本发明涉及一种土工模型试验装置，尤其涉及一种土工模型试验的模块式的差异沉降精确控制装置。
背景技术：
对于差异沉降类的土工试验，沉降区的活动往往是单一的通过下部支撑主动下降带动沉降区上部填料沉降，且沉降区刚性连接位移统一，无法真实模拟软弱地层受上部荷载的变形响应以及桩承式路堤差异沉降、路基面不均匀沉降等场景。
与本发明相似的产品主要有各种研究土拱效应的土工模型箱的设计，主要用于土拱效应演示类土工试验。公开号为cn102914632a的专利公开了一种多功能土工模型试验箱，该试验箱可测试20种不同桩距比的土拱效应演示、桩承式路堤填料颗粒土拱效应以及刚性基础下复合地基垫层效应模拟试验，而此类试验装置实现的差异沉降多为整体活动，沉降区彼此无相对位移，且沉降方式仅依靠下方支撑的主动升降，无法真实模拟软弱地层受上部荷载的变形响应以及桩承式路堤差异沉降、路基面不均匀沉降等场景。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种模块式的差异沉降精确控制装置，该装置能够模拟软弱地层受上部荷载的实际变形方式，同时还可实现桩承式路堤差异沉降、路基面不均匀沉降等土工试验。
实现本发明目的的技术方案是：
一种模块式的差异沉降精确控制装置，包括模型箱框架，模型箱框架底部的底板上设有m×n个变速电机，变速电机上方固定有第一支撑板，第一支撑板上表面对应设有m×n个丝杆升降机，每个变速电机的输出轴穿过第一支撑板通过转向器与对应的丝杆升降机连接，丝杆升降机上方固定有第二支撑板，第二支撑板上表面四周罩有上下两端开口的试验箱，试验箱内的第二支撑板上表面的两侧固定有两列侧墩，两列的侧墩之间设有m×n个模块式活动单元，各活动单元间无刚性连接，每个模块式活动单元的下端穿过第二支撑板与丝杆升降机连接，每个模块式活动单元的上表面铺设待试验的填料；每个变速电机与模块式的差异沉降精确控制装置外部的控制系统连接，在外部控制系统控制下，变速电机带动丝杆升降机，丝杆升降机带动模块式活动单元的升降，精确控制模块式活动单元在纵向上的位移；其中m为横向的列数，n为纵向的排数。
所述的变速电机，变速电机转速为9-533r/min。
所述的丝杆升降机，丝杆升降机最大位移量为150mm。
所述的侧墩，每列侧墩与模块式活动单元之间设有挡板，每列侧墩设有四个侧墩，相邻的侧墩之间设有间隙，间隙内设置刻槽填充块。
所述的间隙，间隙宽度为10mm。
所述的模块式活动单元，包括螺纹升降杆，螺纹升降杆外表面套有弹簧；螺纹升降杆下端穿过第二支撑板与丝杆升降机连接，上端设有支撑杆活动室；支撑杆活动室内设有活动支撑杆，活动支撑杆通过插杆与丝杆升降杆固定连接，活动支撑杆上端面设有盖板，盖板的上表面铺设待试验的填料。
所述的螺纹升降杆，各螺纹升降杆外表面套设不同劲度系数的弹簧。
所述的盖板，下表面还设有活动模块支撑板，活动模块支撑板的下端与活动模块内撑板连接。
所述的试验箱，试验箱左右两侧的侧板上分别设有三条间隔均匀、对称的凹槽，试验箱的后侧板设有三条间隔均匀的凹槽，试验箱的前侧板为有机玻璃板，所述第二支撑板上表面设有与试验箱后侧板对应的三条凹槽，在凹槽内插入分区隔断板，分区隔断板平行或垂直有机玻璃板插入凹槽内；分区隔断板间设有隔板，将两侧墩之间的空间分为m×n个试验区，m为横向的列数，n为纵向的排数。
所述的凹槽，截面为等腰梯形，凹槽最小宽度为10mm，最大宽度为20mm，深度为5mm。
所述的分区隔断板，两端为等腰梯形状，等腰梯形尺寸为上底10mm，下底20mm，高5mm，与凹槽尺寸对应咬合紧密。
所述的底板，下方设有地锚螺栓，通过地锚螺栓与地面固定连接。
所述的控制系统，包括控制变速电机运转的软件平台、采集应力应变数据的软件平台和图像测速软件平台，控制变速电机运转的软件平台保证各模块式活动单元沉降活动的精确化控制，应力应变数据采集软件平台、图像测速软件平台实现试验数据的实时高频采集。
