專利名稱：地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，特別適用于對(duì)地鐵工程、隧道及地下洞室工程、基礎(chǔ)工程、特殊地下施工方法、邊坡工程、擋土結(jié)構(gòu)等地下工程進(jìn)行模擬試驗(yàn)。
本實(shí)用新型的城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程“國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科”的國(guó)家211工程建設(shè)項(xiàng)目成果。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的模擬試驗(yàn)臺(tái)裝置都是針對(duì)特定的工程而專門(mén)設(shè)計(jì)研制的，只能模擬某一類型的地下工程，就是說(shuō)，現(xiàn)在的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)不具有通用性。比如，湖南大學(xué)研究了橋基產(chǎn)生的大變形條件下樁土共同作用，模擬箱尺寸為1200×600×1000mm3；清華大學(xué)水利學(xué)院在水電站地下洞室試驗(yàn)方面進(jìn)行的研究，仿真模擬了洞室群施工開(kāi)挖過(guò)程；長(zhǎng)江科學(xué)院進(jìn)行了砂基中泥漿盾構(gòu)法隧道施工開(kāi)挖面穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究，以南水北調(diào)中線穿黃工程隧道方案為研究對(duì)象，模擬箱由厚60mm的鋼板焊接而成，內(nèi)腔尺寸為850×850×1000mm3。這些已經(jīng)建成的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，或是模擬箱體太小，或是太拘泥于某一實(shí)際工程，不具有通用性；而且，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真三維加載，也不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水影響的模擬。
實(shí)用新型內(nèi)容本發(fā)明人研制的復(fù)雜多變環(huán)境下城市地下工程相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，克服了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有模擬試驗(yàn)裝置的單向加載、無(wú)法實(shí)現(xiàn)地下水模擬、通用性差的不足。本實(shí)用新型的城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)在考慮方便的前提下，采用了盡可能大的真三維加載的模擬箱(2000×2030×2030mm3)，在通用性、真三維加載以及考慮水土耦合作用方面，本試驗(yàn)系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)與不足，提供一種城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，為復(fù)雜的城市地下工程建設(shè)設(shè)計(jì)與施工提供合理、準(zhǔn)確的試驗(yàn)依據(jù)。它尤其克服了我國(guó)已有模擬試驗(yàn)裝置的下列不足比如，裝置箱體尺寸太小，不能真實(shí)地模擬復(fù)雜城市地下工程的實(shí)際狀況，或是試驗(yàn)裝置僅拘泥于某一實(shí)際工程，使得試驗(yàn)結(jié)果不具有可比性，難以獲得具有普遍意義的結(jié)論與試驗(yàn)依據(jù)。本實(shí)用新型的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有城市地下工程方面的物理模擬試驗(yàn)，具有良好的通用性；同時(shí)，采用真三維加載的模擬箱體與液壓加載設(shè)備，克服了傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)裝置的單向加載、不能準(zhǔn)確模擬地下工程的設(shè)計(jì)荷載工況的不足。本實(shí)用新型的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)還具有良好的可擴(kuò)展性，可以在此基礎(chǔ)上增加相應(yīng)制冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)凍結(jié)法施工模擬等更多復(fù)雜功能；而且，還實(shí)現(xiàn)了水土耦合作用模擬，可以考慮地下水對(duì)工程的影響。然而，這幾方面是目前同類物理模擬試驗(yàn)所不具備的。另外，本實(shí)用新型的各連接板以及其它大多數(shù)部件之間的連接都采用可拆卸聯(lián)接，比如螺栓，從而滿足了易拆裝易搬遷的要求。
