CN103823043B - 一种多功能冻土挡土墙模型试验箱 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程试验领域，具体涉及一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，结构箱体包括侧板、底板、后板，侧板外侧上方设有加载头滑轨，加载头滑轨两侧设有把手，结构箱体前部的侧板上设有千斤顶座，千斤顶座内侧设有螺旋千斤顶，侧板之间设有紧固螺栓，结构箱体内设有冷浴板，冷浴板包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板、下冷浴板并组成四方框形，前冷浴板与下冷浴板之间设有转轴，本发明的益处在于：不仅能够有效提供对土体的竖直和水平方向的冻结条件，而且能够模拟挡土墙的倾覆位移和填土上方的车辆动荷载或静荷载。将这几种条件组合，可以模拟多种实际工况，为冻土地区路基挡土墙服役性能研究提供一个有效试验平台。

Description

一种多功能冻土挡土墙模型试验箱

技术领域

本发明属于土木工程试验领域，具体涉及一种多功能冻土挡土墙模型试验箱。

背景技术

地球上多年冻土、季节冻土和瞬时(短暂)冻土区的面积约占陆地面积的70%，其中多年冻土面积占陆地面积的20%.我国的多年冻土面积占国土面积的21.5%，在全世界占第三位，季节冻土区约占国土面积的53.5%，其中高海拔多年冻土面积居世界之最。随着西部大开发的来临，国家投资在青藏高原冻土地区建设包括青藏铁路在内的多项基础设施建设项目；而市政建设中也广泛使用人工冻结技术作为临时的土体支护加固手段。支挡结构的受力，不仅与其背侧填土的状态有关，还与其本身的形变和位移有关。支挡结构在冻土冻胀影响下的受力特征，尤其是顶部有动荷载作用下的变形及受力情况及稳定性，十分值得研究。利用模型试验建立这种工况，具有数值模拟不具备的准确性，通过对冻融过程和动荷载作用下的土体变形、冻胀力、支挡结构变形及稳定性的系统研究，可以借此对冻土地区道路挡土墙的服役性能提供评价及预测，为冻土地区挡土墙设计提供依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多功能冻土挡土墙模型试验箱。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种多功能冻土挡土墙模型试验箱：包括结构箱体，其特征在于：结构箱体包括侧板、底板、后板，侧板外侧上方设有加载头滑轨，加载头滑轨两侧设有把手，结构箱体前部的侧板上设有千斤顶座，千斤顶座内侧设有螺旋千斤顶，侧板之间设有紧固螺栓，结构箱体内设有冷浴板，冷浴板包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板、下冷浴板并组成四方框形，前冷浴板与下冷浴板之间设有转轴。

上冷浴板上方设有动荷载加载模块，动荷载加载模块包括承压板及承压板上方设有的测力器，测力器上方设有动力加载头，通过冷浴板作用于土体，模拟动荷载作用，动力加载头通过加载头滑轨与结构箱体连接固定，并可以沿滑轨自由移动，以调节动力加载头作用在土体上的位置。

结构箱体为15mm厚钢板永久性整体焊接，保证具有克服土体冻胀所需刚度；其外表保温层为临时性设施，采用10mm厚柔性泡沫黏贴于钢制结构层表面。

四块冷浴板分为上下和前后两组，对其中任一组相对放置的两块面板，接上两台独立的冷浴循环机，设置不同的温度，可在土体内形成稳定的一维温度场；将两组冷浴板同时投入使用，可以同时在水平和竖直方向维持相互叠加的温度场，以模拟实际挡土墙背侧土体的双向冻结条件。

冷浴板用于直接接触填土并使其降温，冷浴板为活动部件，随时可以拆卸，冷浴板包括前钢板和后钢板的夹层结构，前钢板与后钢板的夹层外沿设有边框，围成封闭空间，前钢板与后钢板之间分布有加强筋，以支撑前后钢板并增加整体刚度；边框与前钢板和后钢板焊接牢固并喷涂金属漆以防渗漏；前钢板表面设有进出水孔，进出水孔上设有进出水接头；这样冷浴板包含有封闭的内部空间供冷却液流动，并保证了整体足够的强度和刚度，前钢板表面还装有把手。

动荷载加载模块带有液压数控的动力加载头，可以输出指定周期和幅值的正弦波，输出最大荷载20kN,频率范围0-6Hz，最大位移范围-30mm-45mm；测力器被安装在加载头传力轴上，可以实时反馈真实作用力。

前冷浴板不仅起到给土体接触降温的功能，其本身就代表着模型试验中的挡土墙；前冷浴板被做成可绕底部转轴旋转的形式，以模拟挡土墙在土压力和冻胀力作用下可能的倾覆现象；螺旋千斤顶约束着冷浴板的倾覆，通过伸缩螺旋千斤顶可以控制冷浴板的允许位移；用来研究墙后冻胀力和墙顶允许位移的关系。

