CN206177607U - 一种隧道模型沉降与加载试验箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种隧道模型沉降与加载试验箱，所述试验箱体是由沉降底板以及设置在沉降底板两侧的可视支撑侧壁和设置在沉降底板两端的承重支撑侧壁组成的敞口型箱体结构；在试验箱体的外侧设置有可对试验箱体内试验模型施加荷载的加载装置；本实用新型所提供的隧道模型沉降与加载试验箱是将三向荷载与沉降平台融合，真实模拟隧道结构在地层缺陷、基础施工误差、上部不均匀荷载等作用下的隧道结构自身及接头的受力情况，同时通过在试验箱体外围安装水平和竖向的加载机构，使其具备施加三向荷载的功能，使试验过程中能够真实地模拟试验模型在土体中的变形情况，保证实验结果更精确。

Description

一种隧道模型沉降与加载试验箱

技术领域

本实用新型属于隧道工程研究技术领域，特别涉及一种隧道模型沉降与加载试验箱。

背景技术

目前，隧道模型试验箱多为三项加载试验设备，其不具有地基沉降模拟的功能，而一些隧道如沉管隧道、盾构隧道不仅需要考虑荷载的作用，还要考虑地基差异沉降对隧道结构的影响。以沉管隧道为例，在覆盖层顶部不均匀回淤、基础施工误差、运营后航道开挖卸荷、天然地基土性与厚度不连续、地震砂土液化等作用下均会导致沉管的不均匀沉降，而不均匀沉降会对沉管的结构和防水构成重大隐患。一般沉管下部地基可以分为人工地基和天然地基，在模型试验过程中还应当考虑到地基土性以及外部荷载对沉管受力的影响。

而目前已有沉降试验平台由多个额定载重几十到一百顿的电动机械千斤顶和等边三角形的钢筋混凝土面板，以及设置在千斤顶下部的矩形钢筋混凝土柱组成。千斤顶由一台电子计算机和PLC下位机控制，最大行程几十公分，控制精度为1mm。该种试验平台巨大，适合模拟大比例尺的路基、大坝、隧道等试验模型在地基差异沉降下的受力。大型模型试验的试验周期长，费用高，不适合一般性的隧道模型试验研究，其模型不容易控制，此外，一般的模型沉降试验平台仅具备地基沉降的功能，而不具备施加三向荷载的能力。

因此，需要开发一种具备地基差异沉降和三向荷载两种功能的隧道模型试验系统。

发明内容

为了克服现有技术中隧道模型试验箱所存在的技术缺陷，本实用新型提供了一种将三向荷载和沉降平台融合，既能模拟地基差异沉降作用，又可以施加三向荷载，使试验结构更精确，且操作精细、便于控制的隧道模型沉降与加载试验箱。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

该隧道模型沉降与加载试验箱，包括支架1以及安装在支架1上的试验箱体，所述试验箱体是由沉降底板2以及设置在沉降底板2两侧的可视支撑侧壁4和设置在沉降底板2两端的承重支撑侧壁3组成的敞口型箱体结构；在试验箱体的外侧设置有可对试验箱体内试验模型施加荷载的加载装置；

所述沉降底板2的结构是：在底盘2-1上加工有螺孔，螺孔内穿插顶升螺栓2-2，通过顶升螺栓2-2与设置在底盘2-1上方的沉降板2-4连接，在沉降板2-4上铺设有土工布2-5。

进一步，所述加载装置包括能够对试验模型施加轴向力或水平荷载的横向加载机构8和能够对试验模型施加竖向荷载的竖向加载机构6；所述横向加载机构8是水平安装的多个水平千斤顶8-1，水平千斤顶8-1的顶升端穿过承重支撑侧壁3延伸至试验箱体内；所述竖向加载机构6包括安装在试验箱体外侧的反力架6-1以及设置在反力架6-1横梁上的竖向千斤顶6-2。

