CN106908315A - 梯形沟谷的主应力偏转试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯形沟谷的主应力偏转试验装置及使用方法，包括试验箱和升降装置和左、右边侧壁板，左、右边侧壁板上均包括可调倾斜板，可调倾斜板通过牵引装置与锁紧装置来调整其倾斜角度。采用本发明的装置和使用方法，可以测试不同倾斜角度下的沟谷的主应力偏转效应下的土压力。

Description

梯形沟谷的主应力偏转试验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种试验设备领域，具体涉及一种梯形沟谷的主应力偏转试验装置及使用方法。

背景技术

梯形沟谷中设置涵洞结构物的主压力分布，是近年来岩土工程领域较为热门的研究之一，如岩土工程学报2008年发表的“沟埋式涵洞非线性土压力试验研究与数值模拟”，岩土力学2013年发表的“钢筋混凝土箱涵竖向土压力理论研究——梯形沟谷设涵”等文章，均对沟谷中涵洞的土压力进行了重点研究。然而，上述研究仅仅限于理论与数值模拟，还缺乏试验支持。究其原因，在于缺乏合适的试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种梯形沟谷的主应力偏转试验装置及使用方法，该装置用于测试不同倾斜角度条件下的沟谷中埋设涵洞的土拱效应。。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：梯形沟谷的主应力偏转试验装置，包括试验箱(4)和升降装置(6)。

试验箱(4)包括：左、右边侧壁板(8)、试验箱(4)的底部设置结构单元板(5-4)与非结构单元板(5-3)；结构单元板(5-4)能够上下活动，用于模拟涵洞，非结构单元板(5-3)固定设置，用于模拟填土基础；所述左、右边侧壁板(8)均包括：侧壁板前板(8-1)、侧壁板后板(8-2)、钢丝绳缠绕轴(8-6-2)、可调倾斜板(8-4)；可调倾斜板(8-4)底边设置有转轴(8-4-1)，转轴(8-4-1)插入侧壁板前板(8-1)和侧壁板后板(8-2)底部。

可调倾斜板(8-4)通过牵引装置与钢丝绳缠绕轴(8-6-2)控制倾斜度。

所述牵引装置结构为：钢丝绳(8-5)连接可调倾斜板(8-4)，在侧壁板前板(8-1)高出试验箱的前板的部位设置有遥杆(8-6-1)和钢丝绳缠绕轴(8-6-2)，转动遥杆(8-6-1)与钢丝绳缠绕轴(8-6-2)固接；摇动摇杆(8-6-1)时，钢丝绳(8-5)不断在钢丝绳缠绕轴(8-6-2)上被缠绕，可调倾斜板(8-4)在钢丝绳(8-5)的带动下向上/向下转动，可调倾斜板(8-4)与水平面的夹角增大/减小；所述钢丝绳缠绕轴(8-6-2)上还设置有锁紧装置，其贯穿侧壁板前板(8-1)和侧壁板后板(8-2)且突出到侧壁板前板(8-1)，侧壁板前板(8-1)的外侧的钢丝绳缠绕轴(8-6-2)上套设一棘轮(8-6-3)，棘轮(8-6-3)与钢丝绳缠绕轴(8-6-2)通过螺纹连接；棘轮(8-6-3)与止回轴(8-6-5)上的棘爪(8-6-4)相互配合，止回轴(8-6-5)上设置预紧弹簧，使得止回轴端部的棘爪(8-6-4)有预压力。

进一步，在试验箱的前、后板底部与边框底板(4-1-2)之间形成凹槽，前、后板的外壁(4-1-1)，前、后板的内壁(4-1-1’)，在前、后板底部凹槽相对应的地方设置有长通孔(4-1-3)；在试验箱设置左、右边侧壁板(8)，左、右边侧壁板(8)的下部插入到上述凹槽中，通过水平螺栓螺母组件(4-1-6)将左、右边侧壁板(8)与试验箱的前、后板固接在一起；所述侧壁板前板(8-1)底部插入到箱体前板底部的凹槽中，侧壁板后板(8-2)插入到箱体后板底部的凹槽中，在侧壁板前板(8-1)上还设置有弧度额度，其范围从0°-90°，弧度刻度以在转轴(8-4-1)为圆心，其用于观察可调倾斜板(8-4)的角度；填土由前、后板的内壁(4-1-1’)、在试验箱底部设置左、右边侧壁板(8)的可调倾斜板(8-4)，结构单元板、非结构单元板来承担。

