CN110044715B - 一种可视化土体破坏模式捕捉装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可视化土体破坏模式捕捉装置，其包括模型箱、加载体系、撒砂装置、卸砂装置和磁性刻度板组成，所述加载体系和撒砂装置设于所述模型箱上方，所述加载体系包括水平加载装置和垂直加载装置，所述卸砂装置和磁性刻度板分别设置于模型箱的相邻两侧面上，所述撒砂装置可左右、前后在模型箱上方移动并向模型箱内撒砂。该装置可以实现高效省力的均匀撒砂、快速卸砂，相对准确模拟天然土体密实情况，并且布置彩砂均匀灵活，可以在不同位置同时进行竖向及水平向加载，可以直观观测掌子面破坏面形式、复合地基破坏形式“土拱效应”等土体破坏现象。

Description

一种可视化土体破坏模式捕捉装置

技术领域

本发明涉及一种可视化土体破坏模式捕捉装置，属于岩土工程技术领域。

背景技术

随着目前基础设施建设的不断推进，岩土工程技术随之得到了大力发展。在岩土工程问题理论解析法计算和数值模拟试验过程中，其重要参数需要通过工程试验得出。室内试验平台开展相似模型试验由于其节省资源，准确可靠，可重复验证结果等原因常常被首先采用。

在建筑地基破坏形式的研究中，由于基础强度远大于土体强度，在上部水平荷载较大或下部土层不连续均匀的情况下，容易产生“土拱效应”等土体破坏现象，此时采用原位试验不仅耗资巨大，而且只能观测到表观现象，不能进一步直观观测土体内部的相互作用情况，采用模型试验则可以很好解决这一问题。

目前的用于开展土体破坏现象研究的试验装置主要存在以下问题：(1)现有试验装置在建立土体模型时缺乏能均匀撒砂的装置，试验时无法进一步准确模拟出天然地基的土体密实情况，或者仅依靠人工撒砂缺乏准确性，并且费时费力。(2)现有试验装置通常只有竖向加载系统，加载方式单一，不具备多向加载条件。(3)现有试验装置在观察岩土破坏现象时，不具有测量功能，不能直接观测出土体移动距离。(4)现有试验装置在建立土体模型时，缺乏均匀布设彩砂的装置，无法灵活的实现布置彩砂与普通砂土的切换。(5)现有试验装置缺乏卸砂装置，采用人工卸砂费时费力。因此，为了岩土工程技术的进一步研究，开发一种功能齐全，操作方便，观测直观的研究土体破坏现象的试验模拟平台是十分重要的。

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，本发明提供一种可视化土体破坏模式捕捉装置。

(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：

一种可视化土体破坏模式捕捉装置，其包括模型箱、加载体系、撒砂装置、卸砂装置和磁性刻度板组成，所述加载体系和撒砂装置设于所述模型箱上方，所述加载体系包括水平加载装置和垂直加载装置，所述卸砂装置和磁性刻度板分别设置于模型箱的相邻两侧面上，所述撒砂装置可左右、前后在模型箱上方移动并向模型箱内撒砂。

在一个优选的实施方案中，所述模型箱包括箱体与外支承架，所述箱体为无盖的箱体，所述外支承架为沿箱体外边角设置的12根角钢，所述12根角钢包括四根竖向角钢、四根第一水平角钢和四根第二水平角钢，均紧贴包裹于箱体。

在一个优选的实施方案中，所述外支承架的垂直向上的四根竖向角钢的高度高于箱体，高于箱体部分的竖向角钢上设有螺栓孔用于固定加载体系，并且通过固定位置不同，实现不同高度加载，所述箱体的材料为透明聚酯树脂板。

在一个优选的实施方案中，所述水平加载装置包括两根第三水平角钢和第一分离式短型液压千斤顶，所述两根第三水平角钢平行设置并固定于所述竖向角钢上，所述第一分离式短型液压千斤顶底部焊接两块长方形钢板，两块长方形钢板分别与所述两根第三水平角钢通过螺栓孔和螺栓固定在两根第三水平角钢的两端或中部位置。

