CN112816659A - 一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，具体为：异形截面铝型材长方体形框架为可拆卸装配式结构，该框架内部固定透明有机玻璃板，玻璃板可预留各种形态隧道进出口，以用于大型复杂交叉叠层隧道试验；完整有机玻璃板可用作明挖地铁车站等岩土工程试验；框架体系边界刚度可通过加固立柱数量和位置实现灵活调整，还可与振动台连接，实现振动荷载试验。本发明质量轻，拼装拆卸简易，易搬运，省时高效；能实现试验可视化；且装配式框架可重复使用，可灵活改变框架体系，满足多种多工况试验，大大降低了试验成本。

Description

一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱

技术领域

本发明涉及土木工程试验设备技术领域，尤其是涉及一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱。

背景技术

随着地下空间开发的蓬勃发展，立体化地下开挖工程逐渐出现，如日本东京地铁四孔麻花型重叠隧道、新加坡四孔重叠公路隧道，成都市锦城广场地铁换乘车站基坑开挖等。对于复杂地层的大型地下工程施工，现有的岩土理论分析方法无法完全满足设计需求，往往需要借助试验进行分析。作为科研研究和指导施工，现场试验相对模型试验而言，其成本大、周期长，且不具有可重复性。模型试验可以通过比例缩小模型尺寸，采用现场土体进行试验，实现参数及工程条件的可控，得到实际工程的相关规律，并具有可重复性。

关于大型地下工程开挖施工模型箱设计，现有的常规模型箱功能单一，且大部分采用焊接一体化，装配拆卸困难，不能对箱体尺寸进行便捷调整，无法适应复杂的物理模型试验需要。此外，从成本和便捷角度考虑，有时需对模型箱尺寸和结构进行迅速调整，且需保证模型箱的材料可拆卸反复使用。另外，现有的模型箱所采用的材料多为实体型钢和钢板焊接组合，导致模型箱结构笨重，不易人工搬运，且无法透过钢板观察隧道及土体的变化效果，不利于相关研究。

在实际大型地下开挖工程中，比如长大隧道不能完全一次性模拟，多考虑为局部段研究，由于不同里程的多隧道交叉叠层形式不一，需要根据情况设计多个模拟试验。目前的模型箱中，一个模型箱只能用于一项实验，多个试验段则需要制作多个模型箱，耗时费力也不经济。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的问题而提供一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，旨在采用超轻镂空铝材构件实现灵活快速组合装配拆卸，组合形成不同形态、不同刚度的岩土试验箱，以适用于各种复杂的大型地下工程开挖试验。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，所述模型箱由若干铝型材横梁、若干铝型材立柱、若干铝型材连接件、若干高透明有机玻璃板、若干高强化学螺栓组、模型箱底板、测试设备固定架、测压管、防水密封条和万向轮拼接而成。

进一步的，所述铝型材横梁，包括80mm铝型材横梁、40mm铝型材主体横梁、40mm铝型材加固横梁和测试设备固定横梁，均带有螺栓固定滑槽，实现装配式模型箱框架快速组合形成框架结构，并通过40mm铝型材加固横梁和40mm铝型材加固立柱数量调整模型试验所需要的边界刚度。

进一步的，所述铝型材立柱，包括测试设备固定立柱、80mm铝型材转角立柱和40mm铝型材加固立柱，均带有螺栓固定滑槽，实现装配式模型箱框架快速组合形成框架结构，并通过40mm铝型材加固立柱数量调整模型试验所需要的边界刚度。

进一步的，所述铝型材连接件，包括40mm铝型材与80mm铝型材连接件、40mm连接件、80mm连接件和测试设备连接件，用于铝型材多个构件之间的联系。

进一步的，所述铝型材构件，通过螺栓固定滑槽可以沿滑槽纵向移动，例如40mm铝型材加固立柱根据预留隧道进出口调整位置。

进一步的，所述高透明有机玻璃板，包括高透明有机玻璃侧板和高透明有机玻璃正板，采用的是10mm厚高强度高透明亚克力板材料，方便制作各种复杂预留隧道进出口，适应不同关系的多隧道断面设计。

进一步的，所述高透明有机玻璃板，包括高透明有机玻璃侧板和高透明有机玻璃正板，不预留开孔，可为大型复杂明挖基坑或者地铁换乘车站施工试验。

进一步的，所述高强化学螺栓组，包括螺钉和螺母，螺母是可放置在螺栓固定滑槽中滑动，适应不同螺栓孔的位置。

进一步的，所述模型箱底板，采用的是10mm的钢板。

进一步的，所述测试设备固定架，包括测试设备连接件、测试设备固定横梁和测试设备固定立柱，用于固定各种测试设备，例如测压管。

进一步的，所述防水密封条，填塞高透明有机玻璃板及模型底板之间的空隙，防止模型箱漏土漏沙漏水。

进一步的，所述万向轮，包括万向轮螺栓、万向轮转向架、万向轮支撑框架、万向轮制动器、万向轮轮轴和万向轮轮子，通过万向轮螺栓与模型箱底部80mm铝型材横梁连接，实现模型箱易搬运。