在前冷浴板靠土一侧沿长度方向均匀布置有一排微型土压力传感器，以测量土体对冷浴板的作用力；土体内部布置有数排温度探头，以监测整个土体在冻结过程中的温度场变化；土压力、温度数据通过一台数据采集器处理，记录并显示在电脑上。

本发明的益处在于：不仅能够有效提供对土体的竖直和水平方向的冻结条件，而且能够模拟挡土墙的倾覆位移和填土上方的车辆动荷载或静荷载。将这几种条件组合，可以模拟多种实际工况，为冻土地区路基挡土墙服役性能研究提供一个有效试验平台。

附图说明

图1为本发明总体结构立体示意图；

图2为本发明的总体结构平面示意图；

图3为本发明中的冷浴板结构示意图。

具体实施方式

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：如图1至图3所示，包括结构箱体、负重轮2、前冷浴板3、后冷浴板4、上冷浴板5、下冷浴板6、转轴7、紧固螺栓8、螺旋千斤顶9、千斤顶座10、动力加载头11、测力器12、承压板13、加载头滑轨14、把手15。其中结构箱体包括侧板1、侧板111、后板112、底板113。冷浴板包括前钢板16、后钢板17、边框18、加强筋19、进出水孔20、进出水接头21、把手22。侧板111外侧上方装有加载头滑轨14，加载头滑轨14两侧装有把手15，前部的侧板1上装有千斤顶座10，千斤顶座10内侧装有螺旋千斤顶9，侧板1和侧板111之间装有紧固螺栓8，结构箱体内装有前冷浴板3、后冷浴板4、上冷浴板5、下冷浴板6并组成四方框形，前冷浴板3下端装有转轴7，上冷浴板5上方装有承压板13，承压板13上方装有测力器12，测力器12上方装有动力加载头11，通过冷浴板作用于土体，模拟动荷载作用，动力加载头11通过加载头滑轨14与结构箱体连接固定，并可以沿滑轨自由移动，以调节动力加载头作用在土体上的位置，底板113底部装有负重轮2，冷浴板用于直接接触填土并使其降温，冷浴板为活动部件，随时可以拆卸，冷浴板包括前钢板16和后钢板17的夹层结构，前钢板16与后钢板17的夹层外沿设有边框18，围成封闭空间，前钢板16与后钢板17之间分布有六条加强筋19，以支撑前钢板16和后钢板17并增加整体刚度；边框18与前钢板16和后钢板17焊接牢固并喷涂三遍金属漆以防渗漏；前钢板16表面设有进出水孔20，进出水孔20上设有进出水接头21；这样冷浴板包含有封闭的内部空间供冷却液流动，并保证了整体足够的强度和刚度，前钢板表面还装有把手22。

1.准备工作

制定试验计划，选择试验用土。土宜选择实际路基填土或相近的土，室外翻晒后取样测定初始含水量。针对实际工况或冻胀试验要求确定试验所用含水量，称量指定重量的水掺入并拌合均匀。再次取样测定含水量是否达到要求。

使用吊机卸下动力加载头11，拆掉五根紧固螺杆8和上冷浴板5。调整螺旋千斤顶9，使其推动前冷浴板3绕转轴7旋转至竖直状态。

将微型土压力传感器按排列顺序固定在前冷浴板3的内侧。

2.填土

将拌合好的土用铁锹从顶部填进箱体，先填10cm厚度，使用木杵振捣压实，之后按实际施工要求分层填筑压实。温度传感器随填土过程同步安置。从下冷浴板表面开始，每10cm深度布置一只，直到上冷浴板，形成一列测线。土中不同位置等间距设置3至4列测线，以全面测量土内温度分布，绘制冷浴板制冷下的温度场变化情况。填土至目标高度后，整平顶面，盖上冷浴板5，安装紧固螺杆8和动力加载头11，调整加载头伸长量使承压板13紧贴上冷浴板5，测力器12初始读数为零。

3.制冷和监测

将冷液管接上冷浴板的进出水接头21。每台冷浴循环机有进水管和出水管各一根，作用于一块冷浴板，模型试验最多使用四台冷浴循环机同时工作。打开冷浴循环，检查管路是否有渗漏情况，及时排除。设定每块冷浴板的目标温度。上冷浴板5、下冷浴板6为一组，上冷浴板5设定温度较低值，下冷浴板6设定较高值以模拟冷量由地表传导至下部土体的过程。前冷浴板3、后冷浴板4为一组，前冷浴板3设定温度较低值，后冷浴板4设定较高值以模拟冷量由挡土墙传递到墙后土体的过程。制冷将经历数天以使箱内土体达到温度场稳定状态。

