一种三向加载可组装土工试验模型箱及试验方法与流程

1.本发明属于室内试验设备领域，具体涉及一种三向加载可组装土工试验模型箱及试验方法。


背景技术：

2.当前，经济的快速发展，现代化进程的逐渐加快，岩土科学也在不断发展，随着科研项目的增多，对于室内试验的设备要求也越来越高。其中，室内模型试验是应用较为广泛的一种实验手段，它能够将所需研究的项目通过在比例缩小或等比模型上进行相应的试验，获取相关数据及检查设计缺陷。
3.其中，模型箱的制作是室内模型试验成功与否的关键，模型箱制作的质量决定实验的完成情况。一个稳固的、精准的模型箱可以大大降低实验的操作难度，提高室内模型试验的可靠度。
4.然而，在目前的室内模型试验中存在以下问题：
5.(1)土工试验中的模型箱多以固定尺寸主，且其框架结构多以焊接制成，因此模型箱不能组装成其它尺寸。
6.(2)木制模型箱或者钢构件模型箱，该种模型箱无法在实验过程中清楚的观察到模型箱内部的变化，并且在实验完成后，由于制作的模型箱仅仅是针对某一种工程实际，无法重复利用，造成了经济上、资源上的浪费。
7.(3)模型箱边界条件基本为刚性不可变形，这对室内试验要求地基边界为弹性时带来困难。
8.由此可见，现有的模型箱以及试验方法，边界条件基本为刚性不可变形，无法满足不同边界条件的试验要求。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术问题，本发明提供一种三向加载可组装土工试验模型箱及试验方法，采用本试验模型箱及试验方法，能够切换根据试验要求试验边界条件，采用一个试验模型箱即可满足不同边界条件的试验要求。
10.为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种三向加载可组装土工试验模型箱，包括底板；
12.所述底板上固定有用于模拟岩土刚性边界的外模型箱；所述外模型箱的四个侧壁均为刚性结构；所述外模型箱内设置有可拆卸的用于模拟岩土弹性边界的弹性箱。
13.进一步地，所述外模型箱的三个侧壁均由钢板b拼接而成，另一侧壁由玻璃板a拼接而成。
14.进一步地，所述多组钢板b之间采用钢板a和角钢拼接固定；所述多组玻璃板a之间采用钢板a和角钢拼接固定，所述玻璃板a与所述钢板a之间以及所述玻璃板a和所述角钢之间均设置有保护垫；所述外模型箱的相邻两个侧壁之间均通过角钢固定。
15.进一步地，位于所述外模型箱侧壁上的角钢上均阵列开设有多个预留孔；所述底板上固定有钢板c；所述外模型箱通过斜撑连接在所述钢板c上。
16.进一步地，所述外模型箱的侧壁顶部设置有用于加固的卡槽。
17.进一步地，所述弹性箱包括内模型箱和弹性连接件，所述外模型箱与所述内模型箱的四个侧壁之间均通过所述弹性连接件相连；所述内模型箱的底座采用所述弹性连接件。
18.进一步地，所述弹性连接件采用气囊；所述气囊内部设置有传感器。
19.进一步地，所述内模型箱的四个侧壁均采用玻璃板b拼接而成；所述内模型箱的相邻侧壁之间设置有柔性限位器。
20.进一步地，每两个所述玻璃板b之间设置有柔性囊。
21.一种土工试验方法，基于上述一种三向加载可组装土工试验模型箱，包括步骤如下：
22.根据待试验对象确定试验边界条件，根据试验边界条件完成三向加载可组装土工试验模型箱装配，向所述试验模型箱内填充土体，将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据。
23.相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
24.本发明提供一种三向加载可组装土工试验模型箱，本模型箱采用四侧壁均为刚性结构的外模型箱，用于模拟岩土刚性边界，同时，在外模型箱内部设置一个可拆卸的弹性箱，用于模拟岩土弹性边界；使用时，若试验边界条件为刚性边界，将外模型箱内的弹性箱拆卸，填充土体并将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据；若试验边界条件为弹性边界，在外模型箱内安装弹性箱，填充土体并将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据，以期解决模型试验中单一的刚性边界问题，满足兼顾刚性边界与弹性边界模拟的试验需求；本模型箱具有可拼装、拆解、重复使用、维护方便以及费用低廉等优点，具有良好的推广应用价值。