进一步，每完成一次棘轮-棘爪锁定动作，可调倾斜板的角度变化在0.5°以内。

进一步，锁紧装置与牵引装置工作过程为：当卷起钢丝绳，摇动摇杆(8-6-1)，棘轮(8-6-3)与棘爪(8-6-4)此时没有锁定作用，摇杆与钢丝绳缠绕轴采用刚接，在钢丝绳缠绕轴转动时，钢丝绳在不断被缠绕在钢丝绳缠绕轴上，可调倾斜板(8-4)与水平夹角时不断增加，停止摇到摇杆后，钢丝绳在可调倾斜板8-4的作用下，使得棘轮(8-6-3)与棘爪(8-6-4)产生自锁；当释放钢丝绳时，摇动摇杆(8-6-1)反转，此时棘轮(8-6-3)与棘爪(8-6-4)此时由于自锁作用，棘轮(8-6-3)相对棘爪(8-6-4)不动，钢丝绳缠绕轴相对棘轮(8-6-3)有转动，从而带动钢丝绳缠绕轴不断释放钢丝绳，可调倾斜板(8-4)与水平夹角时不断减小。

所述升降装置(6)包括升降动力装置(6-1)、顶管平台板(6-2)、顶管(6-3)、顶管移动支架(6-5)；所述顶管平台板(6-2)由升降动力装置(6-1)升起或降落，顶管平台板(6-2)上方为顶管移动支架(6-5)，顶管移动支架(6-5)的与沉降单元板(5-4)相对应，顶管(6-3)设置在顶管移动支架(6-5)上；所述顶管平台板(6-2)上方设置滑动槽(6-7)，顶管移动支架(6-5)自下而成分为：滑动构件(6-5-2)、滑动移动板(6-5-1)，顶管安装件(6-5-3)；顶管(6-3)安装在滑动移动支架顶管安装件(6-5-3)上；滑动构件(6-5-2)能够在顶管平台板(6-2)上方的滑动槽(6-7)中运动；所述结构单元板(5-4)正下方对应顶管(6-3)；相邻的推拉顶管移动支架(6-5)之间设置有连接装置，该装置包括：第一固定端板(6-8-1)、连接构件(6-6)、第二固定端板(6-8-2)，第一固定端板(6-8-1)和第二固定端板(6-8-2)分别设置在相邻的推拉移动支架(6-5)上，连接构件(6-6)设置在第一固定端板(6-8-1)和第二固定端板(6-8-2)之间；连接构件与第一固定端板(6-8-1)和第二固定端板(6-8-2)固定在一起。

进一步，在第二固定端板(6-8-2)上设置有长通孔(6-8-3)，连接构件(6-6)包括连接构件本体(6-6-1)、通孔(6-6-3)，螺栓(6-6-4)穿过连接构件本体的通孔(6-6-3)和第二固定端板(6-8-2)的长通孔(6-8-3)，再配合螺母将连接构件本体与第二固定端板固定在一起。

进一步，连接构件本体(6-6-1)插入到第一固定端板(6-8-1)的插孔中，在第一固定端板(6-8-1)的内侧一边的连接构件本体(6-6-1)上一体成型有挡块(6-6-4)，然后用螺母(6-6-2)固定在连接构件本体(6-6-1)突出第一固定端板的部分。

进一步，连接构件本体(6-6-1)的通孔(6-6-3)在连接构件本体(6-6-1)为间隔均匀分布，连接构件本体(6-6-1)的通孔(6-6-3)的间距小于长通孔(6-8-3)的距离。

进一步，连接构件本体(6-6-1)上设置有刻度。

进一步，在顶管平台板(6-2)上设置水平推拉装置(6-4)，水平推拉装置(6-4)用于推拉顶管移动支架(6-5)在滑动槽(6-7)中运动，所述水平推拉装置(6-4)包括：水平推拉动力装置(6-4-1)、推拉轴、推拉端板(6-4-2)、以及螺栓(6-4-3)，水平推拉动力装置(6-4-1)外端固接有推拉轴，推拉轴外端固接有推拉端板(6-4-2)，在推拉端板(6-4-2)贯穿有螺纹孔。

滑动移动板(6-5-1)的侧面设置螺纹孔，螺栓(6-4-3)穿过推拉端板(6-4-2)的螺纹孔与滑动移动板(6-5-1)的侧面螺纹孔连接在一起，在推拉端板一侧设置有螺帽，以便将推拉端板(6-4-2)和滑动移动板(6-5-1)固定在一起。

所述水平推拉装置(6-4)设置在顶管移动支架(6-5)的两侧。

在机架上设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板(6-5-1)与顶管(6-3)所在的水平面内；当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置(6-4)推动推拉顶管移动支架(6-5)移动；当顶管(6-3)挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置(6-4)停止运动。

进一步，所述滑动槽(6-7)的数量为两条以上，其形状为状；滑动构件(6-5-2)形状为状，滑动移动支架(6-5-3)插入滑动槽(6-7)时需要采用侧向插入的方式来放置；所述滑动构件(6-5-2)、滑动移动板(6-5-1)、顶管安装件(6-5-3)一体成型；所述顶管(6-3)与顶管安装件(6-5-3)采用螺纹连接。

进一步，试验箱(4)固定在机架的承重平台(3)上，所述机架包括上横梁(1-1)、下横梁(1-4)、平台横梁(1-2)、立柱(2)、纵梁(1-3)、平台横梁(1-4)和纵梁(1-3)上设置承重平台(3)，所示试验箱(4)固定在承重平台(3)上；上横梁(1-1)，下横梁(1-4)的位置处分别设置纵梁(1-3)以形成机架框架。

