一种载荷作用下涵洞土拱变化规律的模拟试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种载荷作用下涵洞土拱变化规律的模拟试验装置及方法，模拟试验装置包括震动台、填料箱、动载装置、活动块、PIV装置、模拟涵洞和若干升降杆；活动块和模拟涵洞分别通过独立控制的升降杆安装在填料箱内底部，所述填料箱由箱体骨架、底板、两个活动侧板和两个固定侧板组成，每个活动块和模拟涵洞顶部均设有一个称重传感器，所述动载装置用于对土拱顶部施加来回运动的动载荷；所述填料箱的至少一个侧面为透明的PIV观察面，所述PIV装置设于PIV观察面一侧，用于观察试验过程中填料箱内土拱演化全过程。本发明通过称重传感器和PIV装置相结合，可以实现对涵顶竖向土拱演变过程的研究，获得土拱演化全过程变形与应力的准确数据。

说明书

技术领域

本发明专利属于土工实验技术领域，涉及动载和地震荷载同时作用时涵洞内外土柱不均匀沉降、沟谷涵洞与两侧边界存在偏心距、涵洞地基的不均匀沉降等多种工况的模拟试验，具体涉及一种载荷作用下涵洞土拱变化规律的模拟试验装置及方法，用于探究不同外荷载作用下内外土柱不均匀沉降时土拱的演化规律和涵顶土压力的变化规律。

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。以涵洞为例，由于涵洞和周围土体的刚度不同，在填土自重和上覆荷载作用下，涵洞上方内土柱的填土的沉降量小于外土柱的沉降量，在涵洞顶部形成沉降差，导致上部荷载在涵顶与涵洞外侧土之间产生重分布，将更多的荷载传递到涵洞顶部。当前的涵洞模型实验装置无法使土拱的变化呈现出可视化，无法使土拱更直观的展示在我们面前。当前对于土拱的研究大部分都是通过数值模拟或二维的活动门来研究土拱的形态，但数值模拟得出的结论过于理想化，与实际情况还是存在一定出入，二维的活动门装置只能观察到一个面的破坏情况，且实际生活中都是三维的，所以二维的活动门装置不能实现完全模拟，缺乏特定的实验装置来研究涵洞的各个方面特征。对于涵洞内外土柱的不均匀沉降，涵洞地基的不均匀沉降，沟谷涵洞与两侧边界存在偏心距等工况与动载和地震荷载等外荷载组合作用时基本只能通过大型的模型实验来进行研究，这样不但需要耗费大量的人力和精力来进行实验准备，而且实验中存在很多人为和不可控因素的影响，导致最终得出的结论也不是很理想。也无法对同一组工况的实验快速进行多次的实验，使结论更加可靠。当前对于涵顶土压力的研究主要是在涵顶铺设土压力盒，尽可能的多设置，但是这样也是无法真实准确的反应涵顶土压力的具体分布。

发明内容

本发明所解决的问题是，通过在外荷载作用下控制涵洞周围小的活动块的沉降，造成涵洞内外土柱的不均匀沉降，通过PIV装置实现内外土柱不均匀沉降过程中土拱实时演化的规律，通过BPMS薄膜直接获取涵顶土压力分布的大小，通过改变两侧壁的倾角和涵洞到两侧边界的比值，来研究沟谷中涵洞偏心距的改变对涵顶土压力的影响，也可通过涵洞的左右两侧与涵顶填料的不均匀沉降来模拟基地不均匀沉降对涵洞受力的影响。通过该发明，实现了涵洞的可视化究。

本发明填料箱底部是由多个可以拆卸组装的活动块和一个模拟涵洞的活动块组成，左右两侧由两块可转动的侧板组成，前后两侧是透明的钢化玻璃。所述的活动块可拆卸，实现自由组装，可开展对称和非对称受力的涵洞实验，所述模拟涵洞的活动块四周由钢板组成，顶面是由薄膜压力传感器(BPMS薄膜)组成，可直接测得涵顶土压力的分布，该活动块通过电机按照设定的沉降位移实现涵洞内外土柱的不均匀沉降，通过改变填料箱左右两侧挡板的倾角，来模拟不同倾角的沟谷。所述PIV装置主要包括黑卡数码相机，利用箱体骨架前侧设置有黑卡数码相机，拍摄实验过程中填料位移的变化的图片，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，可获得土拱演化全过程变形与应力的准确数据。整个系统可以实现对涵顶竖向土拱演变过程的研究，尤其适用于涵洞内外土柱的不均匀沉降，涵洞地基的不均匀沉降，沟谷涵洞与两侧边界存在偏心距等工况与动载和地震荷载等外荷载组合作用时，土拱的演化规律和涵顶荷载迁移的模拟。