在一个优选的实施方案中，所述撒砂装置包括左轨道、右轨道、轨道小车和沙箱，左轨道、右轨道分别固定于所述两根第三水平角钢上，两根第四横向水平角钢垂直于左轨道、右轨道设置，并沿左轨道、右轨道前后移动，两根所述第四横向水平角钢形成轨道小车的轨道，轨道小车底部的滑轮在两根第四横向水平角钢内左右移动，所述沙箱设于所述轨道小车上，所述沙箱底部设有撒砂孔。

在一个优选的实施方案中，所述垂直加载装置包括短角钢、两根第四横向水平角钢和第二分离式短型液压千斤顶，所述轨道小车的两侧轨道顶部固定连接有所述短角钢，两根第四横向水平角钢在左轨道、右轨道上滑动，所述第二分离式短型液压千斤顶的底部焊接两块长方形钢板，长方形钢板上设置螺栓孔，两块长方形钢板分别与所述两根第四横向水平角钢通过螺栓孔和螺栓固定在两根第四横向水平角钢。

在一个优选的实施方案中，所述左轨道、右轨道均为两根倒置L型钢平行固定形成，所述左轨道、右轨道的两侧顶端进行封口设置，使两根第四横向水平角钢不会滑脱。

在一个优选的实施方案中，所述沙箱还包括撒砂管和分砂板或导砂管，所述撒砂管连通所述撒砂孔，所述撒砂管下部内侧设置内螺纹；

所述分砂板的上部外侧设置外螺纹，通过螺纹使撒砂管与分砂板连接，分砂板上梅花式均匀设置7个漏砂孔；

所述导砂管为弯曲的空心圆锥体形状，下端设置漏砂口，上端外侧设置外螺纹，通过螺纹使导砂管与撒砂管连接，在导砂管外侧漏砂口的上方设置开关。

在一个优选的实施方案中，所述卸砂装置包括“凹”型滑槽和挡砂板，所述模型箱的一侧面上开设有一个开口，开口的边沿固定有“凹”型滑槽，所述“凹”型滑槽的三侧边上设有槽道，挡砂板嵌入凹”型滑槽内，将模型箱封闭，不漏沙，抽出挡砂板形成开口，挡砂板上设有把手。进一步，所述卸砂装置可设有两个或多个。

在一个优选的实施方案中，所述磁性刻度板包括带刻度透明塑料板和八个磁铁组成，其中四个磁铁粘贴于带刻度透明塑料板的四角处，通过另四个磁铁将所述带刻度透明塑料板吸附在模型箱的一侧面上。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明提供的可视化土体破坏模式捕捉装置，成本较低，且功能广泛能满足大部分土体室内试验需求，可以实现高效省力的均匀撒砂、卸砂，通过滑轨采用“沙雨法”撒砂，准确模拟天然土体密实情况，并且布置彩砂均匀灵活，方式多样化，可以同时进行竖向及水平向加载，可以直观观测掌子面破坏面形式、复合地基破坏形式“土拱效应”等土体破坏现象。

附图说明

图1为可视化土体破坏模式捕捉装置的结构示意图；

图2为可视化土体破坏模式捕捉装置的正视图；

图3为可视化土体破坏模式捕捉装置的侧视图；

图4为加载体系的结构示意图；

图5为加载体系的俯视图；

图6为安装分砂板的撒砂装置正视图；

图7为安装分砂板的撒砂装置俯视图；

图8为安装导砂管的撒砂装置正视图；

图9为安装导砂管的撒砂装置俯视图；

图10为卸砂装置示意图；

图11为磁性刻度板示意图；

图12位轨道小车示意图。

【附图标记说明】

1：箱体；2：竖向角钢；3：第二水平角钢；4：第一水平角钢；5：第一螺栓孔；6：第三水平角钢a；7：第三水平角钢b；8：第二螺栓孔；9：第一分离式短型液压千斤顶；10：第一长方形钢板；11：第三螺栓孔；12：第四横向水平角钢A；13：第四横向水平角钢B；14：短角钢；15：第四螺栓孔；16：第二分离式短型液压千斤顶；17：第二长方形钢板；18：第五螺栓孔；19：L形型钢；20：侧钢板；21：轨道小车；22：第六螺栓孔；23：沙箱；24：滑轮；25：撒砂管；26：分砂板；27：漏砂孔；28：导砂管；29：开关；30：凹型滑槽；31：挡砂板；32：透明塑料板；33：圆形磁铁。