试验箱(4)包括箱体主架(4-1)和四周的有机玻璃(4-2)，主架(4-1)包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃(4-2)通过插槽按照在箱体主架(4-1)上，上层横梁下表面设置有插槽，进一步固定有机玻璃(4-2)；有机玻璃背板上绘制有刻度网格。

进一步，所述试验箱(4)的四周设置有挡板，与结构单元板相接触的非结构单元板的侧边也设置有挡板(7)。

在试验箱(4)上方还设有加载系统和箱体内部填料位移监测系统；加载系统包括与上横梁(1-1)相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱(4)上方的加载板连接；或者加载系统为激振器；箱体内部填料位移监测系统包括：在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，和/或在试验箱体长边方向相对应的两侧设置的数码照相机或CT扫描机。

所述的每个升降装置(6)，以及水平推拉装置(6-4)，以及红外线发射器与红外线传感器均与PLC连接，通过PLC来控制升降装置中的升降动力装置(6-1)的运动，以及水平推拉动力装置(6-4-1)。

梯形沟谷的主应力偏转试验装置的使用方法，试验步骤包括如下步骤：

(1)安装可调倾斜板的倾斜度：在试验箱预设位置处安装左、右边侧壁板(8)，使用遥杆(8-6-1)使得左、右边侧壁板(8)中的可调倾斜板(8-4)的角度到达预设角度；

(2)安装顶管：将顶管移动支架(6-5)从顶管平台板(6-2)的侧面插入到滑动槽(6-7)中，然后在顶管平台板(6-2)上固定安装水平推拉动力装置(6-4-1)，然后启动水平推拉动力装置(6-4-1)，使得水平推拉动力装置(6-4-1)固定的推拉端板(6-4-2)接触到顶管移动支架(6-5)中的滑动移动板(6-5-1)，推拉端板(6-4-2)上的螺栓孔与滑动移动板(6-5-1)的螺栓孔对齐，将螺栓插入到螺栓孔中，安装螺母将推拉端板(6-4-2)与滑动移动板(6-5-1)固定在一起；在滑动移动板(6-5-1)上方设置的顶管安装件(6-5-3)上，将顶管(6-3)安装到顶管安装件(6-5-3)上；

(3)调节相邻的顶管移动支架(6-5)之间的距离：将连接构件本体(6-6-1)固定在第一固定端板(6-8-1)，然后通过连接构件本体(6-6-1)上的刻度，将相邻的顶管移动支架(6-5)之间距离到达预设距离，然后通过螺栓(6-6-4)将第二固定端板(6-8-2)与连接构件本体(6-6-1)连接固定在一起；

(4)调节顶管的位置：在机架上的两边设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板(6-5-1)与顶管(6-3)所在的水平面内；

当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置(6-4)推动推拉顶管移动支架(6-5)移动；当顶管(6-3)挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置(6-4)停止运动；

启动红外线发射器和红外线传感器，水平推拉装置(6-4)在PLC的控制下，推动顶管移动支架(6-5)到预设位置，使得顶管(6-3)正好在结构单元板(5-4)的下方；

(5)将非结构单元板(5-3)安装在试验箱上，将结构单元板(5-4)底部设置的插孔插入到顶管(6-3)上；通过PLC控制升降装置(6)，升起顶管(6-3)使得结构单元板(5-4)的上表面高度到达预设高度；

(6)制备土样，试验箱内填筑土体：制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；然后按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体，直至土体填筑到达预设高度；

(7)试验过程：控制升降动力装置(6-1)，使得顶管平台板(6-2)和顶管(6-3)逐步下降，最终带动结构单元板(5-4)逐步下降。

进一步，试验步骤还包括：步骤(5)中，在完成结构单元板(5-4)安装后，在填土之前，在结构单元板(5-4)上表面布置土压力盒；在步骤(7)中，试验开始后，加载系统对填料进行荷载的加载；在步骤(7)中，数码相机在顶管(6-3)每下移0.1mm时拍摄一张土体填料相片，同时土压力盒也采集一次数据。试验步骤(7)中，试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载系统停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载系统运作，继续试验。

本发明的优点在于：1)本发明左、右边侧壁板8，使用遥杆8-6-1使得左、右边侧壁板8中的可调倾斜板8-4的角度到达预设角度，使得本发明的设备可以测试不同角度的沟谷条件下的土拱效应大小；2)顶管设置在顶管移动支架上，通过水平推拉动力装置可以在滑动槽中滑动，以便调节其位置；3)通过连接构件的设计，将传力与测量两个功能汇聚到一个构件上，简化了顶管移动支架的设计；4)采用红外线发射器-传感器来对设计顶管移动支架移动的位置，可能也是土拱效应试验仪器中首次应用，通过PLC来控制水平推拉动力装置，提高设备的自动化水平；5)本试验装置仍然考虑结构单元板的大变形要求，挡板高度+非结构单元板板厚度+结构单元板高于非结构单元板上表面的厚度>结构单元板下移高度，当结构单元板起始位置低于非结构单元板上表面时，结构单元板高于非结构单元板上表面的厚度取负值，上述设计提高了沉降单元板下移活动的范围增加。

