CN209841545U - 一种模拟多工况的土工模型试验箱 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于土工模型试验装置研究领域，具体涉及一种模拟多工况的土工模型试验箱，长方体不锈钢框架的正面、背面、左侧面和右侧面上分别固定有机玻璃板，长方体不锈钢框架的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板间对称开设四个孔并两两对称成一组，对称设置的每组孔固定贯穿箱体的PVC管，PVC管上设置应变片。该试验箱可模拟加载作用或者加载与水压同时作用下的多孔径变换、不同管内水压及盾构开挖等工况下的单管道或者双管道间的管道应力应变测试，且便于移动与固定，抗震动良好，结构简单，安装、操作简便，易于保养，成本低。

Description

一种模拟多工况的土工模型试验箱

技术领域

本实用新型属于土工模型试验装置研究领域，具体涉及一种模拟多工况的土工模型试验箱。

背景技术

岩土工程领域中，原水管道和盾构隧道有关堆土和基坑开挖的影响分析，由于原型试验复杂，很少能单纯依靠解析法解决实际工程问题；由于土木工程的一些不确定因素，模型简化过程中考察因素的确定及考察因素的取值问题，使得数值模拟方法的发展存在一定局限性；而现场实测方法具有滞后性，且投入人力资源大，周期长；相比而言，模型试验可在实验室再现实际工程所发生的现象，还可以对试验中主要因素进行独立控制，相较于现场实测，模型试验可进行方案的前期优化，省时省力，这就需要一个能够模拟结构本身及结构周边地层的装置，即模型箱。

目前，现有模型箱的加载装置多采用反力架装置，对箱体本身材质强度要求高，反力架装置较大的占据模型箱上层及周围空间，造成模型箱内填土和卸土的诸多不便，并且反力架装置及模型箱总计有数吨重，反力架装置往往需要数万价格采购，价格昂贵，占地大，养护成本高，且模型箱不便于移动，只能在固定位置进行加载试验。

现有模型箱多数不开孔或只设单孔，仅能模拟单管道的管道应力应变测试，无法模拟不同填埋深度、填埋角度及填埋间距的管道间、同一填埋深度不同填埋间距的管道间、不同管径管道间、边界面管道、不同管内水压、管道周围盾构开挖等多工况环境下的管道应力应变测试。随着基建的日益发展，管道铺设工况日益复杂，如在旧有管道附件铺设新管道，铺设相邻地下输水管道，在管道附近盾构开挖，管道穿越不同地层等，现有模型箱已不能满足日益复杂的工况模拟需求，且占地大，价格昂贵，养护成本高。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种模拟多工况的土工模型试验箱，该土工模型试验箱可用于加载作用或者加载与水压同时作用下的多孔径变换、加载作用下的不同管内水压、及加载作用或者加载与水压同时作用下的盾构开挖等工况下的单管道或者双管道间的管道应力应变测试，且每种工况环境的模拟不需变动箱体结构；便于移动与固定，抗震动功能良好，结构简单，安装、操作简便，易于保养，成本低。

本实用新型的技术方案为：一种模拟多工况的土工模型试验箱，包括长方体不锈钢框架、砝码及放置砝码的不同面积的钢板，长方体不锈钢框架的正面、背面、左侧面和右侧面上分别固定有机玻璃板，长方体不锈钢框架的底面固定不锈钢底板；长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的四周固定不锈钢边框，长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的左侧端不锈钢边框铰接于对应相邻的长方体左侧面不锈钢框架，长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的右侧端不锈钢边框与对应相邻的长方体右侧面不锈钢框架开合连接；

长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板间于对应的纵向高度、横向宽度、排列间距和排列角度处对称开设四个孔并两两对称成一组，每个孔均可拆卸固定有机玻璃环或有机玻璃盖，有机玻璃环用于调节所述孔的孔径，有机玻璃盖用于密封所述的孔，长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板上对称设置的每组孔固定贯穿箱体的PVC管，PVC管上设置应变片。

长方体不锈钢框架底面的四角处分别固定有带减震装置的万向轮，万向轮上还设置有刹车片。

长方体不锈钢框架的正面、和/或背面、和/或左侧面、和/或右侧面上固定的有机玻璃板上分别标注刻度。

长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板间两两对称成一组的四个孔分别位于各自有机玻璃板的1/6纵向高度与1/2 纵向高度上的1/2横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度与5/6横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度与1/2横向宽度处、或者1/6 纵向高度的1/6横向宽度与5/6横向宽度处、或者1/6纵向高度的1/6横向宽度与1/2横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度处与1/6纵向高度的1/6横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度处与1/6纵向高度的1/2横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/2横向宽度处与1/6纵向高度的1/6横向宽度处。

