CN106546483B - 二维岩土力学模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维岩土力学模型试验装置及方法，包括矩形框状的架体，该架体内并排、竖直设置有两个尺寸调节板，尺寸调节板的内壁下部固定设置有一个调节板垫板，尺寸调节板内壁的中上部竖直设置有滑槽，在尺寸调节板的内侧竖直设置有一块固定模型接触板，该固定模型接触板通过多个滚珠与尺寸调节板上的滑槽滑动接触。本发明结构简单、容易组装和拆卸、尺寸调节容易、摩擦阻力小、刚度大且造价低的优点，同时试验过程的检测手段也全面可靠。
Description
技术领域
本发明属于物理试验模型领域，特别是涉及一种二维岩土力学模型试验装置及方法。
背景技术
物理模型试验是当今研究岩土工程问题的一种重要方法，对地质条件复杂的岩土工程进行物理模拟研究，可对工程原型的物理力学特征进行分析和预测，对于解决实际工程问题具有很高的实用价值。在试验过程中先按照试验目标岩土的特性配出相似材料，然后将相似材料按照浇筑设计图浇筑成模，最后再对模型进行加载试验，且通过仪器观测并记录数据。现有的试验装置常存在结构复杂，尺寸不易调整、模型边界摩擦力较大等缺点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种二维岩土力学模型试验装置。
本发明的技术方案如下：一种二维岩土力学模型试验装置，包括矩形框状的架体，该架体内并排、竖直设置有两个尺寸调节板，所述尺寸调节板的上端通过第一螺栓与架体的上梁连接，架体的上梁上设有至少一排供第一螺栓选择的第一安装孔，尺寸调节板的下端通过第二螺栓与架体的下梁连接，架体的下梁上设有至少一排供第二螺栓选择的第二安装孔，所述尺寸调节板的内壁下部固定设置有一个调节板垫板，该调节板垫板的内壁上固定设置有调节板底挡板，在所述调节板底挡板上设置有一个连续弯折的挡板固定杆，该挡板固定杆的两端固定连接在所述尺寸调节板的内壁上，且中部与所述调节板底挡板内侧表面相压迫抵触，所述尺寸调节板内壁的中上部竖直设置有滑槽，且与该滑槽相对地，在所述尺寸调节板的内侧竖直设置有一块固定模型接触板，该固定模型接触板通过多个滚珠与所述尺寸调节板上的滑槽滑动接触，所述固定模型接触板上与所述滚珠一一对应地设置有多个滚珠限位槽，每个滚珠对应设置在一个滚珠限位槽内，所述尺寸调节板之间设置有一个千斤顶，且该千斤顶的活塞杆朝下，在所述活塞杆的下端设置有载荷传感器，该千斤顶的上端通过第三螺栓与上梁连接，在上梁上设置有多个供第三螺栓选择的调节加载螺栓孔。
采用以上技术方案，架体作为整体的骨架起到支撑的作用，两个尺寸调节板通过螺栓与上梁和下梁上不同的安装孔进行连接，实现调节两个尺寸调节板之间的间距，满足实际试验操作的需要。固定模型接触板通过滚珠与尺寸调节板上的滑槽滑动配合，实现模型接触板的上下移动，以满足实际试验操作的需要。滚珠限位槽用于安装滚珠。调节板垫板和调节板底挡板相互叠合固定在一起，并通过挡板固定杆箍紧在尺寸调节板上。叠合在一起的调节板垫板和调节板底挡板对固定模型接触板向下滑动时进行限位和支撑，避免固定模型接触板过度向下滑动。千斤顶的作用是在试验过程中向模型进行加载压力，并通过载荷传感器定时记录下载荷的大小。
进一步，为了容易取得架体的制作材料，且制作简便，所述架体由下梁、两个立柱和一个上梁通过螺栓相互连接而成，所述下梁、立柱和上梁均为H型钢。
进一步，为了在试验过程中试验设计安装模板底钢带、模板标准钢带和有机玻璃板，在所述立柱设置有一列第三安装孔。
进一步，为了平稳地放置整个架体，所述下梁左右两端的前后两侧各设置有一个支脚。
进一步，为了使得所述千斤顶的安装位置设计更加合理，安装更加稳定，多个所述调节加载螺栓孔等间距地设置在所述上梁中间的横板上。
进一步，为了一方面便于稳定地安装所述尺寸调节板，同时在尺寸调节板需要移动时更加平顺、无阻滞，在所述尺寸调节板的外壁上竖直设置有两个调节板肋板，该调节板肋板的断面呈“L”型，在调节板肋板的上端开有供第一螺栓穿设的通孔，调节板肋板的下端开有供第二螺栓穿设的通孔。
