一种侧向卸载模型试验系统的制作方法

本实用新型属于土工试验领域，特别涉及一种侧向卸载模型试验系统。

背景技术：

在城市建设中基坑工程和隧道工程越来越多，在基坑开挖或隧道掘进的临空面附近的土体将发生应力卸荷，由此会造成土体发生侧向变形，特别是在软土地区其变形量往往很大，威胁工程施工安全，如若处理不当有可能酿成重大事故。

现有的土工试验方法无法直接测读软土侧向变形。例如，标准固结试验中，试样放置在刚性环刀中，侧向变形被完全限制。例如，三轴压缩试验中，试样用橡皮膜包裹，施加一定围压后，在不固结不排水、固结不排水、固结排水条件下剪切，轴向变形由轴向变形指示计测读，侧向变形由试样排水体积及轴向变形近似换算。饱和软土在荷载作用下，极易发生轴向及侧向变形，由于排水速度慢，一般采用不固结不排水剪，试样排水体积和形状变形均不能测出，故不能测定侧向变形。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种侧向卸载模型试验系统，用于对软土进行各级加卸载试验，并测量在加、卸载条件下软土的水平位移和垂直位移，具体的技术方案为：

一种侧向卸载模型试验系统，其包括模型箱、加载部、卸载部以及砝码，该模型箱包括上端敞口的箱体，该箱体具有底板和底板向上延伸形成的侧壁，该侧壁具有两块横向侧板，两块横向侧板平行设置；所述卸载部包括两块平行布置的卸载板，该卸载板沿竖直方向延伸并与横向侧板相垂直，该两块卸载板活动插设在模型箱的内腔中，将模型箱的内腔分割为三个分腔室，其中的位于两块卸载板之间的分腔室形成为样本室；

所述加载部包括水平设置的压力板和固定在压力板上侧的载荷部，所述两块卸载板向上穿过压力板，在外力的作用下，压力板能够在模型箱的内腔中沿竖直方向上下移动；在两块卸载板上均设置固定部，在载荷部上设置有与上述固定部相适应的钩挂部，所述两块卸载板能够向上提升并经固定部与钩挂部连接在载荷部；当两块卸载板向上提升并连接在载荷部上后，两块卸载板的下端面均向下不超过压力板的下表面；所述砝码用于放置在载荷部上，使加载部向下移动。

该系统在使用时，首先将卸载部的卸载板插装在模型箱内，将模型箱进行分割，形成样本室，然后在样本室内添加土样并压实，然后将载荷部加载在土样上，并撤去卸载板，加载砝码对土样进行试验。该系统可实现加卸载同时作用，以测量土体的水平位移和垂直位移，可用来模拟卸载条件下土体的变形。利用本系统可以对土样进行较为方便的监测，为现场施工提供较为可靠的数据。

具体地，所述载荷部具有顶板和连接在顶板下侧的传力板，该传力板的下侧连接有上述压力板。上述设计可以使载荷部具有较为稳定的结构，能够使砝码所产生的压力较为均匀地传递到土样上，使监测数据更为准确。

优选地，所述钩挂部为呈直杆状且水平布置的横杆，该横杆活动插设在传力板上；所述卸载板上的固定部为能够套设在横杆上的通孔。该结构易于操作，在将卸载板向上提升后，可以直接挂在横杆上，以提高试验效率。

为便于肉眼观察，所述模型箱的箱体至少有一块侧板采用透明材料制造的透光侧板，在该透光侧板上设置有刻度标记。透明材料可以采用无色的有机玻璃以及钢化玻璃等材料。

进一步，在位于样本室的两侧的分腔室中均设置有红外测距传感器，该红外测距传感器布置在所在分腔室的远离样本室的一侧。压力板采用透光材料制成，在侧壁上安装有测距摄像机。红外测距传感器和测距摄像机在现有技术中已较为普遍地采用，可以直接采用市售的产品。利用红外测距传感器和测距摄像机可以较为方便地记录试验时所产生的数据，并可进一步直接连接电脑等数据处理系统，对数据进行详细的分析，以提高数据处理效率。

优选地，为避免装填土样时，在土样的压力下，卸载板发生弯曲变形，影响数据试验的准确性，在底板和横向侧板的内侧面上设置有用于插设卸载板的凹槽。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益技术效果：

1、本实用新型中具有水平设置的压力板，砝码的压力可经传力板均匀地传递到压力板上，使压力板能够均匀对样本室中的试样进行挤压，使作为试样的土体在卸载变形的过程中竖向始终均匀受力。

2、本实用新型在卸载部上均设置固定部，在载荷部上设置有与固定部相适应的钩挂部，卸载部向上提升并经固定部与钩挂部连接后，卸载部的下端面均向下不超过压力板的下表面，实现卸载的同时均匀加载，符合地下工程施工条件下土体的受力条件。

3、本实用新型可以联合采用红外测距传感器和测距摄像机，实时测量试样的水平位移和垂直位移，数据采集系统自动化程度高，试验数据获取方便。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施例的结构示意图。

图2为图1的俯视图，其中拆除了砝码和载荷部的顶板。

图3为在模型箱的样本室内装填好土样后的示意图。

图4是对土样进行监测时的示意图。

具体实施方式

在本申请中，横向和纵向表示沿水平方向延伸且相互垂直的两个方向，图2中，箭头X表示横向，箭头Y表示纵向。

请参阅图1和图2，一种侧向卸载模型试验系统，其包括模型箱、加载部30、卸载部以及砝码40，该模型箱包括上端敞口的箱体10，该箱体10具有底板11和固定连接在底板上的两块横向侧板13和两块纵向侧板12，两块横向侧板13和两块纵向侧板12共同构成箱体的侧壁，在本实施例中，箱体10的横截面呈矩形。

