一种三维阵列式多沉陷门模型试验系统的制作方法

本发明涉及一种土工相似模型试验系统，具体地指一种三维阵列式多沉陷门模型试验系统。

背景技术：

土拱效应是岩土工程中的一种荷载迁移现象，通过剪应力的发挥将荷载向刚性边界集中，差异变形是引起的剪应力的主要原因。以桩承式路堤为例，由于桩、土模量差异，在竖向荷载作用下，桩间土产生了大于桩体的沉降量，在桩顶部形成沉降差，导致上部荷载在桩与桩间土之间产生重分布，将更多的荷载传递到桩顶部。通过沉陷门下沉模拟差异沉降的方式能够造成荷载自然的向桩体集中，相比桩体刺入的模拟方式，与实际工程中桩承式路堤工作机制更为吻合。terzaghi于1936年开发了平面应变条件下的单沉陷门试验装置，用于解释应力向刚性边界迁移的现象。沉陷门试验对于土拱效应问题的简化合理，已广泛应用于桩承式路堤、岩溶塌陷、崩落开采等类似工程的试验中，具有现场试验和数值模拟不可替代的优势。

沉陷门试验系统经过了由平面应变单沉陷门向平面应变多沉陷门和三维单沉陷门试验系统的发展过程。目前的三维模型试验大多不能考虑多个沉陷门之间的相互影响，可视化程度较低，内部变形与应力难以直接获取，同时相对位移量无法准确控制。

技术实现要素：

本发明就是针对现有技术的不足，提供了三维阵列式多沉陷门模型试验系统，可以实现对竖向土拱效应的模拟，尤其适用于桩承式路堤、复合地基垫层在桩间土非一致下沉条件下的填料变形与荷载迁移现象的模拟。

为了实现上述目的，本发明所设计的三维阵列式多沉陷门模型试验系统，其特殊之处在于：包括外框架、多沉陷门组件、位移控制组件、填料箱、土工格栅安装组件、表面位移测量组件、以及断面位移可视化测量组件，

所述填料箱位于外框架内部，用于装填填料，且所述填料箱前侧为透明状；

所述多沉陷门组件位于填料箱底部，包括若干阵列式排列的可调节高度的升降台；

所述位移控制组件用于控制多沉陷门中阵列的升降台按设定的位移速度与间隔时间下降，产生非一致下沉；

所述土工格栅组件位于多沉陷门组件上，用于在试验需要时安装固定土工格栅加筋材料；

所述表面位移测量组件位于外框架顶部，用于测量所填物料在升降台下降过程中的顶部形态变化；

所述断面位移可视化测量组件位于外框架前侧，用于测量所填物料断面全场位移。

进一步地，所述填料箱由外框架四周的挡板和外框架底板构成，其中，外框架前侧挡板为有机玻璃挡板，两侧和后侧挡板均由多段拼接而成。前侧设置为有机玻璃挡板方便观测，两侧和后侧的挡板设计为从上之下多段拼接而成的挡板，方便填筑。

更进一步地，所述外框架两侧和后侧挡板均由多段钢条拼接而成。

再进一步地，所述升降台为滚珠丝杆升降台，且所述升降台顶部设置有载荷计，所述载荷计尺寸与升降台顶板尺寸相同。所述载荷计测试元件一般采用轮辐式称重传感器，用于测试填料传递到每块升降台上的荷载大小，以评估土拱效应的发挥程度。

再进一步地，所述升降台组件优选16×16的升降台阵列方式。可实现5种不同桩帽面积置换率与4种相对填料高度组合下可能出现的变形模式类型。

再进一步地，所述土工格栅安装组件包括土工格栅，所述土工格栅前侧与填料箱前侧玻璃挡板之间为活动连接，以满足前侧观察断面的边界条件要求，其余侧均与外框架固定连接。

再进一步地，所述玻璃挡板上对应格栅设置固定滑槽，所述外框架两侧及后侧上设置有格栅固定钢梁，所述土工格栅其余侧通过格栅压条固定在格栅固定钢梁上。

再进一步地，所述表面位移测量组件包括激光断面仪和用于激光断面仪滑行的滑动结构，所述滑动结构固定在外框架顶部的滑槽内。方便激光断面仪来回运动，测量所填物料顶部的形态变化。

再进一步地，所述断面位移可视化测量组件包括灯光系统和摄像装置。

再进一步地，所述所填物料为不同颜色分层填筑的散体砂石材料，且填筑方式为，先按照计算的填筑重量虚铺，刮平后压至预定的层高。从而对填料的填筑密度进行控制，填筑密度指砂土的相对密度或粘性土的压实度。

本发明的优点在于：其沉陷门采用高度可调的阵列升降台组合方式、沉陷门运动模式通过位移控制组件调节、下沉量可以精确控制；且设置有表面位移测量组件，以及断面位移可视化测量组件，使得断面位移可以追踪、表面位移可以测量。本发明实现三维条件下桩承式路堤、复合地基垫层填料在桩间土与土工格栅非一致下沉/变形时工作过程的模拟，并获得土拱演化全过程变形与应力的准确数据。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的平面图；

