一种水平滑移型土拱效应试验装置及其使用方法与流程

本发明涉及水利工程试验设备领域，具体涉及一种水平滑移型土拱效应试验装置及其使用方法。

背景技术：

土拱效应是自然界最普遍的一种现象，其在水利工程、建筑工程等均是需要考虑的因素，由于土拱效应的存在，结构物的土压力分布会受到显著的影响。

近年来，越来越多的考虑土拱效应的计算方法被提出来。但是相关的试验进展较为缓慢，尤其是多涵洞条件下土拱效应试验更为缺乏，究其原因，在于试验研究装置的发展偏慢。

对于涵洞而言，一般的研究仅仅限于涵洞在开挖回填面中间部位的研究，而对于涵洞中轴线处于距离回填面左侧边部为开挖面总宽度的1/5、1/4、1/3等位置的影响还没有研究。而按照现有的试验设备，如果要进行对比试验，每做一次试验，试验装置基本需要重新设计、制作，试验装置的通用性不足，每次试验的费用较高。这一因素直接制约了试验效率，进一步制约了人们对土拱效应的认识。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水平滑移型土拱效应试验装置及其使用方法，该装置用于研究涵洞在不同位置处的主动拱效应。

为实现上述发明目的，本发明专利所采用的技术方案是：一种水平滑移型土拱效应试验装置，包括试验箱(4)和升降装置(6)；

所述试验箱(4)的底部设置结构单元板(5-4)与非结构单元板(5-3)；结构单元板(5-4)能够上下活动，用于模拟涵洞，非结构单元板(5-3)固定设置，用于模拟填土基础；

所述升降装置(6)包括升降动力装置(6-1)、顶管平台板(6-2)、顶管(6-3)、顶管移动支架(6-5)；所述顶管平台板(6-2)由升降动力装置(6-1)升起或降落，顶管平台板(6-2)上方为顶管移动支架(6-5)，顶管(6-3)设置在顶管移动支架(6-5)上；

所述顶管平台板(6-2)上方设置滑动槽(6-7)，顶管移动支架(6-5)自下而成分为：滑动构件(6-5-2)、滑动移动板(6-5-1)，顶管安装件(6-5-3)；顶管(6-3)安装在滑动移动支架顶管安装件(6-5-3)上；滑动构件(6-5-2)能够在顶管平台板(6-2)上方的滑动槽(6-7)中运动；

所述结构单元板(5-4)正下方对应顶管(6-3)。

进一步，在顶管平台板(6-2)上设置水平推拉装置(6-4)，水平推拉装置(6-4)用于推拉顶管移动支架(6-5)在滑动槽(6-7)中运动，所述水平推拉装置(6-4)包括：水平推拉动力装置(6-4-1)、推拉轴、推拉端板(6-4-2)、以及螺栓(6-4-3)，水平推拉动力装置(6-4-1)外端固接有推拉轴，推拉轴外端固接有推拉端板(6-4-2)，在推拉端板(6-4-2)贯穿有螺纹孔；

滑动移动板(6-5-1)的侧面设置螺纹孔，螺栓(6-4-3)穿过推拉端板(6-4-2)的螺纹孔与滑动移动板(6-5-1)的侧面螺纹孔连接在一起，在推拉端板一侧设置有螺帽，以便将推拉端板(6-4-2)和滑动移动板(6-5-1)固定在一起。

进一步，所述水平推拉装置(6-4)设置在顶管移动支架(6-5)的两侧。

进一步，在机架上设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板(6-5-1)与顶管(6-3)所在的水平面内；当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置(6-4)推动推拉顶管移动支架(6-5)移动；当顶管(6-3)挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置(6-4)停止运动。

进一步，所述滑动槽(6-7)的数量为两条以上，其形状为状；滑动构件(6-5-2)形状为状，滑动移动支架(6-5-3)插入滑动槽(6-7)时需要采用侧向插入的方式来放置；所述滑动构件(6-5-2)、滑动移动板(6-5-1)、顶管安装件(6-5-3)一体成型；所述顶管(6-3)与顶管安装件(6-5-3)采用螺纹连接。

