CN107655743A - 一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体，包括供注水、加压的密闭箱体以及箱体内水平延伸的多个相互平行的移动杆，箱体的一个侧面与待测试土箱接触固定，侧面由内至外顺序设置约束板、防漏膜和载荷板，移动杆的一端伸出箱体外，另一端穿过有机玻璃板、约束板、防漏膜并密封固定在载荷板上，载荷板包括十二块，载荷板的外表面上设置薄膜压力传感器。本发明解决了长期存在的室内土体侧向加卸荷难模拟问题，通过十二块载荷板对土体侧面进行加卸荷，可以实现土体整体加卸荷和分级加卸荷，同时可以控制气压升降实现任意强度的土体加载模拟和卸载模拟，对诸如高填方堆载和超深基坑侧向开挖卸荷模拟具有实际意义，整个试验装置可控性强、功能性强，易于操作和推广使用。

Description

一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体及操作方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种加卸荷综合模拟箱体及操作方法。

背景技术

近年来，大量高层超高层建筑、地铁、地下商场、地下车库、市政管线（综合管廊）、地下工业设施以及地下人防工事等的修建，显示了城市地下空间建设的蓬勃发展。21世纪是地下空间大发展的世纪，地下空间开发对大城市空间拓展、解决城市交通与环境问题及实现低碳社会具有重要意义。目前，以深基坑为典型代表的地下空间开挖已成为城市建设的新常态，城市高密集区各种复杂型式的基坑开挖及堆载工程不断涌现，如邻近基坑开挖、坑中坑开挖、既有建筑地下室增设等，受侧向开挖卸荷、建筑物附加堆载影响的地下空间开发技术难度大大增加，也暴露出了严峻的岩土工程安全与环境问题。

地下空间建设诱发的岩土工程加卸荷问题及环境效应是目前普遍关注的热点问题，英国、荷兰、新加坡、香港等一些国家和地区在这方面已经走在了世界的前列，国内专家学者也进行了一些探索性工作，特别针对基坑开挖引起的地表沉降、支护结构变形、桩基承载及大面积堆载引起的土层运动等开展过一些研究。但至今未有良好的岩土工程加卸荷室内模拟装置，常规室内试验装置受模型箱体量限制不能模拟超深基坑开挖或高填方堆载，离心机试验可控性较弱且代价成本太高。因此，亟待设计提出一种岩土工程加卸荷综合模拟试验装置辅助科研人员开展相关试验研究，为保证现代城市地下空间开发安全提供技术支撑。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体及操作方法。

技术方案：本发明提供了一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体，包括供注水、加压的密闭箱体、箱体内水平延伸的多个相互平行的移动杆，所述箱体的一个侧面与待测试土箱接触固定，所述侧面由内至外顺序设置约束板、防漏膜和载荷板，所述约束板上开设有允许水体流通的过水孔，水体通过过水孔将防漏膜压在载荷板上；

移动杆的一端伸出箱体外，另一端穿过有机玻璃板、约束板、防漏膜并密封固定在载荷板上，所述载荷板包括十二块，其中，四块横向的载荷板上下布置四排，每两排横向载荷板的两侧各设置两列纵向的载荷板，所有载荷板围成的面积与待测试土箱中的土体侧向面积一致，载荷板的外表面上设置薄膜压力传感器。

进一步，所述载荷板为金属板，在加卸荷过程中不允许变形。

进一步，所述移动杆上套有同轴的套筒，套筒与载荷板固定连接，套筒上开设有沿长度方向的缺口及与之相交的环向的卡槽，在套筒内部、移动杆上设有可沿缺口滑动或嵌入卡槽的凸起。凸起进入卡槽锁住时，载荷板与移动杆只能整体移动，凸起离开卡槽进入缺口时，载荷板可以自由水平移动。

进一步，所述移动杆伸出箱体的一端在紧贴箱体外壁处设有锁住移动杆使其固定的夹片，夹片夹紧且移动杆的卡槽呈锁住状态时，载荷板也相应被锁住，不再水平移动。

进一步，所述箱体的顶部设有注水注气孔、气压表和调压阀，底部设有排水龙头。

进一步，所述防漏膜为具有弹性的橡胶膜，移动杆穿过防漏膜的同时并将该处变形的橡胶膜压紧在移动杆与载荷板的连接处进行密封，保证不漏水。

一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体的操作方法，包括以下步骤：

（1）准备待测试土箱，将土箱与模拟箱体待接触的一面上的敞开口用橡胶膜进行封闭；

（2）将模拟箱体的载荷板所在侧面和土箱进行拼接并固定，并在土箱内填充土体；

（3）向箱体注入水及气体；

（4）载荷板在水压和气压的联合作用下水平移动，施加荷载给土箱中的土体，薄膜压力传感器读取荷载大小，逐步实施分级加荷；

（5）加荷完毕且将气压分级卸掉后，载荷板逐渐回缩，对土体侧面形成卸荷模拟；该过程中，只将四块横向载荷板的压力逐上往下卸掉，固定其它载荷板，可模拟基坑不同深度的开挖卸荷，相继再卸掉纵向载荷板则可模拟基坑不同开挖宽度的卸荷影响；

