CN103454400B - 用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱 - Google Patents
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Abstract
一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱，由多块水平加载板拼接成模型箱的四个周边，多块垂直加载板拼接成模型箱的顶部，每个水平加载板都通过球形关节与一个水平加载作动器连接，水平加载作动器通过连接螺栓与反力墙固定连接；每个垂直加载板都通过球形关节与一个垂直加载作动器连接，每个垂直加载作动器与反力梁固定连接；相邻的水平加载板的侧面之间均镶有密封胶条。本发明提出的模型箱，可用于地下空间及其开挖模拟试验、降雨和地下水位升降条件下地基和边坡工程模拟试验、桩基和桩周土的动力响应试验、管片模拟试验、结构部件性能试验等不同功能的土工试验模拟，同时，应用所述模型箱可对大尺寸物理模型实现真三维加载。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于隧道和地铁车站、基础工程、边坡工程、挡土结构等岩土工程的物理模型试验装置，尤其是一种可对大型物理模型进行立体综合模拟试验的试验平台，特别是涉及一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱。
背景技术
地铁工程、隧道以及地下洞室工程、基础工程、边坡工程、挡土结构等岩土工程的地质力学模型试验是研究大型岩土工程问题的重要手段，在国内外已得到广泛应用，并在科学研究及工程建设过程中发挥着重要作用，国内外针对大型矿井顶板围岩稳定、大坝坝体与坝基的岩体稳定、大型洞室围岩稳定与支护等工程问题进行了卓有成效的研究工作，并研制了规模不等的配套模型试验设备。
在本发明的下述说明中，所谓立体综合模拟试验，指的是可实施真三轴加载，可进行地下空间及其开挖模拟试验、降雨和地下水位升降条件下地基和边坡工程模拟试验、桩基和桩周土的动力响应试验、管片模拟试验、结构部件性能试验等不同功能的物理模型试验。本发明中的模型最大尺寸可达10m×6m×6m（长×宽×高），相对于现有技术的模型试验规模来说，尺寸上要大得多，因此本发明的试验台属于一种大型的试验平台。
对于岩土工程模型实验而言，尤其是对于地铁工程之类的地下岩土工程模型试验来说，实验模型的几何相似比是一个关键的技术指标。几何相似比取得过小，虽可以节省实验材料，但是过小的模型体量会限制传感器的布置，与较大的模型相比，更容易受到外界因素的干扰，从而影响实验结果。因此，在条件允许的情况下，应当尽量采用较大的模型几何相似比，也就是采用较大的模型箱，在这种情况下，模型实验本身的复杂性也相应的增加，例如大比例模型实验需要的相似材料用量较大；在模拟大埋深复杂工况时，需要大吨位的加载系统以及刚度较大的反力系统等。随着岩土工程的规模越来越大， 出现的工程问题更加复杂，现有试验设备已不能很好地满足工程实践的需要。
CN101086494A提供了一种大型模型试验平台，其提供的模型箱最大尺寸为15m×5m×6m（长×宽×高），但是该现有技术所提供的试验平台仅能够通过上部反力梁对模型进行上部加载，不能实现真三维加载，不能满足立体综合模拟试验的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱，以减少或避免前面所提到的问题。
具体来说，本发明提供了一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱，所述岩土工程大型立体综合模拟试验台至少包括提供水平加载力的反力墙、提供垂直加载力的反力梁以及模型箱，所述反力墙由钢筋混凝土制成，并围绕设置于由地面开挖的基坑的四个周边；所述反力梁横跨所述基坑设置于所述反力墙的上端面，并与浇注于所述反力墙的混凝土内部的钢结构部件固定连接；
