渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置

摘要

本发明公开了一种渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置，包括模型箱、活动门、模型箱支撑、活动门支撑、升降机构、支撑板、支撑底座、弹性组件以及供水系统，模型箱固设于模型箱支撑顶部，活动门盖接于所述模型箱底部，活动门包括多块并列设置的活动块，活动门支撑安装于模型箱下方且支撑活动门，升降机构安装于活动门支撑底部，所述支撑板设置于所述活动门的下方，支撑底座安装于支撑板的下方，弹性组件与活动块一一对应设置，弹性组件顶端连接活动块，底端连接支撑板。本发明的有益效果：通过控制活动块的升降以及弹簧内支撑的刚度模拟桩间土的不均匀沉降对土拱效应的影响，更容易改变桩间净距模拟渗流对土拱效应的影响。

说明书

【技术领域】

本发明涉及岩土工程桩承式路堤土拱效应技术领域，尤其涉及一种渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置。

【背景技术】

我国南方地区暴雨频繁、山洪屡见，公路路基水毁灾害频发。由于土拱效应是路堤稳定与差异沉降控制的关键，但降雨入渗对路基的变形和稳定均能产生不可忽视的严重危害。因此，列车动载作用下、路堤填土渗流对桩承式路堤土拱效应的影响的研究不容忽略。

当前，土拱效应的研究通常是采用活动门模型试验。目前通过活动门模型试验已初步掌握土拱在演化过程中，荷载传递以及土拱形状在各种条件下的变化的过程，为指导桩承式路堤荷载传递及沉降控制设计提出了一系列的设计方法，推动我国的高速铁路发展进程起到了较为重要的影响。但传统活动门模型试验是通过控制刚性的整块活动门下移到指定位置模拟桩土沉降差，随着研究的深入，传统活动门模型存在较多的局限性。

现有研究表明不同沉降差对土拱效应的发挥程度存在较大的影响。但如果通过传统活动门模型试验确定某具体软土地基上桩承式路堤土拱效应时，因为桩土差异沉降的不确定性，使得模型试验无法直接准确匹配具体工程，从而难以通过模型试验对具体工程进行指导设计；在传统活动门模型中，沉降差的产生是人为的控制活动门主动向下移动，而实际工程中，沉降差的产生是由于桩土存在较大的刚度差，在路堤荷载作用下压缩产生。目前已有研究表明，相同的沉降差下，沉降差是由主动还是被动条件下产生对土拱效应的发挥存在较大的差异；在分层填土过程中，随着填土的增加，活动门上填土荷载的增大，活动门应向下移动。但由于传统活动门模型的沉降差是直接通过边界条件确定，活动门无法实现填土与软土之间的耦合过程。从而无法确定沉降差，模拟填土过程中土拱效应不断发挥的过程；循环荷载或雨水渗流作用时对土拱效应的发挥程度会产生一定的弱化，故传递到桩间软土上的荷载会势必发生的变化，引起桩间软土沉降发生相应的变化。但由于传统活动门的沉降差是人为的控制活动块向下位移产生，难以模拟在外部荷载作用下，土拱效应增强或减弱时，沉降差发生不断变化的过程。

综上所述，原有的研究土拱效应的活动门试验装置难以通过模型试验模拟具体的工程实例，试验过程中的沉降差与工程实际不符合，难以模拟分层填筑的过程，难以模拟渗流作用对桩土相互作用的影响。

【发明内容】

本发明公开了一种渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置，其通过控制活动块的升降以及弹簧内支撑的刚度模拟桩间土的不均匀沉降对土拱效应的影响，更容易改变桩间净距，还可模拟渗流对土拱效应的影响，从而可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置，包括模型箱、活动门、模型箱支撑、活动门支撑、升降机构、支撑板、支撑底座、弹性组件以及供水系统，所述模型箱的侧壁上设有进水口且所述模型箱固设于所述模型箱支撑顶部，所述模型箱底部呈开口状设置，所述活动门盖接于所述模型箱底部的开口处，所述活动门包括多块并列设置的活动块，所述活动块包括用于模拟桩间土位置处的移动活动块和用于模拟桩位置处的固定活动块，所述活动门支撑安装于所述模型箱下方且用于支撑所述活动门并控制所述活动门的升降，所述升降机构安装于所述活动门支撑底部以控制所述活动门支撑升降，所述支撑板设置于所述活动门的下方，所述支撑底座安装于所述支撑板的下方并控制所述支撑板的升降，所述弹性组件的数量为多个，多个所述弹性组件与多块所述活动块一一对应设置，每个弹性组件顶端连接所述活动块，底端连接所述支撑板，所述供水系统包括降雨器、水压调节器、水泵以及蓄水箱，所述进水口和所述降雨器分别通过所述水压调节器和所述水泵连通所述蓄水箱，所述降雨器包括位于所述模型箱上方的喷水头和用于将所述喷水头支撑于所述模型箱上方的降雨器支撑。

