[发明专利]一种具有高围压加载系统的模型箱

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程学中土工试验用模型箱技术领域，具体涉及一种具有高围压加载系统的模型箱。

背景技术

重大岩土、隧道工程往往会通过复杂地质地貌地区。这些地区围岩的工程性质良莠不齐，区内断层、断裂、褶皱等构造发育明显，围岩应力高。如何在这些高复杂地质构造区内研究岩土体强度，进而保障工程安全，是每个工程技术人员不得不深思熟虑的问题。譬如，新建二郎山隧道围岩中软、硬岩类均有广泛分布，区内断层、断裂发育，断裂带内岩体破碎，破碎带宽度大，影响带宽。隧道将通过多条断裂带，围岩稳定性差，易坍塌。从前期勘测资料估计，隧道地质条件非常复杂，特别是由于隧道埋深大，地应力高，硬质岩类易产生岩爆，软质岩类及断裂、断层破碎带等薄弱带，围岩易产生大变形，将来隧道施工很可能面临很严峻的岩爆和大变形灾害。尤其是在地震荷载作用下，对于所处高围压地区的工程，如何提高其抗岩爆抗大变形等地质灾害的能力，是一个非常重要的研究课题。

在地震等荷载作用下，岩土体的受力往往是复杂的多向的。为了在室内模拟振动载荷研究土体强度，实验室内通常使用土工振动台。然而，常规的室内振动装置只能提供单向或者两向单动的载荷，不能满足复杂应力状态下岩土体受力的真实情况。高围压条件下振动试验装置的开发，至今也尚属空白。围压加载系统的成功运转，其关键在于与之配套的模型箱技术。

当前，国际上设计的先进模型箱，为了能够模拟在地震方向无限延伸的地层，必须尽量减少模型箱边界的影响。Schofield和Zeng曾经总结了理想的模型箱应该具备的条件：

一.振动过程中，不影响剪切波或剪切应力的传递，尽量使水平剪切刚度为零，对土的变形无影响；

二.振动过程中模型箱水平断面尺寸应保持不变；

三.模型箱侧壁应具有足够的刚度；

四.尽量减少模型箱壁的质量，以减少边界处侧向动土压力。

为了避免模型箱侧壁的反射作用，解决的方法除了尽量采用自由边界以外，便是将模型箱沿振方向的侧壁设计成柔性，如Rensselear理工学院、香港科技大学采用的层状柔性模型箱。模型箱的内部尺寸考虑了大部分模型试验的需要、振动台的负载能力以及方便传感器安装等因素。模型箱除了各种柔性设计以外，还包括用于模型饱和的密封设备、临时支架、与振动台固定的底板等，同时还要考虑模型制作和模型吊装的方便问题。在满足各方面功能要求之后，还应该综合考虑模型箱与振动台的共同作用下对振动波形的影响。

模型箱在振动情况下可以适应土体在振动方向的剪切变形至为重要，为了减少侧壁为固定式的模型箱所引起的边界效应，目前用于动力模型试验模型箱有侧壁吸波、层状、叠环及铰接式四种。侧壁吸波材料多采用油灰，硅橡胶等涂于刚性模型箱的侧壁，以吸收应力波的反射和折射。Van Laak等人设计采用层状的侧壁结构，每一薄层之间采用滚球或滚棒搭接，香港科技大学采用的层状模型箱可用于水平多方向震动的试验。剑桥大学设计了一个等效剪切梁式模型箱，为矩形框架的叠环结构，采用橡胶和铝板互层，旨在使模型箱的动刚度与多数原状土的动刚度平均值相同。美国加州大学Davis离心机动力模型试验模型箱设计采用了侧壁铰接式的模型箱，每一层矩形空心铝环之间有一层橡胶，这层柔性橡胶使得模型箱可以和土体一起变形。

现有技术中的土工试验模型箱，多数为层状剪切模型箱，或者使用多级箱体叠加原理制成的可拆卸模型箱，少数采用消除土体与底板的接触影响而制成的可调式地层振动剪切模型箱。但现有技术中的土工试验模型箱所共同具有的缺点如下：

(1)、模型箱内腔结构尺寸固定，不能满足盛装整体性较好、强度较大的岩质隧道及地下结构模型箱的技术要求。模型箱内腔结构尺寸不具备同时添加多向加载设备的空间条件，即便克服了容积上的死板问题，由于模型箱底板的尺寸受振动台尺寸的约束，在接触板件添加缓冲材料，占据了安装高围压加载系统所必需的装配空间。此外，现有技术中应用在模型箱领域的常规液压缸由于尺寸大，重量重，若同时安装在模型箱内各个侧壁上，以解决制作高围压模拟环境这一技术问题还会带来模型箱超重的技术问题；因此，现有技术中的模型箱仅能满足单向或两向单动的技术要求，进而所提供的剪切荷载达不到实验要求。

(2)、不能模拟高围压环境，尽管现有技术中存在可调式围压加载系统，但其设计目的及功效仅限于消弱模型箱对模型土振动响应的影响，由于从未考虑过实施高围压系统的必要性，故在结构上不具备模拟高围压环境的功能。