所述模型箱的四周和顶部由多块加载板拼接而成，模型箱底部与所述基坑底部钢筋混凝土地面共用；所述内侧反力墙均匀布置有多个预留的水平加载孔；每个水平加载板都通过球形关节与一个水平加载作动器连接，所述水平加载作动器通过设置于所述水平加载孔中的连接螺栓与所述反力墙固定连接；每个垂直加载板都通过球形关节与一个垂直加载作动器相连，每个所述垂直加载作动器通过连接螺栓与所述反力梁固定连接；
相邻的所述水平加载板的侧面之间均镶有密封胶条。
优选地，所述球形关节设置有调节固定件，所述调节固定件一端具有一个固定孔，另一端设有一个调节长孔，所述固定件通过螺钉与所述水平加载板或所述垂直加载板固定连接，所述调节长孔通过螺钉与所述球形关节底座固定连接。
优选地，所述模型箱的四个角部设置有传力不干涉装置，所述传力不干涉装置包括一个矩形截面的不干涉件以及将所述不干涉件与所述反力墙固定连接的传力支护杆，所述不干涉件相邻的两个相互垂直的面分别与邻接的水平加载板紧密贴合；与所述不干涉件邻接的所述水平加载板的侧面可沿着垂直于所述不干涉件的相邻接侧面移动，所述水平加载板的侧面镶有密封胶条， 所述密封胶条紧密贴合于所述不干涉件的相邻接侧面。
优选地，所述传力支护杆与所述反力墙固定连接的一端具有一块与所述传力支护杆垂直连接的支撑板；所述支撑板通过设置于所述水平加载孔中的连接螺栓与所述反力墙固定连接，所述连接螺栓穿过所述支撑板上的连接孔，所述连接孔两侧的所述连接螺栓上各设置有一个调节螺栓，所述调节螺栓可调节所述支撑板与所述反力墙之间的距离。
本发明提出了一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱，其可用于地下空间及其开挖模拟试验、降雨和地下水位升降条件下地基和边坡工程模拟试验、桩基和桩周土的动力响应试验、管片模拟试验、结构部件性能试验等不同功能的土工试验模拟，同时，应用所述模型箱以及配套加载装置可同时对大尺寸物理模型实现真三维加载。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种岩土工程大型立体综合模拟试验台的立体结构示意图；
图2显示的是图1的横向剖视示意图；
图3显示的是图1的纵向剖视示意图；
图4显示的是根据本发明的一个具体实施例的模型箱的俯视示意图；
图5显示的是图4中位置A处的放大示意图；
图6显示的是图4中位置B处的放大示意图；
图7显示的是图4中位置C处的放大示意图；
图8显示的是传力不干涉装置的立体结构示意图；
图9显示的是水平加载板以及与其连接的水平加载作动器的放大结构分解示意图；
图10显示的是图9所示的调节固定件的结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果进行更加清楚的解释，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
图1显示的是根据本发明的一个具体实施例的一种岩土工程大型立体综合模拟试验台的立体结构示意图，图中粗略显示的是本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台的大致结构，着重显示了其相对背景技术部分提及的现有技术的主要区别。
参见图1，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台与现有技术的一个显著区别在于，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台的主体部分设置于地面开挖的一个基坑1中（参见图2、3），其中，图1的附图标记11所表示的部分是地面，附图标记12所表示的部分是基坑1的底部，整个基坑1从图2和图3的剖视示意图可以看得更清楚，其中，图2显示的是图1的横向剖视示意图，图3显示的是图1的纵向剖视示意图，当然，类似于图1，图2、3采用的是简略画法，仅用于本领域技术人员阅读理解。
