一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于土木工程試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，結(jié)構(gòu)箱體包括側(cè)板、底板、后板，側(cè)板外側(cè)上方設(shè)有加載頭滑軌，加載頭滑軌兩側(cè)設(shè)有把手，結(jié)構(gòu)箱體前部的側(cè)板上設(shè)有千斤頂座，千斤頂座內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋千斤頂，側(cè)板之間設(shè)有緊固螺栓，結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)設(shè)有冷浴板，冷浴板包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板、下冷浴板并組成四方框形，前冷浴板與下冷浴板之間設(shè)有轉(zhuǎn)軸，本發(fā)明的益處在于：不僅能夠有效提供對(duì)土體的豎直和水平方向的凍結(jié)條件，而且能夠模擬擋土墻的傾覆位移和填土上方的車輛動(dòng)荷載或靜荷載。將這幾種條件組合，可以模擬多種實(shí)際工況，為凍土地區(qū)路基擋土墻服役性能研究提供一個(gè)有效試驗(yàn)平臺(tái)。
【專利說明】一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于土木工程試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱。
【背景技術(shù)】
[0002]地球上多年凍土、季節(jié)凍土和瞬時(shí)(短暫)凍土區(qū)的面積約占陸地面積的70%，其中多年凍土面積占陸地面積的20%.我國的多年凍土面積占國土面積的21.5%,在全世界占第三位，季節(jié)凍土區(qū)約占國土面積的53.5%，其中高海拔多年凍土面積居世界之最。隨著西部大開發(fā)的來臨，國家投資在青藏高原凍土地區(qū)建設(shè)包括青藏鐵路在內(nèi)的多項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目；而市政建設(shè)中也廣泛使用人工凍結(jié)技術(shù)作為臨時(shí)的土體支護(hù)加固手段。支擋結(jié)構(gòu)的受力，不僅與其背側(cè)填土的狀態(tài)有關(guān)，還與其本身的形變和位移有關(guān)。支擋結(jié)構(gòu)在凍土凍脹影響下的受力特征，尤其是頂部有動(dòng)荷載作用下的變形及受力情況及穩(wěn)定性，十分值得研究。利用模型試驗(yàn)建立這種工況，具有數(shù)值模擬不具備的準(zhǔn)確性，通過對(duì)凍融過程和動(dòng)荷載作用下的土體變形、凍脹力、支擋結(jié)構(gòu)變形及穩(wěn)定性的系統(tǒng)研究，可以借此對(duì)凍土地區(qū)道路擋土墻的服役性能提供評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)，為凍土地區(qū)擋土墻設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱:包括結(jié)構(gòu)箱體，其特征在于:結(jié)構(gòu)箱體包括側(cè)板、底板、后板，側(cè)板外側(cè)上方設(shè)有加載頭滑軌，力口載頭滑軌兩側(cè)設(shè)有把手，結(jié)構(gòu)箱體前部的側(cè)板上設(shè)有千斤頂座，千斤頂座內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋千斤頂，側(cè)板之間設(shè)有緊固螺栓，結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)設(shè)有冷浴板，冷浴板包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板、下冷浴板并組成四方框形，前冷浴板與下冷浴板之間設(shè)有轉(zhuǎn)軸。
