CN1696417A - 城市地下工程模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

一种城市地下工程模拟试验系统，包括模拟箱、加载装置、加载油路系统、地下水模拟系统和数据采集系统。模拟箱内设有水平加载板，在水平加载装置驱动下可水平移动对模拟材料水平加载，垂直加载装置可对模拟材料垂直加载。模拟箱内设有若干层水平进水管，根据地下工程地下水的实际情况分别模拟不同含水层地下水位与水压，进行地下水影响试验。模拟箱内空尺寸为8立方米，可进行大比尺模拟试验。因而，本系统具有可实现完全真三维液压加载、大比尺模拟、水土耦合模拟、自动加载与数据采集以及通用性强、功能多等显著优点，可以实现多种城市地铁工程、隧道及地下洞室工程、地基及基础工程、特殊地下施工方法、边坡工程、挡土结构等的三维模拟试验。

Description

城市地下工程模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种城市地下工程模拟试验系统，特别适用于对地铁工程、隧道及地下洞室工程、基础工程、特殊地下施工方法、边坡工程、挡土结构等地下工程进行模拟试验。

本发明的城市地下工程模拟试验系统是中国矿业大学(北京)岩土工程“国家重点学科”的国家211工程建设项目成果。

背景技术

目前，国内大多数的模拟试验台装置都是针对特定的工程而专门设计研制的，只能模拟某一类型的地下工程，就是说，现在的模拟试验系统不具有通用性。比如，湖南大学研究了桥基产生的大变形条件下桩土共同作用，模拟箱尺寸为1200×600×1000mm³；清华大学水利学院在水电站地下洞室试验方面进行的研究，仿真模拟了洞室群施工开挖过程；长江科学院进行了砂基中泥浆盾构法隧道施工开挖面稳定性的试验研究，以南水北调中线穿黄工程隧道方案为研究对象，模拟箱由厚60mm的钢板焊接而成，内腔尺寸为850×850×1000mm³。这些已经建成的模拟试验系统，或是模拟箱体太小，或是太拘泥于某一实际工程，不具有通用性；而且，无法实现真三维加载，也不能同时实现对地下水影响的模拟。

发明内容

本发明人研制的复杂多变环境下城市地下工程相似模拟试验系统，克服了国内现有模拟试验装置的单向加载、无法实现地下水模拟、通用性差的不足。本发明的城市地下工程模拟试验系统在考虑方便的前提下，采用了尽可能大的真三维加载的模拟箱(2000×2030×2030mm³)，在通用性、真三维加载以及考虑水土耦合作用方面，本试验系统填补了国内空白，达到了国内领先水平。

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点与不足，提供一种城市地下工程模拟试验系统，为复杂的城市地下工程建设设计与施工提供合理、准确的试验依据。它尤其克服了我国已有模拟试验装置的下列不足：比如，装置箱体尺寸太小，不能真实地模拟复杂城市地下工程的实际状况，或是试验装置仅拘泥于某一实际工程，使得试验结果不具有可比性，难以获得具有普遍意义的结论与试验依据。本发明的模拟试验系统可以实现几乎所有城市地下工程方面的物理模拟试验，具有良好的通用性；同时，采用真三维加载的模拟箱体与液压加载设备，克服了传统试验台装置的单向加载、不能准确模拟地下工程的设计荷载工况的不足。本发明的模拟试验系统还具有良好的可扩展性，可以在此基础上增加相应制冷设备实现冻结法施工模拟等更多复杂功能；而且，还实现了水土耦合作用模拟，可以考虑地下水对工程的影响。然而，这几方面是目前同类物理模拟试验所不具备的。另外，本发明的各连接板以及其它大多数部件之间的连接都采用可拆卸联接，比如螺栓，从而满足了易拆装易搬迁的要求。

本发明的城市地下工程模拟试验系统包括模拟箱、加载装置、加载油路系统、地下水模拟系统和数据采集系统。其中，模拟箱内用于容纳模拟试验的模拟材料，加载装置安装在模拟箱上用于对模拟材料进行加载，加载油路系统用于向加载装置提供加载所需的液压动力，数据采集系统用于从模拟箱中的地下工程结构和模拟材料采集和处理试验数据。

