公路涵洞离心模型试验的一体式工况模拟装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土工试验装置，具体涉及一种公路涵洞离心模型试验的一体式工况模拟装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]我国现阶段的公路高填方涵洞的土工离心试验正在兴起阶段，试验设计的经验积累尚不够丰富，而现有的公路涵洞土工离心试验中，往往需要专门制作不同尺寸、不同坡度和不同谷底宽度的沟谷地形模型，操作极其不方便，且成本极高。
[0003]同时，高路基涵洞的地形模型往往超出了离心机模型箱的净高，由于离心机模型箱尺寸的限制，试验往往无法进行。因此，传统的模型装置只能模拟有限高度的路基地形。
[0004]最后，传统的试验模型中，土样没有进行很好的固定。离心试验过程中，土样的不稳定往往会造成试验结果的不稳定。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种公路涵洞离心模型试验的一体式工况模拟装置，该装置结构简单，操作方便，通过简单的组装拆卸，能够有效的模拟公路涵洞离心模型试验中不同尺寸、不同坡度和不同谷底宽度的沟谷地形模型，且能够克服模型箱高度限制，模拟更高填土高度的涵洞模型。在试验过程中本发明的装置稳定性强，生产成本底，且易于推广使用。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现:
[0007]一种公路涵洞离心模型试验的一体式工况模拟装置，包括底板、高度固定架、一对可伸缩板、地基模型、试验土样、配重装置和涵洞模型；其中:
[0008]所述底板平铺于离心机模型箱底面，其长度小于离心机模型箱的长度，其宽度等于离心机模型箱的内部宽度；所述高度定位架安装在底板上方，与离心模型箱的侧壁贴合；地基模型放置在底板上的中部；在地基模型上方中部放置所述涵洞模型，涵洞模型采用横截面为矩形的空心柱体；涵洞模型的长度方向与底板的宽度方向相同；一对可伸缩板对称安装在地基模型两侧的底板上，可伸缩板的宽度等于底板的宽度；可伸缩板倾斜放置，其下端安装在底板上，上端固定在高度定位架上；可伸缩板用于模拟沟谷的坡度和高度；在离心机模型箱、底板、一对可伸缩板、地基模型和涵洞模型之间围成的空腔中填有试验土样，试验土样的上表面高于可伸缩板的上端；试验土样的上方放置有配重装置。
[0009]进一步的，所述地基模型的中线与底板的中线重合，其长度小于底板的长度，其宽度等于地基模型的宽度，其厚度为2?3cm。
[0010]进一步的，所述底板上表面均匀设置多个定位槽，定位槽的长度方向与底板的宽度方向一致。
[0011]进一步的，所述定位槽的横截面为三角形、矩形或其他形状，两个相邻的定位槽紧密布置，不设间距。
[0012]进一步的，所述定位槽选择腰长为lcm,高为1.41cm的等腰三角形。
[0013]进一步的，所述高度定位架采用四根立柱，四根立柱分别安装在底板的四角上，四根立柱上分别配置一个锁紧装置，用于固定可伸缩板；同时，立柱上沿长度方向设有滑槽，用于使配重装置能够缓慢滑下覆盖在试验土样上方；所述锁定装置下半部分留有螺栓孔，通过螺栓将锁定装置套箍到立柱上；在可伸缩板的上端安装有合页，用于与高度定位架的锁定装置锁定。
[0014]进一步的，所述高度定位架上布满螺纹，锁定装置通过螺纹锁定到高度定位架的需要高度。
[0015]进一步的，所述配重装置由I?10片配重板相叠加而形成，所述配重板尺寸与模型箱保持一致，重量为Ikg?5kg，配重板采用刚性金属板。
[0016]进一步的，所述配重装置与离心机模型箱的侧壁贴合。
[0017]本发明的另一个目的在于，提供一种上述公路涵洞离心模型试验的一体式工况模拟装置的试验方法，具体包括如下步骤:
[0018]步骤I，将底板铺在离心机模型箱底部；
[0019]步骤2，将地基模型放置在底板上的中部，使地基模型的中线与底板的中线重合；在地基模型上方中部放置涵洞模型；
[0020]步骤3，将一对可伸缩板对称安装在地基模型两侧的底板上，可伸缩板倾斜放置，其下端安装在底板上，上端通过锁定装置固定在高度定位架上，根据需要调整可伸缩板的伸缩长度以调整其需要模拟沟谷的坡度和高度；底板和一对可伸缩板形成沟渠状；调整好高度定位架上锁定装置的位置并固定；
[0021 ] 步骤4，在离心机模型箱、底板、一对可伸缩板、地基模型和涵洞模型之间围成的空腔中填有试验土样，将试验土样填充到特定的高度；
[0022]步骤5，根据试验荷载要求，将一定重量的配重装置放入离心机模型箱，使其沿离心机模型箱下落至试验土样上；此时整套设备设置完成，可进行离心试验。
