CN104677742B - 一种具有高围压加载系统的模型箱 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有高围压加载系统的模型箱；通过在常规振动实验模拟环境的基础上进一步叠加高围压模拟环境，解决了的现有技术中模型箱不能在高围压环境下做模拟振动实验的技术问题，其结构包括：箱体，箱体为长方体状，还包括：高围压加载系统；高围压加载系统包括：挡板、液压缸集成阵列、液压泵站和控制台；箱体的每一侧内壁均通过所述液压缸集成阵列紧固连接有一块挡板；液压缸集成阵列通过控制台与液压泵站油路连接。

Description

一种具有高围压加载系统的模型箱

技术领域

本发明涉及岩土工程学中土工试验用模型箱技术领域，具体涉及一种具有高围压加载系统的模型箱。

背景技术

重大岩土、隧道工程往往会通过复杂地质地貌地区。这些地区围岩的工程性质良莠不齐，区内断层、断裂、褶皱等构造发育明显，围岩应力高。如何在这些高复杂地质构造区内研究岩土体强度，进而保障工程安全，是每个工程技术人员不得不深思熟虑的问题。譬如，新建二郎山隧道围岩中软、硬岩类均有广泛分布，区内断层、断裂发育，断裂带内岩体破碎，破碎带宽度大，影响带宽。隧道将通过多条断裂带，围岩稳定性差，易坍塌。从前期勘测资料估计，隧道地质条件非常复杂，特别是由于隧道埋深大，地应力高，硬质岩类易产生岩爆，软质岩类及断裂、断层破碎带等薄弱带，围岩易产生大变形，将来隧道施工很可能面临很严峻的岩爆和大变形灾害。尤其是在地震荷载作用下，对于所处高围压地区的工程，如何提高其抗岩爆抗大变形等地质灾害的能力，是一个非常重要的研究课题。

在地震等荷载作用下，岩土体的受力往往是复杂的多向的。为了在室内模拟振动载荷研究土体强度，实验室内通常使用土工振动台。然而，常规的室内振动装置只能提供单向或者两向单动的载荷，不能满足复杂应力状态下岩土体受力的真实情况。高围压条件下振动试验装置的开发，至今也尚属空白。围压加载系统的成功运转，其关键在于与之配套的模型箱技术。

当前，国际上设计的先进模型箱，为了能够模拟在地震方向无限延伸的地层，必须尽量减少模型箱边界的影响。Schofield和Zeng曾经总结了理想的模型箱应该具备的条件：

一.振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土的变形无影响；

二.振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；

三.模型箱侧壁应具有足够的刚度；

四.尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。

为了避免模型箱侧壁的反射作用，解决的方法除了尽量采用自由边界以外，便是将模型箱沿振方向的侧壁设计成柔性，如Rensselear理工学院、香港科技大学采用的层状柔性模型箱。模型箱的内部尺寸考虑了大部分模型试验的需要、振动台的负载能力以及方便传感器安装等因素。模型箱除了各种柔性设计以外，还包括用于模型饱和的密封设备、临时支架、与振动台固定的底板等，同时还要考虑模型制作和模型吊装的方便问题。在满足各方面功能要求之后，还应该综合考虑模型箱与振动台的共同作用下对振动波形的影响。

模型箱在振动情况下可以适应土体在振动方向的剪切变形至为重要，为了减少侧壁为固定式的模型箱所引起的边界效应，目前用于动力模型试验模型箱有侧壁吸波、层状、叠环及铰接式四种。侧壁吸波材料多采用油灰，硅橡胶等涂于刚性模型箱的侧壁，以吸收应力波的反射和折射。Van Laak等人设计采用层状的侧壁结构，每一薄层之间采用滚球或滚棒搭接，香港科技大学采用的层状模型箱可用于水平多方向震动的试验。剑桥大学设计了一个等效剪切梁式模型箱，为矩形框架的叠环结构，采用橡胶和铝板互层，旨在使模型箱的动刚度与多数原状土的动刚度平均值相同。美国加州大学Davis离心机动力模型试验模型箱设计采用了侧壁铰接式的模型箱，每一层矩形空心铝环之间有一层橡胶，这层柔性橡胶使得模型箱可以和土体一起变形。

