路基边坡工程模型试验箱的制作方法

本发明属于土木工程技术领域，涉及路基边坡工程模型试验技术，特别涉及一种路基边坡工程模型试验箱。

背景技术：

室内相似模型试验是路基边坡工程问题常用的研究方法，由于试验对象的主要参数可根据研究需要灵活设置、突出所研究问题的主导因素、尺寸比原型缩小而节省人力与物力等诸多优点，一直是路基边坡等工程研究中具有举足轻重作用的方法。

当前的路基边坡等工程相似模型试验中，关于试验模型试验箱通常存在两个典型的问题：

其一，目前试验模型试验箱普遍采用两侧开放的矩形箱式结构，没有进行密封处理，只能进行无涉水工况下路基边坡工程问题试验研究。然而，在实际工程中经常遇到路基边坡涉水的工况，特别是近些年来汛期强降雨期间洪水泛滥，使得大量路基边坡处于水位快速升降的工况。

其二，目前路基边坡工程模型试验主要研究模型在荷载作用下工程结构的受力与变形问题，难以实现模拟地基土体的不均匀沉降对工程结构受力与变形的影响。在实践中，地基土体不均匀沉降对工程结构的不良影响是路基工程中需要考虑的一个极为重要的因素。

因此，以往的路基边坡工程模型试验无法实现涉水和地基不均匀沉降等工况的研究。

有鉴于此，针对上述的两个典型不足之处，可对传统的路基边坡工程模型试验箱进行改进，通过模型试验箱的密封实现涉水工况路基边坡工程问题的研究，通过掏取模型下部土体进行地基不均匀沉降影响的研究，并使试验箱具有更强的适用性，可广泛应用于不同类型的路基边坡工程模型试验中。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供路基边坡工程模型试验箱，实现涉水工况路基边坡工程问题的研究，以及地基不均匀沉降对路基边坡工程影响的研究。

为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种路基边坡工程模型试验箱包括箱体，所述箱体为长方体，其特征在于：

所述箱体相对的两个面积最大的侧面至少一面上部为透明结构，下部设有掏挖结构；

所述掏挖结构用于掏出试验箱中填充物和密封试验箱。

进一步的，所述掏挖结构设置在箱体两个面积最大的侧面下部。

进一步的，所述掏挖结构包括掏土孔及其卸密封装置。

进一步的，所述掏土孔为矩形掏土孔或圆形掏土孔。

进一步的，所述可拆卸密封装置由硬质橡胶密封塞、固定压板和焊接于箱体上的固定螺栓及螺母构成。

进一步的，所述箱体由型钢焊接成的框架构成主体，其间镶嵌板材密封构成。

进一步的，所述型钢为矩形钢管和/或槽钢。

进一步的，所述框架顶面横梁上设置有加载反力支架。

进一步的，所述板材分层布置，每层之间设置密封条。

进一步的，所述透明结构由钢化玻璃板构成。

本发明的有益效果是，这种可掏下部土体式密封透明模型试验箱，可以用于大型模型试验，从而避免由于模型比例尺过小造成模型不能真实反映实际路基边坡结构和受力特征的问题。底部设置掏挖结构可以掏取模型底部填土，模拟地基不均匀沉降工况。箱体面积最大的侧面采用采用透明结构，使得整个填筑过程及填土完成后的试验操作过程均具有良好的可视性，便于直观全面了解路基模型变形特征。本发明在研究和解决复杂工况条件下实际路基边坡工程受力、变形以及稳定性问题方面具有重要意义。进一步改进的技术方案，在顶部焊接加载反力支架，可以利用液压千斤顶对模型顶部进行加载，模拟铁路或公路基础设施及车辆产生的荷载。更进一步改进的技术方案，模型试验箱整体密封处理和左、右侧框架上的密封板采用多块板体分层安装，可以作为路基填筑和夯实时侧向固定边界，将上部板体逐段安装后可以向模型试验箱内注水和排水，模拟路基边坡涉水工况。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是实施例1模型试验箱整体结构示意图；

