CN107024574B - 一种土拱效应模拟试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土拱效应模拟试验装置，包括试验箱和升降装置，试验箱箱底设置沉降单元板和非沉降单元板；升降装置包括升降动力装置、顶管平台板、顶管；顶管平台板由升降动力装置升起或降落；顶管用于升起和降落沉降单元板。与现有技术相比，本发明能够模拟多种工况下的结构物回填土的土拱效应，可以模拟结构物基础在大变形下的土拱效应。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程试验装置领域，具体涉及一种通用型土拱效应模拟试验装置及其使用方法。
背景技术
土拱效应的研究是近年来的一个热点，其在挡土墙、路基、管涵、隧道等诸多领域均有重要的作用，土拱效应相关理论也得到了发展。
在土拱效应的研究中，自1913年Marston提出开创了涵管土压力计算理论的先河后，土拱效应理论的建立程序基本一致：如“钢筋混凝土箱涵竖向土压力理论研究——梯形沟谷设涵(陈保国等，岩土力学)”，“考虑土拱效应的黏性填土挡土墙主动土压力研究(涂兵雄等，岩石力学与工程学报)”，考虑土拱效应的挡土墙空间土压力研究(林庆涛等，岩石力学与工程学报)所给出的方法流程：首先假定土体的变形趋势，然后通过微分层析法建立土压力计算模型。因此，土拱效应的研究中，对于土体变形的分析至关重要。而土体变形的实际情况只能通过试验来确定。因此，土拱试验中可以直观的查看土体变形的研究来建立相关求解理论，二是通过模拟试验可以研究土压力变化趋势。
关于土拱效应的试验研究，CN1975807A公开了一种土拱效应演示仪。在有机玻璃箱底部中心部位装有半圆柱形橡胶气袋，在半圆柱形橡胶气袋的外侧装有弹性橡皮膜，两者用螺栓固定在有机玻璃箱的底部；有机玻璃箱内从下至上依次相间填装黄色砂土和黑色砂土；半圆柱形橡胶气袋用管子与有机玻璃箱外的充气囊相连；充气囊管子上接有放气阀和前单向阀，充气囊上还接有后单向阀。通过送气和放气的简单操作可非常直观地观察到土体中的土拱现象，通过这一现象，可以较为形象的理解土体中土颗粒间的相互作用。该设备无法模拟周边土体下移时的土拱效应。
此外，CN101504334A公开了一种土拱试验仪，旨在实现土拱直接再现，并可通过拱前土压力测试验证土拱。它包括箱体、拱脚模型柱和加压装置和测力装置，箱体具有上端口和下端口，两个拱脚模型柱间隔设置在箱体的下端口处，加压装置设置在箱体上端口的上方，箱体下端口的下方具有拱前土下落空间。其可实现土拱的直接再现，可直接量测拱高、拱跨，描绘拱形，经计算处理得出拱轴线；可通过测量拱前土压力的分布确定土拱的存在及其影响因素，并确定拱跨；结构简单，能方便地进行各种土的土拱试验。该设备主要还是针对路基桩基土拱效应的研究，路基土拱效应主要是被动拱效应，并不能研究如管涵或者箱涵的主动拱效应。
另外，CN102914632A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。另外，国外学者如《Geotexiles and Geomembranes》发表的“Visualization of soil arching on reinforced embankment with rigid pilefoundation using X-ray CT”也公开了一种土拱模拟试验装置，它主要用于模拟路基桩基的土拱效应。上述两个文献主要也是针对路基桩基土拱效应的研究。但是，研究时体现了土拱效应的研究重点：位移。文献中均是将桩设置为非移动装置，而土体则通过其下面设置的移动板来实现桩-土之间的位移。上述文献的思想较好，但是其也不能研究管涵或者箱涵的土拱效应。此外，桩间土在不同桩号处的位移并不相同，上述两个文献在进行试验时并没有考虑上述因素，因此还不能研究不同桩间土位移下的土拱效应。
不同工程的实际工况多种多样，如图1所示平面应变条件下的管道回填、图2所示的路基管涵填土、图3所示的梯形沟谷箱涵回填、图4所示的平面应变条件下的双管道回填等等，上述实际中的工程问题一般是管道/管涵/箱涵由于自身重量较大，较周边土体而产生竖向位移较大(主动拱效应)，但是当管道/管涵/箱涵采用桩基础时，这种情况下的结构物的位移较周边土体产生的位移较小，这种情况下的土拱效应相似模拟试验还未进行足够的研究(管涵引起的被动拱效应)。另外，结构物的位移存在较大的空间效应，但是目前还没有文献报道针对该问题要进行试验研究。