附图说明

图1为实施例一工程实例对比图。

图2为试验装置侧视图。

图3为实施例一试验箱承重平台构造俯视图。

图4为实施例一试验箱结构图。

图5为实施例一结构单元板和非结构单元板安装俯视图。

图6为实施例一顶管与结构单元板关系图。

图7为实施例一顶管移动支架俯视图。

图8为实施例一A-A截面图。

图9为水平推拉装置俯视图。

图10为相邻推拉顶管移动支架连接装置设计示意图。

图11为相邻推拉顶管移动支架连接装置设计详图。

图12为第二固定端板侧视图。

图13为实施例二的工程实例图。

图14为实施例二的边侧壁板结构示意图。

图15为实施例二的牵引装置与锁紧装置结构示意图。

图16为实施例二的棘轮与棘爪结构示意图。

图17为实施例二的左、右边侧壁板安装示意图。

附图标记：上横梁1-1，平台横梁1-2，纵梁1-3，下横梁1-4；立柱2；承重平台3；试验箱4，箱体主架4-1，前、后板的外壁4-1-1，前、后板的内壁4-1-1’，长通孔4-1-3，水平螺栓螺母组件4-1-6，有机玻璃4-2；非结构单元板5-3，结构单元板5-4；升降装置6，升降动力装置6-1，顶管平台板6-2，顶管6-3，水平推拉装置6-4，水平推拉动力装置6-4-1，推拉端板6-4-2，螺栓6-4-3，顶管移动支架6-5，滑动移动板6-5-1，滑动构件6-5-2，顶管安装件6-5-3，连接构件6-6，构件本体6-6-1，螺母6-6-2，构件本体的通孔6-6-3，滑动槽6-7第一固定端板6-8-1，第二固定端板6-8-2，第二固定端板6-8-2上的长通孔6-8-3；挡板7；左、右边侧壁板8，侧壁板前板8-1，侧壁板后板8-2，可调倾斜板8-4，转轴8-4-1，钢丝绳8-5，遥杆8-6-1，钢丝绳缠绕轴8-6-2，棘轮8-6-3，棘爪8-6-4，止回轴8-6-5。

具体实施方式

结合附图，对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。

如附图1所示，平面应变条件下的管涵模拟、沟谷的倾角为90°，2个管涵直径1m，回填土体宽4m，回填高度2m，横断面为：0.5m宽的土+1m管涵+1m土+1m管涵+0.5m土；试验中：填土上侧还需要考虑交通荷载。试验中按照1:1的比例模拟。

如图2-3所示：土拱效应模拟试验装置包括：机架、试验箱4、升降装置6；其中，机架包括两根上横梁1-1、两根下横梁1-4、两根平台横梁1-2、四根立柱2、6根纵梁1-3、平台横梁1-4和纵梁1-3上设置承重平台3，试验箱4固定在承重平台3上；上横梁1-1，下横梁1-4的位置处分别设置2根纵梁1-3以形成机架框架。

如图4所示，试验箱4为包括箱体主架4-1和四周的有机玻璃4-2，主架4-1包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃4-2通过插槽按照在箱体主架4-1上，上层横梁下表面设置有插槽，进一步固定有机玻璃4-2；有机玻璃背板上绘制有刻度网格；根据刻度网格进行填料分层。

如图5所示，在试验箱4底部设置结构单元板5-4和非结构单元板5-3，结构单元板5-4能够上下活动，用于模拟涵洞，非结构单元板5-3固定设置，用于模拟填土基础；

本次试验中，单元板宽度的设置为：0.5m非结构单元板5-3+1m结构单元板5-4+1m非结构单元板5-3+1m结构单元板5-4+0.5m非结构单元板5-3；结构单元板和非结构单元板的长度均为1m且均为整体板，非结构单元板通过螺丝或其他方式直接固定在箱体侧壁上。

如图6所示，升降装置6包括：升降动力装置6-1、顶管平台板6-2、顶管6-3、顶管移动支架6-5；升降动力装置采用液压油缸，也可以采用丝杆等其他动力装置；顶管平台板6-2由升降动力装置带动升起或降落；顶管平台板6-2上方为顶管移动支架6-5，顶管6-3设置在顶管移动支架6-5上；所述顶管平台板6-2上方设置滑动槽6-7。

如图7-8所示，顶管移动支架6-5自下而成分为：滑动构件6-5-2、滑动移动板6-5-1、顶管安装件6-5-3；顶管6-3安装在滑动移动支架顶管安装件6-5-3上；滑动构件6-5-2能够在顶管平台板6-2上方的滑动槽6-7中运动。顶管6-3和顶管安装件6-5-3采用螺纹连接或者焊接或者卡接或者插接等连接方式。