本實(shí)用新型的城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括模擬箱、加載裝置、加載油路系統(tǒng)、地下水模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，模擬箱內(nèi)用于容納模擬試驗(yàn)的模擬材料，加載裝置安裝在模擬箱上用于對(duì)模擬材料進(jìn)行加載，加載油路系統(tǒng)用于向加載裝置提供加載所需的液壓動(dòng)力，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于從模擬箱中的地下工程結(jié)構(gòu)和模擬材料采集和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
模擬箱是整個(gè)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的主體，是容納模擬試驗(yàn)所有相似材料的容器。它是一個(gè)頂面開(kāi)口的密閉鋼箱，由內(nèi)、外兩層箱體構(gòu)成，其水平橫截面為正方形或矩形。
內(nèi)層箱體是由鋼板形成的一個(gè)頂面開(kāi)口、其它五面密封的立方體容器，四個(gè)側(cè)面和底面采用鋼板連續(xù)密封焊接。另外，與其中兩個(gè)相鄰側(cè)面平行地設(shè)有相鄰的兩個(gè)可水平移動(dòng)的減摩式水平加載板，以便對(duì)模擬箱內(nèi)的相似材料進(jìn)行水平加載。而且，在兩水平加載板相接處的空隙位置設(shè)有橡膠板或帆布進(jìn)行柔性連接，以滿足加載板自由運(yùn)動(dòng)與擋土的需要。
但是，考慮到試驗(yàn)時(shí)的荷載較大且加載時(shí)間長(zhǎng)，所以特地在內(nèi)層箱體的外周都水平鋪設(shè)開(kāi)口向外的橫向槽鋼，槽鋼與槽鋼之間都由螺栓連接為一個(gè)整體，從而構(gòu)成外層箱體。上述橫向槽鋼與內(nèi)層箱體沒(méi)有連接。其中，內(nèi)層箱體內(nèi)的減摩式水平加載板用于在水平移動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相似材料的水平加載，四個(gè)固定的側(cè)面鋼板以及外層箱體作為水平加載時(shí)的反力裝置。
加載裝置是給水平向和垂直向油缸提供反力的裝置，包括水平加載裝置和垂直加載裝置。
在模擬箱外層箱體的四個(gè)側(cè)面的每個(gè)側(cè)面上，各安裝有兩根垂直的鋼柱，每根鋼柱的下端與預(yù)埋在模擬臺(tái)基礎(chǔ)中的連接鋼板用螺栓連接。這八根鋼柱最大程度地提高了三維模擬箱的剛度。其中，在與內(nèi)層箱體內(nèi)的兩側(cè)可水平移動(dòng)減摩式水平加載板相對(duì)應(yīng)的外層箱體上所安裝的四根垂直鋼柱上，分別安裝有多條(比如兩條或兩條以上)水平向油缸。水平向加載油缸通過(guò)其活塞桿端的圓法蘭與上述水平加載板相連，實(shí)行水平加載?？梢允菃蜗蛩郊虞d，也可以是雙向水平加載。上述垂直鋼柱則用作模擬箱的反力裝置。這樣，即構(gòu)成水平加載裝置。
在模擬箱的頂面，由鋼梁縱橫交錯(cuò)地組成一個(gè)井字型結(jié)構(gòu)的垂直加載裝置，在井字鋼梁的所需位置上設(shè)置有合適數(shù)量的垂直向加載油缸，井字鋼梁與上述垂直鋼柱的上端通過(guò)螺栓連接，從而使整個(gè)鋼架構(gòu)成一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)橛透滋峁┳銐虻姆戳Γ侨S加載安全順利的有力保障。這些垂直向油缸能夠通過(guò)活動(dòng)連接于其下端部的可移動(dòng)的傳力架及垂直加載板，對(duì)模擬箱內(nèi)的相似材料實(shí)現(xiàn)垂直加載。
所以，整個(gè)加載裝置是由垂直鋼柱、井字鋼梁、水平向和垂直向加載油缸以及水平和垂直加載板等組成的。