综上所述，目前已有的试验设置主要是对于某一类工程情况设置的，在研究另外一种工程情况时需要对试验仪器重新设计，缺乏相对通用的土拱效应试验仪器。因此，有必要研发一种通用的用于研究土拱效应模拟试验装置，以模拟多种不同的工程实际问题，提高设备的重复使用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种土拱效应模拟试验装置及其使用方法。该装置可以模拟多种工况下的结构物回填土下的土拱效应，即模拟结构物填土条件下主动土拱效应和被动土拱效应，特别是在地基大变形下的土拱效应。
本发明的技术方案是：一种土拱效应模拟试验装置，包括试验箱(4)和升降装置(6)；试验箱(4)箱底设置沉降单元板(5-4)和非沉降单元板(5-3)；沉降单元板(5-4)能够上下活动，非沉降单元板(5-3)不能够上下活动；
所述升降装置(6)包括升降动力装置(6-1)、顶管平台板(6-2)、顶管(6-3)；顶管平台板(6-2)由升降动力装置(6-1)升起或降落；
顶管平台板(6-2)与沉降单元板(5-4)和非沉降单元板(5-3)相对应，在顶管平台板与沉降单元板和非沉降单元板对应的区域均设置有顶管连接装置，在沉降单元板(5-4)相对应的顶管平台板上设置有顶管(6-3)，顶管(6-3)通过顶管连接装置与顶管平台板连接，顶管(6-3)用于升起和降落沉降单元板(5-4)，将顶管平台板为方形，顶管连接装置在长边方向间距可选择为： 10cm-50cm，优选为10cm或15cm或20cm，短边方向间距选择为10cm-50cm；优选为10cm 或15cm或20cm。
进一步，本方案中的顶管平台板(6-2)与沉降单元板相对应，在顶管平台板与沉降单元板对应的区域均设置有顶管连接装置，在沉降单元板(5-4)相对应的顶管平台板上设置有顶管 (6-3)，顶管(6-3)通过顶管连接装置与顶管平台板连接，顶管(6-3)用于升起和降落沉降单元板 (5-4)；所述沉降单元板用于模拟结构物及其基础，非沉降单元板用于模拟周边填土基础；或所述沉降单元板用于模拟周边填土基础，非沉降单元板用于模拟结构物及其基础；其中，沉降单元板(5-4)在纵向方向上划分的节段数量与结构物及其基础的节段或者周边填土基础的节段数量相同，在每个沉降单元板(5-4)下面均设置有独立的升降装置(6)，升降装置(6)带动顶管(6-3)升降，进而达到沉降单元板(5-4)产生不同的位移，以模拟结构物及其基础或者周边填土基础产生的不均匀沉降。
进一步，试验箱(4)固定在机架的承重平台(3)上，所述机架包括上横梁(1-1)、下横梁 (1-4)、平台横梁(1-2)、立柱(2)、纵梁(1-3)；平台横梁(1-2)和纵梁(1-3)上设置承重平台(3)，所述试验箱(4)固定在承重平台(3)上；上横梁(1-1)，下横梁(1-4)的位置处分别设置纵梁(1-3) 以形成机架框架。试验箱(4)包括箱体主架(4-1)和四周的有机玻璃(4-2)，主架(4-1)包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃(4-2)通过插槽安装在箱体主架(4-1)上，上层横梁下表面设置有插槽，进一步固定有机玻璃(4-2)；有机玻璃背板上绘制有刻度网格。
进一步，在与沉降单元板(5-4)接触的非沉降单元板(5-3)和/或箱体侧壁下方设置有挡板(7)。在试验箱(4)上方还设有加载***和箱体内部填料位移监测***；加载***包括与上横梁(1-1)相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱(4)上方的加载板连接；或者加载***为激振器；箱体内部填料位移监测***包括：在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，和/或在试验箱体长边方向相对应的两侧设置的数码照相机或CT扫描机。
进一步，所述的每个升降装置(6)均与PLC连接，通过PLC来控制升降装置中的升降动力装置(6-1)的运动。
