CN109752254A - 一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置及其方法，所述装置包括由底板和垂直于底板设置的移动刚性箱板依次连接组成的土箱结构，土箱结构内设置有柔性密封框架、密封固定条、平头螺丝和柔性密封条，柔性密封框架紧靠相邻移动刚性箱板的连接处以及底板与移动刚性箱板的连接处设置，并通过密封固定条压紧，本方案通过对柔性密封框架和密封固定条等进行特殊的设计，结构设计巧妙、制作成本低、工作可靠，且提供两道防水措施，能够在不影响刚性箱板移动情况下实现有效防水，满足刚性箱板运动过程中的防漏水需求。在试验过程中当刚性箱板上所受的力越大，其防水效果越好，有效的提高了高压力作用下土箱内的防水效果，整个真三轴试验系统运行的安全性好、可靠性高，具有显著的经济及实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及土工真三轴试验技术领域，具体涉及一种土工真三轴试验中移动刚性箱板连接处的防漏水装置及方法，适用于土工真三轴试验。
背景技术
土工真三轴试验系统能够模拟三个方向不等应力作用下土体的力学特性，相对于常规三轴试验系统，真三轴试验能更合理地解释实际场地条件下土体的力学特性。常规三轴试验系统中，其土样尺寸往往为圆柱体，两个水平方向应力相等，其应力状态为σ1＞σ2＝σ3(σ1为竖向主应力，σ2和σ3为水平主应力)。然而，在土工真三轴试验系统中，3个方向为非等值加载，即三个方向施加应力σ1＞σ2＞σ3。在真三轴试验系统中，土样往往为立方体，通过在正交的三个方向施加大小不等的应力，真实地再现土体在非等值应力作用下的力学特性。
为了使土样随着刚性加载板的移动而发生变形，采用可移动刚性箱板组合为箱形结构，通过在三个方向施加不同应力，使刚性箱板沿着轴向移动实现对箱体内土样进行加载，如申请公布号为【CN106248487A】，专利名称为岩石真三轴试验设备所公开的箱形结构。由于在试样加载过程中需要保证箱形结构保持无漏水的状态，所以需要对箱形结构进行防水处理。一般对于刚性箱板防水采取焊接，密封等技术手段，以减少刚性箱板之间的缝隙，但不能实现刚性箱板的相对移动。然而，对于移动刚性箱板，通常采用更高的加工精确，尽量减少刚性箱板之间的缝隙，或者采取一种防水材料填充刚性箱板之间的缝隙。
但是，在刚性箱板移动情况下同，从技术实现上来说是很难保证完全不漏水的，特别是在加载过程中，在高压力作用下，采用填充材料填塞箱板间的缝隙远不能达到防水的效果。另外，在一些真三轴试验设备的设计中，不采用刚性箱板加载，而采用柔性加载，进而通过将箱体内试样用橡皮膜进行包裹以防止漏水。通过橡皮膜包裹试样防漏水是目前最常用的方法，比如授权公告号为【CN105092327B】的专利所公开的方案，但是主要针对小尺寸试样。
故而，为了真实地再现土工大尺寸试样在三个方向非均匀加载下的受力状态，需采用移动刚性箱板对土样进行加载，亟待提出一种方案，以确保在加载情况下移动箱板之间不发生漏水。
发明内容
本发明为真实再现土工大尺寸试样在三个方向非均匀加载下的受力状态，有效防止土工真三轴试验中移动刚性箱板连接处漏水、并保证刚性箱板的运动，提出一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置及方法，可有效降低防水成本和试验失败概率，提高防水效果和试验系统整体运行安全性。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，包括由底板和垂直于底板设置的移动刚性箱板依次连接组成的土箱结构，相邻移动刚性箱板之间可相对滑动；
