CN110512583A - 全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱 - Google Patents

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刘庭金
陈汉成
廖强
林少群
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    • E02HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02DFOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00Investigation of foundation soil in situ
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials

Abstract

本发明公开了一种全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,所述模型箱包括位于模型箱底部的钢底板,位于模型箱外围由角钢和槽钢组成的钢框架,位于模型箱内部由拐角有机玻璃模块与常规有机玻璃模块组成的挡土面板。模型箱采用透明的有机玻璃模块作为挡土面板,可实现模型箱全透明,有利于实现模型箱内部试验模型结构变形及其周围土体变化的全过程可视化。同时,模型箱可以通过调整外框架的搭接及挡土面板模块单元的数量,实现纵向、横向及铅直方向的尺寸调整。该模型箱可以开展隧道开挖对已有建筑影响、地面堆载对地铁结构影响等相关试验。该模型箱具有全透明、可三维调整尺寸、拆装便捷快速、功能丰富的特点。

Description

全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱
技术领域
本发明属于试验设备技术领域,尤其涉及一种全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱。
背景技术
随着我国经济高速发展和现代化建设水平的提高,各大城市相继规划修建轨道交通项目,与地面交通工程相比,地下轨道交通工程造价高,使用周期长,受力复杂,研究地下轨道交通结构的受力特性对保障城市交通功能具有重要意义。
相似模型试验是工程结构领域常用的研究手段之一,该类试验依据相似原理,制成与原型相似但缩小了尺度的模型进行试验研究,探究该工程结构的受力与变形。由于地下轨道交通工程周边地层对其受力和变形起着关键作用,为此,需要一个能够容纳模拟结构本身以及结构周边的地层及边界约束的装置,即模型箱。
传统模型箱尺寸是固定的,模型箱的形状和大小往往不能调节,只能实现单一的研究目标,考虑到各类地下结构的差异性:如地铁隧道、地铁车站的尺寸不同,基坑开挖深度和面积不同,在研究不同类型问题时需要定制不同尺寸的模型箱,存在大量资源的浪费。
此外,少数模型箱采用装配式模型箱,如:
兰州理工大学提出的岩土模型试验用装配式钢构件模型箱(申请号:201721767724.4),利用钢构件组合成模型箱,但是由于整个模型箱全使用了钢构件,不利于观察与记录模型结构及其周围土体的变化。
北京工业大学研制了一种装配式多功能岩土工程试验模型箱(申请号:201811534524.3),设置了在可视窗、可视窗下部模块、侧板、钢底板和侧板隧道开挖模块。但是该模型只能调整铅直方向及沿长边方向的尺寸,具有一定的局限性,而且整个模型箱使用大量钢构件,也不利于观察与记录模型结构及其周围土体的变化。
为了适应不同尺寸不同类型岩土工程模型试验的需求,无需每次为一种或一类试验特意定制模型箱,且兼顾试验过程的可视化,设计开发一种全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱的就显得十分必要。
发明内容
本发明的目的是针对现有模型箱的不足,提供一种全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,该模型箱能够根据试验需要,实现纵向、横向及铅直方向三维调整模型箱尺寸。同时,该模型箱采用透明的有机玻璃组合成面板,实现模型箱全透明,可以直观观察与记录试验过程中模型结构及其周围土体的变化。
本发明的目的通过如下技术方案实现:
全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:该模型箱包括钢底板、四周围成一体透明的挡土面板和钢框架,钢底板上设有用于挡土面板插入的网格状凹槽,挡土面板为装配式组合而成,挡土面板的底部能够依网格状凹槽拼接成多种正方形或长方形,紧挨挡土面板的外围设有固定于钢底板的钢框架,钢底板上设置有螺栓孔,用于固定钢框架。
