一种实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统的制作方法

本发明属于土木工程室内试验及测试技术领域，具体涉及一种实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统。

背景技术

室内模型试验是研究岩土工程在复杂荷载工况条件下受力、变形和稳定性的有力工具，也是认识岩土工程变形破坏机理、理解结构-地基相互作用机制的重要方法。通过岩土模型试验不仅能够对相关理论模型及数值模拟结果进行验证，而且可以克服现场原位试验难度大、成本高的不足，目前已成为岩土工程研究的重要手段。

岩土模型试验包括静力试验和动力试验。为了模拟一定土层厚度，现有的岩土模型试验方法一般采用加厚覆土或者通过机械、液压加载的方式来模拟获得反应现场实际情况的受力条件。其中，覆土加载方式受模型尺寸的限制，覆土厚度有限，对于隧道一类的埋深较深的试验对象，往往不能获得所需的上覆土压力。通过机械或液压加载方式能够提供较大上覆压力或者荷载，但是这样的加载方式往往为点荷载加载，较难实现大尺寸大面积的均匀加载与分级多梯度加载。此外，机械或液压加载方式在振动台动力试验中会增加额外的惯性力，对试验系统的动力特性造成影响。

为此，本发明提出了一种可实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统。

为了解决技术问题，本发明采取的技术方案是：

提供一种实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统，包括用于盛装岩土模型的模型箱；还包括反力盖板、气囊单元和气压伺服控制系统；反力盖板用于封闭模型箱的顶部开口，设有多个贯通的充气管孔和传感器线孔，充气管孔用于穿过充气管，传感器线孔用于穿过连接传感器的线缆；在反力盖板的底面焊接有若干组纵横交错的钢质隔板以形成多个隔板分区，在每个隔板分区中容纳一个独立气囊，共同组成气囊单元；各独立气囊与单独的充气管连接，且分别接至气压伺服控制系统；气压伺服控制系统包括气压源、控制器和计算机，控制器通过充气管分别连接气压源和各独立气囊；控制器还通过电缆连接计算器，单独控制各独立气囊的充放气以实现加载和卸载模拟，并实时监控独立气囊的气压数据以保证加载准确性。

本发明中，反力盖板和模型箱顶部开口设有相互对应的法兰圈，两者通过夹具或穿过螺栓孔的螺栓组件实现固定。

本发明中，在其中一个法兰圈上设置定位板，另一个法兰圈的相应位置设置定位缺口。

本发明中，在模型箱侧面的底部设有排水孔。

本发明中，所述传感器是土压力传感器或孔压传感器。

本发明中，在模型箱的内部设置沿四周及底部设有内套的隔震层。

本发明中，所述隔震层为聚苯乙烯泡沫板。

本发明还在反力盖板上表面或模型箱外侧面分别设有由无缝方管加固焊接而成用于加固的加筋结构。

发明原理描述：

本发明以反力盖板作为实现分级分梯度加载的结构基础，由分布式的气囊单元作为提供多级多梯度加载的受力构件，由气压伺服控制系统作为不同加载方式的控制构件，由模型箱作为模型试验系统的边界和载体。反力盖板是设有隔板分区的盖板结构，由若干组钢质隔板交错焊接，形成可以容纳独立气囊的隔板分区；隔板使各分区的气囊互不干扰，同时为气囊提供约束边界，避免气囊爆裂。反力盖板的法兰圈便于与模型箱可靠连接；气压伺服控制系统采用计算机编程控制技术，实现对每个加载气囊的单独控制，由此来实现分级分梯度加载和卸载。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用气压加载的方式，压力值调整灵活、快捷，并且能够准确控制荷载值。

(2)本发明可通过气压伺服控制系统同步控制各个气囊加载，形成大面积的均布载荷。

(3)本发明可通过气压伺服控制系统独立控制各个气囊加载过程，形成多级多梯度加载，与已有的加载方式相比具有更广的适用性。

(4)本发明发用气压加载的方式，有效避免了动力试验中传统机械加载方式由于加载设备额外质量引起的试验系统动力特性的干扰问题。

(5)本发明采用模型箱内壁黏贴聚苯乙烯泡沫板作为缓冲层，以减小动力试验时模型箱壁的震动反射效应。

附图说明

图1为岩土模型箱体及反力盖板的整体示意图；

图2为图1中反力盖板的仰视图；

图3为图1中反力盖板的俯视图；

图4为图1中模型箱箱体的正视图；

图5为图1中模型箱箱体的左视图；

图6为实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统示意图。

图中：反力盖板1、独立气囊2、模型箱3、充气管4、反力盖板法兰圈5、模型箱法兰圈6、小定位板7、大定位板8、钢质隔板9、传感器线孔10、充气管孔11、无缝方管12、排水孔13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统包括用于盛装岩土模型的模型箱3、反力盖板1、气囊单元2和气压伺服控制系统；