[0005]上冷浴板上方設(shè)有動(dòng)荷載加載模塊，動(dòng)荷載加載模塊包括承壓板及承壓板上方設(shè)有的測(cè)力器，測(cè)力器上方設(shè)有動(dòng)力加載頭，通過冷浴板作用于土體，模擬動(dòng)荷載作用，動(dòng)力加載頭通過加載頭滑軌與結(jié)構(gòu)箱體連接固定，并可以沿滑軌自由移動(dòng)，以調(diào)節(jié)動(dòng)力加載頭作用在土體上的位置。
[0006]結(jié)構(gòu)箱體為15mm厚鋼板永久性整體焊接，保證具有克服土體凍脹所需剛度；其外表保溫層為臨時(shí)性設(shè)施，采用IOmm厚柔性泡沫黏貼于鋼制結(jié)構(gòu)層表面。
[0007]四塊冷浴板分為上下和前后兩組，對(duì)其中任一組相對(duì)放置的兩塊面板，接上兩臺(tái)獨(dú)立的冷浴循環(huán)機(jī)，設(shè)置不同的溫度，可在土體內(nèi)形成穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)；將兩組冷浴板同時(shí)投入使用，可以同時(shí)在水平和豎直方向維持相互疊加的溫度場(chǎng)，以模擬實(shí)際擋土墻背側(cè)土體的雙向凍結(jié)條件。
[0008]冷浴板用于直接接觸填土并使其降溫，冷浴板為活動(dòng)部件，隨時(shí)可以拆卸，冷浴板包括前鋼板和后鋼板的夾層結(jié)構(gòu)，前鋼板與后鋼板的夾層外沿設(shè)有邊框，圍成封閉空間，前鋼板與后鋼板之間分布有加強(qiáng)筋，以支撐前后鋼板并增加整體剛度；邊框與前鋼板和后鋼板焊接牢固并噴涂金屬漆以防滲漏；前鋼板表面設(shè)有進(jìn)出水孔，進(jìn)出水孔上設(shè)有進(jìn)出水接頭；這樣冷浴板包含有封閉的內(nèi)部空間供冷卻液流動(dòng)，并保證了整體足夠的強(qiáng)度和剛度，前鋼板表面還裝有把手。
[0009]動(dòng)荷載加載模塊帶有液壓數(shù)控的動(dòng)力加載頭，可以輸出指定周期和幅值的正弦波，輸出最大荷載20kN，頻率范圍0-6Hz，最大位移范圍-30mm-45mm ;測(cè)力器被安裝在加載頭傳力軸上，可以實(shí)時(shí)反饋真實(shí)作用力。
[0010]前冷浴板不僅起到給土體接觸降溫的功能，其本身就代表著模型試驗(yàn)中的擋土墻；前冷浴板被做成可繞底部轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的形式，以模擬擋土墻在土壓力和凍脹力作用下可能的傾覆現(xiàn)象；螺旋千斤頂約束著冷浴板的傾覆，通過伸縮螺旋千斤頂可以控制冷浴板的允許位移；用來研究墻后凍脹力和墻頂允許位移的關(guān)系。
[0011]在前冷浴板靠土一側(cè)沿長度方向均勻布置有一排微型土壓力傳感器，以測(cè)量土體對(duì)冷浴板的作用力；土體內(nèi)部布置有數(shù)排溫度探頭，以監(jiān)測(cè)整個(gè)土體在凍結(jié)過程中的溫度場(chǎng)變化；土壓力、溫度數(shù)據(jù)通過一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器處理，記錄并顯示在電腦上。
[0012]本發(fā)明的益處在于:不僅能夠有效提供對(duì)土體的豎直和水平方向的凍結(jié)條件，而且能夠模擬擋土墻的傾覆位移和填土上方的車輛動(dòng)荷載或靜荷載。將這幾種條件組合，可以模擬多種實(shí)際工況，為凍土地區(qū)路基擋土墻服役性能研究提供一個(gè)有效試驗(yàn)平臺(tái)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)立體示意圖；
[0014]圖2為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)平面示意圖；
[0015]圖3為本發(fā)明中的冷浴板結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分。
