巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，至少包括反力墻、反力梁以及模型箱，反力墻由鋼筋混凝土制成，并圍繞設(shè)置于基坑的四個周邊；基坑的一側(cè)具有物料輸送電梯井，與物料輸送電梯井對應(yīng)的一側(cè)的反力墻上設(shè)置有一個試驗通道；反力梁橫跨基坑設(shè)置于反力墻的上端面；模型箱可由多塊水平加載板拼接成四個周邊，多塊垂直加載板拼接成頂部。本發(fā)明提出的試驗平臺可實現(xiàn)真三維加載，可進(jìn)行大尺寸物理模型試驗?？捎糜诘叵驴臻g及其開挖模擬試驗、降雨和地下水位升降條件下地基和邊坡工程模擬試驗、樁基和樁周土的動力響應(yīng)試驗、管片模擬試驗、結(jié)構(gòu)部件性能試驗等不同功能的物理模型試驗。
【專利說明】巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可用于隧道和地鐵車站、基礎(chǔ)工程、邊坡工程、擋土結(jié)構(gòu)等巖土工程的物理模型試驗裝置，尤其是一種可對大型地質(zhì)模型進(jìn)行綜合模擬的實驗平臺，特別是涉及一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺。
【背景技術(shù)】
[0002]物理模型試驗是研究大型巖土工程問題的重要手段，在國內(nèi)外被廣泛應(yīng)用，在工程研究和設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)外學(xué)者針對大型礦井頂板圍巖穩(wěn)定、大壩壩體與壩基的巖體穩(wěn)定、大型洞室圍巖穩(wěn)定與支護(hù)等工程問題進(jìn)行了卓有成效的研究工作，并研制了規(guī)模不等的配套模型試驗設(shè)備。
[0003]但是正如CN1696417A【背景技術(shù)】部分所述的那樣，現(xiàn)有的各種用于物理模型試驗的試驗裝置往往都是針對特定的工程而專門設(shè)計研制的，只能模擬某一類型的巖土工程，不具備通用性，而且不能實現(xiàn)三維加載，也不能實現(xiàn)對地下水影響的模擬。該專利提供了一種城市地下工程試驗系統(tǒng)，試圖解決上述問題。但是上述現(xiàn)有技術(shù)中所提供的試驗系統(tǒng)僅僅提供了一個邊長大約2米左右的試驗空間，難以滿足模型試驗通用性的要求。
[0004]在本發(fā)明的下述說明中，所謂立體綜合模擬試驗，指的是可實施真三軸加載，可進(jìn)行地下空間及其開挖模擬試驗、降雨和地下水位升降條件下地基和邊坡工程模擬試驗、樁基和樁周土的動力響應(yīng)試驗、管片模擬試驗、結(jié)構(gòu)部件性能試驗等不同功能的物理模型試驗。模型最大尺寸可達(dá)IOmX 6mX 6m (長X寬X高)，相對于現(xiàn)有技術(shù)的模型試驗規(guī)模來說，尺寸上要相對大得多，因此本發(fā)明的試驗臺相對前述現(xiàn)有技術(shù)而言屬于一種大型的試驗平臺。
[0005]物理模型試驗的幾何相似比是一個關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。幾何相似比取得過小，雖可以節(jié)省實驗材料，但是過小的模型體量會限制傳感器的布置，更容易受到外界因素的干擾，從而影響實驗精度。因此，在條件允許的情況下，應(yīng)當(dāng)盡量采用較大的模型幾何相似比，在這種情況下，模型實驗本身的復(fù)雜性也相應(yīng)的增加。例如大比例模型實驗需要的相似材料用量較大；在模擬大埋深復(fù)雜工況時，需要大噸位的加載系統(tǒng)以及剛度較大的反力系統(tǒng)等。隨著巖土工程的規(guī)模越來越大，出現(xiàn)的工程問題更加復(fù)雜，現(xiàn)有模型試驗設(shè)備已不能很好地滿足工程實踐的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，以減少或避免前面所提到的問題。
[0007]具體來說，本發(fā)明提供了一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，至少包括提供水平加載力的反力墻、提供垂直加載力的反力梁以及模型箱。
[0008]所述反力墻由鋼筋混凝土制成，設(shè)置于地下；地面上設(shè)置有地面試驗建筑，所述地面試驗建筑的頂部具有橫跨反力墻的可移動的吊車；所述試驗平臺的一側(cè)具有一個連通地面的物料輸送電梯井；與所述物料輸送電梯井對應(yīng)的一側(cè)的所述反力墻上設(shè)置有一個試驗通道，所述試驗通道與所述物料輸送電梯井連通。