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

一种可视化土体破坏模式捕捉装置，包括土体模型箱、加载体系、撒砂装置、卸砂装置和磁性刻度板组成，加载体系和撒砂装置设于土体模型箱上方，加载体系包括水平加载装置和垂直加载装置，卸砂装置和磁性刻度板分别设置于模型箱的相邻两侧面上，撒砂装置可左右、前后在土体模型箱上方移动并向模型箱内撒砂。水平加载装置依靠第一分离式短型液压千斤顶通过加压使活塞杆向前顶升，进而对模型施加压力，并且通过外支撑架相互作用形成反力结构保持自身稳定。垂直加载装置依靠第二分离式短型液压千斤顶通过加压使活塞杆向下顶升，进而对模型施加压力，并且依次通过第四横向水平角钢、短角钢、轨道小车将反力下传至外支撑架形成反力结构保持自身稳定。

具体的，模型箱包括箱体与外支承架，其中外支承架是防止箱体受力损坏并为加载体系提供反力支撑。箱体可设为无盖的箱体，箱体为方形，具有12个边棱，外支承架为沿箱体外边角设置的12根角钢，紧贴包裹于箱体的边棱，底部的第一水平角钢的一边固定紧贴于箱体的一边设定，另一边朝外侧设定。竖直角钢的两边均紧贴箱体设置，上部的第二水平角钢也是一边紧贴箱体设置，另一边超外设置。其中竖直方向的竖直角钢的长度高于箱体设置，超出箱体的部分用于固定上面的加载体系和撒砂装置。

进一步地，水平加载装置包括两根第三水平角钢和第一分离式短型液压千斤顶，两根第三水平角钢平行设置并固定于竖向角钢上，在第一分离式短型液压千斤顶底部两端分别焊接长方形钢板，两块长方形钢板上设有螺栓孔，两根第三水平角钢对应设有螺栓孔，螺栓孔在第三水平角钢的两端及中间均设有，这样通过螺栓孔和螺栓可将第一分离式短型液压千斤顶固定在两根第三水平角钢的两端或中部位置。

撒砂装置包括左轨道、右轨道、轨道小车和沙箱，左轨道、右轨道分别固定于两根第三水平角钢上，两根第四横向水平角钢垂直于左轨道、右轨道设置，两根第四横向水平角钢在左轨道、右轨道上进行前后移动，两根第四横向水平角钢形成轨道小车的轨道，轨道小车底部的滑轮在两根第四横向水平角钢内滚动，带动轨道小车沿第四横向水平角钢左右移动，两根第四横向水平角钢，平行相对设置，形成一个沟槽，轨道小车可设有两对对称的滑轮，滑轮在第四横向水平角钢的一边上运动，第四横向水平角钢的另一边起阻挡滑轮形成一个轨道，轨道小车就沿第四向横向水平角钢的形成的沟槽方向运动。

垂直加载装置，其包括短角钢、两根第四横向水平角钢和第二分离式短型液压千斤顶，轨道小车的两侧轨道顶部固定连接有短角钢，两根第四横向水平角钢在左轨道、右轨道上滑动，左轨道、右轨道可设为两根倒置L型钢平行固定，并将左轨道、右轨道的两侧顶端进行封口设置，使两根第四横向水平角钢不会滑脱。第二分离式短型液压千斤顶的底部焊接两块长方形钢板，两块长方形钢板分别与两根第四横向水平角钢通过螺栓孔和螺栓固定在两根第四横向水平角钢的两端或中部位置。