作为本发明的一种优选改进，所述喷水头为雾化降雨喷头，所述喷水头的数量为28个且按4×7的方式排列于所述模型箱的上方。

作为本发明的一种优选改进，所述降雨器支撑包括底端固设于所述模型箱支撑上的高度可调节的升降支柱和固设于所述升降支柱顶端以用于安装所述喷水头的横梁。

作为本发明的一种优选改进，所述活动块和与所述活动块对应的模型箱的侧壁位置开设有插销孔，所述活动块通过插销固定于所述侧壁。

作为本发明的一种优选改进，所述移动活动块为T型活动块，所述固定活动块为方型活动块。

作为本发明的一种优选改进，所述升降机构数量为两个，两个所述升降机构分设于所述活动门支撑的左右两端。

作为本发明的一种优选改进，还包括连接两个所述升降机构以控制两个所述升降机构同步升降的螺杆。

作为本发明的一种优选改进，所述弹性组件包括弹簧和固定连接所述弹簧上下两端的两块磁铁，所述弹性组件通过所述磁铁与所述活动块和所述支撑板磁吸固定，多个所述弹性组件的所述弹簧的刚度可相同或者不相同设置。

作为本发明的一种优选改进，所述弹性组件包括设置于所述磁铁与所述弹簧之间的金属片，所述磁铁磁吸固定于所述金属片上。

作为本发明的一种优选改进，所述支撑底座数量为四个，四个所述支撑底座分设于所述支撑板的四个角部位置。

本发明的有益效果如下：

(1)通过设置供水系统，可以模拟横向渗流及降雨渗流对土拱效应的影响；

(2)通过设置高度可调节的升降支柱，可以控制降雨高度，可以模拟不同降雨量对土拱效应的影响；

(3)改用弹簧控制活动门沉降的方法，在活动块(模拟桩)下放置刚度较大的弹簧，在其余活动块(模拟土)下放置刚度较小的弹簧，模拟桩土刚度差，实现桩的下沉，进而研究桩顶下沉对土拱效应的影响；

(4)通过在活动块下的支撑板四角处设置可调节高度的支撑底座，这样，若地面不平整时，可通过调节支撑底座保证支撑板的水平；此外，可考虑加工工艺带来的弹簧长度误差，通过该可调节高度的支撑底座可降低加工精度要求，使得同一组试验中所有弹簧的长度应保持一致；

(5)当桩间各活动块下的弹簧刚度相同时，可模拟桩间均匀软土的不均匀沉降，当桩间的各活动块下的弹簧刚度不同时，可模拟桩间软土分布不均匀时的不均匀沉降；

(6)可根据试验需要去掉插销的移动活动块便能上下自由移动，被插销锁死的移动活动块作为支撑支架，因填土下的活动块均可以活动，也可以固定，可较为方便地改变桩间净距；

(7)模拟桩间软土的移动活动块制作成T型活动块，可有效降低活动块间的相互作用，模拟桩的固定活动块为方形活动块，由于模拟桩间软土的移动活动块与模拟桩的固定活动块的沉降差较大，当沉降差大于T型活动块翼板厚度时，活动块之间脱空，易引起漏沙。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本发明渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置的立体结构图；

图2为本发明渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置的主视结构图；

图3为本发明渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置的俯视结构图；

图4为本发明渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置的侧视结构图；

图5为本发明活动块通过弹性组件支撑于支撑板上的结构图；；

图6为本发明渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置与视觉测量系统的布置图；

其中：1—透明钢化玻璃；2—钢板；3—移动活动块；4—固定活动块；5—插销；51—插销孔；6—模型箱支撑；7—活动门支撑；8—升降机构；9—弹簧；10—支撑底座；11-支撑板；12—万向轮；13—磁铁；14—金属片；81—螺杆；15—水压调节器；16—水泵；17—螺杆；18—喷水头；19—降雨器支撑。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1-4所示，本发明提供一种渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置，包括模型箱1、活动门、模型箱支撑6、活动门支撑7、升降机构8、支撑板11、支撑底座10、弹性组件以及供水系统，所述模型箱的侧壁上设有进水口2且所述模型箱焊接固设于所述模型箱支撑6顶部，当然，为了排水，所述侧壁上还可以设置有出水口。所述模型箱支撑6的底部安装有多个万向轮12，所述模型箱1底部呈开口状设置。具体的，所述模型箱1的侧壁由多块透明钢化玻璃1和围成的，多块相邻的所述透明钢化玻璃1的连接处采用玻璃胶连接，这样可以保证所述模型箱的侧壁连接处不会发生漏水。

