[發(fā)明專利]一種三維陣列式多沉陷門模型試驗系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107315082A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 芮瑞;萬億;夏元友;孫義
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 齊晨涵,姜學(xué)德

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種土工相似模型試驗系統(tǒng)，具體地指一種三維陣列式多沉陷門模型試驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)

土拱效應(yīng)是巖土工程中的一種荷載遷移現(xiàn)象，通過剪應(yīng)力的發(fā)揮將荷載向剛性邊界集中，差異變形是引起的剪應(yīng)力的主要原因。以樁承式路堤為例，由于樁、土模量差異，在豎向荷載作用下，樁間土產(chǎn)生了大于樁體的沉降量，在樁頂部形成沉降差，導(dǎo)致上部荷載在樁與樁間土之間產(chǎn)生重分布，將更多的荷載傳遞到樁頂部。通過沉陷門下沉模擬差異沉降的方式能夠造成荷載自然的向樁體集中，相比樁體刺入的模擬方式，與實際工程中樁承式路堤工作機制更為吻合。Terzaghi于1936年開發(fā)了平面應(yīng)變條件下的單沉陷門試驗裝置，用于解釋應(yīng)力向剛性邊界遷移的現(xiàn)象。沉陷門試驗對于土拱效應(yīng)問題的簡化合理，已廣泛應(yīng)用于樁承式路堤、巖溶塌陷、崩落開采等類似工程的試驗中，具有現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬不可替代的優(yōu)勢。

沉陷門試驗系統(tǒng)經(jīng)過了由平面應(yīng)變單沉陷門向平面應(yīng)變多沉陷門和三維單沉陷門試驗系統(tǒng)的發(fā)展過程。目前的三維模型試驗大多不能考慮多個沉陷門之間的相互影響，可視化程度較低，內(nèi)部變形與應(yīng)力難以直接獲取，同時相對位移量無法準(zhǔn)確控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了三維陣列式多沉陷門模型試驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對豎向土拱效應(yīng)的模擬，尤其適用于樁承式路堤、復(fù)合地基墊層在樁間土非一致下沉條件下的填料變形與荷載遷移現(xiàn)象的模擬。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的三維陣列式多沉陷門模型試驗系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括外框架、多沉陷門組件、位移控制組件、填料箱、土工格柵安裝組件、表面位移測量組件、以及斷面位移可視化測量組件，

所述填料箱位于外框架內(nèi)部，用于裝填填料，且所述填料箱前側(cè)為透明狀；

所述多沉陷門組件位于填料箱底部，包括若干陣列式排列的可調(diào)節(jié)高度的升降臺；

所述位移控制組件用于控制多沉陷門中陣列的升降臺按設(shè)定的位移速度與間隔時間下降，產(chǎn)生非一致下沉；

所述土工格柵組件位于多沉陷門組件上，用于在試驗需要時安裝固定土工格柵加筋材料；

所述表面位移測量組件位于外框架頂部，用于測量所填物料在升降臺下降過程中的頂部形態(tài)變化；

所述斷面位移可視化測量組件位于外框架前側(cè)，用于測量所填物料斷面全場位移。

進一步地，所述填料箱由外框架四周的擋板和外框架底板構(gòu)成，其中，外框架前側(cè)擋板為有機玻璃擋板，兩側(cè)和后側(cè)擋板均由多段拼接而成。前側(cè)設(shè)置為有機玻璃擋板方便觀測，兩側(cè)和后側(cè)的擋板設(shè)計為從上之下多段拼接而成的擋板，方便填筑。

更進一步地，所述外框架兩側(cè)和后側(cè)擋板均由多段鋼條拼接而成。

再進一步地，所述升降臺為滾珠絲桿升降臺，且所述升降臺頂部設(shè)置有載荷計，所述載荷計尺寸與升降臺頂板尺寸相同。所述載荷計測試元件一般采用輪輻式稱重傳感器，用于測試填料傳遞到每塊升降臺上的荷載大小，以評估土拱效應(yīng)的發(fā)揮程度。

再進一步地，所述升降臺組件優(yōu)選16×16的升降臺陣列方式?？蓪崿F(xiàn)5種不同樁帽面積置換率與4種相對填料高度組合下可能出現(xiàn)的變形模式類型。

再進一步地，所述土工格柵安裝組件包括土工格柵，所述土工格柵前側(cè)與填料箱前側(cè)玻璃擋板之間為活動連接，以滿足前側(cè)觀察斷面的邊界條件要求，其余側(cè)均與外框架固定連接。

再進一步地，所述玻璃擋板上對應(yīng)格柵設(shè)置固定滑槽，所述外框架兩側(cè)及后側(cè)上設(shè)置有格柵固定鋼梁，所述土工格柵其余側(cè)通過格柵壓條固定在格柵固定鋼梁上。

再進一步地，所述表面位移測量組件包括激光斷面儀和用于激光斷面儀滑行的滑動結(jié)構(gòu)，所述滑動結(jié)構(gòu)固定在外框架頂部的滑槽內(nèi)。方便激光斷面儀來回運動，測量所填物料頂部的形態(tài)變化。

再進一步地，所述斷面位移可視化測量組件包括燈光系統(tǒng)和攝像裝置。

再進一步地，所述所填物料為不同顏色分層填筑的散體砂石材料，且填筑方式為，先按照計算的填筑重量虛鋪，刮平后壓至預(yù)定的層高。從而對填料的填筑密度進行控制，填筑密度指砂土的相對密度或粘性土的壓實度。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：其沉陷門采用高度可調(diào)的陣列升降臺組合方式、沉陷門運動模式通過位移控制組件調(diào)節(jié)、下沉量可以精確控制；且設(shè)置有表面位移測量組件，以及斷面位移可視化測量組件，使得斷面位移可以追蹤、表面位移可以測量。本發(fā)明實現(xiàn)三維條件下樁承式路堤、復(fù)合地基墊層填料在樁間土與土工格柵非一致下沉/變形時工作過程的模擬，并獲得土拱演化全過程變形與應(yīng)力的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

附圖說明