图2是掏挖结构示意图，其中：

图2(a)是主视图；

图2(b)是俯视图；

图2(c)是左视图；

图3是装掏土孔密封装置和左右侧框架的下部板体示意图；

图4是安装左、右侧框架上密封板流程示意图；

图5是左、右侧框架上密封板密封处理方法示意图；

图6是填筑路基边坡模型示意图；

图7是填土模型顶部加载示意图；

图8是路基边坡涉水工况注水示意图；

图9是密封装置安装流程示意图；

图10是模型试验箱底部框架焊接结构示意图(图中仅显示对称结构的半结构)，其中：

图10(a)是模型试验箱底部框架焊接结构示意图；

图10(b)是图10(a)的2-2^/剖面图；

图10(c)是图10(a)的1-1^/剖面图；

图11是模型试验箱左、右侧面框架焊接结构示意图，其中：

图11(a)是模型试验箱左、右侧面框架焊接结构示意图；

图11(b)是图11(a)的4-4^/剖面图；

图11(c)是图11(a)的3-3^/剖面图；

图12是模型试验箱顶部框架焊接结构示意图(图中仅显示对称结构的半结构)，其中：

图12(a)是模型试验箱顶部框架焊接结构示意图；

图12(b)是图12(a)的6-6^/剖面图；

图12(c)是图12(a)的7-7^/剖面图；

图12(d)是图12(a)的5-5^/剖面图；

图13是模型试验箱正、背面板结构示意图；

图14是图13中虚线框28所示区域放大的示意图，其中：

图14(a)是图13中虚线框28所示区域放大的示意图；

图14(b)是图14(a)的9-9^/剖面图；

图14(c)是图14(a)的8-8^/剖面图；

图15是左、右侧面框架上单块密封板结构示意图，其中：

图15(a)是左、右侧面框架上单块密封板结构示意图；

图15(b)是图15(a)的11-11^/剖面图；

图15(c)是图15(a)的10-10^/剖面图；

图16是图13中虚线框29所示区域放大的示意图，其中：

图16(a)是图13中虚线框29所示区域放大的示意图；

图16(b)是图16(a)的12-12^/剖面图；

图17是模型试验箱的钢化玻璃板与其下部钢板密封结构示意图。

附图中：

1－正面框架；2－背面框架；3－钢化玻璃板；4－箱体正面、背面下部钢板；5－掏土孔；6－掏土孔密封装置；7－左侧密封板；8－右侧密封板；9－加固横梁；10－加载反力支架；11－硬质橡胶密封塞；12－固定螺栓；13－掏土孔固定压板；14－地基土；15－橡胶条；16－箱体侧面框架侧壁；17－箱体侧面底部密封板的底部支撑；18－橡胶膜；19－把手；20－左、右侧框架上的单块板体；21－固定夹具；22－路基填土；23－路基顶面；24－承压板；25－液压千斤顶；26－注水；27－箱体底面钢板；28－图14所示的位置；29－图16所示的位置；30－薄钢条；31－箱体顶面主矩形钢管；32－正、背面竖向加固槽钢；33－箱体底面次矩形钢管；34－箱体；35－左侧面框架；36－右侧面框架；37－箱体底面主矩形钢管；38－左、右侧框架的横梁；39－左、右侧框架的立柱；40－正、背面横向加固槽钢。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。

为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例

试验箱整体结构

本例路基边坡工程模型试验箱结构如图1所示，包括箱体34和左、右侧密封板7、8，箱体34整体呈长方体。

模型试验箱的正面和背面为箱体34的两个面积最大的侧面。整个模型试验箱采用型钢焊接成的框架构成主体，模型试验箱的正面框架1和背面框架2的上部镶嵌透明钢化玻璃板3，下部焊接钢板4。

模型试验箱的正面框架1和背面框架2的下部钢板4的中间部位各设置4个掏土孔5及其密封装置6，可以掏出试验箱中填充物并密封试验箱，掏土孔5及其密封装置6的组成构件如图2所示。