进一步，为了便于在模型浇筑过程中按照设计图对高度进行标注，在每个尺寸调节板上均设置有刻度。
进一步，为了保证所述固定模型接触板在所述尺寸调节板上设置得更加稳定，所述滑槽的数量为两个。
本发明的的目的之二是根据提供的二维岩土力学模型试验装置，再提供一种二维岩土力学模型试验方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种二维岩土力学模型试验装置进行试验的方法，包括如下步骤：
1)根据目标相似比确定相似材料，根据目标模拟范围调整两个尺寸调节板之间的距离，根据模型浇筑设计图在架体内布置好浇筑施工线，标注出各层材料需要浇筑到的准确位置，插上固定栓，并用绳子将模型接触板的上部固定；
2)先在架体形成的一侧板面相互间隔式安装多块模板底钢带和模板标准钢带到该侧板面的总高度位置，另一侧板面上预先安装一块模板底钢带，然后向两侧模板之间形成的模型槽内浇筑搅拌好的相似材料，然后再安装一块模板标准钢带，依次类推，逐层浇筑和安装，每浇筑完一层相似材料后，用混凝土振动棒来回振捣两遍，在浇筑的同时按照浇筑设计图把土压力盒埋设到对应的位置；
3)浇筑完成后，将相似材料做成的模型养护成型，然后从上往下依次拆模，并把模型表面打磨平整，将应变片以及拉线位移计按照浇筑设计图上的设计布置在对应的位置，将模型上需要面对摄影测量系统的一面进行相应着色处理，并覆盖安装有机玻璃板，将摄像头传感器放置在模型有机玻璃板一面的正前方；
4)将绳子以及固定栓卸掉，根据相似模型的开挖步骤、开挖时间进行模型的模拟开挖试验，同时，应变片、土压力盒以及拉线位移计监测持续采样，采样频率为2Hz，连续拍照采样频率为1Hz，并对试验过程进行详细记录；
5)将模型的上端面待加载范围调平整，并均匀涂抹一层凡士林，按加载范围需要重叠放置两块承压钢板，两块承压钢板之间均匀放置有多个传压滚轴，千斤顶的活塞杆从上往下压迫在承压钢板上进行加载试验，应变片、土压力盒以及拉线位移计监测持续采样，采样频率为2Hz，连续拍照采样频率为1Hz，并对试验过程进行详细记录。
上述方法首先根据需要试验的岩土配出相似材料进行备用，然后根据试验的相似比来将两个尺寸调节板调节到合适的距离，并通过第一螺栓来实现与上梁和下梁上对应的第一安装孔固定连接。不同的相似比需要两个尺寸调节板之间的距离不同，因此需要将尺寸调节板拆下并移动到需要的间距后再通过第一螺栓来固定连接，如此，实现了模型的尺寸调节。通过固定栓和绳子将模型接触板进行固定，避免其随意滑动，对后面额浇筑造成影响。在开始浇筑以前，先在架体一侧用模板底钢带和模板标准钢带固定封闭安装到设计的总高度位置，配合两个尺寸调节板，并形成一个用于浇筑的立体空间。根据需要试验的岩土特征，进行一层一层地浇筑，每浇筑好一层立马用混凝土振动棒来回振捣两遍的目的在于尽量保证每层材料特性的均衡性，避免由于放置、沉淀造成局部特性不一样。根据浇筑设计图埋设土压力盒，在后续的加载试验中能够有效地得到压力数据。
模型养护完成后，将模型表面打磨平整以免影响试验效果。应变片和位移计设置位置的选择根据浇筑设计图的标示，保证能够对模型在后续的加载试验中产生的形变进行全面的检测。在模型上进行着色处理并安装有机玻璃板是为了一方面保护模型，避免干扰，另一方面能够通过摄像头传感器进行有效地采集信息。通过千斤顶对模型进行加压，并设置一个由两块承压钢板之间夹设传压滚轴的结构，保证在晃动情况下仍然能够稳定地对模型进行加载压力。应变片、土压力盒、拉线位移计和摄像头传感器的采样频率均是根据事先的试验计划来设定，以能获得准确的试验数据为目的。
本发明的有益效果如下:
(1)架体由多个梁和柱通过螺栓组装、拼接而成，具有结构简单、容易组装和拆卸、刚度大且造价低的优点；
(2)由于玻璃板的设置，可以全程实时观测到试验过程中模型的变形过程；
(3)利于模型整体浇筑而成，通过尺寸调节板可以针对模型大小调节模型尺寸，模型接触板上安装了圆珠，能有效减小试验中模型竖向摩擦作用；