现有技术中的土工试验模型箱，多数为层状剪切模型箱，或者使用多级箱体叠加原理制成的可拆卸模型箱，少数采用消除土体与底板的接触影响而制成的可调式地层振动剪切模型箱。但现有技术中的土工试验模型箱所共同具有的缺点如下：

(1)、模型箱内腔结构尺寸固定，不能满足盛装整体性较好、强度较大的岩质隧道及地下结构模型箱的技术要求。模型箱内腔结构尺寸不具备同时添加多向加载设备的空间条件，即便克服了容积上的死板问题，由于模型箱底板的尺寸受振动台尺寸的约束，在接触板件添加缓冲材料，占据了安装高围压加载系统所必需的装配空间。此外，现有技术中应用在模型箱领域的常规液压缸由于尺寸大，重量重，若同时安装在模型箱内各个侧壁上，以解决制作高围压模拟环境这一技术问题还会带来模型箱超重的技术问题；因此，现有技术中的模型箱仅能满足单向或两向单动的技术要求，进而所提供的剪切荷载达不到实验要求。

(2)、不能模拟高围压环境，尽管现有技术中存在可调式围压加载系统，但其设计目的及功效仅限于消弱模型箱对模型土振动响应的影响，由于从未考虑过实施高围压系统的必要性，故在结构上不具备模拟高围压环境的功能。

(3)、液压系统技术缺陷，现有技术中的模型箱的液压系统还具有供压不稳定，稳压精度低，自动稳压周期短，密封性差等技术缺陷，远远不能满足工程试验的实际需求。

因此，研发一款能模拟高围压环境的尺寸可调的具有高围压加载系统的模型箱成为一种必需。

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一款具有高围压加载系统的模型箱；通过在常规振动实验模拟环境的基础上进一步叠加高围压模拟环境，解决了的现有技术中模型箱不能在高围压环境下做模拟振动实验的技术问题。

为此，本发明提供一种具有高围压加载系统的模型箱，包括箱体，所述箱体为长方体状，还包括：高围压加载系统；所述高围压加载系统包括：挡板、液压缸集成阵列、液压泵站和控制台；所述箱体的每一侧内壁均通过所述液压缸集成阵列紧固连接有一块所述挡板；所述液压缸集成阵列通过所述控制台与所述液压泵站油路连接。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述箱体包括：轻质高强度箱壁和底板，所述轻质高强度箱壁和底板紧固连接；所述底板的尺寸与土工振动台相适配；相邻两块所述轻质高强度箱壁彼此间紧固连接。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述轻质高强度箱壁按安装位置分类，分别为：前壁、后壁、左壁和右壁；所述前壁与后壁、左壁与右壁间的距离均可调节，与所述底板以可拆卸的形式进行紧固连接；所述轻质高强度箱壁的前壁和后壁在受压时发生的可恢复弹性形变范围之内，至少满足承载400吨的压力；所述轻质高强度箱壁的左壁和右壁在受压时发生的可恢复弹性形变范围之内，至少满足承载250吨的压力。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述轻质高强度箱壁包括内板、围板和肋板；所述内板为30mm厚铝合金板，所述围板为20mm厚铝合金板，所述肋板为30mm厚铝合金板；所述围板紧固连接后围成矩形框架，所述矩形框架与所述内板的外形尺寸相适配，所述肋板紧固设置在所述围板围成的矩形区域中间，所述内板、围板和肋板均以焊接的形式紧固连接。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述肋板呈十字交叉设置，并在交叉处紧固设置有由30mm厚铝合金板制成的加载连接板。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述可恢复弹性形变的形变量不超过50mm。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述底板由40mm硬铝合金板制成；所述挡板由30mm硬铝合金板制成。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述液压缸集成阵列中的液压缸呈现正方形网格状均匀布置，所述正方形网格的每一个格点处均设置有一个所述液压缸。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述正方形网格的格间距位于100～600mm之间。

