CN115615821A - 一种地下连续墙模型试验装置及试验方法 - Google Patents

一种地下连续墙模型试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下连续墙模型试验装置及试验方法，该试验装置包括土工模型箱、反力架、地下连续墙模型、带内支撑骨架的橡胶套袋、静力加载和地震模拟加载装置、侧向约束装置以及箱内填土。通过橡胶套袋实现地连墙两侧的不等高填土；通过侧向设置的液压千斤顶模拟地下结构刚性层的水平约束作用；通过加载块模拟竖向静力加载；通过电磁铁产生的竖向交变电磁力在土体中转化成的水平侧压力模拟地震荷载。地震模拟加载装置和侧向约束装置与箱内土体和模型的动力响应互不干扰。该试验装置拆装便捷快速、密闭性好、使用方便，可在实验室内准确模拟地下连续墙受土体静荷载作用和地震作用，并测试其响应评估其性能。

Description

一种地下连续墙模型试验装置及试验方法
技术领域：
本发明专利属于岩土工程试验装置领域，涉及基坑工程、地下工程等领域，具体涉及一种地下连续墙模型试验装置及试验方法。
背景技术：
地下连续墙因具有防渗、防漏、变形小等优点而被广泛应用于各类地下工程。由于其工程造价较高，前期的力学性能计算和模拟试验分析极为重要。
在室内进行地下连续墙缩尺试验时，为了模拟两侧不等高的土层对地下连续墙施加的水平荷载，通常采用隔板分隔出填土区和非填土区。而为了保证填土的密实度，在隔板后面的非填土区域需用砖块垒积以作为支撑。这种试验的布置方式较为繁琐，耗费了不必要的时间和人力。此外，为模拟地震作用下地下连续墙结构的响应，必须采用地震模拟振动台试验。受振动台承载能力的限制，通常只能进行小尺度模型试验，结构模型的动力相似规律难以满足，试验结果往往难以推广到原型结构中。若采用埋置于带填土的土工模型箱中的大尺寸地下连续墙模型进行地震模拟，需要有大型的地震模拟振动台，设备投资非常大。
发明专利内容：
本发明以电磁加载装置为核心，提供一种用于研究地下连续墙模型抗震性能的传统振动台试验装置的替代方案，克服当前土工模型箱振动台试验成本过高的问题。研发的适用于地下连续墙模型抗震性能试验的新型装置，能够实现便捷组装并较好地模拟墙体周围的侧向土压力和地下结构的刚性层平面，同时能测试结构在水平地震作用下的响应，为测试地下连续墙模型、土体的变形及受力规律从而保障结构的安全性提供试验设备支持。在此设备基础上提出相应的试验方法。
本发明专利通过如下技术方案实现:
一种地下连续墙模型试验装置，包括土工模型箱，位于土工模型箱上方的反力架及竖向支撑于土工模型箱内的地下连续墙模型，所述地下连续墙模型一侧设置有橡胶套袋，地下连续墙模型另一侧具有侧向约束装置，所述橡胶套袋与土工模型箱内设有填充体，所述反力架和橡胶套袋内填充体之间设置有施加作用力的地震模拟加载装置。
优选的，所述橡胶套袋内固定有支撑框架，所述支撑框架由多个杆件连接形成。
优选的，所述地震模拟加载装置由电磁线圈、衔铁以及固定于衔铁下方的加载块组成，加载块由非导磁材料制成，地震模拟加载装置固定于反力架上，加载块下表面与橡胶套袋内的填充体上表面接触。
优选的，所述侧向约束装置包括竖向排列若干组千斤顶，千斤顶固定于土工模型箱外的反力墙上，每组千斤顶伸缩端作用于地下连续墙模型。
优选的，所述土工试验箱内壁朝向千斤顶的一侧固定有支座，所述支座上放置有沿地下连续墙模型高度方向布设的分配梁，所述千斤顶的伸缩端与分配梁接触，所述千斤顶具有荷载传感器。
优选的，所述地下连续墙模型与土工模型箱的内壁之间具有间隙，所述杆件横截面小于间隙的宽度，所述杆件材质为玻璃或塑料。
优选的，所述土工模型箱表面具有纵向及横向交错的加强肋板。
优选的，所述填充体为不同性质的土堆叠形成，各层土高度相同或不同，相邻的不同填充体间以土工薄膜隔开，填充体的顶面也覆以土工薄膜。
本发明还包括一种地下连续墙模型试验方法，利用如上所述的地下连续墙模型试验装置：
包括静力实验方法和模拟地震的动力实验方法：
所述静力实验方法方式如下：
(1)在土工模型箱底部设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体，地下连续墙模型的下部伸入填充体内；
(2)在地下连续墙模型一侧设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体；在地下连续墙模型另一侧布放侧向约束装置；
(3)在橡胶套袋内的填充体上放置加载块，加载块平面尺寸小于橡胶套袋填充体顶部截面，测试地下连续墙在不同静荷载下的效应；
替换不同质量的加载块，模拟不同的竖向静荷载值或向电磁线圈内通入直流电，使衔铁和加载块对箱内土体产生竖向加载；