所述的盖板，上方分层填筑填料，填料最大填筑高度为1200mm，在填料内埋设土压力盒或铺设土工合成材料模拟材料并在其上布置应变片，土压力盒与应变片数据由模块式的差异沉降精确控制装置外部的电脑操控平台接收。
本发明提供的一种模块式的差异沉降精确控制装置，具有如下特点：
（1）采用模块式活动单元组合的形式，可以实现沉降区不同位置有不同的沉降量、沉降速度等，更好地模拟现实中相关差异沉降类土工问题，还可以对岩溶塌陷等非整体沉降类问题进行试验研究；
（2）采用有机玻璃作为试验箱前板，便于填筑阶段对填料压实度的控制和沉降阶段对填料颗粒的运动采集，基于粒子图像测速技术获得有机玻璃面填料位移场；
（3）采用劲度系数不同的弹簧套在螺纹升降杆上，结合控制系统可以实现沉降区填料填筑阶段稳定，沉降阶段逐步过渡由弹簧受力进而表现出各个模块单元有不同程度的沉降，更好地模拟软弱地层受上部荷载的变形响应；
（4）通过分区隔断板和隔断连接板可以将试验箱分隔成大小不一的试验空间，从而设计不同大小尺寸的模型试验；
（5）模块式的活动单元可以通过多种组合实现不同桩距比的试验，广泛模拟大多数工程桩土间距的情况。
附图说明
图1为本发明一种模块式的差异沉降精确控制装置的结构示意图；
图2为图1中a部放大图；
图3为图1中a-a的剖视图；
图4为分区隔断板插入凹槽时的示意图；
图5为分区隔断板拼接处的示意图；
图中，1.模型箱框架2.试验箱3.第二支撑板4.第一支撑板5.底板6.丝杆升降机7.转向器8.变速电机9.地锚螺栓10.侧墩11.挡板12.弹簧13.螺纹升降杆14.插杆15.活动模块内撑板16.支撑杆活动室17.活动模块支撑板18.盖板19.活动支撑杆20.刻槽填充块21.凹槽22.有机玻璃板23.试验箱后侧板24.分区隔断板25.隔板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1、图2、图3所示：
一种模块式的差异沉降精确控制装置，包括模型箱框架1，模型箱框架1的尺寸（长×宽×高）为2000mm×850mm×2000mm，模型箱框架1底部的底板5上设有8×4个变速电机8，变速电机8上方固定有第一支撑板4，第一支撑板4上表面对应设有8×4个丝杆升降机6，每个变速电机8的输出轴穿过第一支撑板4通过转向器7与对应的丝杆升降机6连接，丝杆升降机6上方固定有第二支撑板3，第二支撑板3上表面四周罩有上下两端开口的试验箱2，试验箱2的尺寸（长×宽×高）为1800mm×800mm×1200mm，试验箱2内的第二支撑板3上表面的两侧固定有两列侧墩10，两列的侧墩10之间设有8×4个模块式活动单元，各活动单元间无刚性连接，可实现各活动单元相对竖向的独立活动，每个模块式活动单元的下端穿过第二支撑板3与丝杆升降机6连接，每个模块式活动单元的上表面铺设待试验的填料；每个变速电机8与模块式的差异沉降精确控制装置外部的控制系统连接，在外部控制系统控制下，变速电机8带动丝杆升降机6，丝杆升降机6带动模块式活动单元的升降，精确控制模块式活动单元在纵向上的位移。该装置的模型箱框架1下方没有侧板包围遮挡，可以使模型箱框架1下部前后贯通，方便线路安装并保证了空气的流通利于变速电机8等的散热。
所述的变速电机8，变速电机8转速为9-533r/min。
所述的丝杆升降机6，丝杆升降机6最大位移量为150mm。
所述的侧墩10，每列侧墩10与模块式活动单元之间设有挡板11，每列侧墩设有四个侧墩10，相邻的侧墩10之间设有间隙，间隙内插入分区隔断板，间隙内设置刻槽填充块20，间隙在平时用刻槽填充块20填充固定以保证试验时不漏料，侧墩10上表面可以铺设待试验的填料。侧墩10一方面可以为分区隔断板的布设提供支点，另一方面可以作为模拟试验中的固定区域。
所述的间隙，间隙宽度为10mm。