根据本发明的一个实施方式，其中，所述格间距为250mm。

本发明对实验样本性能无影响，在尺寸设计方面充分考虑到可移植性，方便拆卸和组装，并能够根据不同需求自行调整模型箱体的内部空间尺寸；

本发明围压加载系统相比现有技术，能实现双向同时加载，剪切载荷能较好的实现对试件的均布加载；

整个仪器设置成液压泵站和控制台两大部分，以便能灵活控制系统，保障试验方便和运行安全；通过油压控制系统人为控制油量油压，安全可靠，并能确保实验设备经久耐用；

模型箱容积尺寸可调，能最大限度的适应不同尺寸的土体样本，可移植性高；

本发明综合考虑试验系统的要求，采用特殊金属材料——硬质铝合金，在充分考虑材料强度的前提下，尽可能减轻模型箱自重。

本发明通过采用250mm的格间距布置液压油缸，起到了使用最少数量的液压油缸既能达到模拟高围压环境所必需的实验标准，降低了实验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具有高围压加载系统的模型箱一个实施例的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中轻质高强度箱壁结构示意图；

图3为图2的A向视图；

图4为本发明实施例1中具有高围压加载系统的模型箱的箱体结构示意图；

图5为本发明实施例1中具有高围压加载系统的模型箱的箱体优选结构示意图；

图6为本发明实施例1中具有高围压加载系统的模型箱三种不同应用效果示意图；

图7为本发明实施例1中具有高围压加载系统的模型箱伺服系统的控制系统图；

图8为本发明实施例2中装有传力杆的模型箱结构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

不失一般性，如图1所示，本发明提供一种具有高围压加载系统的模型箱，包括箱体1，所述箱体为长方体状，还包括：高围压加载系统2；所述高围压加载系统包括：挡板2-1、液压缸集成阵列2-2、液压泵站2-3和控制台2-4；所述箱体1的每一侧内壁均通过所述液压缸集成阵列2-2紧固连接有一块所述挡板2-1；所述液压缸集成阵列2-2通过所述控制台2-4与所述液压泵站2-3油路连接。本发明通过液压缸集成阵列2-2推动挡板2-1从四周均匀的面向土体样本施加挤压力，为土体模型模拟出真实的高围压环境，高围压的力场强度可通过控制台调节液压缸集成阵列的输出压力获得，进而使土体模型振动实验得到的数据更为准确，填补了模型箱功能方面的一项空白。本发明中的液压缸集成阵列由若干个液压缸组成，每个液压缸都能实现独立控制，进而除可实现均匀力场输出的同时，还可通过挡板释放非均匀高围压力场，有助于实现更进一步真实的环境模拟，由于所选用的控制台、液压缸及液压泵站均为现有技术，故其结构在此不再赘述。

加载控制原理：控制台2-4为两路输出，一路用于控制左右挡板的进给，一路用于控制前后挡板的进给。以由88个50mm内径的油缸组成的液压缸集成阵列为例，先根据所需加载力计算出加载压力，单个油缸所需加载力F＝加载总力/88；油缸面积A＝5²*3.14/4；加载压力P(单位为Kg)＝单个油缸所需加载力F/油缸面积A；1Kg压力＝0.1MPa；压力计算确定后按照控制台操作说明将压力加到计算压力，打开两个下腔供油输出到油缸进行加载，当压力达到所需压力时，关闭两下腔供油开关将压力锁在油缸里面，实现了油缸加载过程。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述箱体包括：轻质高强度箱壁和底板，所述轻质高强度箱壁和底板紧固连接；所述底板的尺寸与土工振动台相适配；相邻两块所述轻质高强度箱壁彼此间紧固连接。由于现有技术中的液压系统重量较重，不适宜过多数量的装配在模型箱内，本发明通过选用例如硬铝合金等轻质高强度金属合金，制作箱壁和底板，在不降低强度要求的前提下，有效的降低了模型箱的重量，为装配多缸液压系统提供了强有力的技术支持。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述轻质高强度箱壁按安装位置分类，分别为：前壁、后壁、左壁和右壁；所述前壁与后壁、左壁与右壁间的距离均可调节，与所述底板以可拆卸的形式进行紧固连接；所述轻质高强度箱壁的前壁和后壁在受压时发生的可恢复弹性形变范围之内，至少满足承载400吨的压力；所述轻质高强度箱壁的左壁和右壁在受压时发生的可恢复弹性形变范围之内，至少满足承载250吨的压力。本发明优选在底板上设置若干数量的等距螺栓孔阵，通过调整将前壁、后壁、左壁和右壁使用螺栓孔阵中的不同螺栓孔位与底板实现紧固连接进而达到前壁与后壁、左壁与右壁间距离调节的技术效果。