模拟箱是整个模拟试验系统的主体，是容纳模拟试验所有相似材料的容器。它是一个顶面开口的密闭钢箱，由内、外两层箱体构成，其水平横截面为正方形或矩形。

内层箱体是由钢板形成的一个顶面开口、其它五面密封的立方体容器，四个侧面和底面采用钢板连续密封焊接。另外，与其中两个相邻侧面平行地设有相邻的两个可水平移动的减摩式水平加载板，以便对模拟箱内的相似材料进行水平加载。而且，在两水平加载板相接处的空隙位置设有橡胶板或帆布进行柔性连接，以满足加载板自由运动与挡土的需要。

但是，考虑到试验时的荷载较大且加载时间长，所以特地在内层箱体的外周都水平铺设开口向外的横向槽钢，槽钢与槽钢之间都由螺栓连接为一个整体，从而构成外层箱体。上述横向槽钢与内层箱体没有连接。其中，内层箱体内的减摩式水平加载板用于在水平移动时实现对相似材料的水平加载，四个固定的侧面钢板以及外层箱体作为水平加载时的反力装置。

加载装置是给水平向和垂直向油缸提供反力的装置，包括水平加载装置和垂直加载装置。

在模拟箱外层箱体的四个侧面的每个侧面上，各安装有两根垂直的钢柱，每根钢柱的下端与预埋在模拟台基础中的连接钢板用螺栓连接。这八根钢柱最大程度地提高了三维模拟箱的刚度。其中，在与内层箱体内的两侧可水平移动减摩式水平加载板相对应的外层箱体上所安装的四根垂直钢柱上，分别安装有多条(比如两条或两条以上)水平向油缸。水平向加载油缸通过其活塞杆端的圆法兰与上述水平加载板相连，实行水平加载。可以是单向水平加载，也可以是双向水平加载。上述垂直钢柱则用作模拟箱的反力装置。这样，即构成水平加载装置。

在模拟箱的顶面，由钢梁纵横交错地组成一个井字型结构的垂直加载装置，在井字钢梁的所需位置上设置有合适数量的垂直向加载油缸，井字钢梁与上述垂直钢柱的上端通过螺栓连接，从而使整个钢架构成一个三维空间结构，能够为油缸提供足够的反力，是三维加载安全顺利的有力保障。这些垂直向油缸能够通过活动连接于其下端部的可移动的传力架及垂直加载板，对模拟箱内的相似材料实现垂直加载。

所以，整个加载装置是由垂直钢柱、井字钢梁、水平向和垂直向加载油缸以及水平和垂直加载板等组成的。

可见，本系统不仅可以实现常规的单向或双向加载，而且能够实现完全的真三维加载。

加载油路系统是整个模拟试验系统的荷载来源，全部采用液压自动加载，由液压管道和控制阀门等组成，并连接至上述加载油缸和液压源(泵站)。水平向和垂直向油缸不仅可以多缸联动加载还可以单缸加载，这就为在试验系统中进行多种不同地下工程的模拟试验提供了条件，同时从另一方面体现了本模拟试验系统极强的通用性。油路系统采用自动化控制阀门开闭，只需通过相应按钮就可以方便地控制所有油缸。另外，所有油缸都采用高强螺栓与模拟台的承力架相连，方便维修和拆装。

数据采集系统是收集和处理试验数据的部分，通过它获得试验数据、图形及回归函数。所采用的数据采集系统是电阻式和振弦式两种传感器以及相应的数据采集仪(比如，TDS-303数据采集仪)，均采用计算机控制自动采集，具有很好的精度和灵活性。高性能的数据采集系统保证了试验数据传输的可靠性。

地下水模拟系统是本模拟试验系统的一大特色，由进水管、阀门和水平排水管及高压水泵组成。在模拟箱内形成进水管路，沿箱体高度可以设置若干层(1～6层)水平进水管，可以根据地下工程的地下水的实际情况分别模拟不同的含水层地下水位与水压，如上层滞水、承压水的影响。每层进水管都有一个阀门控制进水流量与进水速度。

