CN107179396A - 多功能拼装式岩土工程物理相似试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能拼装式的岩土工程物理相似试验系统，其特征在于，其包括模型箱、加载装置和数据采集装置，其中，模型箱包括由可拆卸拼装的左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板，加载装置包括试验机架、传感器、千斤顶和控制面板，千斤顶可沿水平横向和/或水平纵向滑动地设置在试验机架上并位于模型箱的上方，传感器设于千斤顶的上方，控制面板连接并控制和记录千斤顶和传感器的数据信息；加载装置置于模型箱的上方，数据采集装置用于采集并记录模型箱内模拟岩土工程模型的数据信息。本发明提供的系统增加试验时的针对性、准确性，提高试验装置的利用率，其可适用于模拟测试边坡、基坑开挖、桩基、复合地基、土层锚固等岩土工程问题。

Description

多功能拼装式岩土工程物理相似试验系统

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种多功能拼装式岩土工程物理相似试验系统。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速发展和基础设施等的大力投资，我国已经进入了基础设施大规模建设与发展的新阶段。随着岩土工程领域的不断发展，涉及地下水丰富、复杂地质条件、复杂施工环境等诸多岩土工程问题层出不穷，而基坑工程、边坡工程等也出现了深度深、规模大、施工复杂的新趋势。据统计，在21世纪90年代初时，我国最深的基坑约为20m，而目前国内深基坑的深度在30-40m也较为常见，边坡工程中的高边坡、软弱边坡、季节性区域边坡等复杂边坡问题也给研究者和技术人员不断带来挑战，在岩土工程应用的新工艺、新材料等也在探索中得到不断的改进与创新。采用室内物理相似试验的方法模拟解决复杂问题，在岩土工程领域得到了广泛的应用。

传统的室内物理相似试验的模型装置主要包括模型箱和加载装置。目前室内物理相似试验模型箱主要分为两类：固定加载的模型箱和振动作用模拟的层状剪切模型箱。层状剪切模型箱主要应用在模拟地下结构受地震荷载作用时的问题研究，由于模型箱本身可以分层移动，可以模拟振动时周围土层的振动响应。相比于层状剪切模型箱，固定加载的模型箱适用范围更加广泛，基坑工程、隧道工程、基础工程、边坡工程等岩土工程问题的相似试验模拟均可采用该类模型箱。该类模型箱一般是由侧壁和底板组成的容器，将模拟材料和结构按照一定的方式埋入，进行加载试验。现有模型箱的尺寸往往是固定的，模型箱的大小和形状通常不可调节，但岩土工程中的问题大多在尺寸上差异较大，如：研究土工材料问题时需要的尺寸较小，研究基坑工程、边坡工程问题时需要的尺寸较大。模型箱过小，势必会带来边界效应，影响试验结果的准确性；模型箱过大，需要充填更多的模拟材料，浪费物资和人力。传统模型箱大都是根据某个问题进行单独设计，无法完成其他岩土工程问题的试验研究，使用完毕后利用价值不高，造成浪费。另外，传统模型箱的侧壁与底板都是固定在一起的，无法拆卸，这就造成了一定的出土困难，而且在闲置时占用实验室空间较大，无法进行妥善安置。除此之外，传统模型箱通常只能解决某一类问题，应用范围较为单一，利用率不高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种多功能拼装式的岩土工程物理相似试验系统，其增加试验时的针对性、准确性，提高试验装置的利用率，其可适用于模拟测试边坡、基坑开挖、桩基、复合地基、土层锚固等岩土工程问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种多功能拼装式的岩土工程物理相似试验系统，其包括模型箱、加载装置和数据采集装置，其中，所述模型箱包括可拆卸拼装左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板；所述加载装置包括试验机架、传感器、千斤顶和控制面板，所述千斤顶可沿水平横向和/或水平纵向滑动地设置在所述试验机架的上并位于所述模型箱的上方，所述传感器设于所述千斤顶上，所述控制面板连接并控制和记录所述千斤顶和传感器的数据信息；所述模型箱的长度大于所述加载装置的长度，宽度与所述加载装置的宽度匹配；所述加载装置置于所述模型箱的上方，所述数据采集装置用于采集并记录所述模型箱内模拟岩土工程模型的数据信息。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述数据采集装置包括CCD工业相机、多个位移计和集成数据采集仪，所述CCD工业相机用于拍摄所述模型箱内的状态，所述集成数据采集仪用于采集记录所述位移计收集的数据信息，其中每个所述位移计包括测距探头和磁性底座，所述测距探头与磁性底座之间通过连杆相连，所述测距探头通过导线连接所述集成数据采集仪，在位于所述模型箱的上方，在所述试验机架上固定设有基准梁，所述位移计的磁性底座固定于所述基准梁上，所述测距探头根据不同需要设定位置。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述模型箱的底板的四边沿分别固定第一L型连接件的水平边，该第一L型连接件的垂直边开设有通孔，对应在所述左、右、前、后四侧板的四条边沿上均设有通孔，所述底板与所述各侧板通过所述通孔借助螺栓固定连接，各两相邻的所述侧板的两侧边之间通过与两边均设有通孔的第二L型连接件借助螺栓固定连接，在所述底板及所述各侧板边与所述螺栓直接接触的中间还设有加强板，用于加强连接和避免螺栓处应力集中。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述模型箱还包括加高前、后、左、右四个侧板，所述加高前、后、左、右四个侧板的下边沿对应前、后、左、右四个侧板的上边沿的设有通孔，所述加高前、后、左、右四个侧板对应与所述前、后、左、右四个侧板通过螺栓穿过通孔用螺母固定。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述模型箱还包括有H型双向卡槽、加高左、右、前、后四个侧板，所述H型双向卡槽的上下端均开设有卡槽，所述加高左、右侧板和加高前、后侧板通过所述H型双向卡槽分别与所述左、右侧板及前、后侧板对应卡接连接。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述试验机架包括两个门式框架、两个横梁和一个活动梁，两个所述横梁均固定设于两个所述门式框架的上端梁之间，所述活动梁架设于两个所述横梁之间，所述活动梁的两端设有滚轮，两个所述横梁之间相对应位置设有滑道，两所述滚轮分别置于两对应的所述滑道内，并沿滑道滚动，所述千斤顶可沿所述活动梁滑动。