（6）测试结束，将气压卸掉并将水体放出，将箱体与土箱分离。

有益效果：本发明解决了长期存在的室内土体侧向加卸荷难模拟问题，通过十二块载荷板对土体侧面进行加卸荷，可以实现土体整体加卸荷和分级加卸荷，同时可以控制气压升降实现任意强度的土体加载模拟和卸载模拟，对诸如高填方堆载和超深基坑侧向开挖卸荷模拟具有实际意义，整个试验装置可控性强、功能性强，易于操作和推广使用。

附图说明

图 1为本发明综合模拟箱体的整体示意图；

图2为箱体加卸荷侧面的层状叠合图；

图3为移动杆套筒位置处的结构示意图；

图4为箱体与目标土箱对接示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体，如图1所示，由有机玻璃板和金属框架组成，是耐高压的密闭力学机构。箱体上标注有水位刻度线7，通过外接气泵对水体表面进行施加压强。顶部设有注水注气孔8、气压表9和调压阀10，箱体内部气压的高低由气压表9和调压阀10联合控制，底部设有排水龙头11和可移动滑轮12，试验过程中可以直接推动箱体到指定位置。箱体的一个侧面为加卸荷一侧，该侧面由内至外顺序叠合由螺栓15固定的约束板3、通过密封条17固定在约束板3上的防漏膜4和载荷板2组成，如图2所示。载荷板2共有十二块，按照图中顺序进行编号，其中，四块横向的载荷板2上下布置四排，每两排横向载荷板2的两侧各设置两列纵向的载荷板2，两块横向载荷板2的高度与纵向载荷板2的高度相同。试验土体装在另一个待测试目标土箱19中，所有载荷板2围成的面积与待测试土箱19中的土体侧向面积一致，且与载荷板2接触的目标土箱19侧面必须糊有一层橡胶模20，避免土体直接作用在载荷板2上，箱体的载荷板2侧面在侧边上设有四个连接片13，通过连接片13将箱体与待测试土箱19栓接固定，可以为载荷板2的加载提供自反力。

箱体内有二十四根水平延伸且相互平行的移动杆2，如图中所示，移动杆2的左端头伸出箱体外，箱体左侧面的穿孔处设有止水止气阀5，避免移动杆2在动作过程中出现漏水漏气的现象；右端头上套设有同轴的套筒21，套筒21的右端通过螺栓穿过有机玻璃板、约束板3、防漏膜4并密封固定在载荷板2上。如图3所示，套筒21上开设有沿长度方向的缺口22及与之相交的环向的卡槽23，呈“T”字型，在套筒21内部、移动杆2上设有可沿缺口22滑动并可进入卡槽23的凸起14。当在缺口22中滑动的凸起14进入卡槽23并被锁住时，载荷板2与移动杆2只能整体移动，凸起14离开卡槽23回到缺口22中时，载荷板2可以自由水平移动，而移动杆2保持不动。每片载荷板2上固定两根移动杆2，载荷板2借助移动杆、套筒21实现水平方向的前后移动。载荷板2的移动遵循箱体内部的压强高低（外接气泵对水体表面施加气压），压强增加，载荷板2向右移动，压强降低，载荷板2水平回缩。载荷板2为金属板，在加卸荷过程中不允许变形，每片载荷板2上粘贴有薄膜式压力传感器16，可实时测量载荷板2与侧向土体接触面的接触应力，实现对土体加卸载边界的有效控制。

移动杆2伸出箱体的一端在紧贴箱体外壁处设有锁住移动杆2使其固定的夹片6，夹片6夹紧且移动杆的卡槽23呈锁住状态时，载荷板2也相应被锁住，不再水平移动。夹片6可以同时实现单个载荷板2的固定和多个载荷板2的同步固定，在实际岩土工程加卸荷模拟中，可通过操作夹片6开关实现十二块载荷板2的梯度性、多路径性变化。

约束板3上开设有允许水体流通的过水孔18，水体可通过过水孔18进入防漏膜4左侧，通过水压将防漏膜4压在载荷板2上。防漏膜4为具有弹性的橡胶膜，有一定拉伸性，移动杆2穿过防漏膜4的同时并将该处凸出且变形的橡胶膜压紧在移动杆2与载荷板2的连接处进行密封，保证不漏水。

