一种装配式多功能岩土工程试验模型箱的制作方法

本实用新型属于岩土工程试验装置领域，涉及管-土相互作用试验、桩基础与土相互作用试验、隧道开挖试验、隧道冻结法试验、振动台试验、地下水渗流试验等领域试验装置。

背景技术：

现代化城市的建设，正在向更高更深方向进发，会遇到一系列工程难题，同时城市化的推进也对已建成地下结构的抗震性提出更高的要求，研究地下结构的受力特性对保障城市功能具有重要意义。

管道作为地下生命线工程重要组成部分，对维持城市功能的运转具有重大意义，然而随着现代化城市建设向地下深处发展，管道埋深逐渐加大以及近年来世界范围内的地震发生量逐渐增多都在威胁管道的安全性。关于管道与土体的相互作用开展的试验多为低深径比单向荷载作用下试验，均未考虑高深径比和往复荷载作用下管-土相互作用试验。

地铁是城市公共交通系统的重要组成部分，对缓解地上交通压力至关重要。然而城市地铁的建设大都在城市建设完成之后，地铁隧道的开挖会对附近建筑物、管道输水管道、输气管道、排污管道等、地铁车站等产生干扰，施工不当会影响其正常使用，同时也可能造成工程事故，因此研究隧道开挖时土体变形及受力特性相当重要。

同时隧道开挖时不可避免的要穿越建筑物，而施工过程中要求对建筑物的扰动控制在一定范围之内，还需保证建筑物的正常使用。采用冻结法进行隧道施工，可将施工过程中产生的扰动降至最低，但不同施工场地，岩土地质条件差别较大，通常需要试验来研究冻结施工从开始到结束土体的受力和变形特性，在保障施工安全基础上选取最优施工方案。

地下结构不可避免遭受地震作用，开展相关振动台试验，研究地下结构在地震动作用抗震性能，同时可参考地上结构减震和减震设计方法，以便更好指导地下结构设计与施工。

城市建筑基坑开挖面积和深度越来越大，基坑开挖的危险性也逐渐变大，地下水会对基坑的安全性产生影响，近年来为了保护地下水资源，已有部分城市禁止基坑开挖过程中抽取地下水，施工过程中必须考虑地下水对基坑安全性的影响。因基坑内地下水位较低，地下水渗流压力会对基坑支护结构变形特性影响，开展地下水渗流试验可以研究基坑开挖时支护结构受力特性，指导基坑设计和施工。

因此，研发具有多种功能岩土工程试验模型箱能够避免一种或一类试验完成后试验模型箱废弃，降低试验成本，同时提高试验模型箱利用率，减少资源浪费。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服当前模型箱功能单一、尺寸无法调整、收纳困难等缺陷，研发出装配式多功能岩土工程试验模型箱，该模型箱能够开展多种地下建筑物、构筑物、管道等与土体直接接触类试验。另外，该模型箱能够模拟多种类型试验，分析管道、隧道、地下结构、土体的变形及受力规律，为保障结构的安全性提供相应参考和依据。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为一种装配式多功能岩土工程试验模型箱，该模型箱为长方体结构，该模型箱包括可视窗C、可视窗下部模块D、侧板F、底板G和侧板隧道开挖模块H。可视窗C设置在模型箱的正面和反面，可视窗下部模块D设置在可视窗C的底部，侧板F设置在模型箱的两侧，底板G设置在模型箱的底部，侧板隧道开挖模块H安装在侧板F上。

可视窗C包括上层和下层两部分，每层可视窗C包括第一可视窗模块A和第二可视窗模块B；侧板F由侧板模块E组合而成。

第一角钢2通过螺栓1安装在第一有机玻璃面板3的边部组成第一可视窗模块A；第一角钢2通过螺栓1安装在第二有机玻璃面板4的边部组成第二可视窗模块B；第一可视窗模块A的宽度小于第二有机玻璃面板4的宽度，第一可视窗模块A的长度等于第二有机玻璃面板4的长度。第一可视窗模块A设置在可视窗C的边部，第二可视窗模块B设置在可视窗C的中间。

同层的第一可视窗模块A、第二可视窗模块B之间通过第一角钢2和螺栓1连接；拼装完成后上层模块的上端、下端通过第二角钢5和螺栓1进行连接；下层模块的上端通过第二角钢5和螺栓1进行连接，下端通过U型钢6、螺栓1连接。

