一种多涵洞条件下的土压力测试仪器及其使用方法与流程

本发明涉及工程试验设备领域，具体涉及一种多涵洞条件下的土压力测试仪器及其使用方法。

背景技术：

现有的土拱效应试验仪器较多，但是对试验的重复性上的研究较少。同日申请“一种水平滑移型土拱效应试验装置及其使用方法”是本申请的基础专利，该申请的试验设备主要是针对不同位置下的涵洞的土拱效应试验(单一涵洞)，其还不能做双涵洞、三涵洞等多涵洞条件下的试验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多涵洞条件下的土压力测试仪器及其使用方法，该装置用于研究多涵洞在不同位置处的拱效应。

为实现上述发明目的，本发明专利所采用的技术方案是：一种多涵洞条件下的土压力测试仪器，包括试验箱(4)和升降装置(6)；试验箱(4)的底部设置第一单元板(5-4)与第二单元板(5-3)；第一单元板(5-4)能够上下活动，第二单元板(5-3)固定设置；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)，顶管移动支架(6-5)的与沉降单元板(5-4)相对应，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；所述第一单元板(5-4)正下方对应顶管(6-3)；相邻的推拉顶管移动支架(6-5)之间设置有连接装置，该装置包括：第一固定端板(6-8-1)、连接构件(6-6)、第二固定端板(6-8-2)，第一固定端板(6-8-1)和第二固定端板(6-8-2)分别设置在相邻的推拉移动支架(6-5)上，连接构件(6-6)设置在第一固定端板(6-8-1)和第二固定端板(6-8-2)之间；连接构件与第一固定端板(6-8-1)和第二固定端板(6-8-2)固定在一起。

进一步，在第二固定端板(6-8-2)上设置有长通孔(6-8-3)，连接构件(6-6)包括连接构件本体(6-6-1)、通孔(6-6-3)，螺栓(6-6-4)穿过连接构件本体的通孔(6-6-3)和第二固定端板(6-8-2)的长通孔(6-8-3)，再配合螺母将连接构件本体与第二固定端板固定在一起。

进一步，连接构件本体(6-6-1)插入到第一固定端板(6-8-1)的插孔中，在第一固定端板(6-8-1)的内侧一边的连接构件本体(6-6-1)上一体成型有挡块(6-6-4)，然后用螺母(6-6-2)固定在连接构件本体(6-6-1)突出第一固定端板的部分。

进一步，连接构件本体(6-6-1)的通孔(6-6-3)在连接构件本体(6-6-1)为间隔均匀分布，连接构件本体(6-6-1)的通孔(6-6-3)的间距小于长通孔(6-8-3)的距离。

进一步，连接构件本体(6-6-1)上设置有刻度。

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。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。所述试验箱(4)的四周设置有挡板，与第一单元板相接触的第二单元板的侧边也设置有挡板(7)。

进一步，当研究主动拱效应时，第一单元板(5-4)用于模拟涵洞，第二单元板(5-3)用于模拟填土基础；当研究被动拱效应时，第一单元板(5-4)用于模拟填土基础，第二单元板(5-3)用于模拟涵洞。

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)。

一种多涵洞条件下的土压力测试仪器的使用方法，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)调节相邻的顶管移动支架(6-5)之间的距离：将连接构件本体(6-6-1)固定在第一固定端板(6-8-1)，然后通过连接构件本体(6-6-1)上的刻度，将相邻的顶管移动支架(6-5)之间距离到达预设距离，然后通过螺栓(6-6-4)将第二固定端板(6-8-2)与连接构件本体(6-6-1)连接固定在一起；

(3)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)正好在第一单元板(5-4)的下方；

(4)将第二单元板(5-3)安装在试验箱上，将第一单元板(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)使得第一单元板(5-4)的上表面高度到达预设高度；

(5)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；

(6)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，最终带动第一单元板(5-4)逐步下降。

进一步，试验步骤还包括：

步骤(4)中，在完成第一单元板(5-4)安装后，在填土之前，在第一单元板(5-4)上表面布置土压力盒；

在步骤(6)中，试验开始后，加载系统对填料进行荷载的加载；

在步骤(6)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(6)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)本发明能够方便的研究多条管涵主动/被动拱效应的试验。2)通过连接构件的设计，将传力与测量两个功能汇聚到一个构件上，简化了顶管移动支架的设计。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。