长方体不锈钢框架背面固定的有机玻璃板位于长方体不锈钢框架内的板面上纵向固定矩形PVC线槽。纵向固定的矩形PVC线槽分别分布在有机玻璃板的1/6横向宽度处、1/2横向宽度处和5/6横向宽度处，纵向固定的矩形 PVC线槽在与有机玻璃板的1/6纵向高度与1/2纵向高度重叠处分别设置开口。

长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的四周固定的不锈钢边框上设置橡胶止水带。

长方体不锈钢框架顶端的不锈钢框架上固定有把手。

长方体不锈钢框架外部覆盖遮光布。

长方体不锈钢框架的正面、背面、左侧面和右侧面上还分别设置有由不锈钢条相互垂直交叉排列成的网格状加强筋。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：

(1)本实用新型模拟多工况的土工模型试验箱在不需变动箱体结构的情况下，即可进行加载作用或者加载与水压同时作用下的多孔径变换、加载作用下的不同管内水压、及加载作用或者加载与水压同时作用下的盾构开挖等工况下的单PVC管道或者双PVC管道间的管道应力应变测试，结构简单，操作简便，成本低，多功能。

(2)本实用新型模拟多工况的土工模型试验箱采用砝码代替反力架装置，增加箱体内使用空间，便于使用，降低成本。

(3)本实用新型模拟多工况的土工模型试验箱在长方体不锈钢框架底面的四角处分别固定带有减震装置的万向轮，万向轮上还设置有刹车片，便于土工模型试验箱移动的同时，又便于固定土工模型试验箱，同时还可消除震动保证平稳移动。

(4)本实用新型模拟多工况的土工模型试验箱的结构简单，安装方便，装卸模型土便利，易于维护保养，且成本低。

附图说明

图1为本实用新型由长方体不锈钢框架支撑的土工模型试验箱在未架设 PVC管状态下的结构示意图。

图2为本实用新型由长方体不锈钢框架支撑的土工模型试验箱在架设 PVC管状态下的结构示意图。

图3为有机玻璃环和有机玻璃盖的结构示意图。

图4为本实用新型由长方体不锈钢框架支撑的土工模型试验箱的正面结构示意图。

图5为本实用新型由长方体不锈钢框架支撑的土工模型试验箱位于箱体内的背面结构示意图。

图6为矩形PVC线槽的结构示意图。

图7a-7i为本实用新型由长方体不锈钢框架支撑的土工模型试验箱分别固定在左侧面和右侧面上的有机玻璃板按照不同纵向高度、横向宽度、排列间距和排列角度间隔排列的孔分布图。

1-长方体不锈钢框架，11-正面，111-刻度，12-背面，121-矩形PVC线槽，13-左侧面，14-右侧面，15-底面，2-不锈钢边框，21-左侧端不锈钢边框，22-右侧端不锈钢边框，3-有机玻璃环，4-有机玻璃盖，5-PVC管，51- 应变片，6-万向轮，61-减震装置，62-刹车片，7-把手，8-网格状加强筋， 9-螺纹连接部。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步示例性地详细说明本实用新型。需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。

如图1至图6所示，模拟多工况的土工模型试验箱，包括尺寸为1.2m (长)*1m(宽)*1m(高)的长方体不锈钢框架1、砝码及放置砝码的不同面积的Q235钢板，采用砝码及放置砝码的钢板替代反力架装置，降低因反力架装置导致的对箱体本身材质的高强度要求节省箱体空间，便于箱体内模型土的装卸，降低试验箱成本。

长方体不锈钢框架1的正面11(1.2m*1m)、背面12(1.2m*1m)、左侧面13(1m*1m)和右侧面14(1m*1m)上分别固定有机玻璃板，长方体不锈钢框架1的底面15(1.2m*1m)固定不锈钢底板；长方体不锈钢框架1正面11固定的有机玻璃板的四周固定不锈钢边框2，长方体不锈钢框架1正面 11固定的有机玻璃板的左侧端不锈钢边框21铰连接于对应相邻的长方体左侧面不锈钢框架，长方体不锈钢框架1正面11固定的有机玻璃板的右侧端不锈钢边框22与对应相邻的长方体右侧面不锈钢框架通过插销开合连接。长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板与长方体不锈钢框架间类似平开门的开合功能，既便于在箱体内装卸模型土，又便于PVC管、PVC管上应变片等压力测试装置及应变片等压力测试装置导线的安装和拆卸。

长方体不锈钢框架1的正面11、背面12、左侧面13和右侧面14上还分别设置有由不锈钢条相互垂直交叉排列成的网格状加强筋8，增强长方体不锈钢框架的强度，并稳固长方体不锈钢框架的正面、背面、左侧面和右侧面上固定的有机玻璃板