可视窗C的上下层模块之间通过第二角钢5、螺栓1连接，可视窗C的边部通过第二角钢5、螺栓1与侧板F上槽钢9连接。

可视窗C与可视窗下部模块D之间留有间隙，间隙处设有管道模型16；可视窗下部模块D的宽度等于可视窗C的宽度，可视窗下部模块D由第一钢板7、第二钢板8、第二角钢5、U型钢6及螺栓1进行连接，第一钢板7的宽度小于第二钢板8的宽度，第一钢板7设置在可视窗下部模块D边部，第二钢板8设置在可视窗下部模块D的中间；可视窗下部模块D的底部通过第二角钢5、螺栓1与底板G连接。

所述的侧板模块E由第三钢板11、第三角钢10和螺栓1组成，第三钢板11的两端通过螺栓1安装在第三角钢10上；各个侧板模块E上下之间通过第一槽钢9及螺栓1连接，装配而成侧板F，侧板模块E的高度等于可视窗C的高度加间隙高度和可视窗下部模块D的高度。

底板G由第四钢板12和第二槽钢14通过螺栓1连接组成，第四钢板12的宽度小于第五钢板13的宽度，第四钢板12设置在底板的边部和中间，并用螺栓1固定在第二槽钢14上；当底板G边部采用第四钢板12宽度不满足要求时，采用第五钢板13进行替换。

所述的侧板F上的第一槽钢9底部通过螺栓1、L型钢板未给出固定在底板G上。

侧板隧道开挖模块H由隧道模型17和带孔钢板18组成，隧道模型17的周向焊接有带孔钢板18；侧板隧道开挖模块H安装在侧板F上。

可视窗C与可视窗下部模块D之间的缝隙处安装有挡土刷。

底板G通过螺栓锚固于试验场地上。

本实用新型与现有技术相比，具有如下显著特点：

1、模型箱全部通过螺栓连接，便于构件之间连接与拆卸，可重复性强，解决模型箱组装和收纳问题。

2、通过调节模块数量及位置，可装配成不同长度、不同高度的模型箱，克服模型箱尺寸无法根据试验需求进行调整，减少开展试验时工作量。

3、替换有机玻璃可视窗模块或侧板模块开展其他类型试验，克服其他模型箱试验功能单一、局部损坏无法替换的缺点。

附图说明

图1为装配式多功能岩土工程试验模型箱三维图。

图2为装配式多功能岩土工程试验模型箱正视图。

图3为装配式多功能岩土工程试验模型箱俯视图。

图4为装配式多功能岩土工程试验模型箱侧视图。

图5为模型箱有机玻璃可视窗模块零件及组装完成示意图。

图6为模型箱有机玻璃可视窗下部模块零件及组装完成示意图。

图7为模型箱侧板零件及组装完成示意图。

图8为模型箱底板零件及组装完成示意图。

图9为模型箱方钢的示意图。

图10为管-土相互作用试验中管道模型示意图。

图11为管土相互作用试验模型箱三维图缝隙处挡土刷并未展示。

图12为侧板隧道开挖模块示意图。

图13为隧道开挖试验模型箱三维图缝隙处钢盖板并未展示。

图中：1、螺栓，2、第一角钢，3、第一有机玻璃面板，4、第二有机玻璃面板，5、第二角钢，6、U型钢，7、第一钢板，8、第二钢板，9、第一槽钢，10、第三角钢，11、第三钢板，12、第四钢板，13、第五钢板，14、第二槽钢，15、方钢，16、管道模型，17、隧道模型，18、带孔钢板。

具体实施方式

以下结合附图1-13，详细说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型提供了一种装配式多功能岩土工程试验模型箱，该模型箱为长方体结构，该模型箱包括可视窗C、可视窗下部模块D、侧板F、底板G和侧板隧道开挖模块H。可视窗C设置在模型箱的正面和反面，可视窗下部模块D设置在可视窗C的底部，侧板F设置在模型箱的两侧，底板G设置在模型箱的底部，侧板隧道开挖模块H安装在侧板F上。

可视窗C包括上层和下层两部分，每层可视窗C包括第一可视窗模块A和第二可视窗模块B；侧板F由侧板模块E组合而成。

第一角钢2通过螺栓1安装在第一有机玻璃面板3的边部组成第一可视窗模块A；第一角钢2通过螺栓1安装在第二有机玻璃面板4的边部组成第二可视窗模块B；第一可视窗模块A的宽度小于第二有机玻璃面板4的宽度，第一可视窗模块A的长度等于第二有机玻璃面板4的长度。第一可视窗模块A设置在可视窗C的边部，第二可视窗模块B设置在可视窗C的中间。