一种土拱效应模拟试验装置的试验方法，试验步骤如下：
(1)在顶管平台板上对应于沉降单元板(5-4)的部位安装顶管(6-3)；
(2)安装非沉降单元板(5-3)和沉降单元板(5-4)，将沉降单元板放置在顶管(6-3)上，通过沉降单元板下表面的孔槽以固定沉降单元板与顶管；控制升降装置(6)，升起顶管(6-3)使得沉降单元板(5-4)的上表面高度到达预设高度；顶管平台板(6-2)上的安装的位移沉降表调零；
(3)制备土样，具体而言要制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；
(4)填筑土体：按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体；待土体填筑到达预设高度后进行下一步骤；
(5)试验过程：控制升降动力装置(6-1)，使得顶管平台板(6-2)和顶管(6-3)逐步下降，最终带动沉降单元板(5-4)逐步下降；
在步骤(2)中，在完成沉降单元板(5-4)安装后，在填土之前，在沉降单元板(5-4)上表面布置土压力盒；
在步骤(5)中，试验开始后，加载***对填料进行荷载的加载；
在步骤(5)中，数码相机在顶管(6-3)每下移0.1mm时拍摄一张土体填料相片，同时土压力盒也采集一次数据；
在试验步骤(5)中，试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载***停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载***运作，继续试验。
采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明的设备可以研究填土条件下结构物如涵洞的土拱效应；2)在顶管平台板与沉降单元板和非沉降单元板对应的区域均设置有顶管连接装置，这样的设计方便于研究不同基础形式下的土拱效应：由于沉降单元板和非沉降单元板下面均有顶管连接装置，这样在研究完主动拱效应后，只需要将顶管的位置重新设置，即可研究被动拱效应；3)结构物如涵洞沿着纵向一般均会分节设置，对于管道而言一般是基础采用分节设置，因此沉降单元板的纵向设置数量与模拟结构物或者结构物基础的节段数量相同，在每个沉降单元板下面均设置有独立的升降装置，这种设计可以研究纵向变形下的土拱效应，而现有的设备只能研究横截面下的土拱变形；当沉降单元板对应周边填土基础时，可以研究周边填土在纵向不均匀位移条件下的被动拱效应；4)每个升降装置与PLC连接，为了提高研究的精度，采用PLC来控制每个升降装置，进而控制了每个沉降单元板的位移，从而实现了基础在三维变形情况下的土拱效应研究；5)在与沉降单元板接触的非沉降单元板和/或箱体侧壁下方设置有挡板，特别的对于软土地区，基础沉降有可能达到1-2m之多，此时有可能涵洞与周边填土之间的竖向不均匀位移较大，或者为了满足通航等条件，涵洞本身设置的高程较低等情形，这种情况必须得考虑沉降单元板的大变形要求，挡板+沉降单元板周边接触的非沉降单元板厚度或者接触的龙骨厚度+沉降单元板高于非沉降单元板上表面的厚度>沉降单元板下移高度，当沉降单元板起始位置低于非沉降单元板上表面时，沉降单元板高于非沉降单元板上表面的厚度取负值，上述设计提高了沉降单元板下移活动的范围增加，解决基础在大变形情况尤其是埋设较低时大变形的土拱效应研究；6)对于软土地区而言，不均匀沉降较大，施工过程中，沉降较大时，会随着沉降的增加不断的填土到原有标高，即填土-沉降-再填土-沉降-再填土的施工过程，因此，本次试验方法中特别指明：试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载***停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载***运作，继续试验；7)通过数码相机对于土体变形的研究，可以更好理解土拱效应，进而可以验证和修正相关理论。
附图说明：
图1为平面应变条件下的管道回填；
图2所示的路基管涵填土；
图3所示的梯形沟谷箱涵回填；
图4所示的平面应变条件下的双管道回填；
图5为实施例一试验装置总体构造图；
图6为实施例一试验箱承重平台构造俯视图；
