CN106596268A - 一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法 - Google Patents

一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法，包括通过型钢框架和侧板组成的无盖腔体，腔体的底部设置有具有浸水孔的底板，底板与腔体底部间形成储水箱，储水箱内设置有中隔板，储水箱的侧壁上开设有若干浸水孔，腔体底部外侧设置有与腔体侧壁共同形成储水槽的挡板，腔体顶部设置有支架，支架上设置有能够调节长度的浸水管，腔体顶部设置有若干能够拆卸的反力梁和千斤顶，本发明结构明确，功能完善，可重复利用性强，能够实现不同浸水工况要求的多组试验，具有良好的应用前景。

Description

一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程室内试验领域，具体涉及一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法。
背景技术
我国湿陷性黄土地层分布广泛，在湿陷性黄土场地修筑建筑物不得不考虑其湿陷性的影响。地铁作为现代城市的标志，在许多大中城市开始兴建，其中有许多地铁区间不可避免的修建在湿陷性黄土地区。湿陷性黄土浸水后其强度和承载力均会降低，对上部建筑可能造成不利影响，如在湿陷性黄土地区的地铁隧道，隧道基底浸水时，可能造成基底不均匀沉降，导致隧道结构受力发生变化；地表浸水时，对于埋深较浅的地铁隧道可能削弱围岩的自承能力，作用于隧道衬砌的荷载有所增加，上述两种工况最终都可能造成衬砌开裂漏水等病害，严重威胁隧道的运营安全。目前黄土湿陷性对上部建筑物的影响已多有研究，研究方法多为数值模拟手段(如郑甲佳等，围岩浸水对黄土地铁隧道稳定性影响分析，铁道学报，2011)和离心模型试验手段(如翁效林等，黄土地层浸水湿陷对地铁隧道影响试验研究，岩土工程学报，2016)，但是对于室内模型试验手段开展的研究较少，另外采用模型试验方法研究地表浸水对地铁隧道的影响方面也鲜见报道。这是因为目前还没有一种适宜的模型箱来开展系统的浸水工况对湿陷性黄土区建筑物的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法，实现多工况浸水试验的模拟，并给出相应的试验方法。
为了达到上述目的，提出一种多浸水工况模拟试验模型箱，包括通过型钢框架和侧板组成的无盖腔体，腔体的底部设置有具有浸水孔的底板，底板与腔体底部间形成储水箱，储水箱内设置有中隔板，储水箱的侧壁上开设有若干浸水孔，腔体底部外侧设置有与腔体侧壁共同形成储水槽的挡板，腔体顶部设置有支架，支架上设置有能够调节长度的浸水管，腔体顶部设置有若干能够拆卸的反力梁和千斤顶。浸水孔底板与型钢框架焊接连接，中隔板也浸水孔底板焊接连接，有机玻璃侧板与型钢框架螺栓连接，模型箱底部外侧挡板与型钢框架也采用螺栓连接，其中各处接缝与螺栓孔出通过玻璃胶密封，确保不漏水。
所述浸水管为带孔的PVC塑料管，绑扎在支架上，浸水孔孔径为1mm，孔距为10cm，且浸水孔双排设置，两排浸水孔方向与铅垂方向角为30°。
所述浸水管上设置有开关。
所述型钢框架采用10cm×10cm的正方形空心钢管，厚度为2mm。
所述侧板采用有机玻璃，有机玻璃的厚度为1cm，挡板采用普通玻璃，厚度为0.2cm。
所述底板为厚度为0.2cm的钢板，浸水孔的直径为1cm，孔距为20cm。
所述储水箱中隔板采用实体钢板，厚度为2mm。
一种多浸水工况模拟试验模型箱的试验方法，包括以下步骤：
步骤一，根据试验工况(浸水深度和比例尺等)制作合适尺寸的模型箱，准备模拟土体材料和所要模拟的建筑物模型，并根据试验工况准备传感器及数据采集装置；
步骤二，在底板钢板上铺设一层透水土工布，在透水土工布上填装模拟土体材料，并预埋传感器；
步骤三，土体填装到预定位置后，将传感器元件引线连接到数据采集装置，并通过电脑软件调试，确保各传感器元件工作正常；
步骤四，根据试验工况安装需要的浸水管、反力梁和千斤顶；
步骤五，根据试验工况选择浸水方式或加载方式，并同步采集所需要的数据。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明分别设置了下部和上部浸水装置，能够实现试验中基底浸水和地表浸水的多工况模拟。另外，模型箱上方设置了可拆卸的加载反力梁，可根据试验要求选择是否加装，实现加载工况的模拟。储水箱中的中隔板具有分水和增加浸水底板承载力的作用。本发明结构明确，功能完善，可重复利用性强，能够实现不同浸水工况要求的多组试验，具有良好的应用前景。
进一步的，本发明模型箱侧壁采用透明有机玻璃，外侧挡板采用普通透明玻璃，实现浸水效果的可视化要求。
本发明的方法首先根据工况制作模型箱并准备材料，再在模型箱内布置模拟工况，再根据所需工况对土地进行浸水和加载，最后得到试验数据，本方法能够模拟多种不同工况，试验范围广，试验数据准确。
附图说明
图1为本发明模型箱的结构示意图；
图2为本发明模型箱俯视图；