进一步，试验箱(4)固定在机架的承重平台(3)上，所述机架包括上横梁(1-1)、下横梁(1-4)、平台横梁(1-2)、立柱(2)、纵梁(1-3)、平台横梁(1-4)和纵梁(1-3)上设置承重平台(3)，所示试验箱(4)固定在承重平台(3)上；上横梁(1-1)，下横梁(1-4)的位置处分别设置纵梁(1-3)以形成机架框架；

试验箱(4)包括箱体主架(4-1)和四周的有机玻璃(4-2)，主架(4-1)包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃(4-2)通过插槽按照在箱体主架(4-1)上，上层横梁下表面设置有插槽，进一步固定有机玻璃(4-2)；有机玻璃背板上绘制有刻度网格。

进一步，所述试验箱(4)的四周设置有挡板，与结构单元板相接触的非结构单元板的侧边也设置有挡板(7)。

进一步，在试验箱(4)上方还设有加载系统和箱体内部填料位移监测系统；加载系统包括与上横梁(1-1)相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱(4)上方的加载板连接；或者加载系统为激振器；箱体内部填料位移监测系统包括：在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，和/或在试验箱体长边方向相对应的两侧设置的数码照相机或CT扫描机。

进一步，所述的每个升降装置(6)，以及水平推拉装置(6-4)，以及红外线发射器与红外线传感器均与PLC连接，通过PLC来控制升降装置中的升降动力装置(6-1)的运动，以及水平推拉动力装置(6-4-1)。

一种水平滑移型土拱效应试验装置的使用方法，试验步骤包括如下步骤：

(1)安装顶管：将顶管移动支架(6-5)从顶管平台板(6-2)的侧面插入到滑动槽(6-7)中，然后在顶管平台板(6-2)上固定安装水平推拉动力装置(6-4-1)，然后启动水平推拉动力装置(6-4-1)，使得水平推拉动力装置(6-4-1)固定的推拉端板(6-4-2)接触到顶管移动支架(6-5)中的滑动移动板(6-5-1)，推拉端板(6-4-2)上的螺栓孔与滑动移动板(6-5-1)的螺栓孔对齐，将螺栓插入到螺栓孔中，安装螺母将推拉端板(6-4-2)与滑动移动板(6-5-1)固定在一起；在滑动移动板(6-5-1)上方设置的顶管安装件(6-5-3)上，将顶管(6-3)安装到顶管安装件(6-5-3)上；

(2)调节顶管的位置：在机架上的两边设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板(6-5-1)与顶管(6-3)所在的水平面内；

当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置(6-4)推动推拉顶管移动支架(6-5)移动；当顶管(6-3)挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置(6-4)停止运动；

启动红外线发射器和红外线传感器，水平推拉装置(6-4)在PLC的控制下，推动顶管移动支架(6-5)到预设位置，使得顶管(6-3)正好在结构单元板(5-4)的下方；

(3)将非结构单元板(5-3)安装在试验箱上，将结构单元板(5-4)底部设置的插孔插入到顶管(6-3)上；通过PLC控制升降装置(6)，升起顶管(6-3)使得结构单元板(5-4)的上表面高度到达预设高度；

(4)制备土样，试验箱内填筑土体：制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；然后按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体，直至土体填筑到达预设高度；

(5)试验过程：控制升降动力装置(6-1)，使得顶管平台板(6-2)和顶管(6-3)逐步下降，最终带动结构单元板(5-4)逐步下降。

进一步，试验步骤还包括：

步骤(3)中，在完成结构单元板(5-4)安装后，在填土之前，在结构单元板(5-4)上表面布置土压力盒；

在步骤(5)中，试验开始后，加载系统对填料进行荷载的加载；

在步骤(5)中，数码相机在顶管(6-3)每下移0.1mm时拍摄一张土体填料相片，同时土压力盒也采集一次数据。

试验步骤(5)中，试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载系统停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载系统运作，继续试验。