所述土箱结构内设置有柔性密封框架，所述柔性密封框架紧靠相邻移动刚性箱板的连接处以及底板与移动刚性箱板的连接处设置，所述柔性密封框架通过密封固定条压紧，密封固定条通过平头螺丝紧固在刚性箱板上；在刚性箱板内壁上靠近柔性密封框架的边缘处还设置有凹槽，所述凹槽内设置有圆柱形柔性密封条，且自然状态下柔性密封条的直径大于所述凹槽的深度；
所述柔性密封框架一次整体铸造成型，包括与土箱结构底部匹配的方形柔性密封底框以及垂直于方形柔性密封底框竖直设置的U形柔性密封侧框。
进一步的，所述密封固定条包括箱底密封固定条和箱侧壁密封固定条，所述箱底密封固定条为一封闭环形结构且与方形柔性密封底框相适配，所述箱侧壁密封固定条为U型结构，并与竖直设置的U形柔性密封侧框相适配。
进一步的，所述密封固定条通过多个平头螺丝进行固定，且相邻平头螺丝的间距为40mm-50mm。
进一步的，所述柔性密封框架采用丁腈橡胶或硅胶材质，以保证具有良好的弹性变形，在移动刚性箱板正常加载下仍处于可恢复的弹性变形范围内。
进一步的，所述柔性密封框架的厚度小于5mm，且方形柔性密封底框和U形柔性密封侧框的侧边宽度小于50mm，以尽可能减少对土箱内土样尺寸的影响。
本发明另外还提出一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过移动刚性箱板搭建土箱结构，并保证刚性箱板之间的紧密结合；
(b)在移动刚性箱板内安置柔性密封条，在土箱结构内侧安置柔性密封框架；
(c)安装密封固定条，通过平头螺丝紧固密封固定条和柔性密封框架与移动刚性箱板上，并保证密封固定条施加均匀的压力于柔性密封框架上，保证柔性密封框架与柔性密封条和移动箱板之间有足够的接触力；
(d)在土箱结构内准备试样，进行相关试验。
进一步的，所述步骤(c)中，采用平头螺丝固定密封固定条时，对于箱底密封固定条由中间向两侧均匀固定，而对于箱侧壁密封固定条，由底向上均匀固定，保证柔性密封框架均匀压缩。
进一步的，所述平头螺丝最大扭紧力矩依据公式T＝KFd进行施加，其中，K为扭矩系数；F为预紧力；d为螺纹外径，保证对密封固定条均匀加压。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明所提出的方案结构设计简单、制作成本低、工作可靠，能够在不影响刚性箱板移动情况下实现有效防水，满足刚性箱板运动过程中的防漏水需求；且提供两道防水措施，能够实现双重防水效果；在试验过程中当刚性箱板上所受的力越大，其防水效果越好，有效的提高了高压力作用下土箱内的防水效果，且用平头螺丝固定密封固定条时，按照特定的顺序和特定的扭紧力矩进行操作，以保证柔性密封框架均匀压缩和对密封固定条均匀加压，整个真三轴试验系统运行的安全性好、可靠性高，具有显著的经济及实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例所述防漏水装置结构位置布置示意图；
图2为图1中柔性密封框架的结构示意图；
图3为图1中密封固定条的结构示意图；其中，左侧图(a)为箱底密封固定条示意图，图(b)为箱侧壁密封固定条示意图；
图4为本发明实施例中移动刚性箱板防漏水原理示意图；
图5为本发明实施例中土箱结构示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
实施例1，如图1所示，一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，包括由底板和垂直于底板设置的移动刚性箱板依次连接组成的一土箱结构，土箱结构示意图如图5所示，相邻移动刚性箱板之间可相对滑动。所述土箱结构内设置有柔性密封框架2、密封固定条3、平头螺丝4和柔性密封条5。如图1和图4所示，柔性密封框架2紧靠相邻移动刚性箱板1的连接处以及底板与移动刚性箱板1的连接处设置，所述柔性密封框架2通过密封固定条3压紧，密封固定条3通过平头螺丝4紧固在刚性箱板1上，通过密封固定条3使柔性密封框架2紧紧地贴到刚性箱板1内侧；在刚性箱板内壁上靠近柔性密封框架2的边缘处还设置有凹槽，所述凹槽内设置有圆柱形柔性密封条5，且自然状态下柔性密封条5的直径大于所述凹槽的深度，以提高密封效果。