如图7f所示，长方体不锈钢框架1对称分布的左侧面13(1m*1m)和右侧面14(1m*1m)上分别固定的有机玻璃板于各自的1/6纵向高度与1/2纵向高度上的1/2横向宽度处间隔排列2个孔，且长方体不锈钢框架1的左侧面13固定的有机玻璃上开设的2个孔与右侧面14固定的有机玻璃板上开设的2个孔相对称，每个孔均通过螺纹拆卸固定有机玻璃环3或有机玻璃盖4，有机玻璃环3与有机玻璃盖4上均设置有螺纹连接部9，有机玻璃环3与有机玻璃盖4通过螺纹连接部9与每个孔的螺纹内壁螺纹拧紧固定，每个孔螺纹拆卸固定的有机玻璃环3用于调节每个孔的孔径大小，每个孔螺纹拆卸固定的有机玻璃盖4用于密封每个孔，长方体不锈钢框架1的左侧面13与右侧面14上分别固定的有机玻璃板间对称设置的每组孔固定贯穿箱体的PVC 管5，PVC管5上设置有应变片51。

如图7所示，长方体不锈钢框架1对称分布的左侧面13和右侧面14上分别固定的有机玻璃板上各自开设的2个孔还可以排列为同一纵向高度的不同横向宽度处，如图7a的1/2纵向高度的1/6横向宽度与5/6横向宽度处，图7c的1/2纵向高度的1/6横向宽度与1/2横向宽度处，图7g的1/6纵向高度的1/6横向宽度与5/6横向宽度处，图7h的1/6纵向高度的1/6横向宽度与1/2横向宽度处；同一横向宽度的不同纵向高度处，如图7d的1/6 横向宽度的1/6纵向高度与1/2纵向高度处；及不同纵向高度的不同横向宽度处，如图7e的1/2纵向高度的1/6横向宽度处与1/6纵向高度的5/6横向宽度处，图7b的1/2纵向高度的1/6横向宽度处与1/6纵向高度的1/2横向宽度处，图7i的1/2纵向高度的1/2横向宽度处与1/6纵向高度的1/6横向宽度处等；当然，根据待模拟管道间工位情况，长方体不锈钢对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板上各自开设的孔可以根据不同填埋深度、填埋角度及填埋间距，以及边界面效应进行其它设计选择，考虑到管道有可能穿越不同地层产生边界面效应，可将开孔设置在靠近有机玻璃板边缘的位置。

使用图1和图2所示土工模型试验箱进行不同孔径管道测试时，只需更换长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板间对称设置的每组孔上螺纹固定的不同内径的有机玻璃环(如图3，内径为75mm (a)和40mm(b)的有机玻璃环)，通过更换不同内径的有机玻璃环调整孔的大小，而不需在箱体上再另外开设其它孔径用孔，待测不同孔径的PVC管通过相对应的不同内径的有机玻璃环贯穿箱体并固定在每组孔上PVC管上设置应变片后，从长方体不锈钢框架的顶端向箱体内填埋模型土并在模型土层顶端放置承载砝码的Q235钢板，进行测试。该过程中可进行单PVC管测试，还可进行双PVC管测试，还可变换承载砝码的重量，便于使用，且成本低。试验过程中，不用于测试的孔螺纹固定有机玻璃盖进行密封，不影响试验进行。

使用图1和图2所示土工模型试验箱进行管内水压测试时，只需将贯穿箱体并固定在每组孔上的待测PVC管的一端密封，PVC管的另一端连接加压水泵，PVC管上设置应变片后，从长方体不锈钢框架的顶端向箱体内填埋模型土并在模型土层顶端放置承载砝码的Q235钢板，进行测试。该过程中可进行单PVC管测试，还可进行双PVC管测试，还可变换承载砝码的重量及加压水泵功率，模拟加载和内水压同时存在工况下，PVC管道间的相互影响。试验过程中，不用于测试的其余工位的孔螺纹固定有机玻璃盖进行密封，不影响试验进行。

使用图1和图2所示土工模型试验箱进行盾构开挖对周围土层及周围管道影响的测试时，将模型盾构机置于其中之一的贯穿箱体并固定在每组孔上的PVC管内运转，另一贯穿箱体并固定在每组孔上的PVC管上设置应变片后，从长方体不锈钢框架的顶端向箱体内填埋模型土并在模型土层顶端放置承载砝码的Q235钢板，进行测试。该过程中还可变换承载砝码的重量及模型盾构机功率。

该土工模型试验箱可用于加载作用或者加载与水压同时作用下的多孔径变换、加载作用下的不同管内水压、及加载作用或者加载与水压同时作用下的盾构开挖等工况下的单PVC管或者双PVC管间的管道应力应变测试，结构简单，操作简便，且每种工况环境的模拟不需改动箱体结构，简化操作及成本。