进一步的，如图2和图3所示，在本实施例的一个优选技术方案中，所述轻质高强度箱壁包括内板1-1、围板1-2和肋板1-3；所述内板为30mm厚铝合金板，所述围板为20mm厚铝合金板，所述肋板为30mm厚铝合金板；所述围板紧固连接后围成矩形框架，所述矩形框架与所述内板的外形尺寸相适配，所述肋板紧固设置在所述围板围成的矩形区域中间，所述内板、围板和肋板均以焊接的形式紧固连接。为方便在所述内板1-1上连接液压缸集成阵列，如图3所示，内板上密布设置有用于紧固连接所述液压缸所需的螺栓孔。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述肋板呈十字交叉设置，并在交叉处紧固设置有由30mm厚铝合金板制成的加载连接板。十字交叉设置既能达到承载要求，又能省去额外安装攀爬用步梯所需的设置，降低制作成本。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述可恢复弹性形变的形变量不超过50mm。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述底板由40mm硬铝板制成，所述挡板2-1由30mm硬铝板制成。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述液压缸集成阵列中的液压缸呈现正方形网格状均匀布置，所述正方形网格的每一个格点处均设置有一个所述液压缸。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述正方形网格的格间距位于100～600mm之间。

进一步的，在本实施例的一个优选技术方案中，所述格间距为250mm。

需要说明的是图2和图3仅为本发明的一个优选结构方案，实际设计时采用的任何轻质高强度箱壁在能满足本发明上述实验要求的前提下均应落入本发明的保护范围。

具体实施例：

实施例1：

考虑到用途和参考设备设计出的模型箱，模型箱体最大容积尺寸为3m×2m×2m，箱体构件的连接方式为焊接及螺栓连接，既保证实验过程中的安全稳定，又能方便根据实际实验需要调整内腔容积尺寸，总重低于8T，整体结构如图4所示，为了使箱体结构更为牢固，本发明在模型箱上端面的四个直角处紧固设置有直角拉板1-4及外围辅助支撑板1-5，直角拉板的设置有助于锚固调整尺寸后的轻质高强度箱壁，外围辅助支撑板的设置有助于将载荷均匀反馈至实验样本之上。此外，本发明轻质高强度箱壁的肋板选择窗格式设计，窗格式肋板结构设计既能将载荷均匀分散到箱壁四周，避免局部过载引起对箱体的损坏，还能起到爬梯的作用，不需要额外配置进入模型箱内部所必需的爬梯，方便了实验人员的实际操作。

优选的，如图5所示，本发明在前壁和后壁的上端面还紧固设置有纵向钢筋1-6。需要说明的是纵向钢筋的设置数量不受限制，为满足结构强度要求而设置的任意数量的纵向钢筋均落入本发明的保护范围。在本实施例中纵向钢筋由T形型钢制成，与前壁与后壁之间通过螺栓实现可拆卸的紧固连接。进一步的，纵向钢筋的设置还有提手的功效，方便装配时对模型箱进行整体吊装。

优选的，本发明在底板上设置若干数量的等距螺栓孔阵，通过调整将前壁、后壁、左壁和右壁使用螺栓孔阵中的不同螺栓孔位与底板实现紧固连接进而达到前壁与后壁、左壁与右壁间距离调节的技术效果。本发明所述箱体最常见的3种组装形式，如图6所示，既能选择性的增加纵向钢筋的数量，也可依据土体模型的尺寸调整左壁和右壁间的间距尺寸。