在制冷的过程中应同步监测温度和压力数据。温度传感器和土压力传感器通过Datataker80数据采集器实时记录并显示在计算机上。借由这些数据可以描述冻胀过程中温度场变化及挡土墙受力变化情况。

4.挡土墙位移试验

如需了解挡土墙经历一定允许位移后的受力情况，则需使前冷浴板3旋转一定角度。在制冷的整个过程中应不断调整螺旋千斤顶9的伸长量，使得前冷浴板3在过程中间断性向外旋转，直到达到指定旋转角度对应的位移。

5.动荷载试验

如需了解墙后填土顶部有动荷载作用的情况，比如路基挡土墙，则需使用动荷载动力加载头11。加载头会将指定周期性荷载（如正弦波）通过承压板13和上冷浴板5均匀加载到土体顶部。动荷载可以根据研究需要选择在冻结过程中加载或者冻结后加载。相应的动力加载数据实时记录并需与温度和土压力数据对齐时间。

6.冻融循环试验

针对挡土墙设计使用寿命中的服役性能问题，单纯研究一个冻胀期不能满足要求。使用冷浴板，通过打开和关闭冷浴循环来模拟多次冻融情况。一般的，维持冷浴循环数天作为冻结过程，关闭机器使其室温下融化作为一个融化过程，如此多次作为多次冻融循环过程。连续监测多次冻融循环下的温度和墙体受力数据，可以有效的揭示冻土挡土墙多年服役状态和性能的变化情况。

以上对本发明所提供的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，包括结构箱体，其特征在于：结构箱体包括侧板、底板、后板，侧板外侧上方设有加载头滑轨，加载头滑轨两侧设有把手，结构箱体前部的侧板上设有千斤顶座，千斤顶座内侧设有螺旋千斤顶，侧板之间设有紧固螺栓，结构箱体内设有冷浴板，冷浴板包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板、下冷浴板并组成四方框形，前冷浴板与下冷浴板之间设有转轴；结构箱体为15mm厚钢板永久性整体焊接，保证具有克服土体冻胀所需刚度；其外表保温层为临时性设施，采用10mm厚柔性泡沫黏贴于钢制结构层表面。

2.根据权利要求1所述的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，其特征在于：上冷浴板上方设有动荷载加载模块，动荷载加载模块包括承压板及承压板上方设有的测力器，测力器上方设有动力加载头，通过冷浴板作用于土体，模拟动荷载作用，动力加载头通过加载头滑轨与结构箱体连接固定，并沿滑轨自由移动，以调节动力加载头作用在土体上的位置。

3.根据权利要求1所述的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，其特征在于：四块冷浴板分为上下和前后两组，对其中任一组相对放置的两块面板，接上两台独立的冷浴循环机，设置不同的温度，在土体内形成稳定的一维温度场；将两组冷浴板同时投入使用，同时在水平和竖直方向维持相互叠加的温度场，以模拟实际挡土墙背侧土体的双向冻结条件。

4.根据权利要求1所述的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，其特征在于：冷浴板用于直接接触填土并使其降温，冷浴板为活动部件，随时拆卸，冷浴板包括前钢板和后钢板的夹层结构，前钢板与后钢板的夹层外沿设有边框，围成封闭空间，前钢板与后钢板之间分布有加强筋，以支撑前后钢板并增加整体刚度；边框与前钢板和后钢板焊接牢固并喷涂金属漆以防渗漏；前钢板表面设有进出水孔，进出水孔上设有进出水接头；这样冷浴板包含有封闭的内部空间供冷却液流动，并保证了整体足够的强度和刚度，前钢板表面还装有把手。

5.根据权利要求2所述的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，其特征在于：动荷载加载模块带有液压数控的动力加载头，输出指定周期和幅值的正弦波，输出最大荷载20kN,频率范围0-6Hz，最大位移范围-30mm-45mm；测力器被安装在加载头传力轴上，实时反馈真实作用力。

6.根据权利要求1所述的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，其特征在于：前冷浴板不仅起到给土体接触降温的功能，其本身就代表着模型试验中的挡土墙；前冷浴板被做成绕底部转轴旋转的形式，以模拟挡土墙在土压力和冻胀力作用下的倾覆现象；螺旋千斤顶约束着冷浴板的倾覆，通过伸缩螺旋千斤顶控制冷浴板的允许位移；用来研究墙后冻胀力和墙顶允许位移的关系。

7.根据权利要求1所述的一种多功能冻土挡土墙模型试验箱，其特征在于：在前冷浴板靠土一侧沿长度方向均匀布置有一排微型土压力传感器，以测量土体对冷浴板的作用力；土体内部布置有数排温度探头，以监测整个土体在冻结过程中的温度场变化；土压力、温度数据通过一台数据采集器处理，记录并显示在电脑上。