两块横向侧板13平行设置。卸载部包括两块平行布置的卸载板，为方便描述，将两块卸载板分别称为第一卸载板21和第二卸载板22，第一卸载板21和第二卸载板22均沿竖直方向延伸并与横向侧板相垂直13。在底板11和横向侧板13的内侧面上设置有用于插设卸载板的凹槽，其中位于底板11的内侧面上的凹槽称为第一凹槽15，位于横向侧板13的内侧面上的凹槽称为第二凹槽16，具体在本实施例中，第一凹槽15和两块横向侧板13上的第二凹槽16均连通形成两个均呈U形的U形槽，两块卸载板各活动插设在一个U形槽内，即两块卸载板活动插设在模型箱的内腔中，将模型箱的内腔分割为三个分腔室，将三个分腔室依次称为第一分腔室810、第二分腔室820和第三分腔室830，其中的第二分腔室820位于两块卸载板之间，该第二分腔室820形成为样本室，该样本室用于盛放监测的土样。

加载部30包括水平设置的压力板31和位于压力板31上侧的顶板33，在压力板31与顶板33之间设置有传力板32，传力板32竖直设立，传力板32将压力板31顶板33连接在一起，具体在本实施例中，设置有五块传力板32，压力板31和顶板33共同形成为载荷部。

在本实施例中，压力板31被第一卸载板21和第二卸载板22分割为三块，分别为第一压力板311、第二压力板312和第三压力板313，其中第一压力板311位于第一分腔室810内，第二压力板312位于第二分腔室820内，第三压力板313位于第三分腔室830内，使第一卸载板21和第二卸载板22均向上穿过压力板31。第一压力板311、第二压力板312和第三压力板313的下表面位于同一平面上，并水平设置。

在外力作用下，压力板31能够在模型箱的内腔中沿竖直方向上下移动，当压力板31向下移动时，能够对样本室内的土样进行挤压。

在本实施例中，五块传力板32均沿纵向方向布置，在竖直方向贯穿，对应于第一分腔室810、第二分腔室820和第三分腔室830，分别设置有两块、一块和两块传力板。

在对应于第一分腔室810和第三分腔室830的传力板32上沿水平方向开设有贯穿孔321，两根横杆341分别活动插设在第一分腔室810和第三分腔室830所对应的传力板上的贯穿孔321内。在第一卸载板21和第二卸载板22的顶部均开设有通孔，其中位于第一卸载板21上通孔为第一通孔211，位于第二卸载板22上的通孔为第二通孔221。在将第一卸载板21和第二卸载板22向上提升后，第一通孔211和第二通孔221能够自由地套设在所在侧的横杆341上。当第一卸载板21和第二卸载板22挂在横杆341上后，第一卸载板21和第二卸载板22的下端面均向下不超过压力板的下表面，具体在本实施例中，当第一卸载板21和第二卸载板22挂在横杆341上后，第一卸载板21和第二卸载板22的下端面与压力板的下表面平齐。

第一卸载板和第二卸载板上的通孔成为固定部，横杆成为钩挂部，即：在两块卸载板上均设置固定部，在载荷部上设置有与上述固定部相适应的钩挂部，所述两块卸载板能够向上提升并经固定部与钩挂部连接在载荷部；当两块卸载板向上提升并连接在载荷部上后，两块卸载板的下端面均向下不超过压力板的下表面。

砝码40用于放置在载荷部上，使加载部向下移动。

在本实施例中，模型箱的箱体采用有机玻璃制作，以便于观察模型箱内样本的试验情况，可以理解，在保证有效观察的情况下，可以仅将箱体的一侧的侧板采用有机玻璃等透明材料进行制作，形成为透光侧板。同时为更加有效得观察模型箱内样本的试验情况，在侧板上设置有刻度标记，该刻度标记可以直接采用标尺制作，或采用自制的刻度尺，当然也可以直接在侧板上标记，以形成标尺。

为便于及时收集试验时的数据，在本实施例中，在第一分腔室810和第三分腔室830内各安装有三个红外测距传感器51，红外测距传感器布置在所在分腔室的远离样本室的一侧，具体在本实施例中，第一分腔室810内的三个红外测距传感器51安装在底板11远离第二分腔室820的一侧，第三分腔室830内的三个红外测距传感器51安装在底板11远离第二分腔室820的一侧。本实施例中的红外测距传感器51具体采用型号为GP2Y0A21YK0F,量程为10～80cm，为方便数据的收集，在红外测距传感器上连接有美国国家仪器公司生产的MyDAQ数据采集器，该数据采集器可以连接相应的计算机，以对试验数据试验自动处理。

为便于采集更多的试验数据，在本实施例中还安装有测距摄像机53，压力板同样采用有机玻璃制作，测距摄像机53具体安装横向侧板13的顶部，透过压力板，测距摄像机53可以通过压力板对样本室内的情况进行拍摄。

请同时参阅图3和图4，在本实施例使用时，首先将两块卸载板安装在模型箱内，将模型箱分割为三个分腔室，然后在作为样本室的第二分腔室820内装填土样850并按要求压实，然后将加载部放在土样上，具体为使第二压力板312压在土样上，然后在加载部的顶板33上放置设定质量的砝码40，再将加载部的向上提升两块卸载板，将两块卸载板分别挂在两根横杆341上，在压力的作用下，土样会发生一定的变形，红外测距传感器与测距摄像机对数据进行采集，当土样的变形稳定后，继续加载砝码，进行下一级应力的施加，对土样的变形进行监测，直到完成试验。

需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。