(4)可以通过应变片、土压力盒和拉线位移计来监测局部微小的变形，也可通过摄像头传感器来监测破损阶段较大的整体变形过程，保证了试验全程监测过程中监测点分布的全面性和监测数据的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中尺寸调节板及相关结构示意图。
图3千斤顶及承压钢板的连接结构示意图。
图4是有机玻璃板结构示意图。
具体实施方式
1-架体 1a-下梁 上梁-1c 1d-第一安装孔 1e-调节加载螺栓孔
1f-第二安装孔 1g-第三安装孔 2-模板底刚带 3-模板标准钢带
4-尺寸调节板 5-调节板肋板 6-调节板垫板 7-调节板底挡板
8-挡板固定杆 9-固定模型接触板 11-固定栓 12-滚珠 13-支脚
14-千斤顶 15-载荷传感器 16-承压钢板 17-传压滚轴
18-有机玻璃板
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示的二维岩土力学模型试验装置，作为一种优选的制作办法和结构，选用不同规格的H型钢作为下梁1a、立柱1b和上梁1c，然后将下梁1a、两个立柱1b和一个上梁1c通过螺栓相互连接成架体1。另外在每根立柱1b 上竖直设置有一列第三安装孔1g，下梁1a左右两端的前后两侧各设置有一个支脚13。
如图1和图2所示，该架体1内并排、竖直设置有两个尺寸调节板4，在每个尺寸调节板2上均设置有刻度。在尺寸调节板4的外壁上竖直设置有两个调节板肋板5，该调节板肋板5的断面呈“L”型。在调节板肋板5的上端开有供第一螺栓穿设的通孔5a，调节板肋板5的下端开有供第二螺栓穿设的通孔5a。所述尺寸调节板4通过调节板肋板5和第一螺栓与架体1的上梁1c连接，架体1的上梁1c上设有至少一排供第一螺栓选择的第一安装孔 1d，尺寸调节板4通过调节板肋板5和第二螺栓与架体1的下梁1a连接，架体1的下梁1a上设有至少一排供第二螺栓选择的第二安装孔1f。
如图1、图2和图3所示，所述尺寸调节板4的内壁下部固定设置有一个调节板垫板6，该调节板垫板6的内壁上固定设置有调节板底挡板7，在所述调节板底挡板7上设置有一个连续弯折的挡板固定杆8，该挡板固定杆8 的两端固定连接在所述尺寸调节板4的内壁上，且中部与所述调节板底挡板7 内侧表面相压迫抵触，所述尺寸调节板4内壁的中上部竖直设置有滑槽4a，且与该滑槽4a相对地，在所述尺寸调节板4的内侧竖直设置有一块固定模型接触板9，该固定模型接触板9通过多个滚珠12与所述尺寸调节板4上的滑槽4a滑动接触，该滑槽4a的数量为两个，所述固定模型接触板9上与所述滚珠12一一对应地设置有多个滚珠限位槽9a，每个滚珠12对应设置在一个滚珠限位槽9a内，所述尺寸调节板4之间设置有1-3个千斤顶14，且该千斤顶14的活塞杆朝下，在所述活塞杆的下端设置有载荷传感器15，该千斤顶14的上端通过第三螺栓与上梁1c连接，多个所述调节加载螺栓孔1e等间距地设置在所述上梁1c中间的横板上，该多个调节加载螺栓孔1e等间距设置。
本发明的原理如下：
架体1作为整体的骨架起到支撑的作用，两个尺寸调节板4通过螺栓与上梁1c和下梁1a上不同的安装孔进行连接，实现调节两个尺寸调节板4之间的间距，满足实际试验操作的需要。固定模型接触板9通过滚珠12与尺寸调节板4上的滑槽4a滑动配合，实现模型接触板9的上下移动，以满足实际试验操作的需要。滚珠限位槽9a用于安装滚珠12。调节板垫板6和调节板底挡板7相互叠合固定在一起，并通过挡板固定杆8箍紧在尺寸调节板4 上。叠合在一起的调节板垫板6和调节板底挡板7对固定模型接触板9向下滑动时进行限位和支撑，避免固定模型接触板9过度向下滑动。千斤顶14的作用是在试验过程中向模型进行加载压力，并通过载荷传感器15定时记录下载荷的大小。尺寸调节板4通过调节板肋板6与上梁1c和下梁1a连接在一起，调节板肋板6对于尺寸调节板4起到支架的作用，使得两者形成的整体更加适配地与上梁和下梁连接。