本发明的有益效果是：

(1)本发明结构构件均由超轻镂空铝型材预制，质量轻便，拼装拆卸简易，实现了省时高效；配有测试设备固定架和万向轮，方便测试及搬运；配置高透明有机玻璃实现围岩结构变形可视化；配置防水密封条，实现模型结构紧密性。

(2)本发明可以通过变更有机玻璃板的预留隧道进出口形状，调整相关加固立柱位置进行组合不同形态的模型箱，实现多工况试验。其中，框架体系重复使用，大大降低了成本。

附图说明

图1为本发明考虑叠层隧道的整体结构示意图。

图2为本发明考虑交叉隧道的结构示意图。

图3为本发明考虑地铁车站明挖施工的结构示意图。

图4为本发明图1的整体结构铝制框架示意图。

图5为本发明图4底部直角拼接示意图。

图6为本发明图4顶部直角拼接示意图。

图7为本发明40mm连接件结构示意图。

图8为本发明80mm连接件结构示意图。

图9为本发明40mm铝型材与80mm铝型材连接件结构示意图。

图10为本发明底部万向轮结构示意图。

图中：1-万向轮，2-80mm(铝型材)横梁，3-40mm(铝型材)与80mm(铝型材)连接件(板件)，4-40mm连接件(L形)，5-40mm(铝型材)加固横梁，6-高透明有机玻璃侧板，7-测试设备连接件(板件)，8-隧道结构模型(圆筒形)，9-(高强化学)螺栓，10-防水密封条，11-测试设备固定横梁，12-测试设备固定立柱，13-测压管，14-(模型箱)底板，15-40mm(铝型材)上横梁，16-80mm(铝型材)转角立柱，17-预留隧道进出口，18-高透明有机玻璃正板，19-40mm(铝型材)加固立柱，20-80mm连接件(L形)，21-螺栓固定滑槽，22-基坑，23-填土，1-1-(万向轮)螺栓，1-2-(万向轮)转向架，1-3-(万向轮)支撑框架，1-4-(万向轮)制动器，1-5-(万向轮)轮轴，1-6-(万向轮)轮子，9-1-螺钉，9-2-螺母。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及具体实施方法对本发明作进一步说明。参见图1、图4，一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，铝型材长方体形框架结构为：四根转角立柱16均为80*80mm正方形截面、且每个侧面上均有螺栓固定滑槽21，四根转角立柱16中相邻两根转角立柱的上部之间采用40mm连接件4通过螺栓9固定有一根40*40mm正方形截面，四个侧面上均设有螺栓固定滑槽的上横梁15，且上横梁与转角立柱二者的外表面齐平，四根转角立柱中相邻两根转角立柱的下部之间设置有一根80*80mm正方形截面、四个侧面上均有螺栓固定滑槽的下横梁2，下横梁上放置有一根40*40mm正方形截面、四个侧面上均有螺栓固定滑槽的第二下横梁，转角立柱16和下横梁以及第二下横梁三者的外表面齐平，第二下横梁与转角立柱之间采用40mm连接件4通过螺栓连接、该螺栓固定在第二下横梁和转角立柱二者的滑槽21上，40mm与80mm连接件3通过滑槽21内的螺栓固定在下横梁2和第二下横梁外表面；底板14通过下横梁底面滑槽内的螺栓固定在上述铝型材长方体形框架底部；铝型材长方体形框架内部四个侧立面上均设置高透明有机玻璃板；该有机玻璃板通过上横梁内测面上滑槽内的螺栓以及第二下横梁内侧面上滑槽内的螺栓固定；四根上横梁15中左、右两根上横梁上分别可移动地固定有一根测试设备固定立柱12：L形连接件通过螺栓固定在该立柱12与上横梁之间、且对应螺栓头分别卡套在该立柱12和上横梁15的螺栓固定滑槽之中；测试设备横梁11固定在该两根测试设备固定立柱12之上，测试设备连接件7固定在螺栓上，该螺栓头卡套在测试设备横梁11的螺栓固定滑槽之中。图1，图4中，连接件3、4、20都是采用螺栓固定在对应两个铝合金型材上，且螺栓头可移动地卡套在对应型材的螺栓固定滑槽之中。