进一步地，在每个所述门式框架上端的两根支架之间设有加固肋，进一步稳定门式框架。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述活动梁下表面中间开设有滑槽，所述千斤顶的上端卡合固定于滑槽内，并可沿滑槽滑动；

或所述活动梁的两侧边对应开设有滑槽，所述千斤顶的上端固定设有与所述活动梁两侧边滑槽卡接的卡接件，该卡接件的两端卡合嵌入所述活动梁两侧边的滑槽内，所述卡接件沿所述活动梁方向滑动。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述数据采集装置还包括多个电阻应变片、多个微型土压力盒、一根或多根锚杆和一个或多个PVC套管，所述模型箱内铺设有研究基质，所述PVC套管居中或对称布置于所述研究基质中，所述PVC套管内注射有灌浆体，所述锚杆的下端插入并接近于所述PVC套管内底部，多个所述电阻应变片在插入所述PVC套管内的锚杆的下端表面间隔粘贴，多个所述微型土压力盒靠近所述PVC套管对应埋设，一个所述测距探头在所述锚杆的上端靠近所述模型箱的位置设置，多个所述测距探头在所述研究基质的上表面、靠近所述PVC套管间隔设置，所有所述电阻应变片和微型土压力盒的引线均连接所述集成数据采集仪，并由其收集记录数据信息，所述锚杆的上端固定连接于所述千斤顶的底部。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述数据采集装置还包括围护桩、锚索构件、多个微型土压力盒、多个电阻应变片、水位观察箱和加压板，所述模型箱的后侧板底部设有排水管，该排水管连接所述水位观察箱，所述模型箱内铺设有研究基质，所述围护桩设于所述研究基质的中间位置将所述研究基质分割为靠近所述排水管的未开挖部分和远离排水管的开挖部分，所述围护桩上有锚索孔，在所述围护桩的外表面间隔粘贴有多个所述电阻应变片；所述锚索构件设于所述外开挖部分的研究基质内，所述锚索构件包括一体连接的预制锚固体和杆体，所述预制锚固体表面间隔粘贴有多个所述电阻应变片，所述杆体穿过所述锚索孔借助螺栓固定，多个所述微型土压力盒对应所述预制锚固体设置；所述电阻应变片和微型土压力盒的引线连接所述集成数据采集仪，并由其收集记录数据；