如图8可知：在顶管平台板6-2上设置水平推拉装置6-4，水平推拉装置6-4用于推拉顶管移动支架6-5在滑动槽6-7中运动；

如图9可知：所述水平推拉装置6-4包括：水平推拉动力装置6-4-1、推拉轴、推拉端板6-4-2、以及螺栓6-4-3，水平推拉动力装置6-4-1外端固接有推拉轴，推拉轴外端固接有推拉端板6-4-2，在推拉端板6-4-2贯穿有螺纹孔，滑动移动板6-5-1的侧面设置螺纹孔，螺栓6-4-3穿过推拉端板6-4-2的螺纹孔与滑动移动板6-5-1的侧面螺纹孔连接在一起，在推拉端板一侧设置有螺帽，以便将推拉端板6-4-2和滑动移动板6-5-1固定在一起。

所述水平推拉装置6-4设置在顶管移动支架6-5的一侧。

在机架上设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板6-5-1与顶管6-3所在的水平面内；当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置6-4推动推拉顶管移动支架6-5移动；当顶管6-3挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置6-4停止运动。

所述滑动槽6-7的数量为两条，其形状为状；滑动构件6-5-2形状为状，滑动移动支架6-5-3插入滑动槽6-7时需要采用侧向插入的方式来放置；所述滑动构件6-5-2、滑动移动板6-5-1、顶管安装件6-5-3一体成型。

如图6所示，所述试验箱4的四周设置有挡板，与结构单元板相接触的非结构单元板的侧边也设置有挡板7。

如图10-12所示，每一个沉降单元板下面对应有一个推拉顶管移动支架6-5，本次试验中设置了两个推拉顶管移动支架6-5，两个推拉移动支架6-5之间设置有连接装置，相邻的两个推拉移动支架6-5通过连接装置来调节两者之间的间距，该装置包括：第一固定端板6-8-1、连接构件6-6、第二固定端板6-8-2，第一固定端板6-8-1和第二固定端板6-8-2分别设置在相邻的推拉移动支架6-5上；连接构件包括连接构件本体6-6-1、螺母6-6-2、通孔6-6-3；连接构件本体6-6-1设置在第一固定端板6-8-1和第二固定端板6-8-2之间，连接构件本体6-6-1插入到第一固定端板6-8-1的插孔中，在第一固定端板6-8-1的内侧一边的连接构件6-6-1上一体成型有挡块6-6-4，然后用螺母6-6-2固定在连接构件本体6-6-1突出第一固定端板的部分，在连接构件本体6-6-1间隔均匀分布设置有通孔6-6-3，在第二固定端板6-8-2上设置有长通孔6-8-3，并且，连接构件本体6-6-1的通孔6-6-3的间距小于长通孔6-8-3的距离，以保证连接构件的通孔6-6-3至少有1个在长通孔6-8-3之间。

连接构件本体6-6-1上设置有刻度，第一固定端板6-8-1与第二固定端板6-8-2之前的距离到达预设距离时，通过螺栓6-6-4穿过连接构件的通孔6-6-3和第二固定端板6-8-2的长通孔6-8-3，通过螺母将连接构件和第二固定端板固定在一起。本设计将“传力”和“刻度量测”两个功能合二为一。

第二固定端板6-8-2分布在连接构件本体6-6-1的两侧。

在试验箱4上方还设有加载系统和箱体内部填料位移监测系统；加载系统包括与上横梁1-1相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱4上方的加载板连接；或者加载系统为激振器；箱体内部填料位移监测系统包括：在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，和/或在试验箱体长边方向相对应的两侧设置的数码照相机或CT扫描机。

所述的每个升降装置6，以及水平推拉装置6-4，以及红外线发射器与红外线传感器均与PLC连接，通过PLC来控制升降装置中的升降动力装置6-1的运动，以及水平推拉动力装置6-4-1。

此外，为了模拟管涵上部有均匀荷载的情况，试验箱4上方还设有加载系统，加载系统包括与上横梁1-1相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱4上方的加载板连接；为了模拟管涵上部的交通荷载，加载系统可更换为激振器。

在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，以便测量试验过程中土体的位移场。

本实施例中：如图6所示，结构单元板5-4为一空心盒体，下表面设置有与顶管6-4截面相对应的插孔，顶管可直接接触结构单元板5-4的上表面，更好的控制沉降单元板的沉降过程，插孔的作用在于限位结构单元板与顶管，以及在升降过程中固定沉降单元板不发生水平位移。