图7为实施例一试验箱俯视图；
图8为实施例一沉降单元板和非沉降单元板安装立面图；
图9为实施例一沉降单元板和非沉降单元板安装俯视图；
图10为实施例一沉降单元板试验起始立面图；
图11为实施例一沉降单元板试验终了立面图；
图12为实施例二沉降单元板和非沉降单元板安装俯视图；
图13为实施二挡板结构立面图；
图14为实施例三工程立面图；
图15为实施例三沉降单元板和非沉降单元板安装俯视图；
图16a-16b为实施例三顶管与沉降单元板设置示意图；
图17为实施例四工程立面图；
图18为实施例四管涵纵向沉降曲线示意图；
图19为实施例四沉降单元板和非沉降单元板安装俯视图；
图20为实施例四沉降单元板沿纵向位移图；
图21a-21b为实施例四顶管与沉降单元板设置示意图；
图22a-22b为实施例五沉降单元板安装俯视图；
图23为实施例六工程示意图；
图24为实施例六沉降单元板和非沉降单元板安装俯视图；
图25为实施例六顶管与沉降单元板设置示意图；
附图标记：上横梁1-1，平台横梁1-2，纵梁1-3，下横梁1-4，立柱2，承重平台3，试验箱4，箱体主架4-1，有机玻璃4-2，箱体底部网状龙骨5-1，方形孔5-2，非沉降单元板5-3，沉降单元板5-4，升降装置6，升降动力装置6-1、顶管平台板6-2、顶管6-3，挡板7。
具体实施方式
实施例一：路基管涵填土土体变形模拟：管涵/箱涵与路基走向垂直，其基础采用垫层基础；
如附图5-11所示，土拱效应模拟试验装置包括：机架、试验箱4、升降装置6；
其中，机架包括两根上横梁1-1、两根下横梁1-4、两根平台横梁1-2、四根立柱2、6根纵梁 1-3，平台横梁1-2和纵梁1-3上设置承重平台3，试验箱4固定在承重平台3上；上横梁1-1，下横梁1-4的位置处分别设置2根纵梁1-3以形成机架框架；
试验箱4为包括箱体主架4-1和四周的有机玻璃4-2，主架4-1包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃4-2通过插槽安装在箱体主架4-1上，上层横梁下表面设置有插槽，进一步固定有机玻璃4-2；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；
箱体底部设置网状龙骨5-1，网状龙骨为纵横分布，本实施例采用三横四纵，网状龙骨5-1 固定在箱体主架4-1上，网状龙骨5-1与箱体四周共形成有20个面积相同的方形孔5-2；或者箱体底部设置网格式框体，框体内设置5列4排共计20个方形孔5-2；
在上述方形孔5-2中安放单元板；其中，中间一列为沉降单元板5-4，沉降单元板5-4的数量为4块(用来模拟管涵)，4块沉降单元5-4纵向不间断连接；其他列为非沉降单元板5-3(用来模拟路基回填土基础)，非沉降单元板5-3四边有卡边以固定在四周的龙骨上；每块沉降单元板5-4可在方形孔5-2中上下移动；
升降装置6包括：升降动力装置6-1、顶管平台板6-2、顶管6-3；升降动力装置采用液压油缸，也可以采用丝杆等其他动力装置；顶管平台板6-2由升降动力装置带动升起或降落；顶管平台板6-2上对应有方形孔5-2的部位均设置顶管连接装置，在每块沉降单元板5-4下设置顶管6-3，每块沉降单元5-4其他单元板下不设置顶管6-3，顶管6-3和顶管平台板的顶管连接装置采用螺纹连接或者焊接或者卡接或者插接等连接方式；
此外，为了模拟管涵上部有均匀荷载的情况，试验箱4上方还设有加载***，加载***包括与上横梁1-1相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱4上方的加载板连接；为了模拟管涵上部的交通荷载，加载***可更换为激振器；
在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，以便测量试验过程中土体的位移场；
本实施例中：沉降单元板5-4为一空心盒体，下表面设置有与顶管6-3截面相对应的插孔，顶管可直接接触沉降单元板5-4的上表面，更好的控制沉降单元板的沉降过程，插孔的作用在于限位沉降单元板与顶管，以及在升降过程中固定沉降单元板不发生水平位移。
试验过程如下：
(1)在顶管平台板上对应于沉降单元板5-4的部位安装顶管6-3；