沙箱设于轨道小车上，沙箱底部设有撒砂孔，沙箱内布置设有沙时，通过撒砂孔可将沙布满箱体。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，进一步对可视化土体破坏模式捕捉装置的优化，对可视化土体破坏模式捕捉装置结构示意图如图1所示，具体地，土体模型箱由箱体与外支承架组成。其中箱体1由5块厚度为h的透明正方形透明聚酯树脂板组成，5块聚酯树脂板面积均为L×L，底面、前面、后面、左面及右面各1块，通过胶粘结形成上部无盖的正方体，用以承装模型土体。外支承架由12根角钢组成，通过焊接形成空间立方体紧贴包裹于箱体，防止箱体受力损坏并为加载体系提供反力支撑。如图2和图3所示，其中模型箱四角布置4根竖向角钢2，长度为1.3L，并且于1.025L位置至上部顶端在角钢左右两侧边每隔0.025L间隔设置第一螺栓孔5，共设置10个。加载体系通过第一螺栓孔5与外支撑架连接，并且可根据不同使用要求实现上下升降。沿箱体1上部水平面四周布置4根第二水平角钢3，长度为1.01L，角钢一边贴于模型箱顶部平面，沿下部水平面四周布置4根第一水平角钢4，长度为1.01L，第一水平角钢4的一边贴于箱体1底部平面。

可视化土体破坏模式捕捉装置的加载体系包括水平加载装置和垂直加载装置。图4所示，其中水平加载装置包括在外支承架竖向角钢2设置螺栓孔区域两侧对称布置的第三水平角钢a 6和第三水平角钢b 7，第三水平角钢a 6与第三水平角钢b 7为第一分离式短型液压千斤顶9提供布设位置。第三水平角钢b 7长度为1.01L，第三水平角钢a 6长度为1.21L，第三水平角钢a 6与第三水平角钢b 7于两端部及中部分别对于设置2个第二螺栓孔8，两第二螺栓孔8的净间距为0.05L，第三水平角钢a 6与第三水平角钢b 7可通过螺栓固定于竖向角钢2，一个第一分离式短型液压千斤顶9在千斤顶底部焊接两块长方形钢板10，长方形钢板10对应第三水平角钢a 6与第三水平角钢b 7上的第二螺栓孔8位置开设两个第三螺栓孔11，第一分离式短型液压千斤顶9及长方形钢板10可通过螺栓固定于第三水平角钢a6与第三水平角钢b 7的两端部及中部位置，使装置在不同位置可以实现水平加载。

如图5和图12所示，垂直加载体系装置包括短角钢14上的第四横向水平角钢A 12和第四横向水平角钢B 13，短角钢14位于轨道小车21上，第四横向水平角钢A 12与第四横向水平角钢B 13对称布置为第二分离式短型液压千斤顶16提供布设位置，并且于两端部及中部各设置2个第四螺栓孔15，第二分离式短型液压千斤顶16在千斤顶顶升侧端部焊接两块第二长方形钢板17，第二长方形钢板17对应第四横向水平角钢A 12与第四横向水平角钢B 13上的第四螺栓孔15位置，开设两第五螺栓孔18，两螺栓孔净间距为0.05L，第二分离式短型液压千斤顶16及第二长方形钢板17可通过螺栓固定于第四横向水平角钢A 12与第四横向水平角钢B 13的两端部及中部位置，使装置在不同位置可以实现垂直加载。

撒砂体系包括前后向移动装置，左右向移动装置和撒砂装置。如图6所示，前后向移动体系即左右轨道包括4根L形型钢19，L形型钢19两个一组分别倒置焊接于两侧的第三水平角钢a 6上，形成凹形轨道，轨道小车21可通过凹形轨道实现前后向移动撒砂，L形型钢长度与第三水平角钢a 6一致，使轨道小车21可达到箱体1边缘，进而实现沿箱体1内壁布置彩砂。轨道两侧使用侧钢板20进行封堵，两侧轨道内部各设置轨道小车21，轨道小车21在轨道的两侧顶部分别焊接一个短角钢14，第四横向水平角钢A12和第四横向水平角钢B 13上设有两个第六螺栓孔22，两个第六螺栓孔22之间间距为0.05L。其中，第一螺栓孔5设置于竖向角钢2；第二螺栓孔8设置于第三水平角钢6和第三水平角钢7；第三螺栓孔11设置于第一长方形钢板10；第四螺栓孔15设置于短角钢14上；第五螺栓孔18设置于第二长方形钢板17；第六螺栓孔22设置于第四横向水平角钢12和13上。