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为实施例一第一种第一单元板和第二单元板安装俯视图。

图6为实施例一顶管与第一单元板关系图。

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为相邻推拉顶管移动支架连接装置设计示意图。

图11为相邻推拉顶管移动支架连接装置设计详图。

图12为第二固定端板侧视图。

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；第二单元板5-3，第一单元板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，连接构件6-6，构件本体6-6-1，螺母6-6-2，构件本体的通孔6-6-3，滑动槽6-7第一固定端板6-8-1，第二固定端板6-8-2，第二固定端板6-8-2上的长通孔6-8-3；挡板7。

具体实施方式

结合附图，对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。

实施例一：工程实例一为平面应变条件下的管涵：如附图1所示，对比两种情形下管涵表面的土压力的变化，2个管涵直径1m，回填土体宽4m，回填高度2m，横断面为：0.5m宽的土+1m管涵+1m土+1m管涵+0.5m土；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：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底部设置第一单元板5-4和第二单元板5-3，第一单元板5-4能够上下活动，用于模拟涵洞，第二单元板5-3固定设置，用于模拟填土基础；本次试验中，单元板宽度的设置为：0.5m第二单元板5-3+1m第一单元板5-4+1m第二单元板5-3+1m第一单元板5-4+0.5m第二单元板5-3；第一单元板和第二单元板的长度均为1m且均为整体板，第二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，与第一单元板相接触的第二单元板的侧边也设置有挡板7。

如图10-12所示，每一个沉降单元板下面对应有一个推拉顶管移动支架6-5，本次试验中设置了两个推拉顶管移动支架6-5，两个推拉移动支架6-5之间设置有连接装置，相邻的两个推拉移动支架6-5通过连接装置来调节两者之间的间距，该装置包括：第一固定端板6-8-1、连接构件6-6、第二固定端板6-8-2，第一固定端板6-8-1和第二固定端板6-8-2分别设置在相邻的推拉移动支架6-5上；连接构件包括连接构件本体6-6-1、螺母6-6-2、通孔6-6-3；连接构件本体6-6-1设置在第一固定端板6-8-1和第二固定端板6-8-2之间，连接构件本体6-6-1插入到第一固定端板6-8-1的插孔中，在第一固定端板6-8-1的内侧一边的连接构件6-6-1上一体成型有挡块6-6-4，然后用螺母6-6-2固定在连接构件本体6-6-1突出第一固定端板的部分，在连接构件本体6-6-1间隔均匀分布设置有通孔6-6-3，在第二固定端板6-8-2上设置有长通孔6-8-3，并且，连接构件本体6-6-1的通孔6-6-3的间距小于长通孔6-8-3的距离，以保证连接构件的通孔6-6-3至少有1个在长通孔6-8-3之间。

连接构件本体6-6-1上设置有刻度，第一固定端板6-8-1与第二固定端板6-8-2之前的距离到达预设距离时，通过螺栓6-6-4穿过连接构件的通孔6-6-3和第二固定端板6-8-2的长通孔6-8-3，通过螺母将连接构件和第二固定端板固定在一起。本设计将“传力”和“刻度量测”两个功能合二为一。

第二固定端板6-8-2分布在连接构件本体6-6-1的两侧。

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，第一单元板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，顶管可直接接触第一单元板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第一单元板与顶管，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：(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)调节相邻的顶管移动支架6-5之间的距离：将连接构件本体6-6-1固定在第一固定端板6-8-1，然后通过连接构件本体6-6-1上的刻度，将相邻的顶管移动支架6-5之间距离到达预设距离，然后通过螺栓6-6-4将第二固定端板6-8-2与连接构件本体6-6-1连接固定在一起；(3)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正好在第一单元板5-4的下方；(4)将第二单元板5-3安装在试验箱上，将第一单元板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使得第一单元板5-4的上表面高度到达预设高度；在完成第一单元板5-4安装后，在填土之前，在第一单元板5-4上表面布置土压力盒；(5)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；(6)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，最终带动第一单元板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。(7)绘制第一单元板竖向位移-土压力变化曲线。

采用本装置，在做多重涵洞时的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有较大幅度的节约。