如图1-3所示，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台总体上包括位于基坑1中的地下部分和围绕基坑1设置的地上部分，其中，地下部分是试验平台的主体结构，至少包括反力加载装置2以及模型箱3（模型箱3在图1-3中未显示，参见图4），其中反力加载装置2包括提供水平加载力的反力墙21以及提供垂直加载力的反力梁22。即，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台至少包括提供水平加载力的反力墙21、提供垂直加载力的反力梁22以及模型箱3。
其中，反力墙21由钢筋混凝土制成，并围绕设置于由地面开挖的基坑1的四个周边；围绕基坑1的地面11上设置有地面试验建筑13（图1中显示了一部分，具体结构参见图2、3），地面试验建筑13的顶部设有横跨基坑1的吊车14；基坑1的一侧设有一个连通地面11的物料输送电梯井15；与物料输送电梯井15对应的一侧的反力墙21上设置有一个试验通道16，试验通道16与物料输送电梯井15连通。
图1中显示的反力梁22有两个，设置于反力墙21的上端面，并与浇注于反力墙21的混凝土内部的钢结构部件（图中未示出）固定连接。模型箱3设置于反力墙21和反力梁22围绕的空间内。
反力梁22用于对模型箱3的顶部进行加载，图1中只显示了两个反力梁 22，图3中只显示了一个反力梁22，图1-图3仅是示意，实际使用中，可根据模型箱3的大小和需要承受的顶部压力设置多个反力梁22，反力梁22两端通过螺栓与反力墙21顶部连接。
由上可见，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台与现有技术的显著不同在于，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台的试验部分，也就是反力加载装置2主要设置于地下，而现有的试验平台都是设置于地面上。本发明将主要施力和受力的部件，主要是反力墙21及其附属钢筋混泥土结构设置于地下的基坑1中，并且背靠基坑1的周边，使得试验时施力和受力的部件嵌入地下，可以有效减小反力墙21在受力过程中的变形。另外，由于是将反力墙21围绕设置于由地面开挖的基坑1的四个周边，其本身环绕连接成一个整体，当通过反力墙21的四边同时向模型箱施加作用力时，相对的反力墙21上所承受的反力可以相互抵消，形成自平衡体系。而且，由于反力墙21及其附属钢筋混泥土结构背靠基坑1的四边，试验平台周围土体会对反力墙21施加一定反力，将显著提高试验平台的抗倾覆能力。
另一方面，由于反力墙21设置于地下基坑1中，节约了地上空间，同时便于试验过程中试验人员从地面提供试验协助和观察试验过程。
本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台的另一个显著特点是其结构尺寸的大型化，本发明中的最大模型尺寸可达10m×6m×6m（长×宽×高），相对于现有技术的模型试验规模来说，尺寸上要相对大得多，方便进行各种不同工程、不同工况的模型试验。本发明通过钢筋混凝土结构的反力墙21提供了大刚度的反力加载装置，从而可以提供大吨位的加载系统。
另外，对于大型试验来说，模型材料的输送会变得更加困难。本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台由于设置于固定建筑物中，不能像现有的敞开式钢架结构那样，在需要装载物料的时候采用起重机之类的可移动设备起吊和输送物料，因此，本发明的岩土工程大型立体综合模拟试验台在围绕基坑1的地面试验建筑13的顶部设置了横跨基坑1的可移动吊车14，用于通过吊钩或者抓斗输送物料。另外，为了便于人员进出基坑1安装调试试验设备，输送物料和小型试验设备，在基坑1的一侧还设置了物料输送电梯井15。进一步的，由于大型试验需要输送大量的模型材料，在一个具体实施例中，在基坑1的上部还设置有可向所述模型箱中输送模型材料的传送带17。为了安装图4中所示的提供水平加载力的水平加载作动器等结构，每个所述 反力墙21面向所述基坑1内部的墙壁上都均匀布置多个预留的水平加载孔23；从图2、3中可见，水平加载孔23有一部分是通孔，有一部分是盲孔，通孔和盲孔的分布根据所述试验平台的结构特征和试验需要预先设计。当水平加载孔23是通孔时，其还可以用于布放电缆、水管、传感器线缆、输油管路等管线。