需要进一步说明的是，所述模型箱1的填土顶面及底面设置土工材料，上层土工材料模拟路面结构吸水能力，下层土拱材料模拟软土的吸水能力，通过改变土工材料的渗透性，可有效控制进出水的渗流速率。

再参见图5所示，所述活动门盖接于所述模型箱1底部的开口处，所述活动门包括多块并列设置的活动块，进一步的，所述活动块包括用于模拟桩间土位置处的移动活动块3和用于模拟桩位置处的固定活动块4，所述移动活动块3为T型活动块且数量为5块，所述固定活动块4为方型活动块且数量为2块，这样，通过5块所述移动活动块3可以模拟软土的不均匀沉降。所述移动活动块3和与所述移动活动块3对应的侧壁位置开设有插销孔51，所述移动活动块通过插销5固定于所述侧壁，通过插销5固定这五个移动活动块3来改变桩间净距，满足容易改变桩间净距的要求。

所述活动块填充所述模型箱1的底部开口处，且所述活动块为具有一定刚度的铁块。

所述活动门支撑7安装于所述模型箱下方且用于支撑所述活动门并控制所述活动门的升降。所述活动门支撑7的设置，可以保证填土期间通过所述活动门支撑7顶住活动门(填土荷载完全由活动门支撑7承担)，填土结束后，缓慢控制活动门支撑7下移，保证荷载能缓慢转移到弹簧9上，倘若填土期间内没有所述活动门支撑7，填土荷载将直接作用在弹簧9上，可能会导致活动门下沉过快，弹簧9也会在因为荷载迅速下沉，然后产生过度回弹，甚至发生弹簧弯曲破坏。

所述升降机构8安装于所述活动门支撑7底部以控制所述活动门支撑7升降。具体的，所述升降机构8数量为两个，两个所述升降机构8分设于所述活动门支撑7的左右两端，该装置还包括连接两个所述升降机构8以控制两个所述升降机构8同步升降的螺杆81。具体的，所述升降机构8为千斤顶。

所述支撑板11设置于所述活动门的下方，所述支撑底座10安装于所述支撑板11的下方并控制所述支撑板11的升降，这样，通过自由调节支撑板11的高度，以适应不同长度的所述弹簧9，所述支撑底座10的下端置于地面固定不动。具体的，所述支撑底座10数量为四个，四个所述支撑底座10分设于所述支撑板11的四个角部位置，所述支撑板11为矩形铁板。

所述弹性组件的数量为多个，多个所述弹性组件与多块所述活动块一一对应设置，每个弹性组件顶端连接所述活动块，底端连接所述支撑板11。

再结合图5所示，具体的，所述弹性组件包括弹簧9和固定连接所述弹簧9上下两端的两块磁铁13，所述弹性组件通过所述磁铁13与所述活动块和所述支撑板11磁吸固定，多个所述弹性组件的所述弹簧9的刚度可相同或者不相同设置。

进一步的，所述弹性组件包括设置于所述磁铁13与所述弹簧9之间的金属片14，所述磁铁13磁吸固定于所述金属片14上，所述金属片14与所述弹簧9焊接固定。

所述供水系统包括降雨器、水压调节器15、水泵16以及蓄水箱17，所述进水口2和所述降雨器分别通过所述水压调节器15和所述水泵16连通所述蓄水箱17，所述降雨器包括位于所述模型箱1上方的喷水头18和用于将所述喷水头18支撑于所述模型箱1上方的降雨器支撑19，具体的，所述喷水头18距离所述模型箱1的顶部500-1500mm左右。当然，需要说明的是，所述供水系统的各部件之间通过水管连通。

通过设置所述水压调节器15，实现所述喷水头18喷出的水的压强的调节，当然，还可以在所述喷水头18旁设置水压表进行监测，实现水压的自动控制。

进一步的，所述喷水头18为雾化降雨喷头，所述喷水头18的数量为28个且按4×7的方式排列于所述模型箱1的上方。

进一步的，所述降雨器支撑19包括底端固设于所述模型箱支撑6上的高度可调节的升降支柱191和固设于所述升降支柱191顶端以用于安装所述喷水头18的横梁192，需要说明的是，所述横梁192为空心钢管，具有输水，承载，固定喷水头等功能。