测量时，移除开挖部分中的一部分研究基质，多个所述测距探头在漏出的所述围护桩表面间隔设置；

所述加压板设于所述未开挖部分的研究基质的上方，所述千斤顶与所述加压板之间还设有垫块。

作为如上所述系统的一种优选方案，所述模型箱还包括斜板，所述斜板设于所述模型箱内，在所述模型箱左、右两侧板的中部位置对应开设有固定螺栓孔，所述斜板的两底角分别设有带孔的固定片，所述斜板的两侧边上均设有槽口向外的导轨，所述固定片通过螺栓固定于所述固定螺栓孔，沿所述模型箱左右侧板上边沿相对地设置有多个定位孔，所述斜板两侧边上的导轨对应地卡接在其中一对所述定位孔中，并借助于螺栓固定。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的多功能拼装式的岩土工程物理相似试验系统，采用可拆卸的模型箱，安装简单，能够根据不同的研究内容调整模型装置的形状、大小和功能，更加便捷、准确的完成物理相似试验模拟。

本发明的多功能拼装式的岩土工程物理相似试验系统，可以顺利完成如基坑工程支护效果研究、边坡稳定性研究、桩基承载力及群桩效应研究、考虑潜水水位变化的岩土问题研究等等岩土工程普遍性问题，大大提高了试验模型箱体和试验平台的性能和使用效率，节约了试验成本。

本发明中的模型箱箱体可设为透明有机玻璃板构成的侧壁，配合不同颜色的识别颗粒作为研究基质，采用CCD工业相机，分析岩土体在试验过程中的变化过程，更加全面的掌握试验结果，实现试验过程中的可视化；加载装置中的千斤顶可在一定范围内移动，可针对不同加载点在模型箱上方进行拉力和压力的施加；进一步，配合外接的水位观察箱，可方便调节模型箱内的水位高低，避免了传统试验中利用干土进行模拟试验而造成的误差；可调节倾斜度的斜板可实现四种不同坡度边坡试验模型的模拟，准确、方便的进行边坡的相关试验。

附图说明

图1为本发明的一优选模型箱中底板的结构示意图；

图2为本发明的一优选模型箱的结构示意图；

图3为本发明的一优选加载装置的侧面示意图；

图4为图3中加载装置的俯视图；

图5为本发明的另一优选模型箱的结构示意图；

图6为本发明一优选实施例中单锚锚固性能试验示意图；

图7为本发明一优选实施例中群锚锚固性能试验示意图；

图8为本发明一优选实施例中基坑破坏试验示意图；

图9为本发明一优选实施例中斜板的示意图；

图10为本发明另一优选模型箱的结构示意图；

图11为本发明一优选实施例中边坡滑坡模拟试验示意图。

【附图标记说明】

1：底板；

2：第一L型连接件；

3：螺栓孔；

4：前侧板；

5：后侧板；

6：左侧板；

7：右侧板；

8：第二L型连接件；

9：加强板；

10：固定螺栓孔；

11：门式框架；

12：横梁；

13：活动梁；

14：千斤顶；

15：加固肋；

16：底座；

17：控制面板；

18：传感器；

19：锚杆；

20：PVC套管；

21：微型土压力盒；

22；电阻应变片；

23：测距探头；

24：CCD工业相机；

25：灌浆体；

26：围护桩；

27：杆体；

28：预制锚固体；

29：水位观察箱；

30：排水管；

31：加压板；

32：垫块；

33：斜板；

34：固定片；

35：导轨；

401：加高前侧板；

501：加高后侧板；

601：加高左侧板；

701：加高右侧板。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

多功能拼装式岩土工程物理相似试验系统包括其包括模型箱、加载装置和数据采集装置，其中，模型箱包括左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板；左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板可拆卸拼装成箱体，加载装置包括试验机架、传感器、千斤顶和控制面板，试验机架的上方可滑动性连接千斤顶，即千斤顶可沿水平横向和/或水平纵向滑动地设置在试验机架上并位于模型箱的上方；传感器包括位移传感器和拉力传感器，位移传感器设于千斤顶上，拉压力传感器设于千斤顶的上方，控制面板连接并控制和记录千斤顶、位移传感器和拉压力传感器的数据信息；模型箱的长度大于加载装置的长度，宽度与所述加载装置的宽度匹配；加载装置置于模型箱的上方，数据采集装置用于采集记录模型箱内模拟岩土工程模型的数据。