所述模拟地震的动力实验方法如下：
(1)在土工模型箱底部设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体，地下连续墙模型的下部伸入填充体内；
(2)在地下连续墙模型一侧设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体；在地下连续墙模型另一侧布放侧向约束装置；
(3)在反力架下放置加载块，加载块下表面与橡胶套袋内的填充体上表面接触，通过线圈内通过的交变电流使电磁铁产生竖向的电磁力，带动衔铁和加载块对箱内土体进行竖向加载，土体介质即对地下连续墙模型产生水平动力荷载作用，从而模拟并测试地下连续墙的地震作用效应。
优选的，土工模型箱内填土体按照实际工程土层分布或实验目标土层分布，分不同层、不同层厚设置；
优选的，千斤顶的组数由所测试地下连续墙不同荷载工况确定：如测试地下结构使用工况，则以对应的地下室层数确定，为地下室层数加一，千斤顶设置位置则对应于地下室顶板、中板和底板位置；如测试地下结构施工工况，则以对应的基坑支护支撑位置、拆撑位置和支撑道数确定。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果包括：
1.本发明专利的加载装置组装和拆卸方便，方便运输，可循环利用，节省大量人力物力，降低试验成本。
2.本发明专利的带内支撑骨架的橡胶套袋由于自身的密闭性和柔性，既起到了分割两个箱室达到地下连续墙两侧不等高填土的效果同时橡胶套袋由于自身较柔不会对地下连续墙产生额外的约束，同时橡胶套袋可以起到阻尼的作用从而减小土工模型箱对箱内填土产生的边界效应。
3.本发明专利中在加载装置中设置的液压千斤顶在填土阶段可以起到非填土区的临时支撑的作用，在试验阶段可以模拟地下结构刚性层，既节省了人力物力又较好的模拟了地下结构的实际工况。
4.本发明专利中的电磁加载装置安装便捷，利用交变电流在电磁线圈中产生循环荷载模拟地震作用，克服了地震模拟振动台承载能力限制的缺点，对于埋置于土工模型箱中的大尺寸地下连续墙模型这种结构体系的抗震性能试验，显著减小了设备投资。
附图说明：
图1为本发明专利抗震试验装置的整体结构三维图；
图2为本发明专利土工模型箱三维图；
图3为本发明专利橡胶套袋三维图；
图4为本发明专利地震模拟加载装置三维图；
图5为本发明专利侧向约束装置三维图；
图6为本发明专利整体组装流程图(箭头为装配步骤指向)；
图7为本发明专利电磁加载模拟地震作用原理图；
图中：1-土工模型箱，11-加劲肋板，2-反力架，3-地下连续墙模型，41-支撑骨架，42-橡胶套袋，5-地震模拟加载装置，51-电磁铁，52-衔铁，53-加载块，6-侧向约束装置，61-液压千斤顶，62-分配梁，7-填土。
具体实施方式：
一种地下连续墙模型试验装置，包括土工模型箱1，位于土工模型箱1上方的反力架2及竖向支撑于土工模型箱内的地下连续墙模型3，所述地下连续墙模型一侧设置有橡胶套袋42，地下连续墙模型另一侧具有侧向约束装置6，所述橡胶套袋与土工模型箱内设有填充体7，所述反力架和橡胶套袋内填充体之间设置有施加作用力的地震模拟加载装置5。
如图2所示，在本发明实施例中，所述的土工模型箱1由钢材制成，外侧具有数条横向和纵向交错固定于土工模型箱1的加劲肋板11，保证在模拟地震加载过程中土工模型箱1具有足够的刚度，土工模型箱1的宽度应大于地下连续墙模型的宽度，且土工模型箱1长边尺寸或加载方向的长度应保证由于地下连续墙模型结构的位移响应使土体变形产生的完整滑动面都在模型箱范围之内。
如图3所示，带内支撑骨架的橡胶套袋4包括内部支撑骨架41和橡胶套袋42。为了避免加载过程中受电磁力的影响，内部支撑骨架由塑料制成，塑料杆材通过扣件组装固定连接形成箱型框架以支撑外层的橡胶套袋，杆材与箱形框架尽可能柔。为了不会阻塞地下连续墙模型沿模型箱长度方向的变形，杆材直径需小于地下连续墙模型3与土工模型箱1之间缝隙的宽度。
本实施例中，橡胶套袋4与土工模型箱内具有填充体7为模拟地下环境的土质。
如图4所示，地震模拟加载装置5由电磁线圈51、衔铁52以及固定于衔铁下方的加载块53组成，加载块53非导磁材料制成并与衔铁52连接成一体，地震模拟加载装置固定于反力架1上，且对应设置于橡胶套袋42上方，工作时加载块下表面与橡胶套袋42内的填充体上表面接触，用于向橡胶套袋42内的填充体提供竖向荷载。
模拟地震作用时，通过线圈内通过的交变电流使电磁铁产生竖向的电磁力，吸引衔铁52和加载块53对箱内土体进行竖向加载，再以作为填充体的土体为传递介质对地下连续墙模型3产生水平的循环荷载作用从而模拟地震作用。