进一步，所述水平千斤顶8-1的顶升端设置有与试验模型柔性连接的轴向位移约束部件。

进一步，所述竖向千斤顶6-2的顶升端安装有荷载板6-3。

进一步，所述可视支撑侧壁4是由可视支撑架4-1和安装在可视支撑架4-1内侧的玻璃板4-2组成，可视支撑架4-1是框架式结构，所述玻璃板4-2的厚度为2～3cm。

进一步，所述承重支撑侧壁3是由框架式结构的承重支撑架3-1和设置在承重支撑架3-1内侧的承重钢板3-2组成。

进一步，所述顶升螺栓2-2的底端设置有旋转标记和扳手2-3，顶升螺栓2-2的螺距是0.2～0.4mm，最大旋转行程为4～8cm。

进一步，所述沉降板2-4是由等边三角形结构的单板角点之间通过穿插钢丝铰接构成，顶升螺栓2-2的顶端支撑在邻接的6个单板的铰接点上。

进一步，所述单板的边长为10～15cm，厚度为0.6～0.8cm。

本实用新型所提供的隧道模型沉降与加载试验箱是将三向荷载与沉降平台融合，即利用顶升螺栓支撑由等边三角形结构的单板铰接构成的沉降板，通过旋转顶升螺栓的升降，即可控制沉降板的差异沉降，真实模拟隧道结构在地层缺陷、基础施工误差、上部不均匀荷载等作用下的隧道结构自身及接头的受力情况，同时通过在试验箱体外围安装水平和竖向的加载机构，使其具备施加三向荷载的功能，使试验过程中能够真实地模拟试验模型在土体中的变形情况，保证实验结果更精确，此外，本实用新型还可以通过可视支撑侧壁适时观察试验模型变形、变位或观测土层沉降，设计思路简单，作用机理明确，试验操作安全可靠，可以为同类地下结构(特别是盾构隧道和沉管隧道)的沉降模型试验提供良好的技术支撑，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1的沉降与加载试验箱结构示意图。

图2为图1的局部I放大图。

图3为图1的立面剖视图。

图4为图3的沉降板2-4结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行进一步说明，但是本实用新型不仅限于下述的实施情形。

实施例1

由图1～3中可知，本实施例的隧道模型沉降与加载试验箱是由支架1、沉降底板2、可视支撑侧壁4、承重支撑侧壁3、竖向加载机构6以及横向加载机构8组合构成。

其中，支架1是用于支撑整个试验箱体的支撑部件，试验箱安装在支架1上，本实施例的试验箱体为矩形箱体结构，内部尺寸可为2.1m×1.2m，是由沉降底板2、可视支撑侧壁4和承重支撑侧壁3组合成一个敞口型箱体结构。沉降底板2水平安装在支架1上，其是由底盘2-1、顶升螺栓2-2、扳手2-3、沉降板2-4以及土工布2-5组合构成，底盘2-1是一个矩形钢板与支架1焊接为一体，在底盘2-1上加工有螺孔，螺孔内穿插直径为4～6mm的顶升螺栓2-2，顶升螺栓2-2的螺距是0.2～0.4mm，最大旋转行程为4～8cm，在顶升螺栓2-2的底端安装有扳手2-3，便于旋转顶升螺栓2-2，模拟沉降效果，在顶升螺栓2-2的底端扳手2-3处还设置有旋转标记，每次旋转记下旋转圈数，即可计算出沉降值。在底盘2-1上方安装有沉降板2-4，使沉降板2-4与底盘2-1之间形成中空式结构。参见图4，本实施例的沉降板2-4是由边长为10～15cm的等边三角形单板在角点之间通过穿插钢丝铰接构成，沉降板2-4的厚度即单板厚度为0.6～0.8cm，顶升螺栓2-2的顶端正好顶在邻接的6个单板的铰接点上，由顶升螺栓2-2的升降带动支点周围的6块单板的沉降，并辐射邻接的其他单板，从而可真实模拟地基差异沉降。为了防止土体落入底盘2-1腔体内，在沉降板2-4上铺设有厚度为0.5～1mm左右的厚土工布2-5。

在底盘2-1长度方向的两侧边上焊接有可视支撑侧壁4，本实施例的可视支撑侧壁4是由可视支撑架4-1和安装在可视支撑架4-1内侧的玻璃板4-2组成，可视支撑架4-1是由1～2cm厚钢板焊接成矩形框架结构，在可视支撑架4-1的内侧安装有玻璃板4-2，玻璃板4-2厚度为2～3cm，方便适时观察试验模型变形、变位或观测土层沉降。

在底盘2-1宽度方向的两端处焊接有承重支撑侧壁3，承重支撑侧壁3由框架式结构的承重支撑架3-1和设置在承重支撑架3-1内侧的承重钢板3-2组成，承重支撑架3-1与可视支撑架4-1的结构相同，也是由1～2cm厚钢板焊接成矩形框架结构，主要是起到承接侧向压力起到支撑的作用即可，在承重钢板3-2上预留有安装口，在此安装口上水平安装有能够对试验模型施加轴向力或水平荷载的横向加载机构8，用以模拟土体的侧向压力。本实施例的横向加载机构8包括多个水平安装的水平千斤顶8-1，水平千斤顶8-1的额定载重为5～10t，为消除水平千斤顶8-1对结构物的约束，可在水平千斤顶8-1的顶升端与试验模型之间安装柔性金属波纹管8-2，作为轴向位移约束部件，波纹管的厚度为0.2～0.4cm。