为解决上述问题，本发明采取的试验装置方案为：

一种载荷作用下涵洞土拱变化规律的模拟试验装置，其特征在于：包括震动台、填料箱、动载装置、活动块、PIV装置、模拟涵洞和若干升降杆；

所述填料箱安装于震动台上，通过震动台模拟地震；

所述活动块和模拟涵洞分别通过独立控制的升降杆安装在填料箱内底部，每个活动块和模拟涵洞顶部均设有一个称重传感器，所有活动块和模拟涵洞顶部一起构成底面，底面以上的填料箱填充含有示踪粒子的填料，形成涵洞土拱，通过调整升降杆高度能模拟模拟涵洞四周土体沉降；

所述动载装置用于对土拱顶部施加来回运动的动载荷；

所述填料箱的至少一个侧面为透明的PIV观察面，所述PIV装置设于PIV观察面一侧，用于观察试验过程中填料箱内土拱演化全过程。

进一步地，所述填料箱由箱体骨架、底板和四个侧板组成，其中底板安装在震动台上，箱体骨架安装固定在底板上，四个侧板包括左右的活动侧板和前后的固定侧板，其中至少一个固定侧板为透明板，四个侧板一起构成了形成土拱的空间，通过对活动侧板设置不同的倾斜角度调整土拱形状。

进一步地，所述箱体骨架包括两个形状相同且平行设置的梯形框架和将两个梯形框架相连的横梁，所述梯形框架倒扣安装在底板上，梯形框架的长边形成箱体骨架的顶部纵梁；两个梯形框架中间安装固定侧板分别构成填料箱的前后侧面，所述活动侧板下端通过转动铰与底板相连，上端活动安装在箱体骨架的顶部纵梁上。

进一步地，所述顶部纵梁上设有若干用于固定活动侧板上端的卡槽，通过选择不同的卡槽固定活动侧板上端来调整活动侧板的倾斜角度。

进一步地，所述动载装置包括支撑杆、加载杆和驱动装置，所述支撑杆两端通过导轨滑块结构安装在箱体骨架的顶部纵梁上，所述驱动装置用于驱动支撑杆沿着顶部纵梁方向来回移动，所述加载杆固定在支撑杆底部，所述加载杆下端设有用于对土拱顶部接触并施加载荷的压头。

进一步地，所述顶部纵梁外侧设有轨道槽，所述支撑杆两端通过行走轮安装在轨道槽内，所述驱动装置为与其中至少一个行走轮动力相连的电机。

进一步地，所述加载杆为液压杆，所述动载装置还包括与液压杆配套的油泵，所述加载杆上设有测量加载位移量的位移传感器和测量加载载荷大小的荷载传感器。

进一步地，所述动载装置还包括测量支撑杆沿着顶部纵梁方向来回移动速度和位移的距离传感器，所述距离传感器为设于支撑杆上的红外测距传感器。

进一步地，所述的模拟试验装置还包括控制装置，所述控制装置用于控制升降杆、震动台和动载装置的动作，并接受PIV装置、称重传感器和动载装置反馈的监测信号；所述活动块顶部的称重传感器为轮辐式称重传感器，所述模拟涵洞顶部的称重传感器为BPMS薄膜，所述PIV装置包括相机和分散在填料箱内的示踪粒子，所述升降杆为电动升降杆，所述填料箱内涵洞土拱的顶部设置有加载板，所述压头底部设有与加载板接触的滚轮。

一种模拟载荷作用下涵洞土拱变化规律的试验方法，采用上述模拟试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建模拟试验装置，基于实验方案确定模拟涵洞在填料箱内底板上的相对位置，先将模拟涵洞通过升降杆安装在底板上，然后将所有活动块通过升降杆安装在模拟涵洞四周的底板上，在模拟涵洞和每个活动块顶部安装一个称重传感器，并将称重传感器和升降杆的信号线引出；

步骤2、根据实验方案确定土拱形状，选择并固定好固定侧板的倾斜角度，然后往填料箱内装填均匀分散有示踪粒子的填料，直至实验方案预定的高度，形成土拱，在土拱上方放置一块平板作为加载板；