图4是根据本发明的一个具体实施例的模型箱3的俯视示意图，其中，模型箱3可由多块水平加载板31拼接成所述模型箱3的四个周边，同样的，类似于图4中显示的模型箱3的俯视图的情形，可由多块垂直加载板拼接成所述模型箱的顶部，模型箱3的底部与所述基坑底部钢筋混凝土地面共用。
每个所述水平加载板31都通过球形关节与一个水平加载作动器32相连，所述水平加载作动器32通过设置于所述水平加载孔23中的连接螺栓与所述反力墙21固定连接。每个所述垂直加载板都通过球形关节与一个垂直加载作动器相连，每个所述垂直加载作动器通过连接螺栓与所述反力梁22固定连接。水平加载板31与水平加载油箱32通过球形关节连接的结构可以参见图9。
模型箱3与现有技术最大的不同之处在于，它是由多块水平加载板31和垂直加载板拼接而成的，这样设置是为了满足不同规模、不同加载方式的模型试验的需要，例如，对于不同尺寸的模型，需要提供不同尺寸的加载板，采用本发明的加载板拼接结构可以很容易的拼接出不同尺寸的加载板组合。
由于模型箱3是由多块加载板拼接而成，因此，在制作模型前，可以只在模型箱3的三面安装水平加载板31，靠试验通道16一侧加载板可不安装，然后可将传送带17安装在试验通道16处，这样模型材料就可以由物料输送电梯井15运送至地下，然后经由传送带17直接运进模型箱3，上层模型材料的调运可以采用在吊车上安装抓斗机进行。
另一方面，本发明采用拼接加载板结构，每个加载板都对应独立的加载作动器，可以提供多种组合形式的力学加载模型，这一点与背景技术提及的现有技术CN101086494A有点类似，不过这些现有技术虽然提供了多个加载作动器，但是加载板却是整体结构，无法针对各模型试验的不同实现灵活加载。
本发明可以从模型箱3的侧面和顶部进行加载，这需要克服相邻两侧的加载板在加载过程中的干涉问题。如图4所示，为了解决加载板干涉问题，在模型箱3的四个角部设置有传力不干涉装置33，所述传力不干涉装置33包括一个矩形截面的不干涉件331以及将所述不干涉件331与所述反力墙21固定连接的传力支护杆332，所述不干涉件331相邻的两个相互垂直的面分别与邻接的水平加载板31紧密贴合；与所述不干涉件331邻接的所述水平加载板31的侧面可垂直于所述不干涉件的相邻接的侧面移动。在加载过程中，模型箱3相邻的水平加载板在加载过程中贴着不干涉件331移动，不干涉件331固定安装，这样可同时保证加载过程中模型箱3的密封性。
图5显示的是图4中位置A处的放大示意图，图中可见，为了保证模型箱3在传力不干涉装置33位置的密封性，在一个优选实施例中，水平加载板31的侧面镶有密封胶条311，所述密封胶条311紧密贴合于所述不干涉件331的相邻接的侧面。即在水平加载板31的周边可以铣有密封槽，然后镶入密封胶条311。
同样，为了保证模型箱3的拼接加载板之间的密封性，在一个优选实施例中，相邻的所述水平加载板31的侧面之间均镶有密封胶条311，图6显示的是图4中位置B处的放大示意图，类似的，相邻的所述垂直加载板的侧面之间也可以镶有密封胶条。
图7显示的是图4中位置C处的放大示意图，主要是为了进一步说明传力不干涉装置33的结构以及连接关系，如图所示，所述传力支护杆332与所述反力墙21固定连接的一端设有一块与所述传力支护杆332垂直连接的支撑板333；所述支撑板333通过设置于所述水平加载孔中的连接螺栓334与所述反力墙21固定连接，所述连接螺栓334穿过所述支撑板333上的连接孔335，所述连接孔335两侧的所述连接螺栓334上各设置有一个调节螺母336，所述调节螺母336可调节所述支撑板333与所述反力墙21之间的距离。其中，传力不干涉装置33的立体结构可以参见图8。