本发明一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱由若干铝型材横梁、若干铝型材立柱、若干铝型材连接件、若干高透明有机玻璃板6(18)、若干高强化学螺栓组9、模型箱底板14、测试设备固定架、测压管13、防水密封条10和万向轮1组成。所述铝型材横梁，包括80mm铝型材横梁2、40mm铝型材主体横梁15、40mm铝型材加固横梁5和测试设备固定横梁11。所述铝型材立柱，包括测试设备固定立柱12、80mm铝型材转角立柱16和40mm铝型材加固立柱19。所述铝型材连接件，包括40mm铝型材与80mm铝型材连接件3、40mm连接件4、80mm连接件20和测试设备连接件7。所述高透明有机玻璃板6(18)，包括高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18。所述高强化学螺栓组9，包括螺钉9-1和螺母9-2。所述测试设备固定架，包括测试设备连接件7、测试设备固定横梁11和测试设备固定立柱12。

还具有40mm加固横梁5，该加固横梁5通过L形连接件采用螺栓固定在相邻两个转角立柱之间，且螺栓头卡套在对应转角立柱的螺栓固定滑槽之中。

测试设备连接件7为两个；还具有两个测压管13，两个侧压管分别安装两个测试设备连接件上、且测压管下部伸入模型箱内部。

万向轮1结构为：轮子1-6经轴承可转动地安装在轮轴1-5上，轮轴固定在支撑框架1-3上，支撑框架1-3固定在转向架1-2上，转向架设置在顶板底面上，制动器1-4设置在支撑框架上，顶板采用螺栓固定在所述长方体形框架底部。

具体使用时，以叠层隧道试验为例，模型箱搭建过程步骤如下：

步骤1：按设计图4，首先将模型底部80mm铝型材横梁2通过80mm连接件20拼装形成模型基座；接着将模型底部40mm铝型材主体横梁15通过40mm铝型材与80mm铝型材连接件3与基座拼装组合；然后将80mm铝型材转角立柱16通过40mm连接件4固定在基座上；最后通过40mm连接件4安装模型顶部40mm铝型材主体横梁15，完成模型箱框架装配。

步骤2：制作高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18，按设计要求切割预留隧道进出口17；接着通过高强化学螺栓组9将模型底板14、高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18固定至模型箱框架上；然后在模型底板14、高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18之间填塞防水密封条10；随后将两个以上的隧道结构模型8沿平行于长方体形框架的长边或宽边方向安装在对应的两个有机玻璃板上；或者，至少一个隧道结构模型8沿长方体形框架的长边方向安装在对应的两个有机玻璃板上，至少一个隧道结构模型8沿长方体形框架的宽边方向安装在对应的两个有机玻璃板上。最后根据预留隧道进出口17安装40mm铝型材加固立柱19和40mm铝型材加固横梁5。

步骤3：按设计图1安装测试设备固定架的测试设备连接件7、测试设备固定横梁11和测试设备固定立柱12，并根据需求在测试设备固定架上安装相应的测试设备，例如测压管13等；

步骤4：根据需要在模型箱底部安装万向轮1，调整万向轮制动器1-4固定整体模型滑动。

当模型箱试验多隧道并行叠层施工时，在上述步骤2中变更高透明有机玻璃正板18切割形状，适应所研究的多隧道并行叠层施工模型。

当模型箱试验多隧道近距交叉施工时，在上述步骤2中变更高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18切割形状，适应所研究的多隧道近距交叉施工模型。

当模型箱试验大型地铁换乘车站、明挖地铁、放坡基坑等岩土工程施做时，在上述步骤2中不对高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18作切割处理，不安装隧道结构模型8，保持完整玻璃板状态，保证试验箱密闭性，不漏沙漏水。

当模型箱试验渗流场作用下的大型地下工程开挖施工时，在上述步骤3中测试设备固定架上安装相应的测试设备，例如测压管13等。

当模型箱试验大型复杂地下工程在振动荷载下的响应特性时，在上述步骤4之后增加步骤5：通过高强化学螺栓组9将模型基座中80mm铝型材横梁2固定在振动台上，并对高透明有机玻璃侧板6和高透明有机玻璃正板18进行内边界处理，设置吸能垫层；振动荷载通过高强化学螺栓组9和模型基座中80mm铝型材横梁2传递至整个模型实现加载。