可見(jiàn)，本系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的單向或雙向加載，而且能夠?qū)崿F(xiàn)完全的真三維加載。
加載油路系統(tǒng)是整個(gè)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的荷載來(lái)源，全部采用液壓自動(dòng)加載，由液壓管道和控制閥門(mén)等組成，并連接至上述加載油缸和液壓源(泵站)。水平向和垂直向油缸不僅可以多缸聯(lián)動(dòng)加載還可以單缸加載，這就為在試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行多種不同地下工程的模擬試驗(yàn)提供了條件，同時(shí)從另一方面體現(xiàn)了本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)極強(qiáng)的通用性。油路系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制閥門(mén)開(kāi)閉，只需通過(guò)相應(yīng)按鈕就可以方便地控制所有油缸。另外，所有油缸都采用高強(qiáng)螺栓與模擬臺(tái)的承力架相連，方便維修和拆裝。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是收集和處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的部分，通過(guò)它獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖形及回歸函數(shù)。所采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是電阻式和振弦式兩種傳感器以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀(比如，TDS-303數(shù)據(jù)采集儀)，均采用計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)采集，具有很好的精度和靈活性。高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br> 地下水模擬系統(tǒng)是本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的一大特色，由進(jìn)水管、閥門(mén)和水平排水管及高壓水泵組成。在模擬箱內(nèi)形成進(jìn)水管路，沿箱體高度可以設(shè)置若干層(1～6層)水平進(jìn)水管，可以根據(jù)地下工程的地下水的實(shí)際情況分別模擬不同的含水層地下水位與水壓，如上層滯水、承壓水的影響。每層進(jìn)水管都有一個(gè)閥門(mén)控制進(jìn)水流量與進(jìn)水速度。
另外，為了有利于實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)的方便、直觀和通用性強(qiáng)的目的，本實(shí)用新型的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)還可以包括其它組成部分，比如觀察孔。在沒(méi)有安裝水平向加載油缸的兩側(cè)內(nèi)外層箱體上可以設(shè)置多個(gè)觀察孔，這不僅增強(qiáng)了模擬試驗(yàn)的直觀性，還在很大程度上提高了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的通用性?？梢愿鶕?jù)要求開(kāi)不同的孔洞，而將觀察孔的有機(jī)玻璃作為地下洞室的開(kāi)挖起始面。例如，通過(guò)每個(gè)觀察孔可以挖出單一隧道，多觀察孔能模擬兩條或多條相交隧道的復(fù)雜地鐵工程等。
本實(shí)用新型的城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)具有以下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步1.可以進(jìn)行大尺度的模擬試驗(yàn)本試驗(yàn)系統(tǒng)依據(jù)相似模擬理論確定模擬箱尺寸，可進(jìn)行大比尺模擬試驗(yàn)，其模擬箱的內(nèi)空尺寸為8立方米，是目前我國(guó)最大尺寸的、率先實(shí)現(xiàn)真三維加載的城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。