[0017]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0018]實(shí)施例1:如圖1至圖3所示，包括結(jié)構(gòu)箱體、負(fù)重輪2、前冷浴板3、后冷浴板4、上冷浴板5、下冷浴板6、轉(zhuǎn)軸7、緊固螺栓8、螺旋千斤頂9、千斤頂座10、動(dòng)力加載頭11、測(cè)力器12、承壓板13、加載頭滑軌14、把手15。其中結(jié)構(gòu)箱體包括側(cè)板1、側(cè)板111、后板112、底板113。冷浴板包括前鋼板16、后鋼板17、邊框18、加強(qiáng)筋19、進(jìn)出水孔20、進(jìn)出水接頭21、把手22。側(cè)板111外側(cè)上方裝有加載頭滑軌14，加載頭滑軌14兩側(cè)裝有把手15，前部的側(cè)板I上裝有千斤頂座10,千斤頂座10內(nèi)側(cè)裝有螺旋千斤頂9，側(cè)板I和側(cè)板111之間裝有緊固螺栓8，結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)裝有前冷浴板3、后冷浴板4、上冷浴板5、下冷浴板6并組成四方框形，前冷浴板3下端裝有轉(zhuǎn)軸7，上冷浴板5上方裝有承壓板13，承壓板13上方裝有測(cè)力器12，測(cè)力器12上方裝有動(dòng)力加載頭11，通過冷浴板作用于土體，模擬動(dòng)荷載作用，動(dòng)力加載頭11通過加載頭滑軌14與結(jié)構(gòu)箱體連接固定，并可以沿滑軌自由移動(dòng)，以調(diào)節(jié)動(dòng)力加載頭作用在土體上的位置，底板113底部裝有負(fù)重輪2，冷浴板用于直接接觸填土并使其降溫，冷浴板為活動(dòng)部件，隨時(shí)可以拆卸，冷浴板包括前鋼板16和后鋼板17的夾層結(jié)構(gòu)，前鋼板16與后鋼板17的夾層外沿設(shè)有邊框18，圍成封閉空間，前鋼板16與后鋼板17之間分布有六條加強(qiáng)筋19，以支撐前鋼板16和后鋼板17并增加整體剛度；邊框18與前鋼板16和后鋼板17焊接牢固并噴涂三遍金屬漆以防滲漏；前鋼板16表面設(shè)有進(jìn)出水孔20，進(jìn)出水孔20上設(shè)有進(jìn)出水接頭21 ;這樣冷浴板包含有封閉的內(nèi)部空間供冷卻液流動(dòng)，并保證了整體足夠的強(qiáng)度和剛度，前鋼板表面還裝有把手22。
[0019]1.準(zhǔn)備工作
[0020]制定試驗(yàn)計(jì)劃，選擇試驗(yàn)用土。土宜選擇實(shí)際路基填土或相近的土，室外翻曬后取樣測(cè)定初始含水量。針對(duì)實(shí)際工況或凍脹試驗(yàn)要求確定試驗(yàn)所用含水量，稱量指定重量的水摻入并拌合均勻。再次取樣測(cè)定含水量是否達(dá)到要求。
[0021]使用吊機(jī)卸下動(dòng)力加載頭11，拆掉五根緊固螺桿8和上冷浴板5。調(diào)整螺旋千斤頂9，使其推動(dòng)前冷浴板3繞轉(zhuǎn)軸7旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)。
[0022]將微型土壓力傳感器按排列順序固定在前冷浴板3的內(nèi)側(cè)。
[0023]2.填土
[0024]將拌合好的土用鐵鍬從頂部填進(jìn)箱體，先填I(lǐng)Ocm厚度，使用木杵振搗壓實(shí)，之后按實(shí)際施工要求分層填筑壓實(shí)。溫度傳感器隨填土過程同步安置。從下冷浴板表面開始，每IOcm深度布置一只，直到上冷浴板，形成一列測(cè)線。土中不同位置等間距設(shè)置3至4列測(cè)線，以全面測(cè)量土內(nèi)溫度分布，繪制冷浴板制冷下的溫度場(chǎng)變化情況。填土至目標(biāo)高度后，整平頂面，蓋上冷浴板5，安裝緊固螺桿8和動(dòng)力加載頭11，調(diào)整加載頭伸長量使承壓板13緊貼上冷浴板5，測(cè)力器12初始讀數(shù)為零。
[0025]3.制冷和監(jiān)測(cè)