其中，1、型钢框架；2、侧板；3、挡板；4、底板；5、浸水孔；6、中隔板；7、支架；8、浸水管；9、开关；10、反力梁；11、储水箱；12、储水槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，一种多浸水工况模拟试验模型箱，包括通过型钢框架1和侧板2组成的无盖腔体，腔体的底部设置有具有浸水孔5的底板4，底板4与腔体底部间形成储水箱11，储水箱11内设置有中隔板6，储水箱11的侧壁上开设有若干浸水孔5，腔体内底部设置有与腔体侧壁共同形成储水槽12的挡板3，腔体顶部设置有支架7，支架7上设置有能够调节长度的浸水管8，腔体顶部设置有若干能够拆卸的反力梁10和千斤顶，浸水管8为带孔的塑料管，绑扎在支架7上，浸水管8上设置有开关9。浸水孔底板4与型钢框架1焊接连接，中隔板6也与浸水孔底板4焊接连接，有机玻璃侧板2与型钢框架1螺栓连接，模型箱底部外侧挡板3与型钢框架1也采用螺栓连接，其中各处接缝与螺栓孔出通过玻璃胶密封，确保不漏水。
优选的，型钢框架1采用10cm×10cm的正方形空心钢管，厚度为2mm。侧板2采用有机玻璃，厚度为1cm；挡板3采用普通玻璃，厚度为0.2cm。底板为厚度为0.2cm的钢板，浸水孔的直径为1cm，浸水孔间距为20cm。浸水管8采用PVC管，PVC管浸水孔直径为1mm，间距为10cm。
实施例1：湿陷性黄土地铁隧道基底浸水工况模拟。
步骤1：根据前述内容及试验工况需要，确定模型箱尺寸为：长×宽×高＝2m×1.8m×1m，模型比例尺为1:30，隧道模型直径为0.2m，根据发明内容及制定的尺寸制作模型箱，模型箱上部浸水系统和加载模块暂时不安装；
步骤2：准备模拟土体材料，从施工现场取足量的湿陷性黄土备用，并制作隧道衬砌模型，并在隧道测试断面测点处贴应变片；
步骤3:在模型箱底部铺设一层透水土工布，开始填充模拟土体材料，填充到预制位置时放入贴好应变片的隧道模型，并在隧道周围布置测点处预先埋设土压力盒，进一步填土至预定高度，并在土体表面安装千分表测试地表沉降值，将元件引线导出备用；
步骤4：将元件引线连接到采集器上，并连接电脑，实现数据的实时采集，同时调试各测试原件准备进入工作状态；
步骤5：准备就绪后，往模型箱底部储水箱和储水槽中全幅加水，并采用逐次加水法，保持储水槽中水位与需要的浸水高度平齐，确保水分通过水头差和毛细作用向上迁移，期间同步采集应变片和土压力和数据，以及地表沉降数据；
步骤6：一次试验完成后，重复步骤3-步骤5，其中步骤6全幅浸水可改为半幅浸水，也可改变浸水高度，从而实现不同基底浸水工况下隧道的受力及地表沉降模拟；
实施例2：湿陷性黄土地铁隧道地表浸水工况模拟。
步骤1：根据前述内容及试验工况需要，确定模型箱尺寸为：长×宽×高＝2m×1.8m×1m，模型比例尺为1:30，隧道模型直径为0.2m，根据发明内容及制定的尺寸制作模型箱，模型箱上部浸水系统和加载模块暂时不安装；
步骤2：准备模拟土体材料，从施工现场取足量的湿陷性黄土备用，并制作隧道衬砌模型，并在隧道测试断面测点处贴应变片；
步骤3：在模型箱底部铺设一层透水土工布，开始填充模拟土体材料，填充到预制位置时放入贴好应变片的隧道模型，并在隧道周围布置测点处预先埋设土压力盒，进一步填土至预定高度，将元件引线导出备用；
步骤4：将元件引线连接到采集器上，并连接电脑，实现数据的实时采集，同时调试各测试原件准备进入工作状态；
步骤5；模型安装完毕后，在模型土上表面铺设一层土工布，进而在模型箱上部安装浸水支架，并在支架上绑扎浸水管，浸水管长度根据所模拟的工况来选择，浸水管连接水源，并由开关控制浸水；
步骤6:由于地表浸水对地表沉降扰动较大，因此本工况仅关注浸水对隧道受力的影响，不关心地表沉降的影响，开启浸水并通过电脑实时采集隧道土压力和弯矩；
步骤7：一次试验完成后，重复步骤3-步骤6，其中步骤6可通过改变浸水管的长度来模拟全幅浸水或半幅浸水，从而实现不同地表浸水工况下隧道的受力模拟。
实施例3：湿陷性黄土地区基底浸水承载桩基对近距隧道的影响模拟。
步骤1：根据前述内容及试验工况需要，确定模型箱尺寸为：长×宽×高＝2m×1.8m×1m，模型比例尺为1:30，隧道模型直径为0.2m，根据发明内容及制定的尺寸制作模型箱，模型箱上部浸水系统和加载模块暂时不安装；
步骤2：准备模拟土体材料，从施工现场取足量的湿陷性黄土备用，并制作隧道衬砌模型以及桩基模型，并在隧道测试断面测点处和桩基测点处贴应变片；
步骤3:在模型箱底部铺设一层透水土工布，开始填充模拟土体材料，填充到预制位置时放入贴好应变片的隧道模型与桩基模型，并在隧道周围布置测点处预先埋设土压力盒，桩基与隧道的相对距离根据模拟工况确定，进一步填土至预定高度，并在土体表面安装千分表测试地表沉降值，将元件引线导出备用；
步骤4：将元件引线连接到采集器上，并连接电脑，实现数据的实时采集，同时调试各测试原件准备进入工作状态；
步骤5：安装加载模块，首先安装反力梁，并调整其道预定位置，并在反力梁和桩基顶端安放千斤顶，通过千斤顶来给桩基施加荷载，桩端荷载的大小由实际工况确定；
步骤6：准备就绪后，往模型箱底部储水箱和储水槽中全幅加水，并采用逐次加水法，保持储水槽中水位与需要的浸水高度平齐，确保水分通过水头差和毛细作用向上迁移，期间同步采集隧道和桩基应变片和隧道土压力数据，以及地表沉降数据；
步骤7：一次试验完成后，重复步骤2-步骤6，其中步骤7全幅浸水可改为半幅浸水，也可改变浸水高度及桩端荷载，从而实现不同基底浸水工况下承载桩基对隧道的受力及地表沉降模拟。