2.操作使用方便本試驗(yàn)系統(tǒng)采用液壓加載裝置加載，通過(guò)液壓油路控制臺(tái)可以完全實(shí)現(xiàn)加卸載自動(dòng)控制，每組油缸可以同步動(dòng)作也可以分別按照需要單獨(dú)動(dòng)作，極大地提高了系統(tǒng)的操控性。
3.觀測(cè)直觀本試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用國(guó)際先進(jìn)的采集儀器(TDS-303數(shù)據(jù)采集儀)，完全實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)自動(dòng)化采集，并由計(jì)算機(jī)直接分析輸出結(jié)果。
4.對(duì)城市地下工程試驗(yàn)具有很強(qiáng)通用性本試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種城市地鐵工程、隧道及地下洞室工程、地基及基礎(chǔ)工程、特殊地下施工方法、邊坡工程、擋土結(jié)構(gòu)等的三維模擬試驗(yàn)，而不是單一的某類城市地下工程。
5.對(duì)復(fù)雜多變環(huán)境下城市地下工程試驗(yàn)的適應(yīng)性強(qiáng)本試驗(yàn)系統(tǒng)的強(qiáng)適應(yīng)性表現(xiàn)在它實(shí)現(xiàn)了完全真三維液壓加載，而且還可進(jìn)行地下水影響的試驗(yàn)，模擬水土耦合作用對(duì)地下工程的影響。這兩方面都是我國(guó)現(xiàn)有物理模擬試驗(yàn)臺(tái)裝置所不能實(shí)現(xiàn)的。
6.具有良好的可擴(kuò)展性本試驗(yàn)系統(tǒng)裝置具有良好的可擴(kuò)展性，可以在此基礎(chǔ)上增加相應(yīng)制冷設(shè)備以實(shí)現(xiàn)凍結(jié)法施工模擬、地下工程特殊施工方法的更多復(fù)雜功能。


圖1是本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的模擬箱的水平斷面圖；圖2是本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的1-4立面圖；圖3是本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的A-D立面圖；圖4是本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的垂直加載裝置的俯視圖，示出了構(gòu)成垂直加載裝置的各鋼梁的組合結(jié)構(gòu)；圖5是本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的地下水模擬系統(tǒng)的供排水原理圖。
圖中1.內(nèi)層箱體1號(hào)板 2.內(nèi)層箱體2號(hào)板 3.內(nèi)層箱體3號(hào)板4.內(nèi)層箱體4號(hào)板 5.鋼柱 6.橫向槽鋼7.減摩式水平加載板8.水平向加載油缸 9.內(nèi)層箱體加強(qiáng)鋼板10.采集線出口 11.進(jìn)水管12.排水管13.橡膠板或帆布 14.模擬臺(tái)基礎(chǔ)15.基礎(chǔ)墊層16.模擬箱底板 17.上連接板 18.下連接板19.觀察孔 20.與鋼柱連接的螺栓孔21.基礎(chǔ)連接鋼板 22.鋼柱外側(cè)加強(qiáng)筋板201.垂直加載主梁 202、203、204.垂直加載邊次梁具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
整個(gè)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括模擬箱、加載裝置、加載油路系統(tǒng)、地下水模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
圖1是本實(shí)用新型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的模擬箱的水平斷面圖，圖2和圖3分別是模擬試驗(yàn)系統(tǒng)兩個(gè)立面1-4和A-D的立面圖。