本发明的优点在于：1)本发明可以研究多条管涵下的主动拱效应；2)顶管设置在顶管移动支架上，通过水平推拉动力装置可以在滑动槽中滑动，作用有两个：一是每次试验时结构单元板的位置都不同，顶管设计成可移动式，在试验时可以根据结构单元板的位置进行调整，试验仪器具有一定的通用性；二是：在试验过程中，结构单元板上覆土体的压力由顶管来承担，顶管将力传递到顶管移动支架上，在仪器研发过程中发现：顶管竖向力如果过大，会使得顶管移动支架发生移动，进而导致试验失败的情况，这种破坏与“压杆破坏”的原理类似；基于上述认识，将水平推拉动力装置与顶管移动支架固定，以便起到水平位置限位的作用，避免压杆破坏；3)采用红外线发射器-传感器来对设计顶管移动支架移动的位置，可能也是土拱效应试验仪器中首次应用，通过PLC来控制水平推拉动力装置，提高设备的自动化水平；4)位移是影响土拱效应的最大因素，但是这种影响的定量分析目前还缺乏试验研究，升降装置与PLC连接，可以精确控制结构单元板的位移，试验成果可以得到：结构沉降-土压力变化曲线，对于土拱效应的位移影响可以得到定量的试验结果；5)在与结构单元板接触的非结构单元板和箱体侧壁下方设置有挡板，这一设计的原因是：对于软土地区，基础沉降有可能达到1-2m之多，或者为了满足通航等条件，涵洞本身设置的高程较低等情形，这两种情况必须得考虑结构单元板的大变形要求，挡板高度+非结构单元板板厚度+结构单元板高于非结构单元板上表面的厚度>结构单元板下移高度，当结构单元板起始位置低于非结构单元板上表面时，结构单元板高于非结构单元板上表面的厚度取负值，上述设计提高了沉降单元板下移活动的范围增加，解决基础在大变形情况尤其是埋设较低时大变形的土拱效应研究；6)对于软土地区而言，不均匀沉降较大，施工过程中，沉降较大时，会随着沉降的增加不断的填土到原有标高，即填土-沉降-再填土-沉降-再填土的施工过程，因此，本次试验方法中特别指明：试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载系统停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载系统运作，继续试验。

附图说明：

图1为实施例一工程实例对比图；

图2为试验装置侧视图；

图3为实施例一试验箱承重平台构造俯视图；

图4为实施例一试验箱结构图；

图5为实施例一第一种结构单元板和非结构单元板安装俯视图；

图6为实施例一顶管与结构单元板关系图；

图7为实施例一顶管移动支架俯视图；

图8为实施例一A-A截面图；

图9为水平推拉装置俯视图；

图10为实施例一第二种结构单元板和非结构单元板安装俯视图；

附图标记：上横梁1-1，平台横梁1-2，纵梁1-3，下横梁1-4；立柱2；承重平台3；试验箱4，箱体主架4-1，有机玻璃4-2；非结构单元板5-3，结构单元板5-4；升降装置6，升降动力装置6-1，顶管平台板6-2，顶管6-3，水平推拉装置6-4，水平推拉动力装置6-4-1，推拉端板6-4-2，螺栓6-4-3，顶管移动支架6-5，滑动移动板6-5-1，滑动构件6-5-2，顶管安装件6-5-3，滑动槽6-7；挡板7。

具体实施方式

实施例一：平面应变条件下的单一管涵模拟，如附图1所示，对比两种情形下管涵表面的土压力的变化，a.管涵直径1m，回填土体宽2m，回填高度3m，管涵在回填土体的中间位置；b.管涵直径1m，回填土体宽2m，回填高度3m，管涵距离左侧的距离为0.3m；两个对比试验中：填土上侧还需要考虑交通荷载。试验中按照1:1的比例模拟。

如图2-3所示：首先进行管涵在中间的试验，土拱效应模拟试验装置包括：机架、试验箱4、升降装置6；其中，机架包括两根上横梁1-1、两根下横梁1-4、两根平台横梁1-2、四根立柱2、6根纵梁1-3、平台横梁1-4和纵梁1-3上设置承重平台3，试验箱4固定在承重平台3上；上横梁1-1，下横梁1-4的位置处分别设置2根纵梁1-3以形成机架框架。