图9显示的是水平加载板31以及与其连接的水平加载作动器32的放大结构分解示意图，本领域技术人员应当理解，相关结构实际上同样适用于垂直加载板和垂直加载作动器的结构。
具体来说，每个水平加载板31都通过球形关节34与一个水平加载作动器32相连，所述水平加载作动器32通过设置于所述水平加载孔23中的连接螺栓与所述反力墙21固定连接。利用球形关节34可以在加载之前调节各个加载板的水平、垂直位置，保证各个水平加载板31处于竖直状态且整齐并排排列，使得各个水平加载板31能够同步加载移动。
图10显示的是图9所示的调节固定件的结构示意图，所述球形关节34设置有调节固定件341，所述调节固定件341一端具有一个固定孔342，另一端具有一个调节长孔343，所述固定孔342通过螺钉与所述水平加载板31或所述垂直加载板固定连接，所述调节长孔343通过螺钉与所述球形关节底座344固定连接。这种调节固定件341的设置不但易于调节水平加载板31的位置，也便于将调节好的位置固定。
本发明提出了一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱，其可用于地下空间及其开挖模拟试验、降雨和地下水位升降条件下地基和边坡工程模拟试验、桩基和桩周土的动力响应试验、管片模拟试验、结构部件性能试验等不同功能的土工试验模拟，同时，应用所述模型箱可对大尺寸物理模型实现真三维加载。
本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种用于岩土工程大型立体综合模拟试验台的模型箱，所述岩土工程大型立体综合模拟试验台至少包括提供水平加载力的反力墙、提供垂直加载力的反力梁以及模型箱，所述反力墙由钢筋混凝土制成，并围绕设置于由地面开挖的基坑的四个周边；所述反力梁横跨所述基坑设置于所述反力墙的上端面，并与浇注于所述反力墙的混凝土内部的钢结构部件固定连接；其特征在于，
所述模型箱由多块水平加载板拼接成所述模型箱的四个周边，多块垂直加载板拼接成所述模型箱的顶部，模型箱的底部与所述基坑底部钢筋混凝土地面共用；
所述基坑的四个周边的每个所述反力墙面向所述基坑内部的一侧墙壁上都均匀分布的多个预留的水平加载孔；每个所述水平加载板都通过球形关节与一个水平加载作动器相连，所述水平加载作动器通过设置于所述水平加载孔中的连接螺栓与所述反力墙固定连接；每个所述垂直加载板都通过球形关节与一个垂直加载作动器相连，每个所述垂直加载作动器通过连接螺栓与所述反力梁固定连接；
相邻的所述水平加载板的侧面之间均镶有密封胶条。
2.根据权利要求1所述的模型箱，其特征在于，所述球形关节设置有调节固定件，所述调节固定件一端具有一个固定孔，另一端具有一个调节长孔，所述固定孔通过螺钉与所述水平加载板或所述垂直加载板固定连接，所述调节长孔通过螺钉与所述球形关节底座固定连接。
3.根据权利要求1所述的模型箱，其特征在于，所述模型箱的四个角部设置有传力不干涉装置，所述传力不干涉装置包括一个矩形截面的不干涉件以及将所述不干涉件与所述反力墙固定连接的传力支护杆，所述不干涉件相邻的两个相互垂直的面分别与邻接的水平加载板紧密贴合；与所述不干涉件邻接的所述水平加载板的侧面可垂直于所述不干涉件的相邻接的侧面移动，所述水平加载板的侧面镶有密封胶条，所述密封胶条紧密贴合于所述不干涉件的相邻接的侧面。
4.根据权利要求3所述的模型箱，其特征在于，所述传力支护杆与所述反力墙固定连接的一端具有一块与所述传力支护杆垂直连接的支撑板；所述支撑板通过设置于所述水平加载孔中的连接螺栓与所述反力墙固定连接，所述连接螺栓穿过所述支撑板上的连接孔，所述连接孔两侧的所述连接螺栓上各设置有一个调节螺栓，所述调节螺栓可调节所述支撑板与所述反力墙之间的距离。
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