地形、边缘沉降等不同类型沉降的模拟。

（2）、通过油泵驱动气囊缩胀幅度，可实现对沉降量、沉降速率的精确控制。

（3）、由于可将整个试验设备置于室内，使得诸如湿度、温度参数的模型试验环境易于控制，测量传感器易于布设和监测，结合传感器监测数据，试验过程能方便监测地基层及上部工程结构层的变形受力情况。

（4）、试验设备构造简明、可操作性高，该模型箱制作费用不高，且应用广泛，该试验模型及方法易于实现和推广。

附图说明

图1为本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型的结构示意图；

图2为本发明中基底框架的结构示意图；

图3为本发明的模拟地基不均匀沉降的试验模型应用原理图。

图中：1模型箱，2空腔，3基底框架，4隔板，5方格，6预制板，7滑轮，8轮轨，9气囊，10气泵***，11透明玻璃门，12固定框架，13刻度线，14土工布，15地基层，16工程结构层，17测量传感器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型的结构示意图，其由模型箱1、基底框架3、预制板6、滑轮7、导轨8、气囊9、气泵***10、透明玻璃门11、固定框架12、土工布14组成，所示模型箱1的上端开口、内部为空腔2，基底框架3设置于模型箱1内部空腔2的底部。所示的基底框架3由相互交错固定的隔板4组成，如相互交错的隔板4成相互垂直的状态，这样，相邻隔板4之间就形成了内部为空腔的方格5。如2所示，给出了本发明中基底框架3的结构示意图。

每个方格5中均设置有可上下运动的预制板6，预制板6下方的两侧均固定有滑轮7，隔板4上设置有对滑轮7进行导向的轮轨8。预制板6的下方设置有气囊9，气囊9的供气口与气泵***10的相应管路相通，通过气囊9的膨胀、收缩可驱使预制板上、下升降。在模拟实验过程中，通过气泵***10控制不同方格5中气囊9的膨胀和收缩动作以及缩胀量，进而驱使基底框架3上不同位置处的预制板6上下升降，以实现不同位置地基层15的不均匀沉降。

所示的基底框架3的上方还设置有土工布14，通过土工布14对地基层15中泥土的阻挡，可有效避免泥土通过预制板6与隔板4之间的缝隙落入方格5中，以免影响预制板6的自由升降。

为了便于模拟实验过程中对地基层15变化状态的观察，所示模型箱1的一个侧壁可以做成透明玻璃门11的形式，模型箱1上设置有对透明玻璃门11进行固定的固定框架12，固定框架12上开设有于透明玻璃门11相配合的导向槽。所示的透明玻璃门11上设置有刻度线13，以便在试验过程中观察地基层15的沉降量。

如图3所示，给出了本发明的模拟地基不均匀沉降的试验模型应用原理图，所示的地基层15设置于基底框架3的上方，工程结构层16设置于地基层15的上方，地基层15和工程结构层16中均设置有传感器，传感器的类型根据需要进行设置，如压力传感器、位移传感器和/或应变传感器。实验过程中，通过对传感器输出数据的分析，即可获取地基不同位置、不均匀沉降对地基层15和工程结构层16造成的影响。

本发明的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型的实验方法，通过以下步骤来实现：

a).构建模型箱，根据试验要求和目的，构建长、宽、高尺寸符合要求的模型箱；

b).布置基底框架，根据要模拟的实际工程情况，首先在模型箱空腔的底部安装尺寸、方格数目符合要求的基底框架；

c).设置气囊和预制板，首先根据所要构建的地基层和工程结构层的重量，计算出每个预制板的受力范围，在基底框架的每个方格内安装气囊，并使气囊与气泵***的相应端口相连接，然后在气囊的上方安置预制板，并保证预制板上的滑轮落入隔板上的轮轨中；

d).填筑地基层，根据要模拟的实际工程地质条件，选取适宜的土质铺设于基底框架的上方，形成地基层；并根据试验要求在地基层中埋设一定数量的压力传感器、位移传感器；

e).构建上部工程结构层，针对模拟对象，在地基层上修筑与待模拟对象一致的工程构筑物，形成工程结构层，并在相应的位置埋设应变、压力、位移传感器；

f).地基沉降模拟，根据设定的沉降位置，通过气泵***控制相应方格内的气囊进行收缩，以实现模型箱中地基层相应位置的沉降，通过控制气囊的缩胀大小来控制地基层的沉降量；

g).数据采集和分析，在地基沉降模拟过程中，测量并记录所有埋设传感器的数据，通过监测数据传感器的数据变化，分析地基多点不均匀沉降引起的上部结构受力变形的变化规律，模拟测试可至地基层上的工程结构层完全破坏。

Claims (4)

1.一种基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型，包括上端开口的模型箱（1），模型箱的内部为设置地基层（15）的空腔（2），地基层的上方用于设置待试验的工程结构层（16）；其特征在于：所述模型箱空腔的底部设置有基底框架（3），基底框架由相互交错的隔板（4）组成，相邻隔板之间形成内部为空腔的方格（5），方格中设置有预制板（6）；所述预制板的下方设置有气囊（9），预制板下方的两侧固定有滑轮（7），隔板上设置有对滑轮导向的轮轨（8），气囊连接有气箱***（10）；通过气箱***可控制不同方格内的气囊缩胀，以实现地基层不同位置的沉降。

2.根据权利要求1所述的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型，其特征在于：所述基底框架（3）的上方设置有防止地基层（15）中的泥土下漏至方格（5）中的土工布（14）。

3.根据权利要求1或2所述的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型，其特征在于：所述模型箱（1）的一个侧面为便于观察空腔（2）中状况的透明玻璃门（11），透明玻璃门的两侧设置有固定于模型箱上的固定框架（12），固定框架上设置有便于玻璃门***和取出的导向槽。

4.一种根据权利要求1所述的基于气囊法的模拟地基不均匀沉降的试验模型的实验方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).构建模型箱，根据试验要求和目的，构建长、宽、高尺寸符合要求的模型箱；

b).布置基底框架，根据要模拟的实际工程情况，首先在模型箱空腔的底部安装尺寸、方格数目符合要求的基底框架；

c).设置气囊和预制板，首先根据所要构建的地基层和工程结构层的重量，计算出每个预制板的受力范围，在基底框架的每个方格内安装气囊，并使气囊与气箱***的相应端口相连接，然后在气囊的上方安置预制板，并保证预制板上的滑轮落入隔板上的轮轨中；

d).填筑地基层，根据要模拟的实际工程地质条件，选取适宜的土质铺设于基底框架的上方，形成地基层；并根据试验要求在地基层中埋设一定数量的压力传感器、位移传感器；

e).构建上部工程结构层，针对模拟对象，在地基层上修筑与待模拟对象一致的工程构筑物，形成工程结构层，并在相应的位置埋设应变、压力、位移传感器；

f).地基沉降模拟，根据设定的沉降位置，通过气箱***控制相应方格内的气囊进行收缩，以实现模型箱中地基层相应位置的沉降，通过控制气囊的缩胀大小来控制地基层的沉降量；

g).数据采集和分析，在地基沉降模拟过程中，测量并记录所有埋设传感器的数据，通过监测数据传感器的数据变化，分析地基多点不均匀沉降引起的上部结构受力变形的变化规律，模拟测试可至地基层上的工程结构层完全破坏。