试验过程：(1)首先安装可调倾斜板的倾斜度：在试验箱预设位置处安装左、右边侧壁板，使用遥杆使得左、右边侧壁板中的可调倾斜板的角度到达预设角度90°，然后安装顶管：将顶管移动支架6-5从顶管平台板6-2的侧面插入到滑动槽6-7中，然后在顶管平台板6-2上固定安装水平推拉动力装置6-4-1，然后启动水平推拉动力装置6-4-1，使得水平推拉动力装置6-4-1固定的推拉端板6-4-2接触到顶管移动支架6-5中的滑动移动板6-5-1，推拉端板6-4-2上的螺栓孔与滑动移动板6-5-1的螺栓孔对齐，将螺栓插入到螺栓孔中，安装螺母将推拉端板6-4-2与滑动移动板6-5-1固定在一起；在滑动移动板6-5-1上方设置的顶管安装件6-5-3上，将顶管6-3安装到顶管安装件6-5-3上；(2)调节相邻的顶管移动支架6-5之间的距离：将连接构件本体6-6-1固定在第一固定端板6-8-1，然后通过连接构件本体6-6-1上的刻度，将相邻的顶管移动支架6-5之间距离到达预设距离，然后通过螺栓6-6-4将第二固定端板6-8-2与连接构件本体6-6-1连接固定在一起；(3)调节顶管的位置：在机架上的两边设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板6-5-1与顶管6-3所在的水平面内；当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置6-4推动推拉顶管移动支架6-5移动；当顶管6-3挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置6-4停止运动；启动红外线发射器和红外线传感器，水平推拉装置6-4在PLC的控制下，推动顶管移动支架6-5到预设位置，使得顶管6-3正好在结构单元板5-4的下方；(4)将非结构单元板5-3安装在试验箱上，将结构单元板5-4底部设置的插孔插入到顶管6-3上；通过PLC控制升降装置6，升起顶管6-3使得结构单元板5-4的上表面高度到达预设高度；在完成结构单元板5-4安装后，在填土之前，在结构单元板5-4上表面布置土压力盒；(5)制备土样，试验箱内填筑土体：制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；然后按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体，直至土体填筑到达预设高度；(6)试验过程：控制升降动力装置6-1，使得顶管平台板6-2和顶管6-3逐步下降，最终带动结构单元板5-4逐步下降；试验开始后，加载系统对填料进行荷载的加载；数码相机在顶管6-3每下移0.1mm时拍摄一张土体填料相片，同时土压力盒也采集一次数据；试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载系统停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载系统运作，继续试验。(7)绘制结构单元板竖向位移-土压力变化曲线。

实施例二：两侧的沟谷倾斜角度均为70°。

如图14所示，在试验箱的前、后板底部与边框底板4-1-2之间形成凹槽，前、后板的外壁4-1-1，前、后板的内壁4-1-1’，在前、后板底部凹槽相对应的地方设置有长通孔4-1-3；在试验箱设置左、右边侧壁板8，左、右边侧壁板8的下部插入到上述凹槽中，通过水平螺栓螺母组件4-1-6将左、右边侧壁板8与试验箱的前、后板固接在一起；所述左、右边侧壁板8分别由侧壁板前板8-1和侧壁板后板8-2以及钢丝绳缠绕轴8-6-2连接成一体，侧壁板前板8-1底部插入到箱体前板底部的凹槽中，侧壁板后板8-2插入到箱体后板底部的凹槽中，还包括有可调倾斜板8-4，可调倾斜板8-4底边设置有转轴8-4-1，转轴8-4-1插入侧壁板前板8-1和侧壁板后板8-2底部；可调倾斜板8-4通过牵引装置与钢丝绳缠绕轴(8-6-2)连接。

所述牵引装置采用钢丝绳8-5连接可调倾斜板8-4，在侧壁板前板8-1高出试验箱的前板的部位设置有转动遥杆8-6-1和钢丝绳缠绕轴8-6-2，转动遥杆8-6-1与钢丝绳缠绕轴8-6-2固接；摇动摇杆8-6-1时，钢丝绳8-5不断在钢丝绳缠绕轴8-6-2上被缠绕，可调倾斜板8-4在钢丝绳8-5的带动下向上/向下转动，可调倾斜板8-4与水平面的夹角增大/减小。

在侧壁板前板8-1上还设置有弧度额度，其范围从0°-90°，弧度刻度以在转轴8-4-1为圆心，其用于观察可调倾斜板8-4的角度；所述钢丝绳缠绕轴8-6-2上还设置有锁紧装置，其贯穿侧壁板前板8-1和侧壁板后板8-2且突出到侧壁板前板8-1，侧壁板前板8-1的外侧的钢丝绳缠绕轴8-6-2上套设一棘轮8-6-3，棘轮8-6-3与钢丝绳缠绕轴8-6-2通过螺纹连接；棘轮8-6-3与止回轴8-6-5上的棘爪8-6-4相互配合，止回轴8-6-5上设置预紧弹簧，使得止回轴端部的棘爪8-6-4有预压力。