反力盖板1用于封闭模型箱3的矩形顶部开口，设有多个贯通的充气管孔11和传感器线孔10，充气管孔11用于穿过充气管4(为了使图片简洁，图1只给出了一根充气管4示例)，传感器线孔10用于穿过用以满足相关测试需求的传感器(土压力传感器或孔压传感器)的线缆；在反力盖板1的底面焊接有若干组纵横交错的钢质隔板9以形成多个隔板分区，在每个隔板分区中容纳一个独立气囊2(为了使图片简洁，图1只给出了两个气囊单元2示例)，并共同构成气囊单元；各独立气囊2通过单独的充气管4分别接至气压伺服控制系统；气压伺服控制系统包括气压源、控制器和计算机，控制器通过充气管分别连接气压源和各独立气囊2；控制器还通过电缆连接计算器，单独控制各独立气囊2的充放气以实现加载和卸载模拟，并实时监控独立气囊2的气压数据以保证加载准确性。

反力盖板1和模型箱3顶部开口设有相互对应的法兰圈，两者通过夹具或穿过螺栓孔的螺栓组件实现固定。在反力盖板法兰圈5的上表面、模型箱法兰圈6的下表面分别设置加筋板以加强固定。如图1所示，在模型箱法兰圈6上设置小定位板7、大定位板8，在反力盖板法兰圈5的相应位置设置定位缺口，用于安装时定位。在模型箱3的内部设置沿四周及底部设有内套的隔震层，隔震层可选用聚苯乙烯泡沫板。在反力盖板1上表面或模型箱3外侧面分别设有用于加固的加筋结构，可由无缝方管12加固焊接而成。在模型箱3侧面的底部设有排水孔13。

图6为整个实现多级多梯度加载的岩土模型试验系统的示意图。气压源、控制器和计算机统称为气压伺服控制系统。操作员通过计算机给控制器输入指令，控制器将气囊内气压情况反馈给计算机。气压源输入到控制器内，控制器通过接收的指令来控制输出气压，气体通过充气管4进入到独立气囊2内，实现分级分梯度加载和卸载。

具体实施例子：

本实施例中：反力盖板1采用304不锈钢作为制造材料，反力盖板法兰圈5外围最大尺寸330cm×230cm，螺栓孔半径2.4cm；反力盖板1底侧由钢质隔板9分隔出12块隔板分区，用以容纳气囊单元2，隔板分区尺寸为96cm×46.75cm，钢质隔板9厚1cm。整个反力盖板1最大能承受100kpa的反力荷载。

模型箱3整体采用304不锈钢作为制造材料，模型箱法兰圈6外围最大尺寸为360cm×260cm，厚度2cm，前、后板采用1.2cm厚的不锈钢板，经过激光切割设备精确加工成尺寸为长300cm、宽150cm的矩形方板，模型箱3箱体左、右侧板采用1.2cm厚的不锈钢板，为长200cm、宽150cm的矩形方板，模型箱3箱体底板采用采用1.6cm厚的不锈钢板，为长300cm、宽200cm的矩形方板，五块304不锈钢板经过焊接工艺制作成模型箱3。模型箱3箱体加筋结构采用尺寸5cm×5cm×0.5cm的5号国标304不锈钢无缝方管12，其与不锈钢板焊接在一起。模型箱3底部设有两个半径6cm的排水孔13。模型箱3内有一层紧密贴合箱壁的聚苯乙烯泡沫隔震层内套。隔震层5cm厚，作为相关振动试验的吸波层。

使用方法：

将试验(岩土)模型放入箱体后，将相关试验需要的各类传感器布置完毕，传感器连线穿出传感器线孔10，有排水需求的试验按要求排水，盖上反力盖板1，利用螺栓将反力盖板法兰圈5与模型箱法兰圈6相互紧固。开启气压伺服控制系统内的控制器与计算机，启动“振动台模型箱气囊气压控制程序”，设置各个独立气囊2的目标压力值。在计算机端确认开始，向各个独立气囊2充气，“振动台模型箱气囊气压控制程序”压力显示区域可读取压力数值，也可在程序右侧的压力值曲线图中读取当前压力值。充气稳定后，若最终测试压力值小于目标压力值，则在程序“压力补偿值”表格中写入正压力差值；若最终测试压力值大于目标压力值，则在“压力补偿值”中写入负压力差值。最终实现大面积均布加载或者多级多梯度加载。