如圖1所示，模擬箱是用于容納模擬試驗(yàn)所有相似材料的容器，是一個(gè)頂面開(kāi)口的鋼箱，由內(nèi)、外兩層箱體構(gòu)成，其水平橫截面為正方形。
內(nèi)層箱體是一個(gè)頂面開(kāi)口、其它五面密封的立方體容器，四個(gè)側(cè)面即1號(hào)板1、2號(hào)板2、3號(hào)板3和4號(hào)板4以及底面采用鋼板連續(xù)密封焊接。另外，在內(nèi)層箱體的內(nèi)部，與上述其中兩個(gè)相鄰側(cè)面鋼板平行地設(shè)有相鄰的兩塊減摩式水平加載板7，它們可以沿箱體的水平軸線向內(nèi)和向外水平移動(dòng)，用于對(duì)模擬箱內(nèi)的相似材料進(jìn)行水平加載。而且，在兩水平加載板7相接的空隙處設(shè)有橡膠板或帆布13等類似材料進(jìn)行柔性連接，以滿足加載板自由移動(dòng)與擋土的需要。
由于地下工程所研究的對(duì)象大多為土等散體材料，而且本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)還要考慮地下水的影響，所以模擬箱的箱體四周必須是密封的，故選擇鋼板連續(xù)焊接制成模擬箱。
但是，考慮到試驗(yàn)中的荷載較大且作用時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，若單純利用鋼板來(lái)提高箱體剛度和減少變形，則鋼板需要很厚，這既不經(jīng)濟(jì)也不便于安裝。于是，如圖1和2所示，本實(shí)用新型在內(nèi)層箱體的外部四周水平鋪設(shè)有開(kāi)口向外的橫向槽鋼6，無(wú)論是在上下方向還是水平方向，相鄰槽鋼6之間都由螺栓連接(比如利用雙面打孔的角鋼連接)，從而形成一個(gè)整體而構(gòu)成外層箱體。橫向槽鋼6與內(nèi)層箱體沒(méi)有連接。
外層箱體作為加載時(shí)的反力裝置，同時(shí)起到容器的作用。
可見(jiàn)，模擬箱利用橫向槽鋼既增加了剛度，減少了變形，使模擬箱具有良好的受力狀況，又易于安裝拆卸，為維修或搬遷提供了便利條件，并可滿足密閉要求。
優(yōu)選地，可以選擇10～30mm厚的鋼板作為模擬箱的上述1、2、3、4號(hào)板，橫向槽鋼可以選擇18號(hào)以上槽鋼。
本實(shí)用新型的加載裝置包括水平加載裝置和垂直加載裝置。
如圖1和2所示，在模擬箱外層箱體的四個(gè)側(cè)面上，每個(gè)側(cè)面均安裝有兩根垂直的鋼柱5，每根鋼柱5的下端與預(yù)埋在模擬臺(tái)基礎(chǔ)14中的連接鋼板(約10～30mm厚)21用螺栓連接。在上述橫向槽鋼6的開(kāi)口對(duì)著鋼柱5的部位，封焊若干連接鋼板實(shí)現(xiàn)槽鋼6與鋼柱5的螺栓連接。這八根鋼柱最大程度地提高了三維模擬箱的剛度。其中，在與上述減摩式水平加載板7相對(duì)應(yīng)的外層箱體上所安裝的四根垂直鋼柱5上，分別安裝有兩條(或兩條以上)水平向加載油缸8，油缸8從組成鋼柱5的一對(duì)槽鋼的腹板間穿過(guò)。水平向油缸8通過(guò)其活塞桿端的圓法蘭與上述減摩式水平加載板7相連，實(shí)行水平加載。每塊水平加載板可連接2～8條加載油缸8，油缸既可聯(lián)動(dòng)亦可單獨(dú)動(dòng)作。水平加載可以是水平單向(即XYZ坐標(biāo)系的X軸向或Y軸向)加載或者是水平雙向(即XYZ坐標(biāo)系的X軸向和Y軸向)加載。上述垂直鋼柱5用作模擬箱的反力裝置。這樣，即構(gòu)成了水平加載裝置。此外，鋼柱5的外側(cè)通長(zhǎng)上還等間距地加焊有一定厚度和寬度的加強(qiáng)筋板22，以加強(qiáng)鋼柱的整體性并減少焊接變形，其內(nèi)側(cè)用螺栓與橫向槽鋼、鋼梁連接為整體。
如圖2所示，在模擬箱的頂面安裝所述垂直加載裝置。
如圖4所示，垂直加載裝置包括一個(gè)由鋼梁縱橫交錯(cuò)地構(gòu)成的井字型加載架。加載架(即“井字鋼梁”)由兩根通長(zhǎng)槽鋼梁(即垂直加載主梁)201和六根短槽鋼梁(即垂直加載邊次梁)202、203、204組成，長(zhǎng)短鋼梁用螺栓相互連接，每根鋼梁均由兩根槽鋼背對(duì)背開(kāi)口向外組合而成。并且，如圖2和3所示，在長(zhǎng)短鋼梁的四個(gè)十字形連接處均安裝有上連接板17和下連接板18(也稱“八角板”，共八塊)，以加強(qiáng)加載架的剛度。
此外，組成鋼梁的每對(duì)槽鋼的腹板之間保留一定間距，以保證垂直向加載油缸能夠從中穿過(guò)。