所述的模块式活动单元，包括螺纹升降杆13，螺纹升降杆13外表面套有弹簧12；螺纹升降杆13下端穿过第二支撑板2与丝杆升降机13连接，上端设有支撑杆活动室16；支撑杆活动室16内设有活动支撑杆19，活动支撑杆19通过插杆14与丝杆升降杆13固定连接，活动支撑杆19上端面设有盖板18，盖板18的上表面铺设待试验的填料。
所述的螺纹升降杆13，各螺纹升降杆13外表面套设不同劲度系数的弹簧12。试验时将不同劲度系数的弹簧12套在对应模块单元下的螺纹升降杆13上，注意此时不能安装插杆14，结合位移控制系统可实现各模块单元受上部荷载的不同变形响应。
所述的盖板18，下表面还设有活动模块支撑板17，活动模块支撑板17的下端与活动模块内撑板15连接。
如图4所示，所述的试验箱2，试验箱2左右两侧的侧板上分别设有三条间隔均匀、对称的凹槽21，试验箱的后侧板23设有三条间隔均匀的凹槽21，试验箱3的前侧板为有机玻璃板22，所述第二支撑板3上表面设有与试验箱后侧板23对应的三条凹槽，在凹槽21内插入分区隔断板24，分区隔断板24平行或垂直有机玻璃板22插入凹槽21内；分区隔断板24间设有隔板25，将两侧墩10之间的空间分为8×4个试验区，各个试验区可以单独工作测试；分区隔断板24平行有机玻璃板22布设时，分区隔断板24底部两侧支撑在侧墩10墩面以下170mm；垂直有机玻璃板22布设时，分区隔断板24底部支撑在第二支撑板3上，在侧墩10墩面以下320mm。
所述的凹槽21，截面为等腰梯形，凹槽最小宽度为10mm，最大宽度为20mm，深度为5mm。
所述的分区隔断板24，两端部分设计成等腰梯形状，等腰梯形尺寸为上底10mm，下底20mm，高5mm，与凹槽尺寸对应咬合紧密。
如图5所示，所述的分区隔断板24，分区隔断板支撑端尾部有凹陷处理，与分区隔断板接板头部凸起正好嵌合，分区隔断板接板尾部同样凹陷处理使之可以续接。
所述的底板5，下方设有地锚螺栓9，通过地锚螺栓9与地面固定连接。
所述的控制系统，包括控制变速电机运转的软件平台、采集应力应变数据的软件平台和图像测速软件平台，控制变速电机运转的软件平台保证各模块式活动单元沉降活动的精确化控制，应力应变数据采集软件平台、图像测速软件平台实现试验数据的实时高频采集。
所述的盖板18，上方分层填筑填料，填料最大填筑高度为1200mm，在填料内埋设土压力盒或铺设土工合成材料模拟材料并在其上布置应变片，土压力盒与应变片数据由模块式的差异沉降精确控制装置外部的电脑操控平台接收。侧墩上方也可以分层填筑填料。
本装置在使用时，在试验箱试验区域分隔上，分区隔断板平行有机玻璃布设时有4种情况；垂直有机玻璃布设时有3种情况，但两种分隔方式不能同时进行，共有6种试验箱分隔分式，各个模块单元也有独立的沉降，模块单元在平行有机玻璃方向上有8个，垂直有机玻璃方向有4个，且模块单元理论上可根据需要自行增减，模块单元沉降彼此配合时可进行多种桩距比试验。
下面定义了一种沉降区上部填料通过下部支撑主动下降而沉降的方式为填料的被动沉降和一种通过沉降区上部填料自重使下部支撑被动下降而沉降的方式为填料的主动沉降。
、填料的主动沉降类模型试验
1-1、安装弹簧系统
根据试验安排将试验区不同模拟单元下的螺纹升降杆套上相应大小劲度系数的弹簧。
1-2、安装模块式活动单元
将试验区模块式活动单元的活动支撑杆按正确方向嵌入支撑杆活动室，注意此时不能安装插杆，对模块活动单元侧壁进行润滑处理避免摩擦过大。
1-3、安装分区隔断板和隔板
将需要安装分区隔断板和隔板的刻槽内的刻槽填充板取出，根据试验安排将分区隔断板和隔板拼接成功，以使试验箱分隔成需要的尺寸，沿有机玻璃面分隔有4种选择，垂直于有机玻璃面分隔有3种选泽，但不能沿两个方向同时布设分区隔断板；沿有机玻璃面分隔时，分区隔断板底部支承在侧墩内，垂直有机玻璃面分隔时支承在立板支撑板上，试验箱内板均有相应刻槽约束。