长方体不锈钢框架1底面15的四角处分别固定有带减震装置61的万向轮6，万向轮6上还设置有刹车片62。需长期固定箱体时，刹车片锁住万向轮，阻止箱体移动，确保试验安全进行；需移动箱体时，解锁刹车片，转动的万向轮利于便捷、省力的移动箱体，若移动过程中出现因底板不平整或其它因素导致的膨胀或震动，减震装置仍保证箱体平稳移动，同时还可减小噪音。

如图4所示，长方体不锈钢框架1正面11固定的有机玻璃板上标注有刻度111，方便观察并及时调整箱体内填土厚度。试验时通常先确定原型土壤厚度，再通过相似比换算确定箱体内需填充模型土层的厚度，在有机玻璃板上标注刻度，便于填充模型土至预定刻度处并及时对模型土层厚度进行调整。为了准确性，也可在长方体不锈钢框架的背面、左侧面和右侧面分别固定的有机玻璃上标注刻度。

如图5和图6所示，长方体不锈钢框架1背面12固定的有机玻璃板位于长方体不锈钢框架内的板面上纵向固定矩形PVC线槽121，纵向固定的矩形PVC线槽121分别分布在有机玻璃板的1/6横向宽度处、1/2横向宽度处和5/6横向宽度处，纵向固定的矩形PVC线槽121在与有机玻璃板的1/6纵向高度与1/2纵向高度重叠处分别设置开口，矩形PVC线槽121用于整合与待测PVC管上应变片相连接的导线，起保护、规整导线的作用，避免装卸模型土时破坏与应变片连接的导线。

长方体不锈钢框架1正面11固定的有机玻璃板的四周固定的不锈钢边框2上设置橡胶止水带，橡胶止水带可防止长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板四周固定的不锈钢边框与相邻长方体不锈钢框架间的碰撞、避免相邻处的松动及箱内水的渗透。

长方体不锈钢框架1顶端的不锈钢框架上固定有把手7，把手7上带有橡胶套，增加手与把手间摩擦，防止打滑，增加舒适性。

长方体不锈钢框架1外部覆盖遮光布，减少试验过程中模型土层内水分蒸发，试验停止时，用于箱体防尘和保养，同时，若模型土为重塑土，土体内存在有机质，有机玻璃为透明材质，土体内的一些植物通过光合作用于模型箱内生长(如青苔)，将影响试验，遮光布可有效抑制植物生长。

Claims (9)

1.一种模拟多工况的土工模型试验箱，其特征在于，包括长方体不锈钢框架、砝码及放置砝码的不同面积的钢板，长方体不锈钢框架的正面、背面、左侧面和右侧面上分别固定有机玻璃板，长方体不锈钢框架的底面固定不锈钢底板；长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的四周固定不锈钢边框，长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的左侧端不锈钢边框铰接于对应相邻的长方体左侧面不锈钢框架，长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的右侧端不锈钢边框与对应相邻的长方体右侧面不锈钢框架开合连接；

长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板间于对应的纵向高度、横向宽度、排列间距和排列角度处对称开设四个孔并两两对称成一组，每个孔均可拆卸固定有机玻璃环或有机玻璃盖，有机玻璃环用于调节所述孔的孔径，有机玻璃盖用于密封所述的孔，长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板上对称设置的每组孔固定贯穿箱体的PVC管，PVC管上设置应变片。

2.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架底面的四角处分别固定有带减震装置的万向轮，万向轮上还设置有刹车片。

3.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架的正面、和/或背面、和/或左侧面、和/或右侧面上固定的有机玻璃板上分别标注刻度。

4.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架对称分布的左侧面和右侧面上分别固定的有机玻璃板间两两对称成一组的四个孔分别位于各自有机玻璃板的1/6纵向高度与1/2纵向高度上的1/2横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度与5/6横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度与1/2横向宽度处、或者1/6纵向高度的1/6横向宽度与5/6横向宽度处、或者1/6纵向高度的1/6横向宽度与1/2横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度处与1/6纵向高度的1/6横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/6横向宽度处与1/6纵向高度的1/2横向宽度处、或者1/2纵向高度的1/2横向宽度处与1/6纵向高度的1/6横向宽度处。

5.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架背面固定的有机玻璃板位于长方体不锈钢框架内的板面上纵向固定矩形PVC线槽。

6.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架正面固定的有机玻璃板的四周固定的不锈钢边框上设置橡胶止水带。

7.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架顶端的不锈钢框架上固定有把手。

8.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架外部覆盖遮光布。

9.根据权利要求1所述土工模型试验箱，其特征在于，长方体不锈钢框架的正面、背面、左侧面和右侧面上还分别设置有由不锈钢条相互垂直交叉排列成的网格状加强筋。