具体地，模型箱为多功能可拆卸拼装式试验箱体，箱体基本尺寸为2.0m×1.5m×1.2m(长×宽×高)。箱体由左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板组成，其中底板采用6mm厚钢板，其余侧板均采用15mm厚有机玻璃，如图1所示，底板1钢板一面的四个边沿预先焊接四块第一L型连接件2，L型连接件2可采用L型钢，并应预先在L型钢的一边上即垂直边打孔作为螺栓孔3，间隔0.1-0.2m，未打孔的一边即水平边焊接在底板上。如图2所示，在前侧板4、后侧板5、左侧板6、右侧板7四个侧板的四周边沿上对应设有螺栓孔3，间隔0.1m-0.2m，设有四个与侧板侧边等高的第二L型连接件8，四个第二L型连接件8上对应预设有螺栓孔，螺栓穿过第一L型连接件2和各侧板及底板的螺栓孔将四个侧板与底板通过螺母固定，螺栓穿过第二L型连接件8将四个侧板之间两两相互固定，拆装方便，可靠牢固。为了加强连接和避免螺栓处应力集中，在L型钢对侧安装加强板9，加强板9可采用钢板条，具体地加强板9设于各侧板及底板与螺母直接连接的中间。即在第一连接件与第二连接件的对侧安装有6mm厚的钢板条作为加强板，并在钢板条上设有螺栓孔，第一连接件与第二连接件与钢板条共同固定箱壁。

如图3和图4所述，试验机架包括两个门式框架11、两个横梁12和活动梁13，两个横梁12均固定设于两个门式框架11的上端梁之间，活动梁13可活动性地设于两个横梁12之间，活动梁13的两端设有滚轮，两个横梁12之间相对应位置设有滑道，两滚轮分别置于两对应的滑道内，滚轮沿滑道在滑道内滚动，活动梁13随着滚轮沿横梁方向移动，千斤顶14可活动性固定于活动梁13，并沿所述活动梁的方向移动，在门式框架上端加设有加固肋15，以保证加载装置的整体刚度。门式钢架底部设有钢板底座16，用来与地面进行锚固，固定整个试验加载装置。

其中，千斤顶14可活动性固定于活动梁13，可采用的设置是：在活动梁下表面中间开设滑槽，千斤顶的上端卡合固定于滑槽内，并可沿滑槽滑动。也可采用：在活动梁的两侧边对应开设有滑槽，千斤顶的上端固定设有与活动梁两侧边滑槽卡接的卡接件，该卡接件的两端卡合嵌入活动梁两侧边的滑槽内，卡接件沿活动梁方向滑动，这样带动千斤顶在活动梁上可沿活动梁横向移动。

进一步地，可将试验机架尺寸设为约1.6m×1.0m×1.8m(长×宽×高)，即的两门式框架11之间的距离为1.6m，门式框架11的高度为1.8m，两个门式框架11之间的距离为1.0m，也就是横梁长度为1.0m，活动梁13可在横梁12上进行移动，可移动范围为0.9m。千斤顶14安装在活动梁13上，可沿活动梁13的滑道进行移动，可实现一定范围内的加载位置调整，千斤顶14沿活动梁13滑动的范围为1.2m，千斤顶14通过电线连接控制面板17，控制面板17可控制千斤顶的加载压力。千斤顶14的上方设有传感器18，传感器18包括位移传感器和力传感器，位移传感器可输出千斤顶14移动的位移变化量，力传感器可输出千斤顶的压力或者拉力，用于测试试验加载过程中受力大小。传感器与控制面板17连接，由控制面板17显示并记录其数据信息。

数据采集装置包括CCD工业相机、多个位移计和集成数据采集仪，CCD工业相机用于拍摄模型箱内的状态，集成数据采集仪用于采集记录位移计收集的数据信息。具体地，基于数字图像相关法技术(DIC)的CCD工业相机应放置于模型箱前方约0.5m-1m的位置，通过脚架固定相机，在整个试验过程中保证相机不被扰动，以确保相片的质量。试验开始前，应将相机设置为间隔时间自动拍摄的模式，在实验过程中通过有机玻璃记录模型箱内岩土体在实验过程中的变化。若室内灯光较暗时，需利用LED灯增加有机玻璃内岩土体的亮度，提高采集效率，相机连续采集图像记录速度可根据试验要求拟定。

位移计可测量模型不同位置处的位移变化量，利用磁性底座安装在相对不动的基准梁上。具体位移计包括测距探头和磁性底座，测距探头与磁性底座之间通过连杆相连，测距探头通过导线连接集成数据采集仪，测距探头将测量获得的数据信息回传给集成数据采集仪。在位于模型箱的上方，在试验机架上设有基准梁，位移计的磁性底座固定于基准梁上。基准梁为与门式框架进行螺栓连接的钢架，固定在模型箱的上方，如可设置在高度为1.3m的位置，便于在模型箱内放置位移计的测距探头，可获得岩土体模型表面的位移变化。其中，导线是用来传输信息的，连杆用来固定和方便探头的位置的改变，这样在固定上磁性底座之后，测距探头可以在很大的范围内固定住。