在井字鋼梁的所需位置的上述間距內(nèi)，安裝有合適數(shù)量的垂直向油缸(圖中未示出)。井字鋼梁與上述垂直鋼柱5的上端通過(guò)螺栓連接(見(jiàn)圖4)，從而使整個(gè)鋼架構(gòu)成一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)，為加載油缸提供足夠的反力。這些垂直向油缸能夠通過(guò)活動(dòng)連接于其下端部的可移動(dòng)的傳力架及垂直加載板(未示出)，對(duì)模擬箱內(nèi)的相似材料實(shí)現(xiàn)垂直加載。
可以設(shè)置4～16條垂直加載油缸，每條油缸的額定荷載為0～25T，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)不同荷載情況合理選用。
通過(guò)增大被焊接在鋼柱上端的用于連接井字鋼梁的連接板的長(zhǎng)度，或者上下調(diào)節(jié)鋼梁在鋼柱上端的安裝位置，即可實(shí)現(xiàn)井字鋼梁在鋼柱上端不同高度的調(diào)節(jié)。比如，在鋼柱上端的上述連接板上設(shè)置若干排螺栓孔，視試驗(yàn)需要，可以調(diào)整井字鋼梁的安裝高度。
可見(jiàn)，整個(gè)加載裝置是由垂直鋼柱5、井字鋼梁、水平向加載油缸8和垂直向加載油缸以及水平和垂直加載板等組成的。
從上面的結(jié)構(gòu)描述可知，本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的各部分連接形式首先要滿足強(qiáng)度要求，其次要考慮易于拆裝與維修，所以試驗(yàn)系統(tǒng)中的連接多采用可拆卸的螺栓連接，必須用焊接的也都采用先焊接有連接板而后再用螺栓連接的方法，其中包括鋼柱與地基的連接、鋼柱與鋼梁的連接、橫向槽鋼間的連接以及橫向槽鋼與鋼柱的連接均采用這種連接形式。鋼柱5與模擬基礎(chǔ)14、鋼柱5與鋼梁的連接都采用先把槽鋼焊接在一塊連接鋼板上，然后通過(guò)螺栓把連接鋼板連接起來(lái)。鋼梁與鋼柱的連接采用的是10～20mm厚的連接鋼板。因?yàn)椋菟?lián)接有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和通用性。
本實(shí)用新型的加載油路系統(tǒng)全部采用液壓自動(dòng)加載，由液壓管道和控制閥門(mén)等組成，并連接至上述加載油缸和液壓源(泵站)，對(duì)加載油缸可以多缸聯(lián)動(dòng)加載也可以單缸加載。油路系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制閥門(mén)開(kāi)閉，控制油缸方便。所有油缸都采用高強(qiáng)螺栓與模擬臺(tái)的承力架相連，方便維修和拆裝。另外，考慮到模擬箱的邊長(zhǎng)較大，土體模擬材料在三維加載情況下，雖然根據(jù)不同土質(zhì)有所不同，但各方向壓縮量應(yīng)都在一定的范圍內(nèi)，故選擇了合適的油缸行程。水平向油缸和垂直向油缸的缸徑、桿徑分別為φ60～100mm、φ30～70mm，缸體通長(zhǎng)為350～700mm。
地下水對(duì)實(shí)際工程的影響是很重要的一個(gè)方面，而且地下工程的事故中大多數(shù)都與水的影響密不可分，但是由于在模擬試驗(yàn)中很難控制它，所以目前這方面鮮有研究。本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了地下水模擬系統(tǒng)(參見(jiàn)圖5)，能夠模擬地下水的影響。
如圖5所示，本實(shí)用新型的地下水模擬系統(tǒng)由進(jìn)水管11、閥門(mén)和水平排水管12(見(jiàn)圖1)及高壓水泵組成。密封的模擬箱為實(shí)現(xiàn)模擬水土耦合提供了必要條件。在模擬箱內(nèi)布設(shè)進(jìn)水管路，沿箱體的不同高度可以設(shè)置比如1～6層水平進(jìn)水管，提供水土耦合的水源。在模擬箱外為每層進(jìn)水管都裝有一個(gè)獨(dú)立的閥門(mén)用以控制進(jìn)水流量與進(jìn)水速度。試驗(yàn)時(shí)，可以根據(jù)地下水的不同水位、不透水層位置來(lái)開(kāi)關(guān)相應(yīng)閥門(mén)，使模擬試驗(yàn)中水的影響逼近實(shí)際情況。可以根據(jù)地下工程的地下水的實(shí)際情況分別模擬不同的含水層地下水位與水壓，如上層滯水、承壓水的影響。另外，可以通過(guò)控制水泵壓力與流量進(jìn)而控制進(jìn)水量和出水量，并由傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)箱內(nèi)模擬材料的飽和程度。