进一步的,钢框架包括角钢和槽钢,其装配位置设有螺栓孔,通过高强螺栓相互之间固定,形成模型箱外围稳定的框架结构。进一步的,所述角钢全部为竖直设置,所述槽钢全部为水平设置。进一步的,所述角钢的底部焊接着方形小钢板,所述方形小钢板上设有螺栓孔,通过高强螺栓把角钢固定于钢底板上。
进一步的,所述挡土面板,包括两类装配式组件,分别为拐角有机玻璃模块和常规有机玻璃模块,所述的拐角有机玻璃模块与常规有机玻璃模块的上下侧边都分别设置了榫头和凹槽,常规有机玻璃模块的左右侧边也分别设置了榫头和凹槽,拐角有机玻璃模块的左右侧边之一设置了榫头,另一侧边的一侧面设有凹槽,利用榫头与凹槽相互组合,从而组合成透明的挡土面板。进一步的,挡土面板还包括两类功能模块,分别为拐角功能模块和常规功能模块,分别与拐角有机玻璃模块与常规有机玻璃模块相似,同样由有机玻璃材料制成并且设置了卯榫结构,不同点在于在拐角功能模块和常规功能模块中部留有圆孔,以提供隧道开挖的空间,同时可以通过该圆孔引出采集隧道数据的数据线。
本发明与现有技术相比,具有如下的有益效果:
(1)本发明的模型箱采用透明的有机玻璃模块作为模型箱的挡土面板,可实现模型箱全透明,有利于实现模型箱内部试验模型结构变形及其周围土体变化的全过程可视化,有益于岩土试验的真实性。
(2)本发明的模型箱可以通过调节外框架角钢与槽钢的搭接和调整挡土面板模块单元的数量,能够根据试验需求实现纵向、横向及铅直方向的尺寸调整,克服其他模型箱尺寸无法根据试验需求进行调整的缺点,减少资源浪费。
(3)本发明的模型箱挡土面板由拐角有机玻璃模块与常规有机玻璃模块两种模块组合而成,结构简单,更换方便,克服其他模型箱局部破坏无法替换的缺点。
(4)本发明的模型箱具有多功能性,可以根据试验需求,在面板不同位置装配不同类型的功能模块,开展不同类型的岩土试验。
(5)本发明的模型箱通过高强螺栓及结构本身的卯榫结构相连,组装和拆卸方便,方便运输,可循环利用,节省大量人力物力,降低试验成本。
附图说明
图1为本发明模型箱的整体结构三维图;
图2为本发明模型箱外围的钢框架三维图;
图3为本发明模型箱钢框架的角钢三维图;
图4为本发明模型箱钢框架的槽钢三维图;
图5为本发明模型箱的挡土面板三维图;
图6为本发明模型箱的挡土面板有机玻璃模块组装完成三维图;
图7为本发明模型箱的挡土面板有机玻璃模块组装示意图;
图8为本发明模型箱挡土面板的拐角有机玻璃模块三维图;
图9为本发明模型箱内部挡土面板的常规有机玻璃模块三维图;
图10为本发明模型箱的有机玻璃模块与功能模块组装完成三维图;
图11为本发明模型箱的功能模块组装示意图;
图12为本发明模型箱拐角功能模块三维图;
图13为本发明模型箱常规功能模块三维图;
图14为本发明模型箱的底部钢底板俯视图;
图15为隧道开挖对桩基影响的模型试验三维示意图;
图16为隧道开挖对桩基影响的模型试验的桩基模型三维示意图;
图17为隧道开挖对桩基影响的模型试验的隧道模型三维示意图;
图18为地表堆载对隧道结构影响的模型试验三维示意图。
图中:1-钢底板,2-角钢,3-槽钢,4-拐角有机玻璃模块,5-常规有机玻璃模块,6-拐角功能模块,7-常规功能模块,8-高强螺栓,11-钢底板螺栓孔,12-钢底板凹槽,21-角钢螺栓孔,31-槽钢螺栓孔,41-拐角有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ,42-拐角有机玻璃模块直角凹槽Ⅱ,43-拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅰ,44拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅱ,51-常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ,52-常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅱ,53-常规有机玻璃模块直角榫头Ⅰ,54常规有机玻璃模块直角榫头Ⅱ,61-拐角功能模块直角凹槽Ⅰ,62-拐角功能模块直角凹槽Ⅱ,63-拐角功能模块直角榫头Ⅰ,64拐角功能模块直角榫头Ⅱ,65-拐角功能模块圆孔,71-常规功能模块直角凹槽Ⅰ,72-常规功能模块直角凹槽Ⅱ,73-常规功能模块直角榫头Ⅰ,74常规功能模块直角榫头Ⅱ,75-常规功能模块圆孔,91-隧道模型,92-桩基模型,93-铁片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述,实施例不能在此一一赘述,但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例:
如图1所示,本发明提供了一种全透明的可三维调整尺寸装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:该模型箱包括钢底板1,四周围成一体透明的挡土面板和钢框架。