另外，所述密封固定条3通过多个平头螺丝进行固定，且相邻平头螺丝的间距为40mm-60mm，优选50mm，且用平头螺丝4固定密封固定条3时，需要按一定的顺序均匀将螺丝固定，即对于箱底密封固定条6由中间向两侧均匀固定，而对于箱侧壁密封固定条7，由底向上均匀固定，保证柔性密封框架均匀压缩。同时要控制各平头螺丝拧紧力的大小，即平头螺丝最大扭紧力矩采用T＝KFd公式计算(其中K为扭矩系数；F为预紧力；d为螺纹外径)，保证对密封固定条均匀加压，确保柔性密封框架2被密封固定条3均匀地压紧。
如图2所示，所述柔性密封框架2采用丁腈橡胶或硅胶材料一次整体铸造成型，柔性密封框架2的厚度小于5mm，包括与土箱结构底部匹配的方形柔性密封底框22以及垂直于方形柔性密封底框22竖直设置的U形柔性密封侧框21，且方形柔性密封底框22和U形柔性密封侧框21的侧边宽度小于50mm；如图3所示，本实施例中，所述密封固定条3包括箱底密封固定条和箱侧壁密封固定条，所述箱底密封固定条为一封闭环形结构且与方形柔性密封底框22相适配，所述箱侧壁密封固定条为U型结构，并与竖直设置U形柔性密封侧框21相适配，以实现对土箱结构连接缝隙处的巧妙密封。
如此，当刚性箱板1移动过程中，在刚性箱板1的交汇处，由于存在柔性密封框架2，水体并不能通过箱板接缝处流出箱体外侧。特别在柔性密封框架2与刚性箱板1接触处，由于在凹槽内放置柔性密封条5，在密封固定条5的压力下，柔性密封条受压，挤压凹槽四周。当水体沿着刚性箱板1和柔性密封框架2流出时，需要通过凹槽流出，但是由于凹槽受柔性密封条5的挤压，箱板内水体很难沿着凹槽流出，为刚性箱板的接缝处提供了第一道防水保障。加之，在凹槽靠近平头螺丝处，由于密封固定条3受平头螺丝的作用，使得刚性箱板1与柔性密封框架2紧密接触，为刚性箱板的接缝处提供了第二道防水保障。特别地，在试验过程中，由于土箱内试样的存在，当刚性箱板受外力作用时，当外力作用越大，刚性箱板与柔性密封框架间的压力越大，防水效果越好，有效解决了在试验高围压和竖向应力作用下移动箱板接缝处的防水问题。
如图5所示，试验时，土箱结构四周受水平应力，保证箱板发生一定的侧向移动且在四个角的位置处，刚性箱板之间不漏水；本方案适用于大尺寸正方体土样试验(1m×1m×1m)，区别与传统圆柱体点试验(直径38mm×高度76mm)，防水效果好，且防水的同时，下面的水盐能补给上来，在保证移动钢板活动的同时还能够不漏水；试验时，最终的加压是加在移动箱板上，施加压力越大，密封效果越好。
实施例2，根据实施例1所述的防漏水装置，具体在操作时，按照以下步骤进行操作实现防漏水操作：
(a)通过移动刚性箱板1搭建土箱结构，并保证刚性箱板之间的紧密结合；
(b)在移动刚性箱板内安置柔性密封条5，在土箱结构内侧安置柔性密封框架2；
(c)安装密封固定条3，通过平头螺丝4紧固密封固定条3和柔性密封框架2与移动刚性箱板1上，并保证密封固定条3施加均匀的压力于柔性密封框架2上，保证柔性密封框架2与柔性密封条和移动箱板之间有足够的接触力；
(d)在土箱结构内准备试样，进行相关试验。
其中，在所述步骤(c)中，采用平头螺丝4固定密封固定条3时，需要按照一定的顺序均匀将平头螺丝固定，即对于箱底密封固定条6由中间向两侧均匀固定，而对于箱侧壁密封固定条7，由底向上均匀固定，保证柔性密封框架均匀压缩。同时平头螺丝最大扭紧力矩采用T＝KFd公式计算(其中K为扭矩系数；F为预紧力，即拧紧后螺纹连接件的力不超过其材料屈服极限的80％；d为螺纹外径)，保证对密封固定条均匀加压。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，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应用于其它领域，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 (8)
