一种伺服控制压力的高压地下工程试验箱系统的制作方法

本发明涉及一种地下结构室内试验用模型箱，尤其是涉及一种伺服控制压力的高压地下工程试验箱系统。

背景技术：

随着城市地表用地的日益紧张，各大中城市的地下空间开发强度越来越大，随之而来的地下工程问题也越来越多。解决这些问题的有效手段之一就是根据相似理论，进行地下工程室内模拟试验。近些年，国家对科研工作的大力支持使得科研人员有条件进行大型地下工程室内试验。而大型室内试验对用土量的需求是几何级数增长的，特别是要模拟深埋地下结构时，为了达到一定的土压力，用土量更是可能达到了几方甚至几十方。如此大的用土量带来了几个方面的问题：试验成本高、试验周期长、土样的均匀性很难控制。因此需要一种特殊设计的地下工程试验箱，能在模拟高压地质条件时尽量节省用土，降低试验的经济和时间成本，同时还可以兼顾常压模型试验的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是改善现有地下工程试验箱的不足，提供一种可伺服控制压力的地下工程试验箱系统，可满足模拟高压环境且兼顾常压试验需求，使其能够减少试验用土，降低试验的时间及经济成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种伺服控制压力的高压地下工程试验箱系统，包括箱体和多个压力单元，所述的箱体为刚性容器，所述的压力单元包括U形靴、液囊和两个导向杆，所述的U形靴的两翼分别设有直线盲孔，所述的导向杆一端固定在箱体内壁，另一端插入U形靴的盲孔，所述的液囊置于导向杆、箱体内壁与U形靴围成的空间中，

试验前，箱体中填充土体，液囊内部受压膨胀使U形靴沿导向杆远离箱体运动，液囊的压力通过U形靴传递给土体，用于高压地下工程试验。

所述的系统还包括用于调整土体边界的反力架和钢板，钢板一侧与反力架垂直连接，另一侧固定多个压力单元，使用时，反力架底部固定于箱体底板，钢板竖直，钢板上的压力单元朝向土体。

所述的系统还包括直角连接件，所述的直角连接件分别通过螺栓与箱体底部和反力架底部的螺纹孔连接。

所述的反力架呈直角梯形，梯形的长底边与钢板垂直连接。

所述的系统还包括用于辅助支撑反力架的辅助斜杆，所述的辅助斜杆一端与反力架连接，另一端通过螺栓固定于箱体底部。

垂直相邻的压力单元之间通过橡胶片连接，所述的橡胶片通过螺栓与U形靴连接，橡胶片与U形靴之间设有垫片。

所述的箱体顶部设有箱盖，所述的箱盖下方固定有多个压力单元。

所述的箱盖与箱体可拆卸地连接。

所述的箱体、箱盖和压力单元表面均有聚四氟乙烯涂层。

所述的液囊通过液压连接管与液压伺服系统连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)试验箱系统可在高压、常压条件下进行地下工程试验，也可通过压力单元对土体施加压力，进行各种应力条件下的试验，压力单元设有多个，可根据需要设置在不同位置，且各压力单元独立受控，可满足多种试验需要。