优选的，如图7所示，本发明由液压缸集成阵列、液压泵站和控制台组成的伺服系统的控制加载原理图。图中，本发明通过单独控制两组油缸的动作分别推动位于模型箱内部的挡板实现对土体样本的高围压加载。其中，第一组油缸FB共176个，一半用于负责推动前挡板，另一半用于推动后挡板；第二组油缸LR共112个，一半用于负责推动左挡板，另一半用于推动后挡板。由图7可知，每一个油缸既能实现统一控制，又能实现独立控制，因此，当油缸在挡板一侧以矩阵形式均匀分布时能够通过控制系统精确控制油量油压变化，在实验室实现真实的模拟现实中的高围压环境，为进一步的振动试验提供真实的环境模拟方面的技术支持。由于本实施例中，本发明所述箱体整体采用硬铝合金材质，轻质高强度箱壁之间，以及轻质高强度箱壁和底板之间均采用可拆卸的螺栓连接，当油缸加载时，能承受足够的反向承载力，保证载荷过程成功进行。

实施例2：

图8所示，本实施例在实施例1的基础上，在油缸与挡板之间增设传力杆CG，传力杆CG的设置有助于使模型箱进一步适应小尺寸的土体样本，进而进一步拓展本发明的应用范围。此外，实验表明，油缸加载后能将荷载通过传力杆充分传递给挡板，进而作用给土体样本时，完全满足实验要求。进一步的，传力杆的使用还能大幅降低模型箱的箱体损耗，下次试验时只需更换挡板和传力杆即可，降低实验成本，可持续性强。

为进一步降低整个模型箱的整体重量，本实施例所用油缸采用铝合金制成，最大行程60mm，额定使用压力25MPa，最大出力4.9T，前后挡板板各装有88只油缸，测试出力400T，压力限额为23.2MPa。左右挡板各装有56只油缸，测试出力250T，压力限额为22.7MPa。

以上发明仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有高围压加载系统的模型箱，包括箱体，所述箱体为长方体状，其特征在于，还包括：高围压加载系统；所述高围压加载系统包括：挡板、液压缸集成阵列、液压泵站和控制台；所述箱体的每一侧内壁均通过所述液压缸集成阵列紧固连接有一块所述挡板，在油缸与挡板之间增设传力杆；所述液压缸集成阵列通过所述控制台与所述液压泵站油路连接，控制台为两路输出，一路用于控制左右挡板的进给，一路用于控制前后挡板的进给；

所述箱体包括：轻质高强度箱壁和底板，所述轻质高强度箱壁和底板紧固连接；所述底板的尺寸与土工振动台相适配；相邻两块所述轻质高强度箱壁彼此间紧固连接；

所述轻质高强度箱壁按安装位置分类，分别为：前壁、后壁、左壁和右壁；所述前壁与后壁、左壁与右壁间的距离均可调节，与所述底板以可拆卸的形式进行紧固连接；所述轻质高强度箱壁的前壁和后壁在受压时发生的可恢复弹性形变范围之内，至少满足承载400吨的压力；所述轻质高强度箱壁的左壁和右壁在受压时发生的可恢复弹性形变范围之内，至少满足承载250吨的压力；

所述轻质高强度箱壁包括内板、围板和肋板；所述内板为30mm厚铝合金板，所述围板为20mm厚铝合金板，所述肋板为30mm厚铝合金板；所述围板紧固连接后围成矩形框架，所述矩形框架与所述内板的外形尺寸相适配，所述肋板紧固设置在所述围板围成的矩形区域中间，所述内板、围板和肋板均以焊接的形式紧固连接；

所述肋板呈十字交叉设置，并在交叉处紧固设置有由30mm厚铝合金板制成的加载连接板。

2.根据权利要求1所述的的模型箱，其特征在于，所述可恢复弹性形变的形变量不超过50mm。

3.根据权利要求1所述的模型箱，其特征在于，所述底板由40mm硬铝合金板制成；所述挡板由30mm硬铝合金板制成。

4.根据权利要求1所述的模型箱，其特征在于，所述液压缸集成阵

列中的液压缸呈现正方形网格状均匀布置，所述正方形网格的每一个格点处均设置有一个所述液压缸。

5.根据权利要求4所述的模型箱，其特征在于，所述正方形网格的格间距位于100~600mm之间。

6.根据权利要求5所述的模型箱，其特征在于，所述格间距为250mm。