数据采集装置还可包括微型压力盒和电阻应变片，微型压力盒由于面积较小，受力作用面直径约15mm，对于室内相似试验有更好的适用性，但受其大小所限，精确测量最大受力约为100N，最大压强约为700kPa，在常规岩土工程试验中可完全满足测量需要。微型土压力盒一般用来测量模型中的土压力，可根据土压力的测量得到土体内部的应力变化规律。

电阻应变片主要是用来测量试验中的结构构件的应力，具体的位置应按试验的应用而定，一般可用于混凝土、钢筋、金属板、PVC板等较为连续的材料中，可测得连续墙、土工织物、锚杆、桩体等材料表面的应变值的实时变化情况，但对于土体等散粒状的材料，不能直接进行粘贴使用。微型压力盒和电阻应变片与集成数据采集仪进行连接，集成数据采集仪对微型压力盒和电阻应变片测量的数据进行记录存储。

实施例2

在实施例1的基础上，模型箱在使用时，可根据试验需要，对模型箱进行适当加高处理，如图5所示，采用加高前侧板401、加高后侧板501、加高左侧板601、加高右侧板701，在这四个加高侧板的下边沿对应前、后、左、右侧板上端开设有通孔，相邻加高侧板的侧边沿上对应开设有通孔，加高后侧板501与后侧板5的连接可采用将加高后侧板501与后侧板5部分重叠，对其通孔，采用螺栓固定；也可采用上、下端对应设有通孔的钢板条，将加高后侧板与后侧板分别与钢板条上下端的通孔通过螺栓固定，同理，其余各对应侧板做相同处理。

两相邻侧板的两侧边均开设有通孔，两侧边之间用相应高度的第二L型连接件进行连接。

加高后侧板与后侧板的连接还可采用呈H型双向卡槽进行连接，H型双向卡槽是指上下两端均设有卡槽，将加高后侧板、后侧板分别H型双向卡槽的上、下端卡槽卡接，将加高后侧板与后侧板固定成一体，有效增高整体侧板的高度，同理，其余各对应侧板做相同处理。

为保证箱体自身稳定性，加高范围为0～0.8m，即加高前侧板、加高后侧板、加高左侧板、加高右侧板的高度可设为0～0.8m。

实施例3

利用实施例1的多功能拼装式岩土工程物理相似试验系统进行试验模拟时，首先应将模型箱组合完成，将模型箱左右侧板，前后侧板按位置依次利用L型钢通过螺栓固定在底板上，侧板利用L型钢进行螺栓连接，并且在L型钢对侧加设钢板条，防止螺栓处应力集中。

在铺设试验研究基质时，如研究基质为土层时分为两种情况：当土层为砂土时，可利用砂雨法进行铺设，每达到一定的高度时对土体孔隙率进行校对，保证土层的均匀性；每隔一定高度时，在靠近采集图像的侧板一侧均匀撒布一定厚度的彩砂，用以直观观察内部土体的变化。当土层为粘土时，需要事先拌和好模拟土层材料，分层布置并利用土工锤进行夯实，严格控制材料的孔隙率；在铺设土层前应将侧壁板刷涂润滑油，减少土体与侧壁间的摩擦力，减小边界效应；同样的按照砂土层的彩砂布置方法布置彩砂。

在分层铺设过程中，应根据不同试验的要求，在铺设高度达到设计要求时，在指定位置布设相应的水平和竖向的微型土压力盒，测量土体中的压力变化。在埋设的结构表面粘贴电阻应变片，以读取其在实验过程中内力的变化。需要注意的是，所埋设微型土压力盒和电阻应变片的引线应平顺规则由侧壁引出，为了保证引线尽可能的不对原土体结构造成扰动，还原模型的实际状态，并且方便对不同的传感器进行分组和测量。

进行锚杆锚固性能试验时，利用本试验系统可以实现土体中锚杆的锚固性能试验，探究单锚以及群锚的荷载传递规律以及其渐进式破坏模式。具体地，如图6和图7所示，首先应确定锚杆19位置，锚杆应居中或对称布置，尽量避免模型箱造成的边界效应对试验规律造成影响。采用PVC套管20用来预设锚索孔，具体，在模型箱内，PVC套管20居中或对称布置且随着土层的铺设埋入土中，同时随着土层的铺设将多个微型土压力盒21应按设计布置在相应位置。土层铺设完毕后，将灌浆体25材料注入PVC套管20中，在灌浆体材料中插入对应的锚杆19，锚杆19的下端底部应靠近PVC套管20底部，并同时缓慢拔出PVC套管20，防止塌孔。静置7天，使模型达到规定的强度。与此同时，应提前在插入PVC套管内的锚杆19的下端表面间隔粘贴多个电阻应变片22，电阻应变片22上面都会涂上环氧树脂，保证感应元件的性能不受影响。