(2)安装非沉降单元板5-3和沉降单元板5-4，将沉降单元板内部的孔对准顶管6-3；控制升降装置6，升起顶管6-3使得沉降单元板5-4的上表面高度到达预设高度；顶管平台板6-2上的安装的位移沉降表调零；
(3)在沉降单元板5-4表面布置土压力盒；
(4)制备土样，具体而言要制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；
(5)填筑土体：按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体；且每层土体厚度相同；
(6)加载***施工力：填料完成后，将加载板缓慢放置在土样上，通过加载***的千斤顶或者激振器与加载板连接；
(7)控制升降动力装置6-1，使得顶管平台板6-2和顶管6-3逐步下降，最终带动沉降单元板 5-4逐步下降；
(8)绘制沉降单元板竖向位移-土压力变化曲线。
实施例二，结合附图12-13，实施例一中由于沉降单元板5-4下方有横向龙骨，因此其竖向位移只能到达沉降单元板高出非沉降单元板的高度(相当于涵洞高于原地面填土的高度)，因而实施例一无法模拟涵洞位于原地面高度以下的情形，相当于沉降单元板5-4表面低于非沉降单元板6-3的情形。
结合附图12可知:沉降单元板5-4为一整体板，与原实施例一相比，将沉降单元板5-4 下面的横向龙骨取消；这种设置方法可以模拟沉降单元板在更大的沉降变形时的土拱效应。
而为了模拟涵洞位于原地面高度以下的情形，将沉降单元板5-4设置在非沉降单元板 6-3下表面，在沉降单元板5-4与非沉降单元板以及箱体的四周接触面下设挡板7，挡板7设在纵向龙骨以及箱体侧壁下方；以防止沉降单元板5-4下移时土体滑出。
实施例三：结合附图14-16理解，平面应变条件下的单一管涵模拟：如附图14所示，管涵直径1m，回填土体面总宽2m，回填高度2m；按照1:2的比例模拟，沉降单元板5-4设置在中间，宽度为0.5m，在沉降单元板5-4两侧各设置0.25m的非沉降单元板，沉降单元板和非沉降单元板的长度均为2m且均为整体板，非沉降单元板通过螺丝或其他方式直接固定在箱体侧壁上；
由附图15-16可知，沿着沉降单元板均布设置1排顶管6-3，顶管的数量为4个，顶管间距均为0.5m；
沉降单元板5-4的截面图形为：上部半圆形，下面矩形；上部半圆形表示管涵上部图形，下部矩形表示：管涵下部设置在混凝土基础中的形状；
顶管6-3与实施例一相同，仍然与沉降单元板5-4的上表面板接触，以便精确控制沉降单元板5-4的沉降位移；
实施例三的试验过程如下：
(1)在顶管平台板上对应于沉降单元板5-4的部位安装4根顶管6-3；
(2)安装非沉降单元板5-3和沉降单元板5-4，将沉降单元板放置在顶管6-3上，通过沉降单元板下表面的孔槽以固定沉降单元板与顶管；控制升降装置6，升起顶管6-3使得沉降单元板5-4的上表面高度到达预设高度；顶管平台板6-2上的安装的位移沉降表调零；
(3)在沉降单元板5-4表面布置土压力盒；
(4)制备土样，具体而言要制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；
(5)填筑土体：按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体；
(6)控制升降动力装置6-1，使得顶管平台板6-2和顶管6-3逐步下降，最终带动沉降单元板 5-4逐步下降；
(7)绘制沉降单元板竖向位移-土压力变化曲线。
实施例四：结合附图17-21所示：实际工程中管涵纵向往往也存在不均匀沉降，通过沉降观测可获得管涵纵向沉降曲线如图18所示。为了研究纵向管涵的土拱效应，为了便于观察管涵纵向土体的土拱效应，管涵设置在填土的中间位置，因而可利用左右两侧的对称性来观测管涵上部填土沿管涵的变形。
按照1:1的比例模拟，沉降单元板5-4设置在右侧，非沉降单元板设置在左侧，沉降单元板5-4设置为7行1列，非沉降单元板设置为整体板；沉降单元板的宽度为0.5m，非沉降单元板的总宽度也为0.5m；填土厚度为2m；在箱体四周的玻璃绘制有网格，网格刻度为10×10cm，以便于填土和沉降单元板的安装；本方案数码相机不仅仅在箱体短边方向设置，也要在试验箱体长边方向相对应的两侧设置，以对比研究管涵侧与填土侧两部分土体纵向土体滑动时的不同；此外，本方案中数码相机也可换成CT扫描机，CT扫描机的设置方案与背景文献 Visualization of soil arching on reinforced embankment with rigid pilefoundation using X-ray CT 相同。沉降单元板5-4的形状如图21所示。