同层的第一可视窗模块A、第二可视窗模块B之间通过第一角钢2和螺栓1连接；拼装完成后上层模块的上端、下端通过第二角钢5和螺栓1进行连接；下层模块的上端通过第二角钢5和螺栓1进行连接，下端通过U型钢6、螺栓1连接。可视窗C的上下层模块之间通过第二角钢5、螺栓1连接，可视窗C的边部通过第二角钢5、螺栓1与侧板F上槽钢9连接。

可视窗C与可视窗下部模块D之间留有间隙，间隙处设有管道模型16；可视窗下部模块D的宽度等于可视窗C的宽度，可视窗下部模块D由第一钢板7、第二钢板8、第二角钢5、U型钢6及螺栓1进行连接，第一钢板7的宽度小于第二钢板8的宽度，第一钢板7设置在可视窗下部模块D边部，第二钢板8设置在可视窗下部模块D的中间；可视窗下部模块D的底部通过第二角钢5、螺栓1与底板G连接。

所述的侧板模块E由第三钢板11、第三角钢10和螺栓1组成，第三钢板11的两端通过螺栓1安装在第三角钢10上；各个侧板模块E上下之间通过第一槽钢9及螺栓1连接，装配而成侧板F，侧板F的高度等于可视窗C的高度加间隙高度和可视窗下部模块D的高度。

底板G由第四钢板12和第二槽钢14通过螺栓1连接组成，第四钢板12的宽度小于第五钢板13的宽度，第四钢板12设置在底板的边部和中间，并用螺栓1固定在第二槽钢14上；当底板G边部采用第四钢板12宽度不满足要求时，采用第五钢板13进行替换。

所述的侧板F上的第一槽钢9底部通过螺栓1、L型钢板未给出固定在底板G上。

侧板隧道开挖模块H由隧道模型17和带孔钢板18组成，隧道模型17的周向焊接有带孔钢板18；侧板隧道开挖模块H安装在侧板F上。

实施例本实用新型选择的各个构件的参数如下：螺栓螺杆、螺母1、第一角钢长1000mm2、第一有机玻璃面板宽600mm3、第二有机玻璃面板宽800mm4、第二角钢由可视窗宽度确定5、U型钢由可视窗宽度确定6、第一钢板宽600mm7、第二钢板宽800mm8、槽钢侧板9、第三角钢侧板10、钢板侧板11、钢板宽800mm12、钢板宽1000mm13、槽钢底板14、方钢15、管道模型16、隧道模型17、钢板带孔18；可视窗模块宽600mmA、可视窗模块宽800mmB、可视窗装配完成C、可视窗下部模块装配完成D、侧板模块E、侧板装配完成F、底板装配完成G、侧板隧道开挖模块H。

第一角钢2通过螺栓1安装在第一有机玻璃面板3的边部，三者组成第一可视窗模块A。

第一角钢2通过螺栓1安装在第二有机玻璃面板4的边部，三者组成第二可视窗模块B。

可视窗C包括上层和下层两部分，按照宽度需求进行拼装，包括所述的第一可视窗模块A、第二可视窗模块B、第二角钢5和U型钢6；同一层第一可视窗模块A、第二可视窗模块B之间通过第一角钢2和螺栓1连接；所述的上层可视窗上端和下端均通过第二角钢5、螺栓1进行连接；所述的下层可视窗上端通过第二角钢5、螺栓1进行连接，下端通过U型钢6、螺栓1进行连接；所述的两层可视窗之间通过第二角钢5和螺栓1进行连接；装配完成后即可形成可视窗C，详见图5。

可视窗下部模块D按照可视窗C的宽度，将第一钢板7、第二钢板8上端用U型钢6、螺栓1连接，下端用第二角钢5、螺栓1连接，装配完成后形成可视窗下部模块D，详见图6。

所述的第三角钢10通过螺栓1安装在第三钢板11的边部，三者组成侧板模块E；所述的侧板模块E上的第三角钢10和槽钢9之间用螺栓1连接，装配成侧板F，详见图7。

所述的第四钢板12通过螺栓1固定在两根槽钢14上，装配形成底板G当底板G边部采用第四钢板12宽度不满足要求时，采用第五钢板13进行替换，详见图8。

所述的可视窗C上的第一角钢2、侧板F上的槽钢9之间用螺栓1连接；所述的可视窗下部模块D上的第二角钢5、底板G通过螺栓1连接，可视窗C和可视窗下部模块D之间保持100mm缝隙；所述的侧板F上的槽钢9通过螺栓1、L型钢板未给出固定在底板G上；所述的可视窗C最上方第二角钢5和方钢15通过螺栓1连接；装配完成后岩土工程试验模型箱，详见图1。