在锚杆19的上端即未插入土层的部分设置有多个位移计的测距探头23，位移计的测距探头23间隔布置，及将位移计的测距探头23固定于锚杆的上端，磁性底座固定于基准梁上。锚杆19的上端连接千斤顶14的底部。同时应在土层的上表面、靠近PVC套管20间隔设有多个位移计的测距探头23。

加载前应将位移计固定于稳固的位置，(即磁性底座固定于基准梁上)测量实验过程中地表的变形以及锚杆的位移变化量。将CCD工业相机24置于脚架上，拍摄试验过程中的岩土体变化。加载时千斤顶应与锚杆杆体连接牢固，匀速、缓慢加载，直至锚杆及锚固体被整体拔出，试验结束。

锚固性能试验技术效果：单锚锚固试验可以实现对单根锚杆锚固性能的研究，以及单锚破坏特征的研究。除此之外，由于本实验模型箱体侧壁由有机玻璃构成，可以根据此特点，在模型箱中使用透明土(一种由矿物油材料合成的散粒状材料)，配合CCD工业相机利用CID技术可分析试验过程中周边土体的变形。除此之外，还可将锚杆结构改为半截面的形态，埋置于有机玻璃的一侧，用以模拟结构的一半，可实现结构体破坏形态、裂纹产生与发展的过程观察。

群锚锚固试验主要是在单锚锚固性能的基础上，研究密集锚杆布置时，锚杆加固或破坏对相邻锚杆以及周围土体的影响，并可以实现多根锚杆共同拉拔，研究群锚的锚固性能及破坏特征。

实施例4

本实施例不同于实施例3，是进行基坑破坏试验，具体模型箱不同于实施例1的是还在后侧板的右下侧预设有排水孔，连接排水管，外接水位观察箱，实现对地下水位的模拟。

本试验拟实现锚拉式挡土支护结构的基坑的模拟，旨在探究支护结构的支护效果，并分析基坑坍塌的破坏形态。首先，按照实施例3中要求铺设土层并布置彩砂，将微型土压力盒按试验设计要求进行排布。如图8所示，其中模拟用的围护桩26随着土层的铺设埋置其中，将土层分为靠近排水管的未开挖部分与远离排水管的开挖部分，试验模拟中用到的围护桩26可根据相似原理采用铝合金空心管、PVC管或石膏空心管进行模拟，或为便于模拟可简化为板状结构。围护桩26上按照模拟要求的锚索布置预先设置锚索孔，可将锚索构件的杆体27穿过并利用螺栓进行固定。锚索构件由杆体27和预制锚固体28构成，按照一定的角度和位置埋入未开挖部分的土层中，将杆体27从围护桩26上设置的锚索孔穿过并通过螺栓固定。预制锚固体28是由水泥浆灌入PVC管模中制作而成，在水泥浆灌入后，需敲打侧壁将管模中气泡排出，并在水泥浆初凝前将杆体材料插入浆液中，确保杆体27位于水泥浆液的中轴线位置，等24小时后可拆除PVC管模，进行养护。

在试验前，在围护桩26的表面间隔粘贴有多个电阻应变片22，电阻应变片用于测量结构。预制锚固体28在试验前在其表面粘贴电阻应变片，用于测量锚固体内力。预制锚固体28的周围布置有多个微型土压力盒21。预制锚固体28可克服相似试验模拟中现浇锚索的制作难题，现浇锚索程序复杂，并且容易塌孔，难以保证试验的准确性。水位观察箱29通过胶皮管与后侧板上的排水管30相连，控制和观察试验箱体内的水位情况。需要注意的是，排水管30内侧需用过滤织布进行填塞，以防止土体随水流失。

测试时，首先模拟基坑开挖的过程。逐步分层将模型箱左侧土体即开挖部分中的土体移出一部分，并用位移计记录右侧土体顶部的变形量(如图8中所示，在加圧板31的位置，但是还没有放置加圧板31的时候)，随着土体的开挖，在漏出的围护桩的表面间隔固定设置有多个位移计的测距探头23。