25.优选地，本发明的外模型箱的三个侧壁均由钢板b拼接而成，另一侧壁由玻璃板a拼接而成，一方面兼顾了外模型箱的坚固性，另一方面采用玻璃板，可在实验过程中清楚地观察到模型箱内部的变化；同时，采用拼接方式构成，这样，可适用于多种待试验对象的尺寸规格。
26.更进一步优选地，钢板b和玻璃板a均采用角钢和钢板a连接固定，这样可大大提升本模型箱的稳固性能；此外，在玻璃板a和钢板a以及角钢之间均设置了保护垫，这样，对玻璃板a起到有效地保护作用，防止试验过程中对其造成损坏。
27.再更进一步优选地，在底板上固定了钢板c，并通过连接的斜撑与外模型箱固定，进一步提升了模型箱的稳固性能。
28.优选地，外模型箱的侧壁顶部设置了卡槽，这样，对拼接钢板进行基础加固，便于拼接组装。
29.优选地，本发明的外模型箱与内模型箱之间的连接件采用气囊，在试验时，可通过向气囊内根据试验对象的要求充入适量的气体，相比其他弹性件，适用性更强，更换不同试验对象时，无需拆卸模型箱即可完成其他试验；另外，采用传感器对气囊所受压力检测，由于为多面受力，使得检测结果更佳精准。
30.本发明还提供一种土工试验方法，基于三向加载可组装土工试验模型箱，采用本方法能够切换根据试验要求试验边界条件，采用一个试验模型箱即可满足不同边界条件的试验要求。
附图说明
31.图1为本发明实施例提供的一种三向加载可组装土工试验模型箱中外模型箱的结构示意图；
32.图2为本发明实施例提供的外模型箱的俯视图；
33.图3为本发明实施例提供的一种三向加载可组装土工试验模型箱的结构示意图；
34.图4为本发明实施例提供的钢板a的结构示意图；
35.图5为本发明实施例提供的钢板b的结构示意图；
36.图6为本发明实施例提供的角钢的结构示意图；
37.图7为本发明实施例提供的卡槽的结构示意图；
38.图8为本发明实施例提供的斜撑的结构示意图；
39.图9为本发明实施例提供的玻璃板a的结构示意图；
40.图10为本发明实施例提供的底板的结构示意图。
41.附图标记：
42.1-钢板a；2-钢板b；3-角钢；4-底板；5-斜撑；6-钢板c；7-玻璃板a；8-预留孔；9-卡槽；10-柔性限位器；11-玻璃板b；12-气囊。
具体实施方式
43.本发明提供一种三向加载可组装土工试验模型箱，包括底板4；底板4上固定有用于模拟岩土刚性边界的外模型箱；外模型箱的四个侧壁均为刚性结构；外模型箱内设置有可拆卸的用于模拟岩土弹性边界的弹性箱。
44.上述外模型箱的三个侧壁均由钢板b2拼接而成，另一侧壁由玻璃板a7拼接而成。
45.多组钢板b2之间采用钢板a1和角钢3拼接固定；多组玻璃板a7之间采用钢板a1和角钢3拼接固定，玻璃板a7与钢板a1之间以及玻璃板a7和角钢3之间均设置有保护垫；外模型箱的相邻两个侧壁之间均通过角钢3固定。
46.位于外模型箱侧壁上的角钢3上均阵列开设有多个预留孔8；底板4上固定有钢板c6；外模型箱通过斜撑5连接在钢板c6上。
47.外模型箱的侧壁顶部设置有用于加固的卡槽9。
48.弹性箱包括内模型箱和弹性连接件(气囊12)，外模型箱与内模型箱的四个侧壁之间均通过弹性连接件相连；内模型箱的底座采用弹性连接件，可在气囊12内部设置有传感器，用于检测气囊12内部的压力。
49.上述内模型箱的四个侧壁均采用玻璃板b11拼接而成；内模型箱的相邻侧壁之间设置有柔性限位器；每两个玻璃板b11之间设置有柔性囊。
50.本发明还提供一种土工试验方法，基于上述三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，包括步骤如下：
51.根据待试验对象确定试验边界条件，根据试验边界条件完成三向加载可组装土工
试验模型箱装配，向试验模型箱内填充土体，将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据。
52.实施例
53.本实施例针对模型试验中单一的刚性边界问题，提供了一种三向加载可组装土工试验模型箱，如图1所示，钢板a1、钢板b2、角钢3、底板4、斜撑5、钢板c6、玻璃板a7、预留孔8、卡槽9、柔性限位器10、玻璃板b11和气囊12，本模型箱可以根据室内试验要求拼接成多种规格模型箱(1m2，