如图14所示,钢底板1上设有用于挡土面板插入的网格状凹槽12,透明的挡土面板为装配式组合而成,挡土面板的底部能够依网格状凹槽12拼接成多种正方形或长方形,紧挨挡土面板的外围设有固定于钢底板1的钢框架,钢底板1上设置有螺栓孔11,用于固定钢框架。
如图2~4所示,所述的外围钢框架结构,包括角钢2和槽钢3,其装配位置设有螺栓孔,通过高强螺栓8相互之间固定,形成模型箱外围稳定的框架结构。
所述的角钢2采用等边角钢14#,长3500mm,槽钢3采用热轧普通槽钢14#b,长4800mm,高强螺栓8采用M16×80mm。
如图5~9所示,所述的模型箱透明的挡土面板,包括两类装配式组件,分别为拐角有机玻璃模块4和常规有机玻璃模块5,所述的拐角有机玻璃模块4与常规有机玻璃模块5分别设置了直角卯榫结构,利用模块自身榫头与凹槽相互组合,从而组合成透明的挡土面板。
所述拐角有机玻璃模块4,设置拐角有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ41、拐角有机玻璃模块直角凹槽ⅠⅠ42,拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅰ43、拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅱ44,所述常规有机玻璃模块5,设置常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ51、常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅱ52,常规有机玻璃模块直角榫头Ⅰ53、常规有机玻璃模块直角榫头Ⅱ54;拐角有机玻璃模块4与常规有机玻璃模块5,长1000mm,宽1000m,厚24mm,直角凹槽深度8mm,直角榫头厚8mm。
所述的卯榫结构具体结合方式如下:所述拐角有机玻璃模块4与常规有机玻璃模块5通过卯榫结构连接时,拐角有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ41与常规有机玻璃模块直角榫头Ⅰ53连接,拐角有机玻璃模块直角凹槽Ⅱ42与拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅱ44连接,拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅰ43与常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ51连接;所述常规有机玻璃模块5互相通过卯榫结构连接时,常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅰ51与常规有机玻璃模块直角榫头Ⅰ53连接,常规有机玻璃模块直角凹槽Ⅱ52与拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅱ44连接。
如图10~13所示,所述的全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,还包括两类功能模块,分别为拐角功能模块6和常规功能模块7,分别与拐角有机玻璃模块4与常规有机玻璃模块5相似,同样由有机玻璃材料制成并且设置了卯榫结构,不同点在于在拐角功能模块6和常规功能模块7中部留有圆孔
所述拐角功能模块6与常规功能模块7,长1000mm,宽1000m,厚24mm,直角凹槽深度8mm,直角榫头厚8mm。所述拐角功能模块6留有直径400mm的圆孔65,常规功能模块7留有直径400mm的圆孔75,以提供隧道开挖的空间,同时可以通过该圆孔引出采集隧道数据的数据线。
试验时,应把所述的钢底板通过高强螺栓8锚固于试验场地上。
所述的全透明可三维调整尺寸装配式多功能岩土工程模型箱具体装配顺序如下:
首先把钢底板1锚固于试验场地上;其次,按照试验需求,把角钢2通过高强螺栓8锚固于底板上;
再次,角钢2与槽钢3及槽钢3与槽钢3之间通过高强螺栓8固定,形成模型箱外围稳定的框架结构;
从次,按照试验需求,通过拐角有机玻璃模块直角榫头Ⅱ44及常规有机玻璃模块直角榫头Ⅱ54的与钢底板1的凹槽12的卯榫结合,使底层透明的挡土面板固定于钢底板1上;
最后,通过拐角有机玻璃模块4和常规有机玻璃模块5自身榫头与凹槽的相互组合,从而组合成模型箱透明的挡土面板;
另外,根据试验需求,在合适的位置用拐角功能模块6替换拐角有机玻璃模块4,用常规功能模块7替换常规有机玻璃模块6。
如图15~17所示,本实施例的全透明可三维调整尺寸装配式多功能岩土工程模型箱应用于隧道开挖对桩基影响的大型岩土模型试验的流程,包括以下步骤:
S1、根据试验需求,确定模型箱尺寸;
S2、组装图15所示的全透明可三维调整尺寸装配式多功能岩土工程模型箱,其中在透明的挡土面板中部把两块常规有机玻璃模块5换成常规功能模块7,目的在于提供隧道开挖的空间;
S3、常规功能模块7内侧粘贴一层塑料薄膜,以防止填土时土体流失;