另外，为了有利于实现模拟系统的方便、直观和通用性强的目的，本发明的模拟试验系统还可以包括其它组成部分，比如观察孔。在没有安装水平向加载油缸的两侧内外层箱体上可以设置多个观察孔，这不仅增强了模拟试验的直观性，还在很大程度上提高了模拟试验系统的通用性。可以根据要求开不同的孔洞，而将观察孔的有机玻璃作为地下洞室的开挖起始面。例如，通过每个观察孔可以挖出单一隧道，多观察孔能模拟两条或多条相交隧道的复杂地铁工程等。

本发明的城市地下工程模拟试验系统具有以下突出的实质性特点和显著的技术进步：

1.可以进行大尺度的模拟试验

本试验系统依据相似模拟理论确定模拟箱尺寸，可进行大比尺模拟试验，其模拟箱的内空尺寸为8立方米，是目前我国最大尺寸的、率先实现真三维加载的城市地下工程模拟试验系统。

2.操作使用方便

本试验系统采用液压加载装置加载，通过液压油路控制台可以完全实现加卸载自动控制，每组油缸可以同步动作也可以分别按照需要单独动作，极大地提高了系统的操控性。

3.观测直观

本试验系统的数据采集系统选用国际先进的采集仪器(TDS-303数据采集仪)，完全实现了多点自动化采集，并由计算机直接分析输出结果。

4.对城市地下工程试验具有很强通用性

本试验系统可以实现多种城市地铁工程、隧道及地下洞室工程、地基及基础工程、特殊地下施工方法、边坡工程、挡土结构等的三维模拟试验，而不是单一的某类城市地下工程。

5.对复杂多变环境下城市地下工程试验的适应性强

本试验系统的强适应性表现在：它实现了完全真三维液压加载，而且还可进行地下水影响的试验，模拟水土耦合作用对地下工程的影响。这两方面都是我国现有物理模拟试验台装置所不能实现的。

6.具有良好的可扩展性

本试验系统装置具有良好的可扩展性，可以在此基础上增加相应制冷设备以实现冻结法施工模拟、地下工程特殊施工方法的更多复杂功能。

附图说明

图1是本发明模拟试验系统的模拟箱的水平断面图；

图2是本发明模拟试验系统的1-4立面图；

图3是本发明模拟试验系统的A-D立面图；

图4是本发明模拟试验系统的垂直加载装置的俯视图，示出了构成垂直加载装置的各钢梁的组合结构；

图5是本发明模拟试验系统的地下水模拟系统的供排水原理图。

图中：

1.内层箱体1号板        2.内层箱体2号板       3.内层箱体3号板

4.内层箱体4号板        5.钢柱                6.横向槽钢

7.减摩式水平加载板     8.水平向加载油缸      9.内层箱体加强钢板

10.采集线出口          11.进水管             12.排水管

13.橡胶板或帆布        14.模拟台基础         15.基础垫层

16.模拟箱底板          17.上连接板           18.下连接板

19.观察孔              20.与钢柱连接的螺栓孔

21.基础连接钢板        22.钢柱外侧加强筋板

201.垂直加载主梁       202、203、204.垂直加载边次梁

具体实施方式

下面结合附图对本发明模拟试验系统的具体实施例进行进一步详细的描述。

整个模拟试验系统包括模拟箱、加载装置、加载油路系统、地下水模拟系统和数据采集系统。

图1是本发明模拟试验系统的模拟箱的水平断面图，图2和图3分别是模拟试验系统两个立面1-4和A-D的立面图。

如图1所示，模拟箱是用于容纳模拟试验所有相似材料的容器，是一个顶面开口的钢箱，由内、外两层箱体构成，其水平横截面为正方形。

内层箱体是一个顶面开口、其它五面密封的立方体容器，四个侧面即1号板1、2号板2、3号板3和4号板4以及底面采用钢板连续密封焊接。

另外，在内层箱体的内部，与上述其中两个相邻侧面钢板平行地设有相邻的两块减摩式水平加载板7，它们可以沿箱体的水平轴线向内和向外水平移动，用于对模拟箱内的相似材料进行水平加载。而且，在两水平加载板7相接的空隙处设有橡胶板或帆布13等类似材料进行柔性连接，以满足加载板自由移动与挡土的需要。