步骤3、在加载板上方安装动载装置，将PIV装置安装于PIV观察面一侧，并调整好拍摄位置和角度；

步骤4、开启动载装置和震动台，根据不同实验需要设置动载装置的动载荷参数和震动台的震动参数，进行模拟实验，通过称重传感器和PIV装置采集涵洞土拱的位移变化和载荷变化；

步骤5、实验结束后，关闭动载装置和震动台，停止加载和震动，关闭电源开关，取出填料箱中的填料，拆除所有的活动块和模拟涵洞，导出所有的实验数据和图片进行实验数据处理，完成模拟实验。

与现有的涵洞模拟装置相比，本发明能模拟静载、动载、震载作用下探究涵洞土拱变化规律以及荷载分布状况，具体有以下优点：

第一，本发明所提供的模拟装置可以通过精密电机、荷载传感器、位移传感器油泵、风箱、红外传感器组成的全自动交通荷载加载装置，设定不同的命令流，对模型装置施加不同等级的交通荷载，加载简单方便易于操作。

第二，模型装置除了可以考虑交通荷载和振动荷载等外部荷载作用下，涵顶土压力的分布以及土压力的变化，还可以考虑仅在填土自重作用下造成的内外土柱沉降差对涵顶土压力的影响。

第三，对于沟谷涵洞与两侧边界存在偏心距等工况与动载和地震荷载等外荷载组合作用时基本只能通过大型的模型实验或者现场实验来进行研究，这样不但需要耗费大量的人力和精力来进行实验准备，而且实验中存在很多人为和不可控因素的影响，导致最终得出的结论也不是很理想，但本实验装置可以通过改变挡板倾角和涵洞的位置来快速模拟，可以同时实现多组工况，更方便，提高了实验的成功率。

第四，它将传统涵洞模型实验变得可视化，通过摄像装置采集全过程图片，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，可获得土拱演化全过程变形与应力的准确数据。

第五，传统的二维的活动门装置只能观察到一个面的破坏情况，且实际生活中都是三维的，所以本装置更能真实的模拟实际工况。

第六，涵顶的BPMS薄膜通过导出的土压力分布云图，更能真实反应涵顶土压力，相较于在涵顶放置土压力盒更准确方便。

附图说明

图1为本发明实施例中模拟试验装置整体结构示意图。

图2为本发明实施例中震动台示意图。

图3为本发明实施例中活动块和模拟涵洞分布示意图。

图4为本发明实施例中活动块和模拟涵洞分布俯视图。

图5为本发明实施例中填料箱示意图。

图6为本发明实施例中动载装置示意图。

图7为本发明实施例中动载装置局部示意图。

图8为本发明实施例中模拟试验装置前侧示意图。

附图标记：1-箱体骨架，101-梯形框架，102-横梁，103-顶部纵梁；2-支撑杆；3-电机；4-油泵；5-风箱；6-油管；7-伺服阀；8-加载杆；9-压头；10-位移传感器；11-荷载传感器；12-填料箱；13-转动铰；14-卡槽；15-活动块；16-轮辐式称重传感器；17-升降杆；18-模拟涵洞；19-BPMS薄膜；20-底板；21-震动台，2101-台面，2102-动圈，2103-悬挂连接件，2104-震动发生器；22-位移控制器；23-相机，24-固定侧板，25-活动侧板，26-加载板，27-滚轮，28-行走轮，29-轨道槽，30-计算机，31-红外测距传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图8所示，本发明提供了一种载荷作用下涵洞土拱变化规律的模拟试验装置，包括震动台21、填料箱12、动载装置、活动块15、PIV装置、模拟涵洞18、计算机30和若干升降杆17；

所述填料箱12安装于震动台21上，通过震动台21模拟地震；

所述活动块15和模拟涵洞18分别通过独立控制的升降杆17安装在填料箱12内底部，每个活动块15和模拟涵洞18顶部均设有一个称重传感器，所有活动块15和模拟涵洞18顶部一起构成底面，底面以上的填料箱12填充含有示踪粒子的填料，形成涵洞土拱，通过调整升降杆17高度能模拟模拟涵洞18四周土体沉降；