以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化案例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，铝型材长方体形框架结构为：四根转角立柱(16)均为80*80mm正方形截面、且每个侧面上均有螺栓固定滑槽(21)，四根转角立柱(16)中相邻两根转角立柱的上部之间采用40mm连接件(4)通过螺栓(9)固定有一根40*40mm正方形截面，四个侧面上均设有螺栓固定滑槽的上横梁(15)，且上横梁与转角立柱二者的外表面齐平，四根转角立柱中相邻两根转角立柱的下部之间设置有一根80*80mm正方形截面、四个侧面上均有螺栓固定滑槽的下横梁(2)，下横梁上放置有一根40*40mm正方形截面、四个侧面上均有螺栓固定滑槽的第二下横梁，转角立柱(16)和下横梁以及第二下横梁三者的外表面齐平，第二下横梁与转角立柱之间采用40mm连接件(4)通过螺栓连接、该螺栓固定在第二下横梁和转角立柱二者的滑槽(21)上，40mm与80mm连接件(3)通过滑槽(21)内的螺栓固定在下横梁(2)和第二下横梁外表面；底板(14)通过下横梁底面滑槽内的螺栓固定在上述铝型材长方体形框架底部；铝型材长方体形框架内部四个侧立面上均设置高透明有机玻璃板；该有机玻璃板通过上横梁内测面上滑槽内的螺栓以及第二下横梁内侧面上滑槽内的螺栓固定；四根上横梁(15)中左、右两根上横梁上分别可移动地固定有一根测试设备固定立柱(12)：L形连接件通过螺栓固定在该立柱(12)与上横梁之间、且对应螺栓头分别卡套在该立柱(12)和上横梁(15)的螺栓固定滑槽之中；测试设备横梁(11)固定在该两根测试设备固定立柱(12)之上，测试设备连接件(7)固定在螺栓上，该螺栓头卡套在测试设备横梁(11)的螺栓固定滑槽之中。

2.根据权利要求1所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述高透明有机玻璃板可依据叠层隧道相互间距位置关系进行切割预留隧道进出口(17)然后两个以上的隧道结构模型(8)沿平行于长方体形框架的长边或宽边方向安装在对应的两个有机玻璃板上；或者，至少一个隧道结构模型(8)沿长方体形框架的长边方向安装在对应的两个有机玻璃板上，至少一个隧道结构模型(8)沿长方体形框架的宽边方向安装在对应的两个有机玻璃板上，且上述沿长边方向安装的隧道结构模型与沿宽边方向安装的隧道结构模型以一定异面交叉角度或异面垂直方式设置。

3.根据权利要求1所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述高透明有机玻璃板不作切割处理，不安装隧道结构模型(8)，保持完整玻璃板状态，保证试验箱密闭性，不漏沙漏水，可用于大型地铁换乘车站、明挖地铁、放坡基坑等岩土工程施工试验。

4.根据权利要求1所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述两根40mm加固立柱(19)将中部两个预留隧道进出口与左、右两个预留隧道进出口分隔：加固立柱(19)与上横梁(15)和第二下横梁之间通过L形连接件采用螺栓连接固定，螺栓头分别卡套在对应上横梁或第二下横梁的螺栓固定滑槽之中；根据边界刚度需求增加40mm加固立柱(19)的数量，或根据预留隧道进出口调整40mm加固立柱(19)位置。

5.根据权利要求1所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述有机玻璃板内侧面设置有吸能垫层，以用作在振动载荷下的试验。

6.根据权利要求1所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，还具有防水密封条(10)，防水密封条(10)填塞在有机玻璃板(6、18)及底板(14)之间的空隙，防止模型箱漏土漏沙漏水。

7.根据权利要求1所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述底板(14)采用10mm钢板，所述有机玻璃板厚度为10mm，保证模型结构的强度；模型箱底部四个角位置下面安装有万向轮(1)，便于搬运。

8.根据权利要求7所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述万向轮(1)结构为：轮子(1-6)经轴承可转动地安装在轮轴(1-5)上，轮轴(1-5)固定在支撑框架(1-3)上，制动器(1-4)设置在支撑框架(1-3)上，支撑框架(1-3)固定在转向架(1-2)上，转向架(1-2)设置在80*80mm正方形截面横梁(2)底面上。

9.根据权利要求1～6任一权利要求所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，所述测试设备连接件(7)为两个；还具有两个测压管(13)，两个侧压管(13)分别安装两个测试设备连接件上、且测压管(13)下部伸入模型箱内部，以用作在考虑渗流场作用的岩土工程试验。

10.根据权利要求7所述的一种边界刚度可变的多功能装配式轻质岩土试验箱，其特征在于，还具有40mm加固横梁(5)，该加固横梁(5)通过L形连接件采用螺栓固定在相邻两个转角立柱之间，且螺栓头卡套在对应转角立柱的螺栓固定滑槽之中。

Images