能够减少试验用土，降低试验的时间

(2)通过使用反力架，可以根据不同的试验要求调整试验箱的实际使用大小，从而节省用土量，降低试验成本。

(3)直角连接件分别通过螺栓与箱体底部和反力架底部的螺纹孔连接，方便拆卸，调节反力架在箱体中的位置。

(4)反力架呈直角梯形，梯形的长底边与钢板垂直连接，短底边可直接与箱体的侧壁相抵，也可通过直角连接件与箱体底部连接，结构灵活。

(5)通过使用辅助斜杆，支撑反力架，提高反力架的抗压能力。

(6)垂直相邻的压力单元之间通过橡胶片连接，既能保证压力单元的独立运动，又能防止土体泄漏。

(7)箱体顶部设有箱盖，箱盖下方固定有多个压力单元，可提供向下的压力。

(8)箱体、箱盖和压力单元表面均有聚四氟乙烯涂层，减小压力单元与箱体、箱盖之间的摩擦力，以降低压力损失并保持光滑的边界条件。

(9)液囊与液压伺服系统连接，压力变化均匀，易于控制。

附图说明

图1为本实施例装有反力架试验箱系统的主视剖视示意图；

图2为图1试验箱系统的俯视示意图；

图3为本实施例未安装反力架试验箱系统的俯视剖视示意图；

图4为图3的A部放大图，即橡胶片与压力单元连接示意图；

图5为本实施例压力单元结构示意图；

图6为本实施例压力单元竖向布置图。

附图标记：

1为箱体；2为箱盖；3为压力单元；4为反力架；5为辅助斜杆；6为直角连接件；7为螺栓；8为钢板；9为；10为橡胶片；11为垫片；12为固定螺栓；13为导向杆；14为U形靴；15为液囊；16为盲孔；17为液压连接管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1～5所示，一种伺服控制压力的高压地下工程试验箱系统，包括刚性的长方体箱体1，箱体1顶部通过螺栓与箱盖2可拆卸地连接，箱体1五面由带肋钢板焊接而成，用以确保刚性边界，箱体1长宽两个方向布置有若干个压力单元3，可用于水平方向对箱内土体施加压力。箱盖2同样为带肋钢板制成，下方固定有多个压力单元3，用于在竖直方向对土体施加压力。箱体1内表面、箱盖2内表面及压力单元3外表面均涂油聚四氟乙烯涂层以减小摩擦力。

压力单元3包括U形靴14、液囊15和两个导向杆13，U形靴14为长条形，沿试验箱高度方向布置，U形靴14的两翼分别设有直线盲孔16，导向杆13一端固定在箱体1内壁，另一端插入U形靴14的盲孔16，液囊15置于导向杆13、箱体1内壁与U形靴14围成的空间中，每个液囊15都通过液压连接管17连接至液压伺服系统，其压力可由电脑独立控制，对液囊15加压可使其推动U形靴14沿导向杆运动并将压力作用在土体上；通过电脑伺服控制，可对多个压力单元3分别施压，进而组成不同的压力分布模式，例如均布荷载、梯形荷载、三角形荷载等荷载形式。

系统还包括用于调整土体边界的钢制反力架4和钢板8，反力架4呈直角梯形，钢板8一侧与反力架4的长底边垂直连接，另一侧固定多个压力单元，反力架4底部固定于箱体1底板，钢板8竖直，钢板8上的压力单元朝向土体。若仅使用部分长度的箱体1，可将反力架4安装在箱体1内作为边界提供反力。使用反力架4时，直角连接件6分别通过螺栓7与箱体1底部和反力架4底部的螺纹孔连接。如使用整个箱体1，则无需使用反力架4。

系统还包括用于辅助支撑反力架4的辅助斜杆5，辅助斜杆5一端与反力架4连接，另一端通过螺栓固定于箱体1底部。根据使用需要可不使用辅助斜杆，而将梯形反力架4直接顶在箱体1内壁上。

试验前，将试验用土和结构模型埋置在箱体1内部，固结完成后，根据试验设计通过伺服系统向液囊15加压，使其推动U形靴14沿导向杆13远离箱体1运动，液囊15的压力通过U形靴14传递给土体，，在压力达到设计值并稳定之后，即可开始进行试验。整个试验过程中，液压单元由伺服系统控制，以确保压力始终稳定。

如土样上表面需要加压，则需把另一部分压力单元3嵌套在箱盖2内表面的导向杆13上，再将箱盖2覆盖在长方体箱体1上，并用螺栓5固定，试验前对箱盖上2上的压力单元3加压，使其对土体表面的压力达到试验设计值并稳定，然后再进行试验。

如所进行的试验不需要额外加压，则在上述实施例中除去为液囊15加压的步骤。

为保证试验箱内部垂直相邻但不连续的压力单元3的独立运动且防止该处的土体发生泄漏，在垂直相邻但不连续的两个压力单元3上设有连接橡胶10，连接橡胶10与压力单元3设有垫片11，并通过固定螺栓12相连，以确保密封性。