所述动载装置用于对土拱顶部施加来回运动的动载荷；

所述填料箱12的至少一个侧面为透明的PIV观察面，所述PIV装置设于PIV观察面一侧，用于观察试验过程中填料箱12内土拱演化全过程。

本发明实施例中，所述填料箱12包括箱体骨架1、底板20和四个侧板组成，其中底板20安装在震动台21上，箱体骨架1安装固定在底板20上，四个侧板包括左右的活动侧板25和前后的固定侧板24，为了提高可观察性，本发明两个固定侧板24均为透明板，四个侧板一起构成了形成土拱的空间，通过对活动侧板25设置不同的倾斜角度调整土拱形状。所述箱体骨架1包括两个形状相同且平行设置的梯形框架101和将两个梯形框架101相连的横梁102，所述梯形框架101倒扣安装在底板20上，梯形框架101的长边形成箱体骨架1的顶部纵梁103；两个梯形框架101中间安装固定侧板24分别构成填料箱12的前后侧面，具体的，所述固定侧板24采用有机玻璃制成，形状跟梯形框架101类似，卡在梯形框架101四边内侧开设的凹槽内，所述活动侧板25下端通过转动铰13与底板20相连，上端活动安装在箱体骨架1的顶部纵梁103上；所述顶部纵梁103上设有若干用于固定活动侧板25上端的卡槽14，通过选择不同的卡槽14固定活动侧板25上端来调整活动侧板25的倾斜角度。

如图7和图8所示，所述动载装置包括支撑杆2、加载杆8和驱动装置，所述支撑杆2两端通过导轨滑块结构安装在箱体骨架1的顶部纵梁103上，所述驱动装置用于驱动支撑杆2沿着顶部纵梁103方向来回移动，所述加载杆8固定在支撑杆2底部，所述加载杆8下端设有用于对土拱顶部接触并施加载荷的压头9。所述顶部纵梁103外侧设有轨道槽29，所述支撑杆2两端通过行走轮28安装在轨道槽29内，所述驱动装置为与其中至少一个行走轮28动力相连的电机3。本实施例中，所述加载杆8为液压杆，所述动载装置还包括与液压杆配套的油泵4和给油泵4降温的风箱5，所述加载杆8上设有测量加载位移量的位移传感器10和测量加载载荷大小的荷载传感器11，加载杆8还设有用于控制器加载的伺服阀7的上部接口与输送油压的油管6相连，油管6的另一端与油泵4相连，油泵4与风箱5相连，以便于给油泵4降温，防止油泵4长时间工作温度过高出现故障；伺服阀7还通过控制线与计算机30相连，用于接收计算机30的控制指令，计算机30通过伺服阀7控制加载杆8的加载载荷大小，通过控制电机3转速控制支撑杆2其上加载杆8行走速度和位置。

如图7所示，本发明支撑杆2上还设有红外测距传感器31，红外测距传感器31监测数据数据传输到计算机30，利用计算机30解析，通过测量支撑杆2与两侧的横梁102之间距离判断支撑杆2的位置，通过距离变化速度判断支撑杆2的移动速度。

本发明的所述升降杆17为电动升降杆17，每个升降杆17均自带位移传感器10，所述升降杆17通过信号线与位移控制器22相连，通过位移控制器22控制每个升降杆17的升降幅度，以模拟涵洞18四周沉降量。

本发明模拟涵洞18的顶部设有由BPMS薄膜19构成的压力传感器，模拟涵洞18的安装位置根据实验需要可以自由调节，底板20上设有阵列分布的法兰卡口，所述升降杆17底部均设有与法兰卡口的法兰面，所有升降杆17通过法兰连接安装在底板20上，位置根据需要选择，以能够支持活动块15和模拟涵洞18为准。本发明实施例中，所述活动块15可以设置为长条形快和正方形块，具体形状不限，以能够满足模拟相应实验沉降要求为准。

如图1所示，本发明PIV装置包括相机23和分散在填料箱12内的示踪粒子，相机23位于梯形框架101前侧，拍摄方向与梯形框架101上的有机玻璃垂直，相机23所拍摄照片通过计算机30进行解析。

如图2所示，本发明震动台21包括台面2101、动圈2102(含骨架)、动圈2102、悬挂连接件2103、柔性支承、震动发生器2104、电器连接件和冷却连接件组成的运动系统，用于发生所需的震动参数，来模拟地震。

如图8所示，本实施例中，所述填料箱12内涵洞土拱的顶部设置有加载板26，所述压头9底部设有与加载板26接触的滚轮27，这可以大大减小加载杆8加载时随着支撑杆2来回运动的阻力。