在试验箱体外侧安装有能够对试验模型施加竖向荷载的竖向加载机构6，竖向加载机构6包括反力架6-1、竖向千斤顶6-2以及荷载板6-3，反力架6-1安装在试验箱体外侧即横跨可视支撑侧壁4，在反力架6-1的横梁上并列安装有2个竖向千斤顶6-2，竖向千斤顶6-2的额定载重为10～15t。为了使竖向荷载分布均匀，在竖向千斤顶6-2的顶升端安装有与沉降底板2平行的荷载板6-3，用以将竖向荷载分布均匀，以模拟试验模型顶部土体的压力。

在试验时，在试验箱体内的试验模型的底部即土工布2-5上铺设有模拟实际土体结构的垫层7。

本实施例的隧道模型沉降与加载试验箱既适用于盾构模型，也适用于沉管模型5，使用时，按照试验要求在试验箱体内堆填土体，试验模型上部按试验要求堆填土体，若试验土体高度超过试验箱体的高度，可采用竖向千斤顶6-2施加均布荷载的方式，模拟剩余部分的土体压力，侧向土体压力可以采用水平千斤顶8-1施加水平压力来模拟，通过旋转顶升螺栓2-2，带动沉降板2-4差异沉降，能够真实地模拟试验模型在地层缺陷、基础施工误差等作用下自身及接头的受力情况，并可通过可视支撑侧壁4的玻璃板4-2适时观察试验模型变形、变位或观测土层沉降等情况，

实施例2

本实施例的顶升螺栓2-2可以用小型千斤顶来替换，可与水平千斤顶8-1、竖向千斤顶6-2均通过与计算机连接的PLC下位机控制顶升距离。

此外，本实施例的水平千斤顶8-1的顶升端所设置的与试验模型柔性连接的金属波纹管8-2还可以用刚度较大的橡胶管来替换。

本实用新型不仅限于上述的实施情形，而且上述未作详细描述的连接方式或结构属于常规技术手段。

Claims (9)

1.一种隧道模型沉降与加载试验箱，包括支架(1)以及安装在支架(1)上的试验箱体，其特征在于：所述试验箱体是由沉降底板(2)以及设置在沉降底板(2)两侧的可视支撑侧壁(4)和设置在沉降底板(2)两端的承重支撑侧壁(3)组成的敞口型箱体结构；在试验箱体的外侧设置有可对试验箱体内试验模型施加荷载的加载装置；

所述沉降底板(2)的结构是：在底盘(2-1)上加工有螺孔，螺孔内穿插顶升螺栓(2-2)，通过顶升螺栓(2-2)与设置在底盘(2-1)上方的沉降板(2-4)连接，在沉降板(2-4)上铺设有土工布(2-5)。

2.根据权利要求1所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述加载装置包括能够对试验模型施加轴向力或水平荷载的横向加载机构(8)和能够对试验模型施加竖向荷载的竖向加载机构(6)；所述横向加载机构(8)是水平安装的多个水平千斤顶(8-1)，水平千斤顶(8-1)的顶升端穿过承重支撑侧壁(3)延伸至试验箱体内；所述竖向加载机构(6)包括安装在试验箱体外侧的反力架(6-1)以及设置在反力架(6-1)横梁上的竖向千斤顶(6-2)。

3.根据权利要求2所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述水平千斤顶(8-1)的顶升端设置有与试验模型柔性连接的轴向位移约束部件。

4.根据权利要求2所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述竖向千斤顶(6-2)的顶升端安装有荷载板(6-3)。

5.根据权利要求1～4任一项所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述可视支撑侧壁(4)是由可视支撑架(4-1)和安装在可视支撑架(4-1)内侧的玻璃板(4-2)组成，可视支撑架(4-1)是框架式结构，所述玻璃板(4-2)的厚度为2～3cm。

6.根据权利要求5所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述承重支撑侧壁(3)是由框架式结构的承重支撑架(3-1)和设置在承重支撑架(3-1)内侧的承重钢板(3-2)组成。

7.根据权利要求6所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述顶升螺栓(2-2)的底端设置有旋转标记和扳手(2-3)，顶升螺栓(2-2)的螺距是0.2～0.4mm，最大旋转行程为4～8cm。

8.根据权利要求7所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述沉降板(2-4)是由等边三角形结构的单板角点之间通过穿插钢丝铰接构成，顶升螺栓(2-2)的顶端支撑在邻接的6个单板的铰接点上。

9.根据权利要求8所述的隧道模型沉降与加载试验箱，其特征在于：所述单板的边长为10～15cm，厚度为0.6～0.8cm。