1-4、安置相应监测元件
根据试验需要在模块式活动单元盖板上安置相应数量的土压力盒，注意安置前应检查是否校正。
1-5、试验箱内壁光滑处理
根据试验要求需要可以在试验箱内壁铺设双层聚四氟乙烯薄膜或涂抹一定润滑产品。
1-6、铺设填料
根据试验要求分层铺设填料，按要求保证一定的压实度，达到预定填料高度。
1-7、布设试验材料
根据试验需要可在填料内既定位置布设相应土工材料，如土工合成材料模型材料，还可在其上张贴一定数量的应变片，注意保证应变片的张贴质量；也可在填料内按不同方向安置一定数量土压力盒。
1-8、试验数据初次采集
将土压力盒、应变片与数据采集器相接，通过相应的软件平台对土压力、模型材料应变数据进行监测并于试验开始前采集1次数据；图像测速软件平台对有机玻璃面试验填料位移数据进行监测并于试验开始前拍摄1张高清照片。
1-9、开始沉降
通过电脑上控制变速电机运转的软件平台，可以实现对试验区各个模块式活动单元精确地沉降控制，但需要注意此时各个模块的沉降速度是均等且缓慢的；直至所有活动模块下的弹簧能够完全支撑上部填料自重不再压缩。
1-10、试验数据的实时采集
沉降开始的同时对土压力、模型材料应变和有机玻璃面试验填料位移数据通过相应软件平台进行实时采集。
1-11、实验结束
沉降结束并稳定一段时间后使丝杆升降机缓缓上升，填料自重逐渐由丝杆升降机承担后停止，往外取料。
、填料的被动沉降类模型试验
2-1、安装模块式活动单元
将试验区模块式活动单元的活动支撑杆按正确方向嵌入支撑杆活动室，注意此时要保证将插杆安装到位，对模块活动单元侧壁进行润滑处理避免摩擦过大。
2-2、安装分区隔断板和隔板
将需要安装分区隔断板和隔板的刻槽内的刻槽填充板取出，根据试验安排将分区隔断板和隔板拼接成功，以使试验箱分隔成需要的尺寸，沿有机玻璃面分隔有4种选择，垂直于有机玻璃面分隔有3种选泽，但不能沿两个方向同时布设分区隔断板；沿有机玻璃面分隔时，分区隔断板底部支承在侧墩内，垂直有机玻璃面分隔时支承在立板支撑板上，试验箱内板均有相应刻槽约束。
2-3、安置相应监测元件
根据试验需要在模块式活动单元盖板上安置相应数量的土压力盒，注意安置前应检查是否校正。
2-4、试验箱内壁光滑处理
根据试验要求需要可以在试验箱内壁铺设双层聚四氟乙烯薄膜或涂抹一定润滑产品。
2-5、铺设填料
根据试验要求分层铺设填料，按要求保证一定的压实度，达到预定填料高度。
2-6、布设试验材料
根据试验需要可在填料内既定位置布设相应土工材料，如土工合成材料模型材料，还可在其上张贴一定数量的应变片，注意保证应变片的张贴质量；也可在填料内按不同方向安置一定数量土压力盒。
2-7、试验数据初次采集
将土压力盒、应变片与数据采集器相接，通过相应的软件平台对土压力、模型材料应变数据进行监测并于试验开始前采集1次数据；图像测速软件平台对有机玻璃面试验填料位移数据进行监测并于试验开始前拍摄1张高清照片。
2-8、开始沉降
通过电脑上控制变速电机运转的软件平台，对试验区各个模块式活动单元下丝杠升降机的开关、转速进行精确的控制，以实现试验区各个模块式活动单元沉降量、沉降速度的独立控制。
2-9、试验数据的实时采集
沉降开始的同时对土压力、模型材料应变和有机玻璃面试验填料位移数据通过相应软件平台进行实时采集。
2-10、实验结束
沉降结束并稳定一段时间后使丝杆升降机缓缓上升，填料自重逐渐由丝杆升降机承担后停止，往外取料。