圖3示出了多功能觀察孔的設(shè)置。參見(jiàn)圖3和圖1，在沒(méi)有安裝水平向加載油缸8的兩側(cè)內(nèi)外層箱體上可以設(shè)置若干觀察孔19。這不僅增強(qiáng)了模擬試驗(yàn)結(jié)果的直觀性，還在很大程度上提高了模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的通用性。因?yàn)椋^察孔外用有機(jī)玻璃板密封，試驗(yàn)時(shí)可以觀察箱體中部模擬材料的變形情況。通過(guò)換裝觀察孔上的有機(jī)玻璃板，可提供隧道模擬中洞室開(kāi)挖的起始端。例如，通過(guò)觀察孔可以挖出(垂直)相交的孔洞而模擬地下隧道。再如，設(shè)置兩個(gè)觀察孔便于實(shí)現(xiàn)地鐵雙隧道復(fù)雜交叉點(diǎn)工程的模擬。
觀察孔的形狀可以按照地下工程的斷面形狀設(shè)定，如圓形、矩形等，尺寸可以按照相似比確定。
由于觀察孔的有機(jī)玻璃處沒(méi)有橫向槽鋼，可以采用角鋼框架提高這部分的剛度，框架豎向角鋼肢正好頂在鋼柱的腹板上。
下面簡(jiǎn)述本實(shí)用新型城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的使用過(guò)程。
首先，將取樣的土體(或其他模擬材料)裝入試驗(yàn)系統(tǒng)的模擬箱中，并將事先準(zhǔn)備好的地下工程結(jié)構(gòu)(如樁基試驗(yàn)的樁體、地鐵隧道的管片等)及其他傳感器設(shè)備埋入土體中。把試驗(yàn)所需的各種導(dǎo)線一端埋入土體與應(yīng)變片及其他傳感器設(shè)備等儀器相連，一端和試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀器相連。埋設(shè)好各種儀器后，對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)(如試驗(yàn)樁體)進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓結(jié)束后，接著地下工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行加壓受荷，并利用采集儀器對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并對(duì)得到的試驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得復(fù)雜多變環(huán)境下城市地下工程的設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè)的試驗(yàn)依據(jù)，指導(dǎo)復(fù)雜地下工程的設(shè)計(jì)與工程建設(shè)。
權(quán)利要求1.一種地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模擬箱、加載裝置、加載油路系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于模擬箱是一個(gè)頂面開(kāi)口的密封鋼箱，箱內(nèi)可容納模擬試驗(yàn)的模擬材料；加載裝置包括水平加載裝置和垂直加載裝置，分別安裝在模擬箱箱體的側(cè)面和頂面上；加載油路系統(tǒng)包括液壓管道、閥門(mén)和液壓源，并連接至加載裝置以向加載裝置提供加載所需的液壓動(dòng)力；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀，從模擬箱內(nèi)的模擬材料采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；所述模擬箱內(nèi)設(shè)有與水平加載裝置連接的可水平移動(dòng)的水平加載板(7)，水平加載板在水平加載裝置的驅(qū)動(dòng)下可水平單向或雙向移動(dòng)，對(duì)模擬材料進(jìn)行水平加載；所述垂直加載裝置設(shè)有垂直加載板，可對(duì)模擬材料進(jìn)行垂直加載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于還包括地下水模擬系統(tǒng)，它具有進(jìn)水管(11)、排水管(12)和高壓水泵，在模擬箱內(nèi)沿箱體高度設(shè)置若干層水平進(jìn)水管，每層進(jìn)水管都