……
,9m2)，例如图1中采用了外模型箱为3m
×
3m的结构规格，结合图2，其具体结构及各部件的作用如下：
54.如图4所示，钢板a1：作为连接外模型箱一侧边相邻钢板b2的部件之一，与两个对应尺寸的角钢3共同作用。
55.如5图所示，钢板b2：作为外模型箱的侧面封闭钢板，起到封闭以及提供侧向约束的作用，具有多种尺寸。
56.如图6所示，角钢3：起到连接并加固模型箱相邻两侧的作用，按照尺寸不同，角钢可分成多个规格。
57.如图10所示，底板4：作为承载模型箱整体荷载的底板，其上部按照设计在不同位置处分布有钢板c6。
58.如图8所示，斜撑5：其底部连接底板4上的钢板c6，上端通过螺栓使其固定于侧边的角钢上，起到支撑侧边，增加模型箱侧向刚度的作用。
59.又如图10所示，钢板c6：根据设计要求，分布在底板4上，能够连接斜撑5，共同支撑本模型箱的侧面。
60.如图9所示，玻璃板a7：作为模型箱的观察侧，使得在试验过程中，实验人员能够清晰的观察并记录模型箱内部土体及测试设备所产生的变化，按照尺寸可分为2种规格。
61.结合图4、图6、图8和图9，预留孔8：根据设计需求，在钢板a1、玻璃板a7、角钢3等部件上都设有预留孔8，并通过螺栓起到连接、加固的作用。
62.如图7所示，卡槽9：可采用u形卡槽，其位于外模型箱的顶部，将外模型箱的四侧连接起来，起到加固整体的作用。
63.如图3所示，还包括柔性限位器10：能够连接内模型箱的相邻侧面，使其能够保持直立且稳固，并使内模型箱的侧边能够在水平方向上的一定空间内自由移动，使得其模型箱边长改变，进一步改变模型箱的尺寸大小。
64.玻璃板b11：为内模型箱的组成主体，能够更好的模拟并观察侧向约束情况下的土体变形情况。
65.气囊12：位于内模型箱的底部以及侧面，通过控制气压来控制变形，气囊内部设有传感器，可以测定土体的力和变形。
66.本实施例还设置了柔性囊，位于内模型箱壁上下玻璃板b11的连接处，在上下板块位移不同时，将土体保护，防止土体掉落。
67.本实施例还提供了一种三向加载可组装土工试验模型箱的制作过程，具体如下：
68.(1)预制钢板a1：按照工程设计要求，确定钢板a1的几何尺寸，并按照相应的尺寸加工；并按照角钢以及卡槽的预留孔，在钢板上按照工程要求加工预留孔8；
69.(2)预制钢板b2：按照工程要求设计，确定钢板b2的尺寸，按照相应的尺寸进行加
工，同时根据设计要求加工预留孔8。
70.(3)预制角钢3：按照工程设计要求，确定角钢3的几何尺寸，按照相应的尺寸进行加工，并按照设计要求加工预留孔8。
71.(4)组合一侧钢板b2：按照工程设计图纸，选择合适数量的钢板b2，其中，竖向钢板b2的数量不限，根据实际情况，高度自行确定。横向两个钢板b2之间，通过两个符合尺寸的角钢3，与相应的钢板a1组合，钢板b2嵌入其中，三者的预留孔8重合后，将螺栓打入其中，使其固定成为一个整体。
72.(5)重复步骤(4)组合另外两侧封闭侧；
73.(6)预制透明一侧的玻璃板a7：按照工程设计要求，确定玻璃板a7的几何尺寸，并按照相应的尺寸进行加工，并按照设计要求加工预留孔8；
74.(7)组合透明侧玻璃，按照工程设计图纸，玻璃板a7之间，通过两个符合尺寸的角钢3与钢板a1组合，玻璃板a7嵌入其中，三者预留孔8重合后，将其固定成为一个整体，安装完成后俯视细节图如图2所示。
75.(8)组合外模型箱：将三侧封闭侧与一侧观察侧按照图纸组合再一起，形成3
×3×
3的正方体，再正方体四角处，内侧、外侧分别安装合适的角钢3，使其预留孔重合，并打入螺栓，使其正方体四边加固成为一个整体，放置在底板4上。
76.(9)安装斜撑5：斜撑5两端都留有预留孔8，每一侧边都安装斜撑5，每侧各6块，将斜撑5底部通过螺栓连接至底板4的钢板c6上，斜撑5上部通过螺栓连接值侧边的角钢3，具体分别为本模型箱至底部0.75m，1.5m，2.25m处各两根。
77.(10)安装u形的卡槽9：在模型箱顶部安装u形卡槽9，将外模型箱顶部四周连接一圈，进一步加固整体，提高侧面约束强度。
78.若考虑刚性边界的模型试验时，则只需根据上述步骤组装外模型箱，所得到的模型箱即可满足要求。