由于地下工程所研究的对象大多为土等散体材料，而且本模拟试验系统还要考虑地下水的影响，所以模拟箱的箱体四周必须是密封的，故选择钢板连续焊接制成模拟箱。

但是，考虑到试验中的荷载较大且作用时间会很长，若单纯利用钢板来提高箱体刚度和减少变形，则钢板需要很厚，这既不经济也不便于安装。于是，如图1和2所示，本发明在内层箱体的外部四周水平铺设有开口向外的横向槽钢6，无论是在上下方向还是水平方向，相邻槽钢6之间都由螺栓连接(比如利用双面打孔的角钢连接)，从而形成一个整体而构成外层箱体。横向槽钢6与内层箱体没有连接。

外层箱体作为加载时的反力装置，同时起到容器的作用。

可见，模拟箱利用横向槽钢既增加了刚度，减少了变形，使模拟箱具有良好的受力状况，又易于安装拆卸，为维修或搬迁提供了便利条件，并可满足密闭要求。

优选地，可以选择10～30mm厚的钢板作为模拟箱的上述1、2、3、4号板，横向槽钢可以选择18号以上槽钢。

本发明的加载装置包括水平加载装置和垂直加载装置。

如图1和2所示，在模拟箱外层箱体的四个侧面上，每个侧面均安装有两根垂直的钢柱5，每根钢柱5的下端与预埋在模拟台基础14中的连接钢板(约10～30mm厚)21用螺栓连接。在上述横向槽钢6的开口对着钢柱5的部位，封焊若干连接钢板实现槽钢6与钢柱5的螺栓连接。这八根钢柱最大程度地提高了三维模拟箱的刚度。其中，在与上述减摩式水平加载板7相对应的外层箱体上所安装的四根垂直钢柱5上，分别安装有两条(或两条以上)水平向加载油缸8，油缸8从组成钢柱5的一对槽钢的腹板间穿过。水平向油缸8通过其活塞杆端的圆法兰与上述减摩式水平加载板7相连，实行水平加载。每块水平加载板可连接2～8条加载油缸8，油缸既可联动亦可单独动作。水平加载可以是水平单向(即XYZ坐标系的X轴向或Y轴向)加载或者是水平双向(即XYZ坐标系的X轴向和Y轴向)加载。上述垂直钢柱5用作模拟箱的反力装置。这样，即构成了水平加载装置。此外，钢柱5的外侧通长上还等间距地加焊有一定厚度和宽度的加强筋板22，以加强钢柱的整体性并减少焊接变形，其内侧用螺栓与横向槽钢、钢梁连接为整体。

如图2所示，在模拟箱的顶面安装所述垂直加载装置。

如图4所示，垂直加载装置包括一个由钢梁纵横交错地构成的井字型加载架。加载架(即“井字钢梁”)由两根通长槽钢梁(即垂直加载主梁)201和六根短槽钢梁(即垂直加载边次梁)202、203、204组成，长短钢梁用螺栓相互连接，每根钢梁均由两根槽钢背对背开口向外组合而成。并且，如图2和3所示，在长短钢梁的四个十字形连接处均安装有上连接板17和下连接板18(也称“八角板”，共八块)，以加强加载架的刚度。

此外，组成钢梁的每对槽钢的腹板之间保留一定间距，以保证垂直向加载油缸能够从中穿过。

在井字钢梁的所需位置的上述间距内，安装有合适数量的垂直向油缸(图中未示出)。井字钢梁与上述垂直钢柱5的上端通过螺栓连接(见图4)，从而使整个钢架构成一个三维空间结构，为加载油缸提供足够的反力。这些垂直向油缸能够通过活动连接于其下端部的可移动的传力架及垂直加载板(未示出)，对模拟箱内的相似材料实现垂直加载。

可以设置4～16条垂直加载油缸，每条油缸的额定荷载为0～25T，试验时根据不同荷载情况合理选用。

通过增大被焊接在钢柱上端的用于连接井字钢梁的连接板的长度，或者上下调节钢梁在钢柱上端的安装位置，即可实现井字钢梁在钢柱上端不同高度的调节。比如，在钢柱上端的上述连接板上设置若干排螺栓孔，视试验需要，可以调整井字钢梁的安装高度。