在具体实施过程中，将由上梁1c、下梁1a和两个立柱1b构成的架体1 的外部尺寸设定为2000mm×2000mm×220mm，通过设置相邻两个第一安装孔1d 和第二安装孔1f的间距，以及尺寸调节板4和调节板肋板5的尺寸规格将可允许浇筑模型最大有效范围设定为1800mm×1800mm×200mm。尺寸调节板4 选用一个带槽光滑钢板制成。尺寸调节板4和调节板肋板5组成的整体插入到H型钢制成的上梁1c和下梁1a内。调节板肋板5通过第一螺栓和第二螺栓分别穿过在上梁1c上对应的第一安装孔1d，和下梁1a上对应的第二安装孔1f，进而与上梁1c和下梁1a进行固定地连接。尺寸调节板4的内壁上竖直设置两个滑槽，与之对应的固定的模型接触板9上设置有两路滚珠12，保证了固定模型接触板9的运行稳定。每个立柱1b上设置的一列第三安装孔 1g既用于安装有机玻璃板18，又用于安装模板底钢带2和模板标准钢带3。
本发明还包括用以上二维岩土力学模型试验装置进行试验的方法，该方法包括如下步骤：
1)根据目标相似比确定相似材料，根据目标模拟范围调整两个尺寸调节板 4之间的距离，按照浇筑设计图，将两个尺寸调节板4之间的距离在本实施例中设定为1500mm，另外，根据模型浇筑设计图在架体1内布置好浇筑施工线，标注出各层材料需要浇筑到的准确位置，插上用于固定模型接触板9的固定栓 11，并用绳子将模型接触板9的上部固定；
2)先在架体1形成的一侧板面相互间隔式安装多块模板底钢带2和模板标准钢带3到该侧板面的总高度位置，另一侧板面上预先安装一块模板底钢带 2，模板底钢带2和模板标准钢带3上面均设置有通孔，并通过螺栓和立柱1b 上的第三安装孔对应后，固定连接在立柱1b上，然后向两侧模板之间形成的模型槽内浇筑搅拌好的相似材料，然后再安装一块模板标准钢带3，依次类推，逐层浇筑和安装，每浇筑完一层相似材料后，用混凝土振动棒来回振捣两遍，在浇筑的同时按照浇筑设计图把四个土压力盒呈矩形分布地埋设到模型的上部和下部位置；
3)浇筑完成后，将相似材料做成的模型养护成型，然后从上往下依次拆模，并把模型表面打磨平整，将六个应变片以及三个拉线位移计按照浇筑设计图上的设计等间距地布置在模型的表面，将模型上需要面对摄影测量系统的一面进行相应着色处理，并覆盖安装有机玻璃板18，有机玻璃板18的两端也设置有多个通孔，通过第三安装孔和螺栓将有机玻璃板18安装在立柱1b上，将摄像头传感器放置在模型有机玻璃板18一面的正前方；
4)将绳子以及固定栓11卸掉，根据相似模型的开挖步骤、开挖时间进行模型的模拟开挖试验，同时，应变片、土压力盒以及拉线位移计监测持续采样，采样频率为2Hz，连续拍照采样频率为1Hz，并对试验过程进行详细记录；
5)将模型的上端面待加载范围调平整，并均匀涂抹一层凡士林，按加载范围需要重叠放置两块承压钢板16，两块承压钢板16之间均匀放置有多个传压滚轴17，千斤顶14的活塞杆从上往下压迫在承压钢板16上进行加载试验，应变片、土压力盒以及拉线位移计监测持续采样，采样频率为2Hz，连续拍照采样频率为1Hz，并对试验过程进行详细记录。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：包括矩形框状的架体(1)，该架体(1)内并排、竖直设置有两个尺寸调节板(4)，所述尺寸调节板(4)的上端通过第一螺栓与架体(1)的上梁(1c)连接，架体(1)的上梁(1c)上设有至少一排供第一螺栓选择的第一安装孔(1d)，尺寸调节板(4)的下端通过第二螺栓与架体(1)的下梁(1a)连接，架体(1)的下梁(1a)上设有至少一排供第二螺栓选择的第二安装孔(1f)，所述尺寸调节板(4)的内壁下部固定设置有一个调节板垫板(6)，该调节板垫板(6)的内壁上固定设置有调节板底挡板(7)，在所述调节板底挡板(7)上设置有一个连续弯折的挡板固定杆(8)，该挡板固定杆(8)的两端固定连接在所述尺寸调节板(4)的内壁上，且中部与所述调节板底挡板(7)内侧表面相压迫抵触，所述尺寸调节板(4)内壁的中上部竖直设置有滑槽(4a)，且与该滑槽(4a)相对地，在所述尺寸调节板(4)的内侧竖直设置有一块固定模型接触板(9)，该固定模型接触板(9)通过多个滚珠(12)与所述尺寸调节板(4)上的滑槽(4a)滑动接触，所述固定模型接触板(9)上与所述滚珠(12)一一对应地设置有多个滚珠限位槽(9a)，每个滚珠(12)对应设置在一个滚珠限位槽(9a)内，所述尺寸调节板(4)之间设置有1-3个千斤顶(14)，且该千斤顶(14)的活塞杆朝下，在所述活塞杆的下端设置有载荷传感器(15)，该千斤顶(14)的上端通过第三螺栓与上梁(1c)连接，在上梁(1c)上设置有多个供第三螺栓选择的调节加载螺栓孔(1e)。