[0009]所述反力梁橫跨所述反力墻的上端面，并與澆注于所述反力墻的混凝土內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)部件固定連接；
[0010]所述模型箱由多塊水平加載板拼接形成所述模型箱的四個周邊，多塊垂直加載板拼接形成所述模型箱的頂部，模型箱的底部與所述試驗平臺底部鋼筋混凝土地面共用；
[0011]所述內(nèi)側(cè)反力墻均勻布置多個預(yù)留的水平安裝孔；每個所述水平加載板都連接有一個水平加載作動器，所述水平加載作動器通過設(shè)置于所述水平安裝孔中的連接螺栓與所述反力墻固定連接；每個所述垂直加載板都連接有一個垂直加載作動器，每個所述垂直加載作動器通過連接螺栓與所述反力梁固定連接。
[0012]優(yōu)選地，所述反力墻為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層反力墻之間具有人員操作通道，所述水平加載作動器的控制管線通過所述反力墻上預(yù)留的水平加載孔穿入所述雙層反力墻之間，并連接至所述地面試驗建筑的控制室內(nèi)。
[0013]優(yōu)選地，所述試驗平臺上部設(shè)置有可向所述模型箱中輸送物料的傳送帶。
[0014]優(yōu)選地，在所述基坑的底部，設(shè)置有至少2道平行的“T”型槽，以及與所述“T”型槽連接的排水溝。
[0015]本發(fā)明提出了一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，可用于地下空間及其開挖模擬試驗、降雨和地下水位升降條件下地基和邊坡工程模擬試驗、樁基和樁周土的動力響應(yīng)試驗、管片模擬試驗、結(jié)構(gòu)部件性能試驗等不同功能的物理模型試驗，同時，可實現(xiàn)真三維加載，可進(jìn)行大尺寸物理模型試驗，最大模型尺寸可達(dá)10mX6mX6m (長X寬X高)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中，
[0017]圖1顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施案例提出的一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2顯示的是圖1的橫向剖視示意圖；
[0019]圖3顯示的是圖1的縱向剖視示意圖；
[0020]圖4顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施案例提出的模型箱的俯視示意圖；
[0021]圖5顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施案例提出的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的底面的俯視示意圖；
[0022]圖6顯示的是圖5所示的底面的部分剖面立體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。其中，相同的部件采用相同的標(biāo)號。
[0024]圖1顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施案例提出的一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖中粗略顯示的是本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的大致結(jié)構(gòu)，著重顯示了其與相對【背景技術(shù)】部分提及的現(xiàn)有技術(shù)的主要區(qū)別。
[0025]參見圖1，本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺與現(xiàn)有技術(shù)的一個顯著區(qū)別在于，本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的主體部分設(shè)置于地面開挖的一個基坑I中(參見圖2、3)，其中，圖1的附圖標(biāo)記11所表示的部分是地面，附圖標(biāo)記12所表示的部分是基坑I的底部。圖2顯示的是圖1的橫向剖視示意圖，圖3顯示的是圖1的縱向剖視示意圖，當(dāng)然，類似于圖1，圖2、圖3采用的是簡略畫法，僅用于本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀理解。