当基坑开挖至设计深度后，在右侧土体上部即未开挖部分的上方加设加压板31，在加压板31上方放置适当大小的垫块32，用以减小千斤顶14与加压板31之间的行程距离，便于千斤顶14加载，供试验加载用。利用加载装置对基坑支护结构后方施加荷载，记录围护桩的位移，并记录基坑整体的变形形态，直至基坑坍塌。

基坑破坏试验技术效果：本试验系统可实现基坑相似试验的模拟，包括基坑开挖过程的研究，基坑支护结构破坏机理研究，地下水对基坑力学效应影响的研究等。由于可以透过有机玻璃侧板观察岩土体和支护结构的变化情况，并利用CCD工业相机记录位移变化图像，可准确判断出各个点的位移状况。配合加载系统，可完成基坑破坏的演化过程。

实施例5

为了使模型箱能用于模拟边坡相似试验，在实施例1的基础上，在模型箱还设有斜板33，如图9所示，斜板33采用钢板材料，斜板的同一方向的两个底角分别焊接两片带螺栓孔的固定钢片即固定片34，同侧的斜板的对边的两侧焊接有小型槽钢，槽钢的开口朝向两侧，组成斜板的导轨35。如图10所示，在模型箱的左侧板6和右侧板7中部位置设有30mm直径的固定螺栓孔10，斜板33上的两个固定片34可与左右侧板的固定螺栓孔10通过螺栓连接，固定斜板33的底角，使得斜板33可绕该螺栓孔自由转动。斜板33上的导轨35可配合左右侧板的上边沿不同位置的通孔内固定螺栓，导轨35卡接在螺栓上将斜板33的上端固定。不同位置的通孔作为不同的定位孔，在左右侧板的上端边沿上不同的定位孔内固定螺栓，可有效控制斜板的倾斜斜率，实现不同坡度边坡的试验模拟，根据需要，见图10所示，可实现1:0.5、1:1、1:1.5、1:2的四种坡度的边坡物理相似试验模型的模拟。

在进行模拟边坡相似试验时，首先，按照实施例3中铺设土层至设计边坡坡脚处(固定螺栓孔下部)。利用螺栓将斜板33底角的固定片34进行固定，按设计边坡坡度将斜板角度确定，通过上部的螺栓孔利用导轨35进行固定。在斜板33的右侧分层铺设土层，直至达到设计高度。在土层铺设完毕后，将斜板进行拆除，试验模型制作完毕。

试验前应在边坡的坡底位置安装位移计，即设有多个测距探头23，测距探头23是间隔布置，并用CCD工业相机对模型侧面进行图像采集。在坡顶位置加铺加压板31和垫块32，利用千斤顶14进行竖向加载。试验过程中，千斤顶14逐级加载，在千斤顶14加载的过程中，位移计和CCD工业相机按一定频率记录数据，加载直至边坡出现滑坡破坏即为终止。

边坡滑坡模拟试验技术效果：由于模型箱与斜板的组合使用，可快速完成不同坡度的边坡模型体的制作，此边坡模拟试验并不局限于此，本模型试验系统还可针对加筋土边坡，进行土工织物的加固性能等的研究。除此之外，还可研究降雨、坡脚加固处理等相对复杂的模型试验的研究工作。

在不使用边坡模拟试验功能时，将左右侧板上的固定螺栓孔利用填塞橡皮塞和粘贴胶带的方法进行封堵，以保证模型箱不漏砂漏水，即可用于其他试验使用。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种多功能拼装式的岩土工程物理相似试验系统，其特征在于，其包括模型箱、加载装置和数据采集装置，其中，所述模型箱包括可拆卸拼装的左侧板、右侧板、前侧板、后侧板和底板；所述加载装置包括试验机架、传感器、千斤顶和控制面板，所述千斤顶可沿水平横向和/或水平纵向滑动地设置在所述试验机架上并位于所述模型箱的上方，所述传感器设于所述千斤顶上，所述控制面板连接并控制和记录所述千斤顶和传感器的数据信息；所述模型箱的长度大于所述加载装置的长度，宽度与所述加载装置的宽度匹配；所述加载装置置于所述模型箱的上方，所述数据采集装置用于采集并记录所述模型箱内模拟岩土工程模型的数据信息。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置包括CCD工业相机、多个位移计和集成数据采集仪，所述CCD工业相机用于拍摄所述模型箱内的状态，所述集成数据采集仪用于采集记录所述位移计收集的数据信息，其中每个所述位移计包括测距探头和磁性底座，所述测距探头与磁性底座之间通过连杆相连，所述测距探头通过导线连接所述集成数据采集仪，在位于所述模型箱的上方，在所述试验机架上固定设有基准梁，所述位移计的磁性底座固定于所述基准梁上。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模型箱的底板的四边沿分别固定第一L型连接件的水平边，该第一L型连接件的垂直边开设有通孔，对应在所述左、右、前、后四侧板的四条边沿上均设有通孔，所述底板与所述各侧板通过所述通孔借助螺栓固定连接，各两相邻的所述侧板的两侧边之间通过与两边均设有通孔的第二L型连接件借助螺栓固定连接，在所述底板及所述各侧板边与所述螺栓直接接触的中间还设有加强板。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模型箱还包括加高前、后、左、右四个侧板，所述加高前、后、左、右四个侧板的下边沿对应前、后、左、右四个侧板的上边沿的设有通孔，所述加高前、后、左、右四个侧板对应与所述前、后、左、右四个侧板通过螺栓穿过通孔用螺母固定。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模型箱还包括有H型双向卡槽、加高左、右、前、后四个侧板，所述H型双向卡槽的上下端均开设有卡槽，所述加高左、右侧板和加高前、后侧板通过所述H型双向卡槽分别与所述左、右侧板及前、后侧板对应卡接连接。