79.若模拟试验对于侧向约束存在一定的要求，考虑弹性边界的情况时，则可继续安装内模型箱，内模型箱能够更好的模拟侧向约束，有着更广泛的适用范围。
80.(11)安置气囊12：将气囊12安置在外模型箱内，作为内模型箱的底座，紧贴外模型箱内壁同时向气囊12内充气，使气囊12保持一个钢性状态。
81.(12)组装内模型箱壁：选取合适数量、尺寸的玻璃板b11，玻璃板b11之间粘接柔性囊，使其成为一个整体。
82.(13)组装内模型箱：将组装完成的内模型箱壁紧贴至四周气囊12，组成内模型箱主体。
83.(15)在内模型箱四周，安装柔性限位器10，保证内模型箱整体完整，且保持其直立稳固。则该模型箱整体组装完成。
84.(16)回收方法：(a)拆除柔性限制器10；(b)拆除内模型箱玻璃板b11；(c)拆除四周气囊12；(d)将气囊12内气体排除并合理存放；(e)拆除顶部卡槽9；(f)拆除四周斜撑5；(g)拆除四周螺栓以及角钢3，并合理存放；(h)将四周钢板以及玻璃板a7逐步拆除，并按照类型将钢板b2、连接钢板a1以及玻璃板a7合理存放，以便重复使用。(i)回收底板4及气囊12。
85.结合内模型箱的实际实验方法，本实施例还提供了一种土工试验方法：
86.组装完成后，在气囊气压加载至满载的情况下，向模型箱内填加准备好的土体，可
选择不同性质的土体进行添加，尽可能模拟真实情况下土体的实际情况；
87.进一步的，填土过程中，埋填至一定位置后，在该土层上方添加所需研究的对象，如模拟涵洞、路基、隧道等模型；
88.进一步的，模型放置完成后，选择合适的土体，继续填埋，直至土体达到试验所需的高度；
89.进一步的，在土体达到试验所需要求后，确定试验边界条件为刚性边界或者柔性边界，利用调节气囊内的气压环境，将土体周边调节成所需的边界条件。
90.进一步的，向土体进行施压，气囊内设置有的传感器可以测得内部土体的变形、受力情况等；
91.进一步的，将数据传输至电脑，可从电脑上检测土体在试验过程中的连续不断的变形以及受力情况。
92.本实施例提供了一种三向加载可组装土工试验模型箱，即公开了一种可组装边界可控式模型箱架，涉及三维尺寸及边界条件可调节模型箱领域，其装置组成主要包括外模型箱、内模型箱、气垫、角钢、卡槽等，在进行组装过程中，根据实际工程情况，选择模型箱的边界条件，若为弹性边界条件，根据地下结构模型边界条件需要，在模型箱内增加内模型箱，如图2所示，内模型箱与外模型箱以气垫做横向连接，内模型箱通过控制气垫的压强模拟需要的边界条件，内模型箱四周玻璃板可以随着土体受力不同而进行偏移，内模型箱下同样设有气囊，气囊均可以测得土体变形及内力，同时可以通过控制气囊的压强来控制其变形，能够使得内模型箱内壁任意一侧为钢性边界或弹性边界，较好的模拟并满足天然地基边界条件、基坑边界条件、地下管廊边界条件、边坡边界条件的需要。若为钢性边界，如图1所示，则可将内模型箱拆卸，以外模型箱壁作为边界。本装置的尺寸可以根据实际试验工况需求，通过调节角钢、钢板等的规格来对模型箱的尺寸进行调节，或通过拼接方式改变模型箱的平面尺寸和体积。同时设置有观察面，通过透明钢化玻璃板进行观察，可以根据科研任务需求设置多面透明，全透明或者不透明。观察面便于更好的观察模型箱内部变形情况，适用于各种岩土与隧道工程承载、变形试验，具有三维尺寸可调节、便于组装拆卸、适用性强等特点。同时，本模型箱采用的钢板与卡槽、角钢等组合，组成模型箱的每一层框架侧向刚度足够大，结构牢固，稳定性强，不易变形。
93.本实施例，同时，也提出的一种可以调节尺寸的可视化模型箱，在实验过程中，在观察到内部变化的同时，针对不同的工程实际，能够调节模型箱尺寸的大小，在实验结束后，也能够进行回收，重复利用，节约了资源，同时能够观察、记录模型箱内部的变化。
94.本模型箱可在所拼装大模型内设置一个内模型箱，两种模型箱通过气囊连接，其中内模型箱用于特定模型试验时，可通过更换或调整气垫内气体的压强来实现不同弹性边界的模拟试验，以期解决模型试验中单一的刚性边界问题，实现根据模拟需要的刚性边界与弹性边界兼顾的模型箱；本模型箱具有可拼装、拆解、重复使用、维护方便以及费用低廉等优点。
95.尽管以上结合附图与实施例对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