[0026]如圖1-3所示，本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺總體上包括位于基坑I中的地下部分和圍繞基坑I設(shè)置的地上部分，其中，地下部分是試驗平臺的主體結(jié)構(gòu)，至少包括反力加載裝置2以及模型箱3 (模型箱3在圖1-3中未顯示，參見圖4)，其中反力加載裝置2包括提供水平加載力的反力墻21以及提供垂直加載力的反力梁22。S卩，本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺至少包括提供水平加載力的反力墻21、提供垂直加載力的反力梁22以及模型箱3。
[0027]其中，反力墻21由鋼筋混凝土制成，并圍繞設(shè)置于由地面開挖的基坑I的四個周邊；圍繞基坑I的地面11上設(shè)置有地面試驗建筑13 (圖1中顯示了一部分，具體結(jié)構(gòu)參見圖2、3)，地面試驗建筑13的頂部具有橫跨基坑I的可移動的吊車14 ;基坑I的一側(cè)具有一個連通地面11的物料輸送電梯井15 ;與物料輸送電梯井15對應(yīng)的一側(cè)的反力墻21上設(shè)置有一個試驗通道16，試驗通道16與物料輸送電梯井15連通。
[0028]圖1中顯示的反力梁22有兩個，設(shè)置于反力墻21的上端面，并與澆注于反力墻21的混凝土內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)部件(圖中未示出)固定連接。模型箱3設(shè)置于反力墻21和反力梁22圍繞的空間內(nèi)。
[0029]反力梁22用于對模型頂部進(jìn)行加載，圖1中只顯示了兩個反力梁22，圖3中只顯示了一個反力梁22，圖1-圖3僅是示意，實際使用中，可根據(jù)模型箱3的大小和需要承受的頂部壓力設(shè)置多個反力梁22，反力梁22兩端通過螺栓與反力墻21頂部連接。
[0030]本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺置于地下，且為自平衡體系。例如，作動器作用在反力墻21上的力和對側(cè)反力墻21上的力大小相等，方向相反，不會對試驗平臺的外側(cè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。試驗平臺周圍土體會對反力墻施加一定反力，會有效減少反力墻的變形，并大大提高試驗平臺的抗傾覆能力。反力墻21設(shè)置于地下基坑I中，便于試驗人員從地面提供試驗協(xié)助，觀察試驗過程。
[0031]本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的另一個顯著特點是其結(jié)構(gòu)尺寸的大型化，本發(fā)明中的最大模型尺寸可達(dá)10mX6mX6m(長X寬X高)，相對于現(xiàn)有技術(shù)的模型試驗規(guī)模來說，尺寸上要相對大得多，方便進(jìn)行各種不同工程、不同工況的模型試驗。為了解決大型化的問題，本發(fā)明不但將主要試驗結(jié)構(gòu)設(shè)置于地下，也相應(yīng)的進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，例如，通過雙層預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的反力墻21提供了大剛度的反力加載裝置，從而可以提供大噸位的加載系統(tǒng)。
[0032]另外，對于大型試驗來說，模型材料的輸送會變得尤其困難。本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺由于設(shè)置于固定建筑物中，不可能像現(xiàn)有的敞開式鋼架結(jié)構(gòu)那樣，在需要裝載物料的時候采用起重機(jī)之類的可移動設(shè)備來起吊和輸送物料，因此，本發(fā)明的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺在圍繞基坑I的地面試驗建筑13的頂部設(shè)置了橫跨基坑I的可移動的吊車14，用于通過吊鉤或者抓斗輸送物料。另外，為了便于人員進(jìn)出基坑I設(shè)置和安裝試驗設(shè)備，在基坑I的一側(cè)還設(shè)置了物料輸送電梯井15，用于通過電梯井15輸送人員或者小型的試驗設(shè)備和模型材料。進(jìn)一步的，由于大型試驗需要輸送大量的模型材料，在一個具體實施例中，在基坑I的上部還設(shè)置有可向所述模型箱中輸送模型材料的傳送帶17。顯然，這些結(jié)構(gòu)的設(shè)置都是為了滿足大型模型試驗而提出的改進(jìn)，現(xiàn)有技術(shù)中，對于位于地面的敞開式試驗平臺，無需使用物料輸送電梯井15、傳送帶17、設(shè)置于地面試驗建筑13的頂部的吊車14等結(jié)構(gòu)。