2.如权利要求1所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：所述架体(1)由下梁(1a)、两个立柱(1b)和一个上梁(1c)通过螺栓相互连接而成，所述下梁(1a)、立柱(1b)和上梁(1c)均为H型钢。
3.如权利要求2所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：在所述立柱(1b)设置有一列第三安装孔(1g)。
4.如权利要求2所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：所述下梁(1a)左右两端的前后两侧各设置有一个支脚(13)。
5.如权利要求2所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：多个所述调节加载螺栓孔(1e)等间距地设置在所述上梁(1c)中间的横板上。
6.如权利要求1所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：在所述尺寸调节板(4)的外壁上竖直设置有两个调节板肋板(5)，该调节板肋板(5)的断面呈“L”型，在调节板肋板(5)的上端开有供第一螺栓穿设的通孔(5a)，调节板肋板(5)的下端开有供第二螺栓穿设的通孔(5a)。
7.如权利要求1所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：在每个尺寸调节板(4)上均设置有刻度。
8.如权利要求1所述的二维岩土力学模型试验装置，其特征在于：所述滑槽(4a)的数量为两个。
9.利用权利要求1-8中任一所述二维岩土力学模型试验装置进行试验的方法，其特征在于包括如下步骤：
1)根据目标相似比确定相似材料，根据目标模拟范围调整两个尺寸调节板(4)之间的距离，根据模型浇筑设计图在架体(1)内布置好浇筑施工线，标注出各层材料需要浇筑到的准确位置，插上固定栓(11)，并用绳子将模型接触板的上部固定；
2)先在架体(1)形成的一侧板面相互间隔式安装多块模板底钢带(2)和模板标准钢带(3)到该侧板面的总高度位置，另一侧板面上预先安装一块模板底钢带(2)，然后向两侧模板之间形成的模型槽内浇筑搅拌好的相似材料，然后再安装一块模板标准钢带(3)，依次类推，逐层浇筑和安装，每浇筑完一层相似材料后，用混凝土振动棒来回振捣两遍，在浇筑的同时按照浇筑设计图把土压力盒埋设到对应的位置；
3)浇筑完成后，将相似材料做成的模型养护成型，然后从上往下依次拆模，并把模型表面打磨平整，将应变片以及拉线位移计按照浇筑设计图上的设计布置在对应的位置，将模型上需要面对摄影测量系统的一面进行相应着色处理，并覆盖安装有机玻璃板(18)，将摄像头传感器放置在模型有机玻璃板(18)一面的正前方；
4)将绳子以及固定栓(11)卸掉，根据相似模型的开挖步骤、开挖时间进行模型的模拟开挖试验，同时，应变片、土压力盒以及拉线位移计监测持续采样，采样频率为2Hz，连续拍照采样频率为1Hz，并对试验过程进行详细记录；
5)将模型的上端面待加载范围调平整，并均匀涂抹一层凡士林，按加载范围需要重叠放置两块承压钢板(16)，两块承压钢板(16)之间均匀放置有多个传压滚轴(17)，千斤顶(14)的活塞杆从上往下压迫在承压钢板(16)上进行加载试验，应变片、土压力盒以及拉线位移计监测持续采样，采样频率为2Hz，连续拍照采样频率为1Hz，并对试验过程进行详细记录。
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