实施例四的试验过程如下：
(1)在每行沉降板5-4对应的部位均设置有升降装置6，升降装置6共设置有7台；在顶管平台板上对应于沉降单元板5-4的部位安装顶管6-3；
(2)安装非沉降单元板5-3和沉降单元板5-4，将沉降单元板放置在顶管6-3上，通过沉降单元板下表面的孔槽以固定沉降单元板与顶管；控制升降装置6，升起顶管6-3使得沉降单元板5-4的上表面高度到达预设高度；顶管平台板6-2上的安装的位移沉降表调零；
(3)在每个沉降单元板5-4表面都布置土压力盒；
(4)制备土样，具体而言要制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；每层土体的厚度为0.1m；
(5)填筑土体：按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体；
(6)控制上述7台升降装置6各自的升降动力装置6-1，使得顶管平台板6-2和顶管6-3逐步下降，最终带动沉降单元板5-4逐步下降；其中，沉降单元板5-4的沉降位移不同，其效果如图20所示。
(7)绘制沉降单元板纵向竖向位移-土压力变化曲线。
实施例四中：为了使得沉降单元板在相同的时间内达到各自设定的位移，为了提高试验的准确性，将7台升降装置与PLC连接，由PLC装置来控制升降装置的升降过程。
实施例五：结合图22理解，与实施例三的工程条件不同，管涵基础若采用桩基础等基础时，管涵的沉降小于周边土体的沉降，这种工程背景下的试验目前还较少。
与实施例三不同，沉降单元板5-4设置在左右两侧，非沉降单元板5-3设置在中间，两者均为整体板，其他试验过程与实施例三相同。
为了能够研究不同基础形式的土拱效应，升降单元6下的顶管平台板不仅对应沉降单元板5-4，也对应非沉降单元板5-3；如实施例三，需要模拟管涵基础沉降时的土拱效应时，管涵所在的区域为沉降单元板，在管涵所对应的区域下面安设顶管，以便模拟管涵沉降时所引起的土拱效应；而为了模拟管涵采用桩基础时，两边土体沉降大于管涵沉降时，管涵所在的区域为非沉降单元板，仅仅在两边土体对应的区域安设顶管即可。
上述设计的优点在于方便的模拟不同基础形式的土拱效应。
实施例六：结合附图23-25所示，实际工程中还有：埋设有两部管涵，每个管涵有自己的基础；基础形式以及管涵埋设高度均相同，回填土宽度5m，管涵直径为1m，填土厚度为2m，管涵的横截面为：1m填土+1m管涵(基础)+1m填土+1m管涵(基础)+1m填土。针对上述模拟试验，设计的装置如图24所示：
按照1:2的比例模拟，沉降单元板5-4和非沉降单元板5-3交替布置，宽度均为0.5m，土体填土总厚度为1m；沉降单元板和非沉降单元板的长度均为2m且均为整体板，非沉降单元板通过螺丝或焊接方式直接固定在箱体4侧壁上。图24给出了双管涵下的顶管6-3设置形式。
以上已详细描述了本方面的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书的保护范围中。
Claims (9)
1.一种土拱效应模拟试验装置，包括试验箱（4）和升降装置（6）；其特征在于：
试验箱（4）箱底设置沉降单元板（5-4）和非沉降单元板（5-3）；沉降单元板（5-4）能够上下活动，非沉降单元板（5-3）不能够上下活动；
所述升降装置（6）包括升降动力装置（6-1）、顶管平台板（6-2）、顶管（6-3）；顶管平台板（6-2）由升降动力装置（6-1）升起或降落；
顶管平台板（6-2）与沉降单元板相对应，在顶管平台板与沉降单元板对应的区域设置有顶管连接装置，在沉降单元板（5-4）相对应的顶管平台板上设置有顶管（6-3），顶管（6-3）通过顶管连接装置与顶管平台板连接，顶管（6-3）用于升起和降落沉降单元板（5-4）；