[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0024]1、结构简单，操作更方便。
[0025]2、采用一体化装置，避免了每次用不同规格部件组装的工序，省去了定做不同尺寸的刚性金属底板和刚性金属侧板的过程，节省了试验材料，简化试验步骤，进一步提高了试验效率。
[0026]3.覆盖式配重装置可以调节荷载，进一步提高了试验装置模拟工况的广泛程度，提高了试验的广泛性。
[0027]4.作用在土样上方的配重装置水平方向上受到高度定位架的约束，并可以和模型箱完整的贴合，保证离心过程中土样的稳定。
[0028]5.整套工况模拟装置在试验过程中被约束成了一个整体，应用范围广，可以推广到其他类似的离心机土工模拟实验中。
[0029]综上所述，本发明结构简单，设计新颖合理，工作可靠性高，使用寿命长，使用效果好，便于推广使用。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的结构示意图。
[0031]图2为本发明的平面视图；
[0032]图3为刚性金属底板架和高度定位架示意图；
[0033]图4为高度定位架上的锁定装置细节示意图；
[0034]图5为本发明实施例的结构示意图；
[0035]图6沟谷宽度变化时的涵顶垂直土压力变化图；
[0036]图7沟谷坡度变化时的涵顶垂直土压力变化图。
[0037]图中各标号的含义:1、底板，2、高度定位架；3、锁定装置；4、可伸缩板，5、地基模型，6、试验土样，7、配重装置，8、涵洞模型，9、定位槽。
[0038]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
【具体实施方式】
[0039]如图1和图2所示，本发明给出了一种公路涵洞离心模型试验的一体式工况模拟装置，包括底板1、高度固定架2、一对可伸缩板4、地基模型5、试验土样6、配重装置7和涵洞模型8 ;其中:
[0040]底板I和可伸缩板4均采用矩形金属板，优选钢板，底板I平铺于离心机模型箱底面，其长度小于离心机模型箱的长度，其宽度等于离心机模型箱的内部宽度；底板I用于模拟沟谷的底部，同时作为安装其他部件(如可伸缩板4、地基模型5和涵洞模型8)的平台。
[0041]高度定位架2与离心模型箱的侧壁贴合，高度定位架2不仅用于调整可伸缩板4的倾斜度，还用于在水平方向上约束试验土样和配重装置7，使得配重装置7在竖直方向上可自由移动，增加试验过程中土样稳定性，防止因试验土样的不稳定而影响试验结果。
[0042]底板I长度方向的中部上放置地基模型5，地基模型5采用矩形板，其长度小于底板I的长度，其宽度等于地基模型5的宽度，其厚度为2?3cm。地基模型5放置在底板I上的中部，地基模型5的中线与底板I的中线重合。
[0043]在地基模型5上方中部放置涵洞模型8，涵洞模型8采用横截面为矩形的空心柱体；涵洞模型8的长度方向与底板I的宽度方向相同，其高度按照试验要求定制。涵洞模型8可以采用有机玻璃或其他刚性材料制作，按不同试验要求的刚度进行加工。
[0044]一对可伸缩板4对称安装在地基模型5两侧的底板I上，可伸缩板4的宽度等于底板I的宽度；可伸缩板4倾斜放置，其下端安装在底板I上，上端通过锁定装置3固定在高度定位架2上；可伸缩板4用于模拟沟谷的坡度和高度。因此，可根据试验需要模拟的沟谷的坡度和高度来确定刚性金属底板I的伸缩长度和倾斜度。与现有的制作沟谷模型相比，极大的降低了成本，并提高了效率。底板I和一对可伸缩板4形成沟渠状。
[0045]在离心机模型箱、底板1、一对可伸缩板4、地基模型5和涵洞模型8之间围成的空腔中填有试验土样6，试验土样6的上表面高于可伸缩板4的上端；试验土样6采用与试验要求地基土性质相一致的特定类型的土样，如不同类型的砂土、粉土、黏土等。
[0046]试验土样6的上方放置有配重装置7。配重装置7的上端低于离心机模型箱的上端。配重装置7用于按照试验要求调整荷载的大小，用来模拟高填土路基的情况，并与底板
1、可伸缩板4以及离心机模型箱共同固定试验土样。
[0047]可选的，底板I上表面均匀设置多个定位槽9，定位槽9的长度方向与底板I的宽度方向一致。定位槽9的设置使得可伸缩板4的下端在底板I上的位置可调，从而实现可伸缩板4的倾斜角度的调节。
[0048]可选的，定位槽9的横截面为三角形、矩形或其他形状。为了与刚性金属侧板紧密贴合，优选腰长为1cm，高为1.41cm的等腰三角形，两个相邻的定位槽9紧密布置，不设间距。
[0049]可选的，高度定位架2采用四根立柱，四根立柱分别安装在底板I的四角上，四根立柱上分别配置一个锁紧装置，用于固定可伸缩板4 ;同时，立柱上沿长度方向设有滑槽，用于使配重装置7能够缓慢滑下覆盖在试验土