S4、在模型箱里分层填土;
S5、进行填土夯实至合适高度,埋置桩基模型92,安装相关测量设备位移计、土压力传感器等,试验准备完成后即可开始隧道开挖;
S6、通过常规功能模块7预留的圆孔71进行隧道开挖;
S7、随着隧道开挖,逐节推进隧道模型91;
S8、隧道开挖的同时,采集桩基试验模型的应力、变形数据,拍摄记录模型箱中内部桩基模型92和隧道模型结构91的变形及其周围土体的变化,直至隧道穿过整个模型箱,至此,隧道模型91从模型箱另一端的常规功能模块7穿出;
S9、开挖填土,取出试验模型,拍摄试验模型的最终形态;
S10、逐层拆除模型箱,清理场地,试验结束。
如图18所示,本实施例的全透明可三维调整尺寸装配式多功能岩土工程模型箱应用于地表堆载对已建地铁隧道影响的大型岩土模型试验流程,包括以下步骤:
S1、根据试验需求,确定模型箱尺寸;
S2、组装图16所示的全透明可三维调整尺寸装配式多功能岩土工程模型箱,其中在透明的挡土面板中部把两块常规有机玻璃模块5替换成常规功能模块7,目的在于通过该圆孔引出采集隧道数据的数据线;
S3、常规功能模块7内侧粘贴一层塑料薄膜,以防止填土时土体流失;
S4、在模型箱里分层填土;
S5、进行填土夯实至合适高度,埋置隧道模型91,安装相关测量设备位移计、土压力传感器等,数据线从通过常规功能模块7预留的圆孔71引出,材料设备安装完成后继续填土夯实至试验实际高度;
S6、通过在土层表面逐层加载铁片93,模拟隧道上方堆载;
S7、加载铁片93的同时,采集隧道模型91的应力、变形数据,拍摄记录模型箱中内隧道模型结构91的变形及其周围土体的变化,直至隧道破坏;
S8、开挖填土,取出试验模型,拍摄试验模型的最终形态;
S9、逐层拆除模型箱,清理场地,试验结束。
综上,本发明为全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,该模型箱能够根据试验需要实现纵向、横向及铅直方向三维调整模型箱尺寸。另外,该模型箱挡土面板全透明,有利于实现模型箱内部试验模型结构变形及其周围土体变化的全过程可视化。
以上所述,仅为本发明专利较佳的实施例,但本发明专利的保护范围并不局限于此,例如功能模板根据不同隧道结构形式更改成矩形孔、马蹄形孔等等。任何熟悉本领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内,根据本发明专利的技术方案,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,都属于本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:该模型箱包括钢底板(1)、四周围成一体透明的挡土面板和钢框架,钢底板(1)上设有用于挡土面板插入的网格状凹槽,挡土面板为装配式组合而成,挡土面板的底部能够依网格状凹槽拼接成多种正方形或长方形,紧挨挡土面板的外围设有固定于钢底板(1)的钢框架,钢底板(1)上设置有螺栓孔,用于固定钢框架。
2.根据权利要求1所述的全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:钢框架包括角钢(2)和槽钢(3),其装配位置设有螺栓孔,通过高强螺栓(8)相互之间固定,形成模型箱外围稳定的框架结构。
3.根据权利要求2所述的全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:所述角钢(2)全部为竖直设置,所述槽钢(3)全部为水平设置。
4.根据权利要求3所述的全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:所述角钢(2)的底部焊接着方形小钢板,所述方形小钢板上设有螺栓孔,通过高强螺栓(8)把角钢(2)固定于钢底板(1)上。
5.根据权利要求1所述的全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于:所述挡土面板,包括两类装配式组件,分别为拐角有机玻璃模块(4)和常规有机玻璃模块(5),所述的拐角有机玻璃模块(4)与常规有机玻璃模块(5)的上下侧边都分别设置了榫头和凹槽,常规有机玻璃模块(5)的左右侧边也分别设置了榫头和凹槽,拐角有机玻璃模块(4)的左右侧边之一设置了榫头,另一侧边的一侧面设有凹槽,利用榫头与凹槽相互组合,从而组合成透明的挡土面板。
6.根据权利要求5所述的全透明的可三维调整尺寸的装配式多功能岩土工程模型箱,其特征在于挡土面板还包括两类功能模块,分别为拐角功能模块(6)和常规功能模块(7),分别与拐角有机玻璃模块(4)与常规有机玻璃模块(5)相似,同样由有机玻璃材料制成并且设置了卯榫结构,不同点在于在拐角功能模块(6)和常规功能模块(7)中部留有圆孔。
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