模型试验箱左侧密封板7和右侧密封板8均由多块钢板拼装组成。模型试验箱顶部设置有矩形钢管式加固横梁9和矩形钢管式加载反力支架10。

在进行路基边坡模型试验填土时，先将硬质橡胶密封塞11放置于掏土孔5中，用固定螺栓12将掏土孔压板13进行固定。然后，安装左侧密封板7和右侧密封板8的下部板体，作为地基土14的侧向约束边界，如图3所示。

在路基边坡顶面23施加竖向荷载时，在其上面放置的承压板24上放置液压千斤顶25，利用加载反力支架10提供的反作用力施加荷载，如图7所示。

在进行路基边坡涉水工况模拟时，按照图4所示流程，安装模型试验箱左侧框架35和右侧框架36上的剩余各块密封板20，密封模型试验箱。然后，可向模型试验箱内注水26，模拟路基边坡的浸水工况，如图8所示。

掏土孔及密封装置

模型试验箱正面、背面框架下部钢板4上的掏土孔5及密封装置6结构如图2所示。在研究地基不均匀沉降对路基边坡影响工况的模型试验中，开始填筑地基土14之前将硬质橡胶密封塞11用压板13及螺栓12进行固定；固定密封好后填筑地基土14和路基填土22，其间受填筑振动影响注意观察硬质橡胶密封塞11的密封效果，如果出现松动，通过调解压板13上的四个螺母进行加固；移去压板13和硬质橡胶密封塞11，利用工具从掏土孔5中掏出部分地基土14；复位固定密封好硬质橡胶密封塞11和压板13，如图6所示；进而可进行地基不均匀沉降对路基影响的试验相关观测。密封装置安装流程如图9所示。

侧面密封板的安装

安装左、右侧框架35、36上的密封板20流程如图4所示，首先用密封硅胶将橡胶条15沿着左、右侧框架35、36的侧壁16粘贴，橡胶条15选取截面为矩形的橡胶条，可以有效增加与粘附材料的接触面积，增强密封效果。然后，在橡胶条15上涂抹密封硅胶，选取一张完整的橡胶膜18覆盖在橡胶条15上，手握把手19将密封板20置于密封板底部支撑17上压紧橡胶膜18。最后，用固定夹具21沿左、右侧框架35、36的侧壁16固定密封板20。密封处理方法示意图如图5所示。安装好左、右侧框架35、36最下面一块密封板20后，其上部其余的密封板以此类推安装，可实现左、右侧面框架上多块密封板的全部安装。其间，安装左、右侧框架35、36的密封板20与模型试验箱内填筑地基土14及路基填土22，可以根据实际箱内便于填土作业的空间情况交替灵活实施。填筑的路基边坡模型如图6所示。

本发明的试验箱制作方法如下。

(1)在试验室内选取合适的场地，根据实际设计的模型试验箱底面尺寸，平整场地并采用不低于325号的普通硅酸盐水泥浇筑，待达到养护周期后在该场地上进行焊接模型试验箱框架的作业。

(2)将两根主矩形主钢管37与多根次矩形钢管33进行无缝焊接，注意将次矩形钢管33按一定间隔置于主矩形钢管37下面，次矩形钢管33两端与主矩形钢管37外边界齐平(详见图10)，次矩形钢管33间距分布如图10所示。

(3)选取四根矩形钢管，按照图11所示结构布置进行焊接，形成模型试验箱的左、右侧框架35、36，其间注意矩形钢管截面长短边的摆放，其中，两根横梁38的端截面应被两根立柱40的侧壁封堵，避免模型试验箱蓄水后发生渗漏。

(4)将左、右两个侧框架35、36下部与箱体底部的两根主矩形钢管37对齐进行焊接，底部的两根主矩形钢管37的端截面应被左、右两个侧框架35、36的两根立柱的侧壁封堵，避免模型试验箱蓄水后发生渗漏。

(5)选取多块矩形钢板27置于箱体底部的两根主矩形钢管37上，沿钢板与箱体底部的两根主矩形钢管37之间接触面进行无缝焊接(如图10所示)，避免模型试验箱蓄水后发生渗漏。

(6)选取两根主矩形钢管31连接左、右两个侧框架35、36的顶部，主矩形钢管31的端截面应被左、右两个侧框架35、36的两根立柱39的侧壁封堵(如图12所示)，连接处进行无缝焊接。