技术特征：
1.一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，包括底板(4)；所述底板(4)上固定有用于模拟岩土刚性边界的外模型箱；所述外模型箱的四个侧壁均为刚性结构；所述外模型箱内设置有可拆卸的用于模拟岩土弹性边界的弹性箱。2.根据权利要求1所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，所述外模型箱的三个侧壁均由钢板b(2)拼接而成，另一侧壁由玻璃板a(7)拼接而成。3.根据权利要求2所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，所述多组钢板b(2)之间采用钢板a(1)和角钢(3)拼接固定；所述多组玻璃板a(7)之间采用钢板a(1)和角钢(3)拼接固定，所述玻璃板a(7)与所述钢板a(1)之间以及所述玻璃板a(7)和所述角钢(3)之间均设置有保护垫；所述外模型箱的相邻两个侧壁之间均通过角钢(3)固定。4.根据权利要求3所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，位于所述外模型箱侧壁上的角钢(3)上均阵列开设有多个预留孔(8)；所述底板(4)上固定有钢板c(6)；所述外模型箱通过斜撑(5)连接在所述钢板c(6)上。5.根据权利要求2所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，所述外模型箱的侧壁顶部设置有用于加固的卡槽(9)。6.根据权利要求1所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，所述弹性箱包括内模型箱和弹性连接件，所述外模型箱与所述内模型箱的四个侧壁之间均通过所述弹性连接件相连；所述内模型箱的底座采用所述弹性连接件。7.根据权利要求6所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，所述弹性连接件采用气囊(12)；所述气囊(12)内部设置有传感器。8.根据权利要求1所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，所述内模型箱的四个侧壁均采用玻璃板b(11)拼接而成；所述内模型箱的相邻侧壁之间设置有柔性限位器。9.根据权利要求8所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，每两个所述玻璃板b(11)之间设置有柔性囊。10.一种土工试验方法，基于权利要求1-9任一项所述的一种三向加载可组装土工试验模型箱，其特征在于，包括步骤如下：根据待试验对象确定试验边界条件，根据试验边界条件完成三向加载可组装土工试验模型箱装配，向所述试验模型箱内填充土体，将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据。

技术总结
本发明提供一种三向加载可组装土工试验模型箱及试验方法，属于室内试验设备领域，本模型箱采用四侧壁均为刚性结构的外模型箱，用于模拟岩土刚性边界，同时，在外模型箱内部设置一个可拆卸的弹性箱，用于模拟岩土弹性边界；使用时，若试验边界条件为刚性边界，将外模型箱内的弹性箱拆卸，填充土体并将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据；若试验边界条件为弹性边界，在外模型箱内安装弹性箱，填充土体并将待试验对象埋入土体中，监测土体变形数据，以期解决模型试验中单一的刚性边界问题，满足兼顾刚性边界与弹性边界模拟的试验需求；本模型箱具有可拼装、拆解、重复使用、维护方便以及费用低廉等优点，具有良好的推广应用价值。价值。价值。


技术研发人员：李哲 吕世鑫 庄金 王永杰 敖文 范国堂 张效通 瞿波 刘路路 李聚强 刘彤 彭丽欣 马季 吴佳洁
受保护的技术使用者：陕西桩鑫建设工程有限公司 中铁二十局集团市政工程有限公司 中建铁路投资建设集团有限公司
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/7/27