[0033]為了安裝圖4中所示的提供水平加載力的水平加載作動器等結(jié)構(gòu)，所述基坑I的四個周邊的每個所述反力墻21面向所述基坑I內(nèi)部的一側(cè)墻壁上都均勻分布有多個水平加載孔23 ;從圖2、3中可見，水平加載孔23有一部分是通孔，有一部分是盲孔，通孔和盲孔的分布根據(jù)試驗需要而預(yù)先設(shè)計。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)水平加載孔23是通孔時，其還可以用于布放電纜、水管、傳感器線纜、輸油管路等管線。
[0034]如圖4所示，其顯示的是根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施案例提出的模型箱3的俯視示意圖，其中，模型箱3可由多塊水平加載板31拼接成所述模型箱3的四個周邊，同樣的，類似于圖4中顯示的模型箱3的俯視圖，多塊垂直加載板拼接成所述模型箱的頂部，而模型箱3的底部與所述試驗平臺底部鋼筋混凝土地面共用。
[0035]每個所述水平加載板31都連接有一個水平加載作動器32，所述水平加載作動器32通過設(shè)置于所述水平加載孔23中的連接螺栓與所述反力墻21固定連接；同樣的，類似于圖4中顯示的模型箱3的俯視圖，每個所述垂直加載板都連接有一個垂直加載作動器，每個所述垂直加載作動器通過連接螺栓與所述反力梁22固定連接。
[0036]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，水平加載板31和垂直加載板可以是同樣的部件，只是一個用于水平加載，一個用于垂直加載。
[0037]關(guān)于模型箱3的結(jié)構(gòu)，其與現(xiàn)有技術(shù)最大的不同之處在于，模型箱3是由多塊水平加載板31和垂直加載板拼接而成，這樣設(shè)置是為了滿足不同規(guī)模、不同加載方式的模型試驗的需要。例如，對于不同尺寸的模型，需要提供不同尺寸的加載板，采用本發(fā)明的加載板拼接結(jié)構(gòu)可以很容易的拼接出不同尺寸的加載板組合，解決不同尺寸的模型試驗的要求。
[0038]由于模型箱3是由多塊加載板拼接而成，因此，在制作模型前，可以只在模型箱3的三面安裝水平加載板31，靠近試驗通道16 —側(cè)加載板可不安裝，然后將傳送帶17安裝在試驗通道16處，這樣模型材料就可以由電梯15運送至地下，然后經(jīng)由傳送帶17直接運進(jìn)模型箱3空間，土層按照設(shè)計分層布置，分層安裝靠試驗通道16 —側(cè)的加載板，上層模型材料的調(diào)運可以采用在吊車上安裝抓斗機(jī)進(jìn)行，直至整個試體成型。
[0039]本發(fā)明采用拼接加載板的結(jié)構(gòu)，每個加載板都提供了獨立的加載作動器，配合每個加載板可以提供任意組合形式的力學(xué)加載模型，這一點與【背景技術(shù)】提及的現(xiàn)有技術(shù)CN1696417A有點類似，不過這些現(xiàn)有技術(shù)雖然提供了多個加載作動器，但是加載板卻是整體結(jié)構(gòu)，無法針對各模型試驗的不同實現(xiàn)靈活加載。
[0040]在一個優(yōu)選實施案例中，所述反力墻21為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層反力墻21之間具有人員操作通道211，所述水平加載作動器的控制管線通過所述反力墻21上預(yù)留的水平加載孔23穿入所述雙層反力墻21之間，并連接至所述地面試驗建筑13的控制室內(nèi)。這樣設(shè)置是為了適應(yīng)大型模型試驗的要求，一方面提供了更大剛度的反力墻21，另一方面可以提供人員通道安裝調(diào)試設(shè)備。
[0041]圖5顯示的是根據(jù)本發(fā)明提出的一個具體實施案例的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的底面的俯視示意圖；圖6顯示的是圖5所示的底面的部分剖面立體結(jié)構(gòu)示意圖。在一個優(yōu)選實施案例中，在本發(fā)明所提供的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的底部，也即是在所述基坑I的底部12，設(shè)置有至少2道平行的“T”型槽241，以及與所述“T”型槽241連接的排水溝242。所述排水溝242可以設(shè)置在靠近所述試驗通道16的一側(cè)，這樣便于試驗過程中進(jìn)行觀察和操作。