本发明实施例采用的部分设备型号如下：

震动台21采用型号为YD-ZD100的往复式模拟运输震动装置；驱动支撑杆2移动的电机3型号为NAMIKI-CMS的无刷直流精密电机；油泵4型号为100AY120X2型高压电动油泵，风箱5型号为KTJ-35-100的离心风箱；伺服阀7型号为SV1-06/05/210/5的伺服阀，加载杆8上的位移传感器10型号为LPS-TMR125A4系列的非接触式线性位移传感器10，加载杆8和加载头之间的荷载传感器11型号为JHBU型轮幅式系列的荷载传感器；活动块15的平面尺寸为100mm×100mm(俯视平面)；模拟涵洞18的平面尺寸为400mm×400mm(俯视平面)，模拟涵洞18顶部采用型号为BPMS的压力薄膜；主要通过升降杆17来控制活动块15和模拟涵洞18的沉降，升降杆17的位移控制精度0.01mm、设计最大行程150mm；PIV装置置于模型箱的前侧，包含型号为DSC-RX100M7的黑卡数码相机。

需要说明的是，本发明计算机只是提供自动化的一个辅助手段，并非必要技术特征，通过手段控制和计算也可以完成本发明上述技术方案，解决本发明技术问题。

需要说明的是，本发明上述驱动支撑杆2沿着顶部纵梁103方向来回移动的驱动装置不限于上述举例，可以为其他直线运动装置，比如丝杠螺母机构、齿轮齿条结构等等。支撑杆2两端不限于采用上述结构安装在顶部纵梁103上，可以采用其他导轨滑块结构，比如燕尾滑槽等等，驱动装置和导轨滑块结构既可以分开，也可以如上一样设置我一体结构。具体采用什么形式不影响本发明技术方案实施。

本发明还提供一种模拟载荷作用下涵洞土拱变化规律的试验方法，用于一种模拟静、动载作用下探究涵洞土拱变化规律以及荷载分布状况，具体步骤如下：

1)搭建模拟试验装置，基于实验方案确定模拟涵洞18在底部的正中心位置，将模拟涵洞18通过四根升降杆17安装在底板20的法兰卡口上，将剩余所有的活动块15通过升降杆17安装在模拟涵洞18四周底板20的法兰卡口上，确定左右两侧活动侧板25的倾斜角度为90°，将左右的活动侧板25上部与箱体骨架1的顶部纵梁103内侧卡槽14连接，形成完整的填料箱12，保证模拟涵洞18、所有的活动块15、底板20和侧板连接紧密；

2)将用于拍摄的相机23通过支架置于模型箱前侧，通过调整支架的水准气泡的位置，保证相机23水平，相机23的拍摄方向与前侧有机玻璃制成的固定侧板24垂直，整个填料箱12置于拍摄相机23的正中心，在填料箱12中分层填筑填料，直至800mm高，形成土拱，在填料的上表面铺设一块加载板26，将所有的导线与计算机30连接；

3)开启动载装置的开关，启动油泵4和风箱5，设定加载杆8的油缸位移80mm/min，终控是力达到0.1N，控制加载杆8下降，当压头9底部的滚轮27接触到加载板26时，停止下降，对加载杆8设定十二级的分级加载，以及每一级荷载的大小为5N和作用时间6min，以达到逐级自动加载的目的，设定支撑杆2左右循环滑动的次数为1000，速度为1m/min；开启位移控制器22，设定活动块15的下降位移为50mm、100mm和150mm三组工况，保证模拟涵洞18高度不变；

开启震动台21，选择简谐波来模拟地震荷载，台面2101逐级输入频率固定为5Hz，加速度幅值分别为0.11g、0.24g及0.39g的正弦波，来模拟小震、中震及大震，开启相机23拍摄填料箱12内填料的位移变化，通过模拟涵洞18顶部的BPMS薄膜19，导出模拟涵洞18顶部的压力云图，得到涵顶土压力分布曲线，通过各个活动块15上表面设有轮辐式称重传感器16的数据变化绘制荷载转移图，通过PIV装置导出实验过程中土拱形态变化的过程；

4)待试验结束时，关闭加载装置开关，和震动台21的震动开关，停止加载和震动，关闭电源开关，取出填料箱12中的填料，拆除所有的活动块15和模拟涵洞18，清理表面残留的填料，拆除所有的侧板，整理所有的导线，导出升降杆17不同的沉降差时土拱形态的变化，导出BPMS薄膜19的应力分布云图，导出各活动块15的载荷变化，细化荷载转移的云图，进行实验数据分析处理，完成模拟实验。

本发明还可以调整活动侧板25的倾斜角度，形成不同形状的涵洞土拱，并再次进行实验，研究不同形状的涵洞土拱对涵洞土拱变化规律以及荷载分布状况的影响。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。