左右向移动装置包括第四横向水平角钢A 12和第四横向水平角钢B13，第四横向水平角钢A 12和第四横向水平角钢B 13通过螺栓连接于短角钢14的第四螺栓孔15，形成左右向轨道，轨道小车21上的沙箱23可通过轨道左右移动实现左右向撒砂。

如图7、图8和图9所示，撒砂装置包括5块钢板通过焊接形成的上部无盖的正方体沙箱23，用于盛放普通砂或彩砂，轨道小车21的下部滑轮24对称平行设置于沙箱23底部，且间距满足下部滑轮24完全处于第四横向水平角钢A 12和第四横向水平角钢B 13之上，使沙箱23可以在轨道上移动。撒砂管25设置于正方体沙箱23底部正中心处，撒砂管25下部内侧设置内螺纹；分砂板26上梅花式均匀设置7个漏砂孔27，砂土通过漏砂孔27实现导流分离。分砂板26上部外侧设置外螺纹，通过螺纹可使撒砂管25与分砂板26连接。导砂管28为弯曲的空心圆锥体形状，下端设置漏砂口，上端外侧设置外螺纹，通过螺纹可使导砂管28与撒砂管25连接，在导砂管外侧设置开关29，通过开关29实现开、关漏砂。导砂管28与分砂板26根据不同使用需求替换使用。如图10所示，卸砂装置包括凹型滑槽30和带把手的挡砂板31，凹型滑槽设于箱体1的一个侧面上，挡砂板31可在凹型滑槽30内滑动，使其具有开、关卸砂的功能，卸砂装置设置两套分别布置于箱体1右面板中部及下部。

如图11所示，磁性刻度板包括带刻度透明塑料板32和8个圆形磁铁33组成。透明塑料板32表面绘制单元长度5cm的正方形网格，在网格最上部水平绘制水平刻度，最小刻度为1mm，在网格中部竖向绘制刻度，最小刻度为1mm，试验中可通过网格和刻度线直观观测内部土体变化。在透明塑料板32四角处各粘贴1个圆形磁铁33，当使用时模型箱内部对应圆形磁铁33位置各吸附1个圆形磁铁33，通过磁力完成透明塑料板32的固定。

上述装置的使用方法，步骤如下：

1、根据试验使用要求确定试验装置尺寸参数，并完成制作组装。

2、根据工程要求设计土体模型，确定观测区域，使用圆形磁铁布置磁性刻度板到观测区域。

3、关闭卸砂装置，安装分砂板，根据土体模型密实度要求调节加载体系和撒砂体系高度，将沙箱内装满砂子，通过前后向及左右向移动装置移动沙箱，使砂子通过分砂板的漏砂口下漏，形成“沙雨法”撒砂。

4、当模型整个平面需要布置彩砂时，将沙箱内砂子换成彩砂，沿水平面移动撒砂形成彩砂平面；当模型某一边界需要布置彩砂时，将分砂板替换成导砂管，将沙箱内砂子换成彩砂，使导砂管对准边界，移动撒砂形成彩砂线。

5、根据试验要求在设计深度埋入模型基础，继续普通砂与彩砂交替布置，完成土体模型，取下撒砂装置。

6、根据试验加载要求安装千斤顶，调节加载体系高度与位置，通过液压千斤顶进行加载，试验过程中通过磁性刻度板观测土体变形及破坏情况。

7、试验完毕后，打开卸砂装置，卸除砂土。

上述的装置，设有竖向加载装置和水平加载装置，通过本发明设计的撒砂装置可以实现“沙雨法”撒砂，使建立的模型土体更加均匀，并且布置彩砂方便灵活；通过本发明设计的加载体系，各角钢实现了水平及竖向互为反力结构，并设置液压千斤顶实现了双向加载；通过本发明设计的卸砂装置，在试验结束后可直接使用卸砂孔排砂，方便省力；通过磁性刻度板观测试验，可直接观测出土体移动位移。