所述的岩土工程试验模型箱，通过率先改变可视窗C的宽度和高度，其次改变可视窗下部模块D和底板G的宽度，之后改变侧板F的高度，按照上述实施方式即可装配成多种尺寸模型箱。

该装配式多功能岩土工程试验模型箱开展管-土相互作用试验时，先装配成图1所示的模型箱，可视窗C与可视窗下部模块D之间保持100mm缝隙，缝隙处安装挡土刷未给出防止土颗粒漏出，将模型箱锚固于实验室地面上。然后进行填土并进行夯实至所需重度，当填土至合适高度时将管道模型16布置在模型箱长度方向合适位置处的缝隙中间，继续填土至试验所需高度，并可在土体上部施加竖直向下压力。最后，将外置拉杆未给出一端与管道模型16两端相连，另一端与作动器未给出相连，调试完成后即可开展管-土相互作用往复荷载作用下试验，试验期间可通过可视窗观察土体变形情况，详见图11。试验完成后，可直接拆除侧板F下方的侧板模块E，方便清土开展下一组试验。

该装配式多功能岩土工程试验模型箱开展隧道开挖试验时，可先组装成图1所示模型箱，将侧板F其中的两块侧板模块E中钢板11替换为侧板隧道开挖模块H，同时将可视窗与可视窗下部模块之间缝隙通过钢盖板未给出和螺栓1连接进行封闭。然后，将模型箱固定于实验室地面，进行填土夯实至合适高度，安装相关测量设备位移计、土压力传感器等，试验准备完成后即可开始隧道开挖试验，详见图13。

装配式多功能岩土试验模型箱，包括有机玻璃可视窗、可视窗下部模块、模型箱侧板、模型箱底板、透明内衬、外置试验设备等。

有机玻璃可视窗部分由有机玻璃面板、角钢、螺栓、U型钢组成。先将有机玻璃面板与角钢通过螺栓连接到一起，拼装成两种尺寸宽度(600mm、800mm)的有机玻璃可视窗模块，其中宽度600mm共有8块，宽度800mm共有12块，然后按宽度和高度需求将有机玻璃模块通过螺栓、角钢、U型钢拼装到一起，装配完成后有机玻璃可视窗宽度共有九种，分别为1200mm、1400mm、1600mm、2000mm、2200mm、2400mm、2800mm、3000mm、3600mm，高度共有两种分别为1200mm、2400mm，即一共有18种尺寸形式。

有机玻璃可视窗下部模块钢板高度为400mm，钢板宽度有600mm、800mm两种，通过螺栓与角钢和U型钢相连，组装完成后的宽度与有机玻璃可视窗宽度相同。可视窗下部钢板高度可根据试验需求进行调整，这里不再进行说明。

模型箱侧板由钢板、角钢、槽钢、螺栓组成。先将钢板、角钢通过螺栓连接成一个整体，形成侧板模块，然后再通过螺栓将侧板模块与两侧槽钢拼接到一起。侧板高度可以逐渐升高，可以提前组装好侧板，也可按照试验准备便捷性依次组装，直至达到所需高度。

模型箱底板由钢板、槽钢、螺栓组成。按照宽度需求，底部钢板与两根槽钢通过螺栓直接相连即可。若底板刚度不能满足，可在两块钢板相接部位添加槽钢作为支撑，同时将横向与纵向槽钢之间通过螺栓进行连接。

透明内衬为方便开展与水相关试验时，布置在模型箱内部，以便研究水引起的土体与结构的变化特性，同时又能直观记录试验现象。

钢板均由10～15mm厚的钢板制成，底板G通过螺栓锚固于试验场地。

该装配式多功能岩土工程试验模型箱还可开展桩基础与土相互作用试验、隧道冻结法试验、振动台试验、地下水渗流试验等岩土工程领域相关试验，这里不再进行详细叙述。但是，本实用新型可开展试验类型并非局限于本文所提到试验，任何本领域相关技术人员基于此模型箱形式所开展试验都应落入本实用新型的保护范围。