可见，整个加载装置是由垂直钢柱5、井字钢梁、水平向加载油缸8和垂直向加载油缸以及水平和垂直加载板等组成的。

从上面的结构描述可知，本模拟试验系统的各部分连接形式首先要满足强度要求，其次要考虑易于拆装与维修，所以试验系统中的连接多采用可拆卸的螺栓连接，必须用焊接的也都采用先焊接有连接板而后再用螺栓连接的方法，其中包括钢柱与地基的连接、钢柱与钢梁的连接、横向槽钢间的连接以及横向槽钢与钢柱的连接均采用这种连接形式。钢柱5与模拟基础14、钢柱5与钢梁的连接都采用先把槽钢焊接在一块连接钢板上，然后通过螺栓把连接钢板连接起来。钢梁与钢柱的连接采用的是10～20mm厚的连接钢板。因为，螺栓联接有利于增强系统的灵活性和通用性。

本发明的加载油路系统全部采用液压自动加载，由液压管道和控制阀门等组成，并连接至上述加载油缸和液压源(泵站)，对加载油缸可以多缸联动加载也可以单缸加载。油路系统采用自动化控制阀门开闭，控制油缸方便。所有油缸都采用高强螺栓与模拟台的承力架相连，方便维修和拆装。另外，考虑到模拟箱的边长较大，土体模拟材料在三维加载情况下，虽然根据不同土质有所不同，但各方向压缩量应都在一定的范围内，故选择了合适的油缸行程。水平向油缸和垂直向油缸的缸径、杆径分别为φ60～100mm、φ30～70mm，缸体通长为350～700mm。

地下水对实际工程的影响是很重要的一个方面，而且地下工程的事故中大多数都与水的影响密不可分，但是由于在模拟试验中很难控制它，所以目前这方面鲜有研究。本模拟试验系统还设计了地下水模拟系统(参见图5)，能够模拟地下水的影响。

如图5所示，本发明的地下水模拟系统由进水管11、阀门和水平排水管12(见图1)及高压水泵组成。密封的模拟箱为实现模拟水土耦合提供了必要条件。在模拟箱内布设进水管路，沿箱体的不同高度可以设置比如1～6层水平进水管，提供水土耦合的水源。在模拟箱外为每层进水管都装有一个独立的阀门用以控制进水流量与进水速度。试验时，可以根据地下水的不同水位、不透水层位置来开关相应阀门，使模拟试验中水的影响逼近实际情况。可以根据地下工程的地下水的实际情况分别模拟不同的含水层地下水位与水压，如上层滞水、承压水的影响。另外，可以通过控制水泵压力与流量进而控制进水量和出水量，并由传感器来监测箱内模拟材料的饱和程度。

图3示出了多功能观察孔的设置。参见图3和图1，在没有安装水平向加载油缸8的两侧内外层箱体上可以设置若干观察孔19。这不仅增强了模拟试验结果的直观性，还在很大程度上提高了模拟试验系统的通用性。因为，观察孔外用有机玻璃板密封，试验时可以观察箱体中部模拟材料的变形情况。通过换装观察孔上的有机玻璃板，可提供隧道模拟中洞室开挖的起始端。例如，通过观察孔可以挖出(垂直)相交的孔洞而模拟地下隧道。再如，设置两个观察孔便于实现地铁双隧道复杂交叉点工程的模拟。

观察孔的形状可以按照地下工程的断面形状设定，如圆形、矩形等，尺寸可以按照相似比确定。

由于观察孔的有机玻璃处没有横向槽钢，可以采用角钢框架提高这部分的刚度，框架竖向角钢肢正好顶在钢柱的腹板上。

下面简述本发明城市地下工程模拟试验系统的使用过程。

首先，将取样的土体(或其他模拟材料)装入试验系统的模拟箱中，并将事先准备好的地下工程结构(如桩基试验的桩体、地铁隧道的管片等)及其他传感器设备埋入土体中。把试验所需的各种导线一端埋入土体与应变片及其他传感器设备等仪器相连，一端和试验系统的数据采集仪器相连。埋设好各种仪器后，对地下工程结构(如试验桩体)进行预压。预压结束后，接着地下工程结构进行加压受荷，并利用采集仪器对试验数据进行记录，并对得到的试验现象、数据进行分析，获得复杂多变环境下城市地下工程的设计、施工与监测的试验依据，指导复杂地下工程的设计与工程建设。