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，任何本领域技术人员可以利用上述公开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 (4)

1.一种可视化土体破坏模式捕捉装置，其特征在于，其包括模型箱、加载体系、撒砂装置、卸砂装置和磁性刻度板组成，所述加载体系和撒砂装置设于所述模型箱上方，所述加载体系包括水平加载装置和垂直加载装置，所述卸砂装置和磁性刻度板分别设置于模型箱的相邻两侧面上，所述撒砂装置可左右、前后在模型箱上方移动并向模型箱内撒砂；

所述模型箱包括箱体与外支承架，所述箱体为无盖的箱体，所述外支承架为沿箱体外边角设置的12根角钢，所述12根角钢包括四根竖向角钢、四根第一水平角钢和四根第二水平角钢，均紧贴包裹于箱体；

所述外支承架的垂直向上的四根竖向角钢的高度高于箱体，高于箱体部分的竖向角钢上设有螺栓孔用于固定加载体系，所述箱体的材料为透明聚酯树脂板；

所述水平加载装置包括两根第三水平角钢和第一分离式短型液压千斤顶，所述两根第三水平角钢平行设置并固定于所述竖向角钢上，所述第一分离式短型液压千斤顶底部焊接两块长方形钢板，两块长方形钢板分别与所述两根第三水平角钢通过螺栓孔和螺栓固定在两根第三水平角钢的两端或中部位置；

所述撒砂装置包括左轨道、右轨道、轨道小车和沙箱，左轨道、右轨道分别固定于所述两根第三水平角钢上，两根第四横向水平角钢垂直于左轨道、右轨道设置，并沿左轨道、右轨道前后移动，两根所述第四横向水平角钢形成轨道小车的轨道，轨道小车底部的滑轮在两根第四横向水平角钢内左右移动，所述沙箱设于所述轨道小车上，所述沙箱底部设有撒砂孔；

所述左轨道、右轨道均为两根倒置L型钢平行固定形成，所述左轨道、右轨道的两侧顶端进行封口设置，使两根第四横向水平角钢不会滑脱；

所述沙箱还包括撒砂管，所述撒砂管连通所述撒砂孔，所述撒砂管下部内侧设置内螺纹；

所述沙箱还包括分砂板或导砂管；

所述分砂板的上部外侧设置外螺纹，通过螺纹使撒砂管与分砂板连接，分砂板上梅花式均匀设置7个漏砂孔；

所述导砂管为弯曲的空心圆锥体形状，下端设置漏砂口，上端外侧设置外螺纹，通过螺纹使导砂管与撒砂管连接，在导砂管外侧漏砂口的上方设置开关。

2.如权利要求1所述的可视化土体破坏模式捕捉装置，其特征在于，所述垂直加载装置包括短角钢、两根第四横向水平角钢和第二分离式短型液压千斤顶，所述轨道小车的两侧轨道顶部固定连接有所述短角钢，两根第四横向水平角钢在左轨道、右轨道上滑动，所述第二分离式短型液压千斤顶的底部焊接两块长方形钢板，两块长方形钢板分别与所述两根第四横向水平角钢通过螺栓孔和螺栓固定在两根第四横向水平角钢。

3.如权利要求1所述的可视化土体破坏模式捕捉装置，其特征在于，所述卸砂装置包括“凹”型滑槽和挡砂板，所述模型箱的一侧面上开设有一个开口，开口的边沿固定有“凹”型滑槽，所述“凹”型滑槽的三侧边上设有槽道，挡砂板嵌入凹”型滑槽内，将模型箱封闭，不漏沙，抽出挡砂板形成开口，挡砂板上设有把手。

4.如权利要求1所述的可视化土体破坏模式捕捉装置，其特征在于，所述磁性刻度板包括带刻度透明塑料板和八个磁铁组成，其中四个磁铁粘贴于带刻度透明塑料板的四角处，通过另四个磁铁将所述带刻度透明塑料板吸附在模型箱的一侧面上。

Images