1.一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，包括模型箱框架，模型箱框架底部的底板上设有m×n个变速电机，变速电机上方固定有第一支撑板，第一支撑板上表面对应设有m×n个丝杆升降机，每个变速电机的输出轴穿过第一支撑板通过转向器与对应的丝杆升降机连接，丝杆升降机上方固定有第二支撑板，第二支撑板上表面四周罩有上下两端开口的试验箱，试验箱内的第二支撑板上表面的两侧固定有两列侧墩，两列的侧墩之间设有m×n个模块式活动单元，各活动单元间无刚性连接，每个模块式活动单元的下端穿过第二支撑板与丝杆升降机连接，每个模块式活动单元的上表面铺设待试验的填料；每个变速电机与模块式的差异沉降精确控制装置外部的控制系统连接，在外部控制系统控制下，变速电机带动丝杆升降机，丝杆升降机带动模块式活动单元的升降，精确控制模块式活动单元在纵向上的位移；其中m为横向的列数，n为纵向的排数。
2.根据权利要求1所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的变速电机，变速电机转速为9-533r/min；
所述的丝杆升降机，丝杆升降机最大位移量为150mm。
3.根据权利要求1所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的侧墩，每列侧墩与模块式活动单元之间设有挡板，每列侧墩设有四个侧墩，相邻的侧墩之间设有间隙，间隙内设置刻槽填充块。
4.根据权利要求3所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的间隙，间隙宽度为10mm。
5.根据权利要求1所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的模块式活动单元，包括螺纹升降杆，螺纹升降杆外表面套有弹簧；螺纹升降杆下端穿过第二支撑板与丝杆升降机连接，上端设有支撑杆活动室；支撑杆活动室内设有活动支撑杆，活动支撑杆通过插杆与丝杆升降杆固定连接，活动支撑杆上端面设有盖板，盖板的上表面铺设待试验的填料。
6.根据权利要求5所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的螺纹升降杆，各螺纹升降杆外表面套设不同劲度系数的弹簧；
所述的盖板，下表面还设有活动模块支撑板，活动模块支撑板的下端与活动模块内撑板连接。
7.根据权利要求1所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的试验箱，试验箱左右两侧的侧板上分别设有三条间隔均匀、对称的凹槽，试验箱的后侧板设有三条间隔均匀的凹槽，试验箱的前侧板为有机玻璃板，所述第二支撑板上表面设有与试验箱后侧板对应的三条凹槽，在凹槽内插入分区隔断板，分区隔断板平行或垂直有机玻璃板插入凹槽内；分区隔断板间设有隔板，将两侧墩之间的空间分为m×n个试验区，m为横向的列数，n为纵向的排数；
所述的凹槽，截面为等腰梯形，凹槽最小宽度为10mm，最大宽度为20mm，深度为5mm；
所述的分区隔断板，两端为等腰梯形状，等腰梯形尺寸为上底10mm，下底20mm，高5mm，与凹槽尺寸对应咬合紧密。
8.根据权利要求1所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的底板，下方设有地锚螺栓，通过地锚螺栓与地面固定连接。
9.根据权利要求1所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的控制系统，包括控制变速电机运转的软件平台、采集应力应变数据的软件平台和图像测速软件平台，控制变速电机运转的软件平台保证各模块式活动单元沉降活动的精确化控制，应力应变数据采集软件平台、图像测速软件平台实现试验数据的实时高频采集。
10.根据权利要求5和6任一所述的一种模块式的差异沉降精确控制装置，其特征在于，所述的盖板，上方分层填筑填料，填料最大填筑高度为1200mm，在填料内埋设土压力盒或铺设土工合成材料模拟材料并在其上布置应变片，土压力盒与应变片数据由模块式的差异沉降精确控制装置外部的电脑操控平台接收。
技术总结