如图5所示，侧向约束装置6由两组千斤61组成，千斤顶固定于模型箱外的反力墙上，每组千斤顶各包含两个水平排列的液压千斤顶并配置荷载传感器，千斤顶端部与分配梁62接触，分配梁62梁端置于支座上，支座与土工模型箱1内壁焊接，通过侧向设置的液压千斤顶模拟地下结构刚性层的水平约束作用。
如图6所示，所述的地下连续墙试验用装配式土工模型箱1具体装配顺序如下：
装配步骤1，通过地锚螺栓将加劲的土工模型箱1和反力架2依次固定到试验场地上，然后在土工模型箱内进行少量的填土后通过反力架将地下连续墙试验模型3定位到土工模型箱中，使地下连续墙试验模型3底部表面与填土上表面齐平，目的是为了避免由于地下连续墙模型3下侧与土工模型箱1模型地板距离过于接近而产生影响试验测试结果的尺寸效应。定位好地下连续墙试验模型后，继续在土工模型箱内填土至一定的高度，该步骤的完成后示意图如图6(a)所示。
装配步骤2，将橡胶套袋42平铺于地下连续墙试验模型3一侧的填土表面，以地下连续墙模型3为分隔面，放置橡胶套袋的这一侧土工模型箱箱室(下文简称箱室A)中通过扣件组装塑料棒材框架41，框架的尺寸略小于该箱室A的尺寸，组装完毕后调整外侧的橡胶套袋使橡胶套袋包裹内部框架，内部框架起到了支撑橡胶套袋的作用，该步骤的完成后示意图如图6(b)所示。
装配步骤3，以地下连续墙模型为分界，在安装橡胶套袋的另一侧箱室(下文简称箱室B)中通过焊接在土工模型箱上的支座固定两层分配梁62，使分配梁62与地下连续墙模型3侧表面接触，将两组液压千斤顶61的底座固定在土工模型箱外的反力墙上，千斤顶的顶端穿过土工模型箱的预留孔洞伸入箱内，调整千斤顶使顶端抵住分配梁，防止由于两侧不等高填土使得地下连续墙试验模型发生倾覆。完成侧向支撑装置的安装后再向箱室A的橡胶套袋中填土至试验设计的高度，这时由于有橡胶套袋和内侧框架的支撑作用，箱室A的填土不会由于高于箱室B而从地连墙模型与土工模型箱的缝隙中发生滑坡，该步骤的完成后示意图如图6(c)所示。
装配步骤4，将加载块53置于箱室A橡胶套袋4中的填土表面，安装固定电磁铁51，至此，试验装置安装完毕，该步骤的完成后示意图如图6(d)所示。
具体实验时，所述填充体为不同性质的土堆叠形成，各层土高度相同或不同，相邻的不同填充体间以土工薄膜隔开，填充体的顶面也覆以土工薄膜，土工模型箱内填土体按照实际工程土层分布或实验目标土层分布，分不同层、不同层厚设置；
本发明还包括一种地下连续墙模型试验方法，利用如上所述的地下连续墙模型试验装置：
包括静力实验方法和模拟地震的动力实验方法：
所述静力实验方法方式如下：
(1)在土工模型箱底部设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体，地下连续墙模型的下部伸入填充体内；
(2)在地下连续墙模型一侧设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体；在地下连续墙模型另一侧布放侧向约束装置；
(3)在橡胶套袋内的填充体上放置加载块，加载块平面尺寸小于橡胶套袋填充体顶部截面，测试地下连续墙在不同静荷载下的效应；
替换不同质量的加载块，模拟不同的竖向静荷载值或向电磁线圈内通入直流电，使衔铁和加载块对箱内土体产生竖向加载；
所述模拟地震的动力实验方法如下：
(1)在土工模型箱底部设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体，地下连续墙模型的下部伸入填充体内；
(2)在地下连续墙模型一侧设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体；在地下连续墙模型另一侧布放侧向约束装置；
(3)在反力架下放置加载块，加载块下表面与橡胶套袋内的填充体上表面接触，通过线圈内通过的交变电流使电磁铁产生竖向的电磁力，带动衔铁和加载块对箱内土体进行竖向加载，土体介质即对地下连续墙模型产生水平动力荷载作用，从而模拟并测试地下连续墙的地震作用效应。
模拟地震作用时，如图7所示，交变的电磁力传力路径为电磁铁51-衔铁52-加载块53-填土7-地下连续墙模型3，通过改变电磁线圈中的交变电流从而对地下连续墙模型产生交变的荷载以模拟地震作用，采集地下连续墙试验模型的应力、变形数据和液压千斤顶的读数。
输入线圈内的交变电流系根据实验对象工程特征(如场地土、抗震类别等)，根据现行抗震规范要求选择的合适的地震波，经电信号转换所成。
千斤顶的组数由所测试地下连续墙不同荷载工况确定：如测试地下结构使用工况，则以对应的地下室层数确定，为地下室层数加一，千斤顶设置位置则对应于地下室顶板、中板和底板位置；如测试地下结构施工工况，则以对应的基坑支护支撑位置、拆撑位置和支撑道数确定。