[0026]將冷液管接上冷浴板的進(jìn)出水接頭21。每臺(tái)冷浴循環(huán)機(jī)有進(jìn)水管和出水管各一根，作用于一塊冷浴板，模型試驗(yàn)最多使用四臺(tái)冷浴循環(huán)機(jī)同時(shí)工作。打開冷浴循環(huán)，檢查管路是否有滲漏情況，及時(shí)排除。設(shè)定每塊冷浴板的目標(biāo)溫度。上冷浴板5、下冷浴板6為一組，上冷浴板5設(shè)定溫度較低值，下冷浴板6設(shè)定較高值以模擬冷量由地表傳導(dǎo)至下部土體的過程。前冷浴板3、后冷浴板4為一組，前冷浴板3設(shè)定溫度較低值，后冷浴板4設(shè)定較高值以模擬冷量由擋土墻傳遞到墻后土體的過程。制冷將經(jīng)歷數(shù)天以使箱內(nèi)土體達(dá)到溫度場(chǎng)穩(wěn)定狀態(tài)。
[0027]在制冷的過程中應(yīng)同步監(jiān)測(cè)溫度和壓力數(shù)據(jù)。溫度傳感器和土壓力傳感器通過DatatakerSO數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)記錄并顯示在計(jì)算機(jī)上。借由這些數(shù)據(jù)可以描述凍脹過程中溫度場(chǎng)變化及擋土墻受力變化情況。
[0028]4.擋土墻位移試驗(yàn)
[0029]如需了解擋土墻經(jīng)歷一定允許位移后的受力情況，則需使前冷浴板3旋轉(zhuǎn)一定角度。在制冷的整個(gè)過程中應(yīng)不斷調(diào)整螺旋千斤頂9的伸長量，使得前冷浴板3在過程中間斷性向外旋轉(zhuǎn)，直到達(dá)到指定旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的位移。
[0030]5.動(dòng)荷載試驗(yàn)
[0031]如需了解墻后填土頂部有動(dòng)荷載作用的情況，比如路基擋土墻，則需使用動(dòng)荷載動(dòng)力加載頭11。加載頭會(huì)將指定周期性荷載(如正弦波)通過承壓板13和上冷浴板5均勻加載到土體頂部。動(dòng)荷載可以根據(jù)研究需要選擇在凍結(jié)過程中加載或者凍結(jié)后加載。相應(yīng)的動(dòng)力加載數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄并需與溫度和土壓力數(shù)據(jù)對(duì)齊時(shí)間。
[0032]6.凍融循環(huán)試驗(yàn)
[0033]針對(duì)擋土墻設(shè)計(jì)使用壽命中的服役性能問題，單純研究一個(gè)凍脹期不能滿足要求。使用冷浴板，通過打開和關(guān)閉冷浴循環(huán)來模擬多次凍融情況。一般的，維持冷浴循環(huán)數(shù)天作為凍結(jié)過程，關(guān)閉機(jī)器使其室溫下融化作為一個(gè)融化過程，如此多次作為多次凍融循環(huán)過程。連續(xù)監(jiān)測(cè)多次凍融循環(huán)下的溫度和墻體受力數(shù)據(jù)，可以有效的揭示凍土擋土墻多年服役狀態(tài)和性能的變化情況。
[0034]以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以上參照附圖對(duì)本申請(qǐng)的示例性的實(shí)施方案進(jìn)行了描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施方案僅僅是為了說明的目的而所舉的示例，而不是用來進(jìn)行限制，凡在本申請(qǐng)的教導(dǎo)和權(quán)利要求保護(hù)范圍下所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，包括結(jié)構(gòu)箱體，其特征在于:結(jié)構(gòu)箱體包括側(cè)板、底板、后板，側(cè)板外側(cè)上方設(shè)有加載頭滑軌，加載頭滑軌兩側(cè)設(shè)有把手，結(jié)構(gòu)箱體前部的側(cè)板上設(shè)有千斤頂座，千斤頂座內(nèi)側(cè)設(shè)有螺旋千斤頂，側(cè)板之間設(shè)有緊固螺栓，結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)設(shè)有冷浴板，冷浴板包括前冷浴板、后冷浴板、上冷浴板、下冷浴板并組成四方框形，前冷浴板與下冷浴板之間設(shè)有轉(zhuǎn)軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:上冷浴板上方設