(7)选取两根矩形钢管作为固定正、背面框架1、2的加固横梁9，焊接于两根主矩形钢管31上，加固横梁9位置如图12所示，注意这两根矩形钢管长短边的摆放，使该矩形钢管顶面与主矩形钢管31顶面齐平(详见图12(b)所示)。

(8)选取两根矩形钢管作为加载反力支架10，焊接于两根主矩形钢管31上，加载支架位置如图12所示，注意加载反力支架10的两根矩形钢管长短边的摆放，使该矩形钢管的短边置于主矩形钢管31顶面之上，两端与主矩形钢管31外侧齐平(详见图12(c)所示)。

(9)模型试验箱正、背面框架1、2上的加固构件由竖向与横向槽钢32、40焊接而成，如图13所示。竖向加固构件32选取多根槽钢，直接焊接于箱体顶面与底面的主矩形钢管31、37上，横向加固构件40则是由多段槽钢焊接于竖向加固槽钢32上，具体布置如图14所示，图示范围如图13中虚线框28所示。由于槽钢与矩形钢管截面尺寸不同，焊接时要确保模型试验箱内壁平整，槽钢槽口朝外，如图14(c)、图14(b)所示。

(10)左、右两侧密封板7、8的每一块板体20均由钢板与设在其上的钢筋把手19焊接而成，分为上下两个部分多段板体，单块板体20结构如图15所示，把手19焊接在板体外侧，确保板体内侧面平整。

(11)在安装左、右侧密封板7、8上、下部分的板体20时，用密封硅胶将矩形截面的橡胶条15沿着模型试验箱左、右侧面框架侧壁16粘贴固定，在橡胶条15上涂抹密封硅胶，选取一张完整的橡胶膜18覆盖在橡胶条15上，手握把手19将下部第一块密封板20置于密封板支撑17上且压紧橡胶膜18。最后，用固定夹具21沿模型试验箱左、右侧面框架35、36的侧壁16固定密封板体20。其上部其余的密封板体20以此类推安装，实现左、右侧面框架35、36上多块密封板的全部安装。在试验模型浸水工况下，由于左、右两侧密封板7、8的下部板体受到相对较大水压力作用，因此，在布置固定夹具21时，在左、右两侧密封板7、8下部适当增加固定夹具21的数量。

(12)在模型试验箱正、背面框架1、2的下部(见图16)焊接钢板4，注意钢板4底端与模型试验箱底面处的钢板27紧密贴合，如图16(b)所示，进行无缝焊接。

(13)在模型试验箱正、背面框架1、2的下部钢板4中间部位分别切割四个矩形掏土孔5，具体布置如图16所示，图示范围如图13中虚线框29所示。模型填筑前用硬质橡胶密封塞11封堵矩形掏土孔5，在硬质橡胶密封塞11外侧用钢压板13进行压紧固定，钢压板13与焊接于正、背面框架1、2下部相应钢板4上的四个固定螺栓12用螺母进行铆接固定。

(14)在模型试验箱正、背面框架1、2中由竖向与横向槽钢32、40构成的栅格中(箱内一侧)镶嵌相应尺寸的钢化玻璃板3，并进行密封处理。所需钢化玻璃数量根据模型试验箱长度和高度计算确定。在模型试验箱正、背面框架1、2的下部钢板4顶端无缝焊接薄钢条30，其宽度与上部钢化玻璃板3厚度一致，避免钢化玻璃板3与钢板4上端面直接接触时易滑脱和产生局部应力集中，造成玻璃破碎，如图17所示。在钢化玻璃板3底面与薄钢条30顶面采用密封胶实现二者无缝密贴连接。利用硬质强力胶或ab胶将钢化玻璃板3固定于正、背面框架1、2中由竖向与横向槽钢32、40构成的栅格上，确保两者紧贴，外侧用密封胶封闭钢化玻璃板3与槽钢32、40之间的缝隙。相邻两块钢化玻璃板3之间的缝隙用玻璃胶填充，起到密封和防止钢化玻璃板3直接接触引起局部应力集中导致玻璃破碎的效果。