如图4所示，试验箱4为包括箱体主架4-1和四周的有机玻璃4-2，主架4-1包括上层横梁和下层横梁以及四根立柱，在下层横梁、四根立柱上设置玻璃插槽，有机玻璃4-2通过插槽按照在箱体主架4-1上，上层横梁下表面设置有插槽，进一步固定有机玻璃4-2；有机玻璃背板上绘制有刻度网格；根据刻度网格进行填料分层。

如图5所示，在试验箱4底部设置结构单元板5-4和非结构单元板5-3，结构单元板5-4能够上下活动，用于模拟涵洞，非结构单元板5-3固定设置，用于模拟填土基础；结构单元板5-4设置在中间，宽度为1m，在结构单元板5-4两侧各设置0.5m的非结构单元板，结构单元板和非结构单元板的长度均为1m且均为整体板，非结构单元板通过螺丝或其他方式直接固定在箱体侧壁上。

如图6所示，升降装置6包括：升降动力装置6-1、顶管平台板6-2、顶管6-3、顶管移动支架6-5；升降动力装置采用液压油缸，也可以采用丝杆等其他动力装置；顶管平台板6-2由升降动力装置带动升起或降落；顶管平台板6-2上方为顶管移动支架6-5，顶管6-3设置在顶管移动支架6-5上；所述顶管平台板6-2上方设置滑动槽6-7。

如图7-8所示，顶管移动支架6-5自下而成分为：滑动构件6-5-2、滑动移动板6-5-1、顶管安装件6-5-3；顶管6-3安装在滑动移动支架顶管安装件6-5-3上；滑动构件6-5-2能够在顶管平台板6-2上方的滑动槽6-7中运动。

顶管6-3和顶管安装件6-5-3采用螺纹连接或者焊接或者卡接或者插接等连接方式。

如图8可知：在顶管平台板6-2上设置水平推拉装置6-4，水平推拉装置6-4用于推拉顶管移动支架6-5在滑动槽6-7中运动。

如图9可知：所述水平推拉装置6-4包括：水平推拉动力装置6-4-1、推拉轴、推拉端板6-4-2、以及螺栓6-4-3，水平推拉动力装置6-4-1外端固接有推拉轴，推拉轴外端固接有推拉端板6-4-2，在推拉端板6-4-2贯穿有螺纹孔，滑动移动板6-5-1的侧面设置螺纹孔，螺栓6-4-3穿过推拉端板6-4-2的螺纹孔与滑动移动板6-5-1的侧面螺纹孔连接在一起，在推拉端板一侧设置有螺帽，以便将推拉端板6-4-2和滑动移动板6-5-1固定在一起。

所述水平推拉装置6-4设置在顶管移动支架6-5的一侧。

在机架上设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板6-5-1与顶管6-3所在的水平面内；当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置6-4推动推拉顶管移动支架6-5移动；当顶管6-3挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置6-4停止运动。

所述滑动槽6-7的数量为两条，其形状为状；滑动构件6-5-2形状为状，滑动移动支架6-5-3插入滑动槽6-7时需要采用侧向插入的方式来放置；所述滑动构件6-5-2、滑动移动板6-5-1、顶管安装件6-5-3一体成型。

如图6所示，所述试验箱4的四周设置有挡板，与结构单元板相接触的非结构单元板的侧边也设置有挡板7。

在试验箱4上方还设有加载系统和箱体内部填料位移监测系统；加载系统包括与上横梁1-1相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱4上方的加载板连接；或者加载系统为激振器；箱体内部填料位移监测系统包括：在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，和/或在试验箱体长边方向相对应的两侧设置的数码照相机或CT扫描机。

所述的每个升降装置6，以及水平推拉装置6-4，以及红外线发射器与红外线传感器均与PLC连接，通过PLC来控制升降装置中的升降动力装置6-1的运动，以及水平推拉动力装置6-4-1。