[0042]所述“T”型槽241可用于放置定位螺栓，所述定位螺栓可以在所述“T”型槽241中移動，便于在所述“T”型槽241的任意位置固定試件，這樣，在進(jìn)行普通結(jié)構(gòu)件和隧道管片試驗時，就可以方便的將需要進(jìn)行試驗的普通結(jié)構(gòu)件或隧道管片靈活的固定在本發(fā)明所提供的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺的底部。
[0043]所述排水溝242用于在進(jìn)行降雨試驗時收集滲漏出模型的水流，此外，還可以通過所述排水溝242安裝或者拆卸用于所述“T”型槽241的定位螺栓。
[0044]本發(fā)明提出了一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，可用于地下空間及其開挖模擬試驗、降雨和地下水位升降條件下地基和邊坡工程模擬試驗、樁基和樁周土的動力響應(yīng)試驗、管片模擬試驗、結(jié)構(gòu)部件性能試驗等不同功能的土工試驗?zāi)M，同時，可實現(xiàn)真三維加載，可進(jìn)行大尺寸物理模型試驗，最大模型尺寸可達(dá)10mX6mX6m (長X寬X高)。
[0045]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，雖然本發(fā)明是按照多個實施案例的方式進(jìn)行描述的，但是并非每個實施案例僅包含一個獨立的技術(shù)方案。說明書中如此敘述僅僅是為了清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個整體加以理解，并將各實施案例中所涉及的技術(shù)方案看作是可以相互組合成不同實施案例的方式來理解本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0046]以上所述僅為本發(fā)明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化、修改與結(jié)合，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，至少包括提供水平加載力的反力墻、提供垂直加載力的反力梁以及模型箱，其特征在于: 所述反力墻由鋼筋混凝土制成，并圍繞設(shè)置于由地面開挖的基坑的四個周邊；圍繞所述基坑的地面上設(shè)置有地面試驗建筑，所述地面試驗建筑的頂部具有橫跨所述試驗平臺的可移動的吊車；所述基坑的一側(cè)具有一個連通地面的物料輸送電梯井；與所述物料輸送電梯井對應(yīng)的一側(cè)的所述反力墻上設(shè)置有一個試驗通道，所述試驗通道與所述物料輸送電梯井連通； 所述反力梁橫跨所述試驗平臺，設(shè)置于所述反力墻的上端面，并與澆注于所述反力墻的混凝土內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)部件固定連接； 所述模型箱可由多塊水平加載板拼接成所述模型箱的四個周邊，多塊垂直加載板拼接成所述模型箱的頂部，模型箱的底部與所述試驗平臺底部鋼筋混凝土地面共用； 所述內(nèi)側(cè)反力墻均勻布置多個預(yù)留的水平安裝孔；每個所述水平加載板都連接有一個水平加載作動器，所述水平加載作動器通過設(shè)置于所述水平安裝孔中的連接螺栓與所述反力墻固定連接；每個所述垂直加載板都連接有一個垂直加載作動器，每個所述垂直加載作動器通過連接螺栓與所述反力梁固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，其特征在于，所述反力墻為雙層結(jié)構(gòu)，所述雙層反力墻之間具有人員操作通道，所述水平加載作動器的控制管線通過所述反力墻上預(yù)留的水平加載孔穿入所述雙層反力墻之間，并連接至所述地面試驗建筑的控制室內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，其特征在于，所述試驗平臺上部設(shè)置有可向所述模型箱中輸送物料的傳送帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖土工程大型立體綜合模擬試驗臺，其特征在于，在所述基坑的底部，設(shè)置有至少2道平行的“T”型槽，以及與所述“T”型槽連接的排水溝。
【文檔編號】E02D33/00GK103452144SQ201310289820
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】杜修力, 王秋生, 閆維明, 盧清國, 黃浩華, 趙旭 申請人:北京工業(yè)大學(xué)