Claims (8)

1.一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，包括通过型钢框架(1)和侧板(2)组成的无盖腔体，腔体的底部设置有具有浸水孔(5)的底板(4)，底板(4)与腔体底部间形成储水箱(11)，储水箱(11)内设置有中隔板(6)，储水箱(11)的侧壁上开设有若干浸水孔(5)，腔体底部外侧设置有与腔体侧壁共同形成储水槽(12)的挡板(3)，腔体顶部设置有支架(7)，支架(7)上设置有能够调节长度的浸水管(8)，腔体顶部设置有若干能够拆卸的反力梁(10)和千斤顶。
2.根据权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，所述浸水管(8)为带孔的PVC塑料管，绑扎在支架(7)上，孔径为1mm，孔距为10cm。
3.根据权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，所述浸水管(8)上设置有开关(9)。
4.根据权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，所述型钢框架(1)采用10cm×10cm的正方形空心钢管，厚度为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，所述侧板
(2)采用有机玻璃，厚度为1cm，挡板(3)采用玻璃，厚度为0.2cm。
6.根据权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，所述底板
(4)为厚度为0.2cm钢板，浸水孔的直径为1cm，孔距20cm。
7.根据权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱，其特征在于，所述储水箱中隔板(6)采用实体钢板，厚度为2mm。
8.权利要求1所述的一种多浸水工况模拟试验模型箱的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据试验工况制作合适的模型箱，准备模拟土体材料和所要模拟的建筑物模型，并根据试验工况准备传感器及数据采集装置；
步骤二，在底板钢板(4)上铺设一层透水土工布，在透水土工布上填装模拟土体材料，并预埋传感器；
步骤三，土体填装到预定位置后，将传感器元件引线连接到数据采集装置，并通过电脑软件调试，确保各传感器元件工作正常；
步骤四，根据试验工况安装需要的浸水管(8)、反力梁(10)和千斤顶；
步骤五，根据试验工况选择浸水方式或加载方式，并同步采集所需要的数据。
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