6.如权利要求1-5任一项中所述的系统，其特征在于，所述试验机架包括两个门式框架、两个横梁和一个活动梁，两个所述横梁均固定设于两个所述门式框架的上端梁之间，所述活动梁架设于两个所述横梁之间，所述活动梁的两端设有滚轮，两个所述横梁之间相对应位置设有滑道，两所述滚轮分别置于两对应的所述滑道内，并沿滑道滚动，所述千斤顶可沿所述活动梁滑动。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述活动梁下表面中间开设有滑槽，所述千斤顶的上端卡合固定于滑槽内，并可沿滑槽滑动；

或所述活动梁的两侧边对应开设有滑槽，所述千斤顶的上端固定设有与所述活动梁两侧边滑槽卡接的卡接件，该卡接件的两端卡合嵌入所述活动梁两侧边的滑槽内，所述卡接件沿所述活动梁方向滑动。

8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置还包括多个电阻应变片、多个微型土压力盒、一根或多根锚杆和一个或多个PVC套管，所述模型箱内铺设有研究基质，所述PVC套管居中或对称布置于所述研究基质中，所述PVC套管内注射有灌浆体，所述锚杆的下端插入并接近于所述PVC套管内底部，多个所述电阻应变片在插入所述PVC套管内的锚杆的下端表面间隔粘贴，多个所述微型土压力盒靠近所述PVC套管对应埋设，一个所述测距探头在所述锚杆的上端靠近所述模型箱的位置设置，多个所述测距探头在所述研究基质的上表面、靠近所述PVC套管间隔设置，所有所述电阻应变片和微型土压力盒的引线均连接所述集成数据采集仪，并由其收集记录数据信息，所述锚杆的上端固定连接于所述千斤顶的底部。

9.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据采集装置还包括围护桩、锚索构件、多个微型土压力盒、多个电阻应变片、水位观察箱和加压板，所述模型箱的后侧板底部设有排水管，该排水管连接所述水位观察箱，所述模型箱内铺设有研究基质，所述围护桩设于所述研究基质的中间位置将所述研究基质分割为靠近所述排水管的未开挖部分和远离排水管的开挖部分，所述围护桩上有锚索孔，在所述围护桩的外表面间隔粘贴有多个所述电阻应变片；所述锚索构件设于所述未开挖部分的研究基质内，所述锚索构件包括一体连接的预制锚固体和杆体，所述预制锚固体表面间隔粘贴有多个所述电阻应变片，所述杆体穿过所述锚索孔借助螺栓固定，多个所述微型土压力盒对应所述预制锚固体设置；所述电阻应变片和微型土压力盒的引线连接所述集成数据采集仪，并由其收集记录数据；

测量时，移除开挖部分中的一部分研究基质，多个所述测距探头在漏出的所述围护桩表面间隔设置；

所述加压板设于所述未开挖部分的研究基质的上方，所述千斤顶与所述加压板之间还设有垫块。

10.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述模型箱还包括斜板，所述斜板设于所述模型箱内，所述模型箱左、右两侧板的中部位置对应开设有固定螺栓孔，所述斜板的两底角分别设有带孔的固定片，所述斜板的两侧边上均设有槽口向外的导轨，所述固定片通过螺栓固定于所述固定螺栓孔，沿所述模型箱左右侧板上边沿相对地设置有多个定位孔，所述斜板两侧边上的导轨对应地卡接在其中一对所述定位孔中，并借助于螺栓固定。