本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：包括土工模型箱，位于土工模型箱上方的反力架及竖向支撑于土工模型箱内的地下连续墙模型，所述地下连续墙模型一侧设置有橡胶套袋，地下连续墙模型另一侧具有侧向约束装置，所述橡胶套袋与土工模型箱内设有填充体，所述反力架和橡胶套袋内填充体之间设置有施加作用力的地震模拟加载装置。
2.根据权利要求1所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述橡胶套袋内固定有支撑框架，所述支撑框架由多个杆件连接形成。
3.根据权利要求1所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述地震模拟加载装置由电磁线圈、衔铁以及固定于衔铁下方的加载块组成，加载块由非导磁材料制成，地震模拟加载装置固定于反力架上，加载块下表面与橡胶套袋内的填充体上表面接触。
4.根据权利要求3所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述侧向约束装置包括竖向排列若干组千斤顶，千斤顶固定于土工模型箱外的反力墙上，每组千斤顶伸缩端作用于地下连续墙模型。
5.根据权利要求4所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述土工试验箱内壁朝向千斤顶的一侧固定有支座，所述支座上放置有沿地下连续墙模型高度方向布设的分配梁，所述千斤顶的伸缩端与分配梁接触，所述千斤顶具有荷载传感器。
6.根据权利要求2所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述地下连续墙模型与土工模型箱的内壁之间具有间隙，所述杆件横截面小于间隙的宽度，所述杆件材质为塑料。
7.根据权利要求4所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述土工模型箱表面具有纵向及横向交错的加强肋板。
8.根据权利要求1所述的一种地下连续墙模型试验装置，其特征在于：所述填充体为不同性质的土堆叠形成，各层土高度相同或不同，相邻的不同填充体间以土工薄膜隔开，填充体的顶面也覆以土工薄膜。
9.一种地下连续墙模型试验方法，其特征在于，利用如权利要求4或5所述的地下连续墙模型试验装置：
包括静力实验方法和模拟地震的动力实验方法：
所述静力实验方法方式如下：
(1)在土工模型箱底部设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体，地下连续墙模型的下部伸入填充体内；
(2)在地下连续墙模型一侧设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体；在地下连续墙模型另一侧布放侧向约束装置；
(3)在橡胶套袋内的填充体上放置加载块，加载块平面尺寸小于橡胶套袋填充体顶部截面，测试地下连续墙在不同静荷载下的效应；
(4)替换不同质量的加载块，模拟不同的竖向静荷载值或向电磁线圈内通入直流电，使衔铁和加载块对箱内土体产生竖向加载；
所述模拟地震的动力实验方法如下：
(1)在土工模型箱底部设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体，地下连续墙模型的下部伸入填充体内；
(2)在地下连续墙模型一侧设置橡胶套袋，并在橡胶套袋内填入填充体；在地下连续墙模型另一侧布放侧向约束装置；
(3)在反力架下放置加载块，加载块下表面与橡胶套袋内的填充体上表面接触，通过线圈内通过的交变电流使电磁铁产生竖向的电磁力，带动衔铁和加载块对箱内土体进行竖向加载，土体介质即对地下连续墙模型产生水平动力荷载作用，从而模拟并测试地下连续墙的地震作用效应。
(4)根据权利要求9所述的一种地下连续墙模型试验方法，其特征在于，土工模型箱内填土体按照实际工程土层分布或实验目标土层分布，分不同层、不同层厚设置；
10.根据权利要求9所述的一种地下连续墙模型试验方法，其特征在于，千斤顶的组数由所测试地下连续墙不同荷载工况确定：如测试地下结构使用工况，则以对应的地下室层数确定，为地下室层数加一，千斤顶设置位置则对应于地下室顶板、中板和底板位置；如测试地下结构施工工况，则以对应的基坑支护支撑位置、拆撑位置和支撑道数确定。
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