(shè)有動(dòng)荷載加載模塊，動(dòng)荷載加載模塊包括承壓板及承壓板上方設(shè)有的測(cè)力器，測(cè)力器上方設(shè)有動(dòng)力加載頭，通過冷浴板作用于土體，模擬動(dòng)荷載作用，動(dòng)力加載頭通過加載頭滑軌與結(jié)構(gòu)箱體連接固定，并可以沿滑軌自由移動(dòng)，以調(diào)節(jié)動(dòng)力加載頭作用在土體上的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:結(jié)構(gòu)箱體為15_厚鋼板永久性整體焊接，保證具有克服土體凍脹所需剛度；其外表保溫層為臨時(shí)性設(shè)施，采用IOmm厚柔性泡沫黏貼于鋼制結(jié)構(gòu)層表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:四塊冷浴板分為上下和前后兩組，對(duì)其中任一組相對(duì)放置的兩塊面板，接上兩臺(tái)獨(dú)立的冷浴循環(huán)機(jī)，設(shè)置不同的溫度，可在土體內(nèi)形成穩(wěn)定的一維溫度場(chǎng)；將兩組冷浴板同時(shí)投入使用，可以同時(shí)在水平和豎直方向維持相互疊加的溫度場(chǎng)，以模擬實(shí)際擋土墻背側(cè)土體的雙向凍結(jié)條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:冷浴板用于直接接觸填土并使其降溫，冷浴板為活動(dòng)部件，隨時(shí)可以拆卸，冷浴板包括前鋼板和后鋼板的夾層結(jié)構(gòu)，前鋼板與后鋼板的夾層外沿設(shè)有邊框，圍成封閉空間，前鋼板與后鋼板之間分布有加強(qiáng)筋，以支撐前后鋼板并增加整體剛度；邊框與前鋼板和后鋼板焊接牢固并噴涂金屬漆以防滲漏；前鋼板表面設(shè)有進(jìn)出水孔，進(jìn)出水孔上設(shè)有進(jìn)出水接頭；這樣冷浴板包含有封閉的內(nèi)部空間供冷卻液流動(dòng)，并保證了整體足夠的強(qiáng)度和剛度，前鋼板表面還裝有把手。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:動(dòng)荷載加載模塊帶有液壓數(shù)控的動(dòng)力加載頭，可以輸出指定周期和幅值的正弦波，輸出最大荷載20kN,頻率范圍0-6Hz，最大位移范圍-30mm-45mm ;測(cè)力器被安裝在加載頭傳力軸上，可以實(shí)時(shí)反饋真實(shí)作用力。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:前冷浴板不僅起到給土體接觸降溫的功能，其本身就代表著模型試驗(yàn)中的擋土墻；前冷浴板被做成可繞底部轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的形式，以模擬擋土墻在土壓力和凍脹力作用下可能的傾覆現(xiàn)象；螺旋千斤頂約束著冷浴板的傾覆，通過伸縮螺旋千斤頂可以控制冷浴板的允許位移；用來研究墻后凍脹力和墻頂允許位移的關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能凍土擋土墻模型試驗(yàn)箱，其特征在于:在前冷浴板靠土一側(cè)沿長度方向均勻布置有一排微型土壓力傳感器，以測(cè)量土體對(duì)冷浴板的作用力；土體內(nèi)部布置有數(shù)排溫度探頭，以監(jiān)測(cè)整個(gè)土體在凍結(jié)過程中的溫度場(chǎng)變化；土壓力、溫度數(shù)據(jù)通過一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器處理，記錄并顯示在電腦上。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK103823043SQ201410088082
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】劉建坤, 呂鵬, 張子白 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)