所述升降支柱191采用外壁带螺纹的小直径实心钢管与内腔带螺纹的大直径空心钢管连接形成，这样可实现高度可调，从而控制降雨高度。

在本发明提供的渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置的具体应用实例中，可以根据实际工程案例按照1:6-1:8的缩尺比来确定模型尺寸进行模型试验的设计，活动门由宽度为50mm，高为100mm，厚为250mm的方型活动块以及尺寸相同，翼板厚度为20mm，腹板厚度为30mm的T型活动块组成。活动门的升降范围为100mm，活动门的位移控制主要由与千斤顶相连的活动门支撑7、弹簧9及支撑底座10共同控制。根据试验需求，可制作不同刚度、不同长度弹簧9，放于活动块以下，置于支撑板11之上，结合插销5的布置以控制活动块的固定与位移，从而达到模拟不同因素对土拱效应的影响的目的。

另外，当需要模拟渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响时，可通过控制所述供水系统来模拟横向渗流及降雨渗流对土拱效应的影响。

再结合图6所示，本发明提供的渗流作用下不均匀沉降对土拱效应影响的活动门试验装置的工作原理如下：

当需要模拟不同因素对土拱效应的影响时，先将弹簧9分别与活动块以及支撑板11连接好。调节升降机构8的高度，使得活动门支撑7顶住活动块上升，上升到T型活动块的顶面与方型活动块的顶面齐平。然后调整支撑底座10上的弹性组件与活动块相连。采用分层填筑的方法，在模型箱1中进行填土并埋置土压力盒，根据质量和体积来控制密实度，填土结束后，需在模型箱1上部及下部相应位置处布置激光位移计，用以测量活动门的位移及填土顶面的沉降。在模型箱1正前方布置视觉测量系统20,例如相机，然后再控制升降机构8缓慢向下移动，直到活动门支撑7与移动活动块3脱空为止,控制升降机构8下降期间需对目标区域及填土顶面进行跟踪量测,最后在填土顶面施加动荷载，并在加载期间对目标区域及填土顶面进行跟踪量测。

当需要进一步模拟渗流作用下的不同因素对土拱效应的影响时，还需要接通供水系统电源，调节水压调节器15，控制供水流量及压强达到预定的值，记录降雨器上的水压力表的水压值；将模型箱1内水分擦干、准备数采、传感器接线、标注、清零、记录零点值；铺设土工布(通过该层土工布用于控制降雨在填土底部的出水速率，模拟软土的吸水能力)；分层填筑砂土并在指定位置安装测试元件，该测试元件包括但不限于土压力盒、张力计、体积含水率测试仪以及激光位移计等；铺设土工布(通过该层土工布用于控制降雨在填土顶部的进水速率，模拟路面结构层的吸水能力)；准备PIV(DIC)，用于观测土拱在降雨作用下的演化。然后再控制升降机构8缓慢向下移动，直到活动门支撑7与移动活动块3脱空为止,控制升降机构8下降期间需对目标区域及填土顶面进行跟踪量测,最后在填土顶面施加动荷载，并在加载期间对目标区域及填土顶面进行跟踪量测。

本发明的有益效果如下：

(1)通过设置供水系统，可以模拟横向渗流及降雨渗流对土拱效应的影响；

(2)通过设置高度可调节的升降支柱，可以控制降雨高度，可以模拟不同降雨量对土拱效应的影响；

(3)改用弹簧控制活动门沉降的方法，在活动块(模拟桩)下放置刚度较大的弹簧，在其余活动块(模拟土)下放置刚度较小的弹簧，模拟桩土刚度差，实现桩的下沉，进而研究桩顶下沉对土拱效应的影响；

(4)通过在活动块下的支撑板四角处设置可调节高度的支撑底座，这样，若地面不平整时，可通过调节支撑底座保证支撑板的水平；此外，可考虑加工工艺带来的弹簧长度误差，通过该可调节高度的支撑底座可降低加工精度要求，使得同一组试验中所有弹簧的长度应保持一致；

(5)当桩间各活动块下的弹簧刚度相同时，可模拟桩间均匀软土的不均匀沉降，当桩间的各活动块下的弹簧刚度不同时，可模拟桩间软土分布不均匀时的不均匀沉降；

(6)可根据试验需要去掉插销的移动活动块便能上下自由移动，被插销锁死的移动活动块作为支撑支架，因填土下的活动块均可以活动，也可以固定，可较为方便地改变桩间净距；

(7)模拟桩间软土的移动活动块制作成T型活动块，可有效降低活动块间的相互作用，模拟桩的固定活动块为方形活动块，由于模拟桩间软土的移动活动块与模拟桩的固定活动块的沉降差较大，当沉降差大于T型活动块翼板厚度时，活动块之间脱空，易引起漏沙。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。