設(shè)有一個(gè)閥門(mén)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述模擬箱由內(nèi)、外兩層箱體構(gòu)成，其中，內(nèi)層箱體是一個(gè)立方體容器，四個(gè)側(cè)面和底面由鋼板連續(xù)密封焊接；所述水平加載板(7)為相鄰的兩塊，它們?cè)O(shè)置在內(nèi)層箱體內(nèi)并與其兩個(gè)相鄰側(cè)面平行，在兩水平加載板(7)相接處設(shè)有橡膠板或帆布(13)；外層箱體設(shè)置在內(nèi)層箱體的外部四周，由水平鋪設(shè)的開(kāi)口向外的橫向槽鋼(6)相互可拆卸地連接構(gòu)成整體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述水平加載裝置包括在所述外層箱體的每個(gè)側(cè)面上安裝有兩根垂直鋼柱(5)，并在與所述水平加載板(7)相對(duì)應(yīng)的其中四根垂直鋼柱上安裝有多條水平向加載油缸(8)，所述水平向加載油缸通過(guò)其活塞桿端的法蘭與水平加載板(7)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述垂直加載裝置是由鋼梁縱橫交錯(cuò)而構(gòu)成的一個(gè)井字鋼梁，井字鋼梁的所需位置上設(shè)有垂直向加載油缸，垂直向加載油缸的下端部設(shè)有可移動(dòng)的傳力架及上述垂直加載板，井字鋼梁與上述垂直鋼柱的上端可拆卸連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述水平向和垂直向加載油缸既可多缸聯(lián)動(dòng)加載也可單缸動(dòng)作加載。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于每根垂直鋼柱(5)和井字鋼梁均由兩根開(kāi)口向外的槽鋼組合而成，每對(duì)槽鋼腹板之間保留一定間距，加載油缸從間距中穿過(guò)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述井字鋼梁由兩根通長(zhǎng)槽鋼梁(201)和六根短槽鋼梁(202、203、204)用螺栓相互連接，在長(zhǎng)短梁的各連接處均安裝有上連接板(17)和下連接板(18)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所述井字鋼梁在垂直鋼柱(5)上端的安裝高度可以調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于在模擬箱的側(cè)面上還設(shè)有觀察孔(19)，可作為模擬地下洞室的開(kāi)挖起始面。
專利摘要一種城市地下工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，包括模擬箱、加載裝置、加載油路系統(tǒng)、地下水模擬系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。模擬箱內(nèi)設(shè)有水平加載板，在水平加載裝置驅(qū)動(dòng)下可水平移動(dòng)對(duì)模擬材料水平加載，垂直加載裝置可對(duì)模擬材料垂直加載。模擬箱內(nèi)設(shè)有若干層水平進(jìn)水管，根據(jù)地下工程地下水的實(shí)際情況分別模擬不同含水層地下水位與水壓，進(jìn)行地下水影響試驗(yàn)。模擬箱內(nèi)空尺寸為8立方米，可進(jìn)行大比尺模擬試驗(yàn)。因而，本系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)完全真三維液壓加載、大比尺模擬、水土耦合模擬、自動(dòng)加載與數(shù)據(jù)采集以及通用性強(qiáng)、功能多等顯著優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種城市地鐵工程、隧道及地下洞室工程、地基及基礎(chǔ)工程、特殊地下施工方法、邊坡工程、擋土結(jié)構(gòu)等的三維模擬試驗(yàn)。
文檔編號(hào)E02D33/00GK2809020SQ20052011077
公開(kāi)日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月28日
發(fā)明者劉波, 陶龍光 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)