工作时：在卷起钢丝绳，摇动摇杆8-6-1，棘轮8-6-3与棘爪8-6-4此时没有锁定作用，摇杆与钢丝绳缠绕轴采用刚接，在钢丝绳缠绕轴转动时，钢丝绳在不断被缠绕在钢丝绳缠绕轴上，可调倾斜板8-4与水平夹角时不断增加，停止摇到摇杆后，钢丝绳在可调倾斜板8-4的作用下，使得棘轮8-6-3与棘爪8-6-4产生自锁；当释放钢丝绳时，摇动摇杆8-6-1反转，此时棘轮8-6-3与棘爪8-6-4此时由于自锁作用，棘轮8-6-3相对棘爪8-6-4不动，钢丝绳缠绕轴相对棘轮8-6-3有转动，从而带动钢丝绳缠绕轴不断释放钢丝绳，可调倾斜板8-4与水平夹角时不断减小。

实施例二中的钢丝绳缠绕轴8-6-2与棘轮8-6-3，在不转动摇杆8-6-1时，由于两者的螺纹连接较为紧密，钢丝绳产生的力总是无法使得两者产生相对运动，使得两者为一体，通过棘轮-棘爪的锁紧装置来固定钢丝绳缠绕轴8-6-2。当需要释放钢丝绳，棘轮-棘爪固定，摇动摇杆使得摇杆-棘轮间产生相对位移。

此外，调整角度时是一个较为细致的事情，需要同时运到增大-减小角度；

另外，为了保证测量时的精确性，每完成一次棘轮-棘爪锁定动作，可调倾斜板的角度变化在0.5°以内。

仪器在使用时，首先安装左、右边侧壁板8，使用遥杆8-6-1使得左、右边侧壁板8中的可调倾斜板8-4的角度到达预设角度。填土由前、后板的内壁4-1-1’、在试验箱底部设置左、右边侧壁板8的可调倾斜板8-4，结构单元板、非结构单元板来承担。

Claims (9)

1.一种梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：

试验箱（4）包括：左、右边侧壁板（8）、试验箱（4）的底部设置结构单元板（5-4）与非结构单元板（5-3）；结构单元板（5-4）能够上下活动，用于模拟涵洞，非结构单元板（5-3）固定设置，用于模拟填土基础；

所述左、右边侧壁板（8）均包括：侧壁板前板（8-1）、侧壁板后板（8-2）、钢丝绳缠绕轴（8-6-2）、可调倾斜板（8-4）；可调倾斜板（8-4）底边设置有转轴（8-4-1），转轴（8-4-1）插入侧壁板前板（8-1）和侧壁板后板（8-2）底部；可调倾斜板（8-4）通过牵引装置与钢丝绳缠绕轴（8-6-2）控制倾斜度；

所述牵引装置结构为：钢丝绳（8-5）连接可调倾斜板（8-4），在侧壁板前板（8-1）高出试验箱的前板的部位设置有遥杆（8-6-1）和钢丝绳缠绕轴（8-6-2），转动遥杆（8-6-1）与钢丝绳缠绕轴（8-6-2）固接；摇动摇杆（8-6-1）时，钢丝绳（8-5）不断在钢丝绳缠绕轴（8-6-2）上被缠绕，可调倾斜板（8-4）在钢丝绳（8-5）的带动下向上/向下转动，可调倾斜板（8-4）与水平面的夹角增大/减小；

所述钢丝绳缠绕轴（8-6-2）上还设置有锁紧装置，其贯穿侧壁板前板（8-1）和侧壁板后板（8-2）且突出到侧壁板前板（8-1），侧壁板前板（8-1）的外侧的钢丝绳缠绕轴（8-6-2）上套设一棘轮（8-6-3），棘轮（8-6-3）与钢丝绳缠绕轴（8-6-2）通过螺纹连接；棘轮（8-6-3）与止回轴（8-6-5）上的棘爪（8-6-4）相互配合，止回轴（8-6-5）上设置预紧弹簧，使得止回轴端部的棘爪（8-6-4）有预压力。

2.如权利要求1所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：在试验箱的前、后板底部与边框底板（4-1-2）之间形成凹槽，前、后板的外壁（4-1-1），前、后板的内壁（4-1-1’），在前、后板底部凹槽相对应的地方设置有长通孔（4-1-3）；在试验箱设置左、右边侧壁板（8），左、右边侧壁板（8）的下部插入到上述凹槽中，通过水平螺栓螺母组件（4-1-6）将左、右边侧壁板（8）与试验箱的前、后板固接在一起；所述侧壁板前板（8-1）底部插入到箱体前板底部的凹槽中，侧壁板后板（8-2）插入到箱体后板底部的凹槽中，在侧壁板前板（8-1）上还设置有弧度额度，其范围从0°-90°，弧度刻度以在转轴(8-4-1)为圆心，其用于观察可调倾斜板（8-4）的角度；填土由前、后板的内壁(4-1-1’)、在试验箱底部设置左、右边侧壁板(8)的可调倾斜板(8-4)，结构单元板、非结构单元板来承担。

3.如权利要求1所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：每完成一次棘轮-棘爪锁定动作，可调倾斜板的角度变化在0.5°以内。