1.一种土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，包括由底板和垂直于底板设置的移动刚性箱板依次连接组成的土箱结构，相邻移动刚性箱板之间可相对滑动，其特征在于：
所述土箱结构内设置有柔性密封框架(2)，所述柔性密封框架(2)紧靠相邻移动刚性箱板(1)的连接处以及底板与移动刚性箱板(1)的连接处设置，所述柔性密封框架(2)通过密封固定条(3)压紧，密封固定条(3)通过平头螺丝(4)紧固在刚性箱板(1)上；在刚性箱板内壁上靠近柔性密封框架(2)的边缘处还设置有凹槽，所述凹槽内设置有圆柱形柔性密封条(5)，且自然状态下柔性密封条(5)的直径大于所述凹槽的深度；
所述柔性密封框架(2)一次整体铸造成型，包括与土箱结构底部匹配的方形柔性密封底框(22)以及垂直于方形柔性密封底框(22)竖直设置的U形柔性密封侧框(21)。
2.根据权利要求1所述的土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，其特征在于：所述密封固定条(3)包括箱底密封固定条(6)和箱侧壁密封固定条(7)，所述箱底密封固定条为一封闭环形结构且与方形柔性密封底框(22)相适配，所述箱侧壁密封固定条为U型结构，并与竖直设置的U形柔性密封侧框(21)相适配。
3.根据权利要求1所述的土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，其特征在于：所述密封固定条(3)通过多个平头螺丝进行固定，且相邻平头螺丝的间距为40mm-60mm。
4.根据权利要求2或3所述的土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，其特征在于：所述柔性密封框架(2)采用丁腈橡胶或硅胶材质。
5.根据权利要求4所述的土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置，其特征在于：所述柔性密封框架(2)的厚度小于5mm，且方形柔性密封底框(22)和U形柔性密封侧框(21)的侧边宽度小于50mm。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水装置的防漏水方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)通过移动刚性箱板(1)搭建土箱结构，并保证刚性箱板之间的紧密结合；
(b)在移动刚性箱板内安置柔性密封条(5)，在土箱结构内侧安置柔性密封框架(2)；
(c)安装密封固定条(3)，通过平头螺丝(4)紧固密封固定条(3)和柔性密封框架(2)与移动刚性箱板(1)上，并保证密封固定条(3)施加均匀的压力于柔性密封框架(2)上，保证柔性密封框架(2)与柔性密封条和移动箱板之间有足够的接触力；
(d)在土箱结构内准备试样，进行相关试验。
7.根据权利要求6所述的土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水方法，其特征在于，所述步骤(c)中，采用平头螺丝(4)固定密封固定条(3)时，对于箱底密封固定条(6)由中间向两侧均匀固定，而对于箱侧壁密封固定条(7)，由底向上均匀固定。
8.根据权利要求7所述的土工真三轴试验移动刚性箱板防漏水方法，其特征在于，所述平头螺丝最大扭紧力矩依据公式T＝KFd进行施加，其中，K为扭矩系数；F为预紧力；d为螺纹外径。
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