上述模拟箱体的操作方法如下，如图4所示：

第一步：准备待测试目标土箱19，目标土箱19与载荷板1接触一侧设置敞开的开口，并在开口区域糊上一层橡胶模20；

第二步：在十二块载荷板1外表面粘贴薄膜压力传感器16，推动本发明箱体与目标土箱19拼接，并通过连接片13将两个箱体栓接在一起；

第三步：向目标土箱19中装入土体或者结合试验目的同时装入其它测试构件（如桩基、隧道等）；

第四步：将移动杆2的凸起14转动至套筒21的缺口22内，通过注水/注气口8向箱体注入一定高度的水，水位的高度可以通过水位刻度线7进行读取，然后由注气泵向箱体内注入气体；

第五步：十二块载荷板1在水压和气压的联合作用下向前移动，施加荷载给目标土箱19中的土体，荷载大小由薄膜压力传感器16读取，可逐步实施分级加荷；

第六步：加荷完毕且将气压分级卸掉后，载荷板1逐渐回缩，对土体侧面形成卸荷模拟，此时也可以将某几块载荷板1的移动杆2的凸起14转动至卡槽23内锁住，并限制该载荷板的移动，只卸载其余载荷板，形成分步卸荷。例如依次卸掉①-④载荷板而其它载荷板固定不动，即模拟基坑在深度方向的分级开挖卸荷。同样，在加荷阶段也可以灵活运用卡槽23实现载荷板1的分步加荷模拟；

第七步：测试结束，将气压卸掉并将水体从排水龙头11中放出，将本发明箱体与目标土箱19分离，清洁箱体。

Claims (7)

1.一种岩土工程加卸荷综合模拟箱体，其特征在于：包括供注水、加压的密闭箱体以及箱体内水平延伸的多个相互平行的移动杆，所述箱体的一个侧面与待测试土箱接触固定，所述侧面由内至外顺序设置约束板、防漏膜和载荷板，所述约束板上开设有允许水体流通的过水孔，水体通过过水孔将防漏膜压在载荷板上；

移动杆的一端伸出箱体外，另一端穿过有机玻璃板、约束板、防漏膜并密封固定在载荷板上，所述载荷板包括十二块，其中，四块横向的载荷板上下布置四排，每两排横向载荷板的两侧各设置两列纵向的载荷板，所有载荷板围成的面积与待测试土箱中的土体侧向面积一致，载荷板的外表面上设置薄膜压力传感器。

2.根据权利要求1所述的岩土工程加卸荷综合模拟箱体，其特征在于：所述载荷板为金属板。

3.根据权利要求1所述的岩土工程加卸荷综合模拟箱体，其特征在于：所述移动杆上套有同轴的套筒，套筒与载荷板固定连接，套筒上开设有沿长度方向的缺口及与之相交的环向的卡槽，在套筒内部、移动杆上设有可沿缺口滑动或嵌入卡槽的凸起。

4.根据权利要求3所述的岩土工程加卸荷综合模拟箱体，其特征在于：所述移动杆伸出箱体的一端在紧贴箱体外壁处设有锁住移动杆使其固定的夹片。

5.根据权利要求1所述的岩土工程加卸荷综合模拟箱体，其特征在于：所述箱体的顶部设有注水注气孔、气压表和调压阀，底部设有排水龙头。

6.根据权利要求1所述的岩土工程加卸荷综合模拟箱体，其特征在于：所述防漏膜为具有弹性的橡胶膜，移动杆穿过防漏膜的同时并将该处变形的橡胶膜压紧在移动杆与载荷板的连接处进行密封。

7.根据权利要求1~6任意一条所述的岩土工程加卸荷综合模拟箱体的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）准备待测试土箱，将土箱与模拟箱体待接触的一面上的敞开口用橡胶膜进行封闭；

（2）将模拟箱体的载荷板所在侧面和土箱进行拼接并固定，并在土箱内填充土体；

（3）向箱体注入水及气体；

（4）载荷板在水压和气压的联合作用下水平移动，施加荷载给土箱中的土体，薄膜压力传感器读取荷载大小，逐步实施分级加荷；

（5）加荷完毕且将气压分级卸掉后，载荷板逐渐回缩，对土体侧面形成卸荷模拟；该过程中，只将四块横向载荷板的压力逐上往下卸掉，固定其它载荷板，可模拟基坑不同深度的开挖卸荷，相继再卸掉纵向载荷板则可模拟基坑不同开挖宽度的卸荷影响；

（6）测试结束，将气压卸掉并将水体放出，将箱体与土箱分离。