图3是多沉陷门的正方形布置方式；

图4是多沉陷门梅花形布置方式；

图5是针对多沉陷门正方形布置时升降台的运动控制模式；

图6是针对多沉陷门梅花形布置时升降台的运动控制模式。

图中：外框架1、底板2、格栅固定钢梁3、前挡板4、后/侧挡板5、升降台6、格栅固定滑槽7、载荷计8、激光断面仪滑槽9、位移控制器10、电脑11、格栅固定压条12、灯光13、摄像装置14，图中剖面线阴影表示不产生下沉的固定板，图5和图6中的数字表示升降台不同的运动模式。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

图中所示的一种三维阵列式多沉陷门模型试验系统，可以实现对竖向土拱效应的模拟，尤其适用于桩承式路堤、复合地基垫层中桩间土非一致下沉条件下的填料变形与荷载迁移现象的模拟。

该试验系统包括试验装置外框架1、多沉陷门组件、位移控制组件、填料箱、土工格栅安装组件、表面位移测量组件、以及断面位移可视化测量组件构成。其中多沉陷门组件由阵列式排列的精密滚珠丝杠升降台6组成，每个升降台6均可通过螺栓固定于外框架1底板上。位移控制组件包括位移控制器10与电脑11，升降台6通过连接位移控制器10与电脑11，可控制每个升降台6的运动模式，使得阵列式多沉陷门产生非一致下沉，以实现对桩间土非均匀下沉以及土工格栅变形的模拟。填料箱由外框架四周的挡板和外框架底板构成，其中，填料箱前挡板4采用有机玻璃挡板，两侧与后侧挡板5采用从上之下的分段钢条拼接而成，以配合分层填筑填料。填料可采用砂石、粘土等填筑材料，采用不同颜色分层填筑分层压实。填料箱下方可设置土工格栅安装组件，土工格栅安装组件位于多沉陷门组件上，为了保证位移测试断面的侧限应变边界条件，在有机玻璃挡板上专门设置了土工格栅对应的格栅固定滑槽7，格栅固定滑槽7一般设计为腰圆形，土工格栅其余三面采用格栅固定压条12固定在格栅固定钢梁3上，格栅固定钢梁3安装在外框架1上。外框架1顶部设置有激光断面仪滑槽9，用于激光断面仪的滑动结构滑行，从而进行填料表面位移扫描。断面填料变形通过断面位移可视化测量组件采集，断面位移可视化测量组件包括灯光系统13和摄像装置14，采集到连续图像后可使用粒子图像测速piv技术捕捉颗粒位移，并通过图像分析软件得到颗粒转角、密度分布以及滑裂面形态，进行填料变形与土拱效应演化分析。

作为本发明的优选结构，试验填料箱长×宽×高的尺寸为2.4m×2.4m×1.5m，几何相似常数控制在1:4左右。

作为本发明的优选结构，所述的多沉陷门组件中升降台6采用16×16阵列方式，可实现5种不同桩帽面积置换率与4种相对填料高度组合下可能出现的变形模式类型的模拟。

作为本发明的优选结构，多沉陷门组件采用精密滚珠丝杠升降台6，每个升降台配备有行星减速机与步进电机驱动，并安装控制卡，通过控制卡连接位移控制器10。升降台6优选参数为：平面尺寸150mm×150mm、位移控制精度0.01mm、设计最大行程150mm，可在位移控制器10的控制实现单独运动，实现对桩间土与格栅非一致下沉的模拟。

作为本发明的优选结构，升降台6上方设置有等尺寸载荷计8，载荷计8采用轮辐式称重传感器，可准确测得荷载，内部压力以及土工格栅可采用土压力盒以及格栅应变计测量，数量与位置根据实际需要布置。

本发明沉陷门组合方式可调、沉陷门运动模式可进行编程控制、下沉量可以精确控制、断面位移可以追踪、表面位移可以测量。可以实现三维条件下桩承式路堤、复合地基垫层填料在桩间土与土工格栅非一致下沉/变形时工作过程的模拟，并获得土拱演化全过程变形与应力的准确数据。

在图3和图4中选定一种沉陷门布置形式。采用不同颜色的染色填料分层填筑，通过每层填筑重量控制砂土相对密度或者粘土压实度。后方与两侧挡板5可按100mm一段分段安装，每次按照预先计算的填筑重量虚铺，刮平后压至100mm。当进行加筋试验时，可视化断面中将土工格栅逐根固定在固定滑槽7上，其余三面采用格栅固定压条12固定在格栅固定钢梁3上。填筑完成后，利用位移控制器10及配套软件控制阵列式升降台6产生图5或图6所示的下沉模式，图5或者图6中的数字表示升降台采用不同的下降速度与间隔时间。

通过灯光13和摄像装置14采集全过程图片，采用piv技术追踪颗粒位移矢量，采用图像处理软件处理得到颗粒位移分布、密度分布与剪切滑移面，直观判别断面变形特征；在多沉陷门下沉过程中采用激光断面滑槽9上固定的激光断面仪实时扫描填料表面位移。试验结束后，进行分层扫描，获取填料内部、垫层及格栅层的位移；可采用微型土压力盒测试内部应力，利用全尺寸载荷板8精确测定填料传递到升降台上的荷载；垫层与加筋影响试验中，可采用格栅应变计测量格栅应变。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本发明的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同变化和改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。