4.如权利要求1所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：所述升降装置（6）包括升降动力装置（6-1）、顶管平台板（6-2）、顶管（6-3）、顶管移动支架（6-5）；所述顶管平台板（6-2）由升降动力装置（6-1）升起或降落，顶管平台板（6-2）上方为顶管移动支架（6-5），顶管移动支架（6-5）的与沉降单元板（5-4）相对应，顶管（6-3）设置在顶管移动支架（6-5）上；

所述顶管平台板（6-2）上方设置滑动槽（6-7），顶管移动支架（6-5）自下而成分为：滑动构件（6-5-2）、滑动移动板（6-5-1），顶管安装件（6-5-3）；顶管（6-3）安装在滑动移动支架顶管安装件（6-5-3）上；滑动构件（6-5-2）能够在顶管平台板（6-2）上方的滑动槽（6-7）中运动；所述结构单元板（5-4）正下方对应顶管（6-3）。

5.如权利要求4所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：相邻的推拉顶管移动支架（6-5）之间设置有连接装置，该装置包括：第一固定端板（6-8-1）、连接构件（6-6）、第二固定端板（6-8-2）， 第一固定端板（6-8-1）和第二固定端板（6-8-2）分别设置在相邻的推拉移动支架（6-5）上，连接构件（6-6）设置在第一固定端板（6-8-1）和第二固定端板（6-8-2）之间；连接构件与第一固定端板（6-8-1）和第二固定端板（6-8-2）固定在一起。

6.如权利要求4或5所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：在第二固定端板（6-8-2）上设置有长通孔（6-8-3），连接构件（6-6）包括连接构件本体（6-6-1）、通孔（6-6-3），螺栓（6-6-4）穿过连接构件本体的通孔（6-6-3）和第二固定端板（6-8-2）的长通孔（6-8-3），再配合螺母将连接构件本体与第二固定端板固定在一起。

7.如权利要求6所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：连接构件本体（6-6-1）插入到第一固定端板（6-8-1）的插孔中，在第一固定端板（6-8-1）的内侧一边的连接构件本体（6-6-1）上一体成型有挡块（6-6-4），然后用螺母（6-6-2）固定在连接构件本体（6-6-1）突出第一固定端板的部分。

8.如权利要求7所述的梯形沟谷的主应力偏转试验装置，其特征在于：其特征在于：连接构件本体（6-6-1）的通孔(6-6-3）在连接构件本体（6-6-1）为间隔均匀分布，连接构件本体（6-6-1）的通孔（6-6-3）的间距小于长通孔（6-8-3）的距离。

9.如权利要求1所述的一种梯形沟谷的主应力偏转试验装置的使用方法，其特征在于：

包括如下步骤：

（1）安装可调倾斜板的倾斜度：在试验箱预设位置处安装左、右边侧壁板（8），使用遥杆（8-6-1）使得左、右边侧壁板（8）中的可调倾斜板（8-4）的角度到达预设角度

（2）安装顶管：将顶管移动支架（6-5）从顶管平台板（6-2）的侧面插入到滑动槽（6-7）中，然后在顶管平台板（6-2）上固定安装水平推拉动力装置（6-4-1），然后启动水平推拉动力装置（6-4-1），使得水平推拉动力装置（6-4-1）固定的推拉端板（6-4-2）接触到顶管移动支架（6-5）中的滑动移动板（6-5-1），推拉端板（6-4-2）上的螺栓孔与滑动移动板（6-5-1）的螺栓孔对齐，将螺栓插入到螺栓孔中，安装螺母将推拉端板（6-4-2）与滑动移动板（6-5-1）固定在一起；在滑动移动板（6-5-1）上方设置的顶管安装件（6-5-3）上，将顶管（6-3）安装到顶管安装件（6-5-3）上；

（3）调节相邻的顶管移动支架（6-5）之间的距离：将连接构件本体（6-6-1）固定在第一固定端板（6-8-1），然后通过连接构件本体（6-6-1）上的刻度，将相邻的顶管移动支架（6-5）之间距离到达预设距离，然后通过螺栓（6-6-4）将第二固定端板（6-8-2）与连接构件本体（6-6-1）连接固定在一起；

（4）调节顶管的位置：在机架上的两边设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板（6-5-1）与顶管（6-3）所在的水平面内；

当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置（6-4）推动推拉顶管移动支架（6-5）移动；当顶管（6-3）挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置（6-4）停止运动；

启动红外线发射器和红外线传感器，水平推拉装置（6-4）在PLC的控制下，推动顶管移动支架（6-5）到预设位置，使得顶管（6-3）正好在结构单元板（5-4）的下方；

（5）将非结构单元板（5-3）安装在试验箱上，将结构单元板（5-4）底部设置的插孔插入到顶管（6-3）上；通过PLC控制升降装置（6），升起顶管（6-3）使得结构单元板（5-4）的上表面高度到达预设高度；

（6）制备土样，试验箱内填筑土体：制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；然后按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体，直至土体填筑到达预设高度；

（7）试验过程：控制升降动力装置（6-1），使得顶管平台板（6-2）和顶管（6-3）逐步下降，最终带动结构单元板（5-4）逐步下降。