所述沉降单元板用于模拟结构物及其基础，非沉降单元板用于模拟周边填土基础；或所述沉降单元板用于模拟周边填土基础，非沉降单元板用于模拟结构物及其基础；
其中，沉降单元板（5-4）在纵向方向上划分的节段数量与模拟结构物及基础的节段或者周边填土基础的节段数量相同，在每个沉降单元板（5-4）下面均设置有独立的升降装置（6），升降装置（6）带动顶管（6-3）升降，进而达到沉降单元板（5-4）产生不同的位移，以模拟结构物及其基础或者周边填土基础产生的不均匀沉降。
2.如权利要求1所述的一种土拱效应模拟试验装置，其特征在于：试验箱固定在机架的承重平台（3）上，所述机架包括上横梁（1-1）、下横梁（1-4）、平台横梁（1-2）、立柱（2）、纵梁（1-3），平台横梁（1-2）和纵梁（1-3）上设置承重平台（3），所述试验箱（4）固定在承重平台（3）上；上横梁（1-1），下横梁（1-4）的位置处分别设置纵梁（1-3）以形成机架框架。
3.如权利要求2所述的一种土拱效应模拟试验装置，其特征在于：试验箱（4）包括箱体主架（4-1）和四周的有机玻璃（4-2），主架（4-1）包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃（4-2）通过插槽安装在箱体主架（4-1）上，上层横梁下表面设置有插槽；有机玻璃背板上绘制有刻度网格。
4.如权利要求1或2所述的一种土拱效应模拟试验装置，其特征在于：在与沉降单元板（5-4）接触的非沉降单元板（5-3）和/或箱体侧壁下方设置有挡板(7)。
5.如权利要求2所述的一种土拱效应模拟试验装置，其特征在于：在试验箱（4）上方还设有加载***，箱体周边设置箱体内部填料位移监测***；
加载***包括与上横梁（1-1）相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱（4）上方的加载板连接；
箱体内部填料位移监测***包括：在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，和/或在试验箱体长边方向相对应的两侧设置的数码照相机或CT扫描机。
6.如权利要求1所述的一种土拱效应模拟试验装置，其特征在于：所述的每个升降装置（6）均与PLC连接，通过PLC来控制升降装置中的升降动力装置（6-1）的运动。
7.如权利要求1所述的土拱效应模拟试验装置的试验方法，其特征在于：
试验步骤如下：
（1）在顶管平台板上对应于沉降单元板（5-4）的部位安装顶管（6-3）；
（2）安装非沉降单元板（5-3）和沉降单元板（5-4），将沉降单元板放置在顶管（6-3）上，通过沉降单元板下表面的孔槽以固定沉降单元板与顶管；控制升降装置（6），升起顶管（6-3）使得沉降单元板（5-4）的上表面高度到达预设高度；顶管平台板（6-2）上的安装的位移沉降表调零；
（3）制备土样，具体而言要制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；
（4）填筑土体：按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体；待土体填筑到达预设高度后进行下一步骤；
（5）试验过程：控制升降动力装置（6-1），使得顶管平台板（6-2）和顶管（6-3）逐步下降，最终带动沉降单元板（5-4）逐步下降。
8.如权利要求7所述的土拱效应模拟试验装置的试验方法，其特征在于：
试验步骤还包括：
步骤（2）中，在完成沉降单元板（5-4）安装后，在填土之前，在沉降单元板（5-4）上表面布置土压力盒；
在步骤（5）中，试验开始后，加载***对填料进行荷载的加载；
在步骤（5）中，数码相机在顶管（6-3）每下移0.1mm时拍摄一张土体填料相片，同时土压力盒也采集一次数据。
9.如权利要求8所述的土拱效应模拟试验装置的试验方法，其特征在于：
试验步骤（5）中，试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载***停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载***运作，继续试验。
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