此外，为了模拟管涵上部有均匀荷载的情况，试验箱4上方还设有加载系统，加载系统包括与上横梁1-1相连接的千斤顶，以及与千斤顶下部相互连接的测力装置，测力装置采用测力环，测力环下部与试验箱4上方的加载板连接；为了模拟管涵上部的交通荷载，加载系统可更换为激振器。

在试验箱短边方向前侧设置有数码照相机，以便测量试验过程中土体的位移场。

本实施例中：如图6所示，结构单元板5-4为一空心盒体，下表面设置有与顶管6-4截面相对应的插孔，顶管可直接接触结构单元板5-4的上表面，更好的控制沉降单元板的沉降过程，插孔的作用在于限位结构单元板与顶管，以及在升降过程中固定沉降单元板不发生水平位移。

试验过程如下。

(1)安装顶管：将顶管移动支架6-5从顶管平台板6-2的侧面插入到滑动槽6-7中，然后在顶管平台板6-2上固定安装水平推拉动力装置6-4-1，然后启动水平推拉动力装置6-4-1，使得水平推拉动力装置6-4-1固定的推拉端板6-4-2接触到顶管移动支架6-5中的滑动移动板6-5-1，推拉端板6-4-2上的螺栓孔与滑动移动板6-5-1的螺栓孔对齐，将螺栓插入到螺栓孔中，安装螺母将推拉端板6-4-2与滑动移动板6-5-1固定在一起；在滑动移动板6-5-1上方设置的顶管安装件6-5-3上，将顶管6-3安装到顶管安装件6-5-3上。

(2)调节顶管的位置：在机架上的两边设置有红外线发射器和红外线传感器，红外线发射器和红外线传感器的方向与滑动槽的方向垂直，红外线发射器和红外线传感器处于同一高度，其高度处于滑动移动板6-5-1与顶管6-3所在的水平面内。当红外线传感器收到红外器发射器的信号时，水平推拉装置6-4推动推拉顶管移动支架6-5移动；当顶管6-3挡住红外器发射器信号时，水平推拉装置6-4停止运动。启动红外线发射器和红外线传感器，水平推拉装置6-4在PLC的控制下，推动顶管移动支架6-5到预设位置，使得顶管6-3正好在结构单元板5-4的下方。

(3)将非结构单元板5-3安装在试验箱上，将结构单元板5-4底部设置的插孔插入到顶管6-3上；通过PLC控制升降装置6，升起顶管6-3使得结构单元板5-4的上表面高度到达预设高度；在完成结构单元板5-4安装后，在填土之前，在结构单元板5-4上表面布置土压力盒。

(4)制备土样，试验箱内填筑土体：制备三种颜色：黄、绿、红的土体，采用水洗色浆将土样染色，将其放置在烘箱25h后取出，揉碎冷却至常温；然后按照黄、绿、红循环分层在箱体内设置土体，直至土体填筑到达预设高度。

(5)试验过程：控制升降动力装置6-1，使得顶管平台板6-2和顶管6-3逐步下降，最终带动结构单元板5-4逐步下降；试验开始后，加载系统对填料进行荷载的加载；数码相机在顶管6-3每下移0.1mm时拍摄一张土体填料相片，同时土压力盒也采集一次数据；试验箱土体上表面高度降低到预设高度后，升降装置和加载系统停止工作，继续填土，待填土完成后，重新控制升降装置和加载系统运作，继续试验。

(6)绘制结构单元板竖向位移-土压力变化曲线。

试验时，在完成第一个试验后，将土体移除、拆除非结构单元板，顶管和结构单元板不需要拆除，重新设置红外线传感器收到红外器发射器的位置，启动水平推拉装置6-4，使得顶管及其上部的结构单元板到达新的位置如图10所示，即结构单元板距离箱体侧板0.3m的位置处，然后按照非结构单元板。按照前述试验过程重新进行试验即可。

通过上述实施例可知：采用本装置，在做对比试验时可以减少大量的重复工作，试验成本和试验时间都大大的节约了。

以上已详细描述了本方面的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落入本申请所附权利要求书的保护范围中。