Claims (12)

1.一种城市地下工程模拟试验系统，包括模拟箱、加载装置、加载油路系统和数据采集系统，其中，模拟箱内用于容纳模拟试验的模拟材料，加载装置安装在模拟箱上用于对模拟材料进行加载，加载油路系统用于向加载装置提供加载所需的液压动力，数据采集系统用于从模拟箱中的模拟材料采集和处理试验数据，其特征在于：

所述模拟箱内设有可水平移动的水平加载板(7)，所述加载装置包括水平加载装置和垂直加载装置；

所述水平加载板在水平加载装置的驱动下可以水平单向或双向移动，对模拟材料进行水平加载，所述垂直加载装置可对模拟材料进行垂直加载，从而实现三维加载。

2.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于：还包括地下水模拟系统，它具有进水管(11)、排水管(12)和高压水泵，在模拟箱内沿箱体高度设置若干层水平进水管，每层进水管都设有一个阀门用以控制进水流量与流速，从而根据地下工程的地下水的实际情况分别模拟不同的含水层地下水位与水压，实现水土耦合模拟。

3.根据权利要求1或2所述的模拟试验系统，其特征在于：所述模拟箱是一个顶面开口的密封钢箱，由内、外两层箱体构成；

内层箱体是一个立方体容器，四个侧面和底面采用钢板连续密封焊接；所述水平加载板(7)为相邻的两块，它们设置在内层箱体内并与其两个相邻侧面平行，在两水平加载板(7)相接处设有橡胶板(13)或柔性帆布；

外层箱体设置在内层箱体的外部四周用于支撑和增强内层箱体，由水平铺设的开口向外的横向槽钢(6)相互可拆卸地连接构成一个整体。

4.根据权利要求3所述的模拟试验系统，其特征在于：所述水平加载装置包括：在所述外层箱体的每个侧面上安装有两根垂直钢柱(5)，并在与所述水平加载板(7)相对应的其中四根垂直钢柱上安装有多条水平向加载油缸(8)；所述水平向加载油缸通过其活塞杆端的圆法兰与所述水平加载板(7)相连实行水平加载。

5.根据权利要求4所述的模拟试验系统，其特征在于：所述模拟箱的顶面开口被所述垂直加载装置封闭；所述垂直加载装置是由钢梁纵横交错而构成的一个井字钢梁，井字钢梁的适当位置上安装垂直向加载油缸，垂直向加载油缸的下端部设有可移动的传力架及垂直加载板，通过所述垂直加载板对模拟材料实现垂直加载；井字钢梁与上述垂直钢柱的上端采用可拆卸连接。

6.根据权利要求4或5所述的模拟试验系统，其特征在于：所述水平向和垂直向加载油缸既可以多缸联动加载也可以单缸动作加载。

7.根据权利要求4或5所述的模拟试验系统，其特征在于：每根垂直钢柱(5)和井字钢梁均由两根开口向外的槽钢组合而成，每对槽钢腹板之间保留一定间距，以供所述加载油缸从中穿过。

8.根据权利要求5所述的模拟试验系统，其特征在于：所述井字钢梁由两根通长槽钢梁(201)和六根短槽钢梁(202、203、204)组成并用螺栓相互连接，在长短梁的各连接处均安装有上连接板(17)和下连接板(18)以增强钢梁刚度。

9.根据权利要求4或5所述的模拟试验系统，其特征在于：所述钢柱(5)外侧加焊有加筋板(22)，每根钢柱的下端与预埋在模拟台基础(14)中的连接钢板(21)用螺栓连接。

10.根据权利要求5所述的模拟试验系统，其特征在于：所述井字钢梁在垂直钢柱(5)上端的安装高度可以调节。

11.根据权利要求1或2所述的模拟试验系统，其特征在于：在模拟箱的侧面上还设有观察孔(19)，可将观察孔作为模拟地下洞室的开挖起始面，以实现多隧道交叉的复杂地下工程模拟试验。

12.根据权利要求1或2所述的模拟试验系统，其特征在于：所述数据采集系统包括电阻式和振弦式两种传感器以及相应的数据采集仪，均采用计算机控制自动采集，可获得试验数据、图形及回归函数。

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