CN102928296A - 一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪。其外形为方形箱体，螺纹杆穿过固定套管并安装手轮，通过旋转顶撑传递轴向位移。角度控制环与活动挡板以螺栓连接，易于更换。由于内外环孔间夹角不同，借助插销固定，可按6°的步幅调节挡板倾角。试验时向箱中分层撒入待试验土体和有色砂。顺时针或逆时针转动手轮，引起挡板后填土变形，达到极限状态后土层滑落或隆起，产生主动或被动破坏。通过改变挡板倾角及摩擦程度，可满足库仑及朗肯土压力理论的假定。挡板位移量可由手轮旋转圈数换算得到，土压力大小和分布状况由嵌在挡板上的应力传感器采集。故该装置可对以上两种土压力理论进行试验验证，分析其理论合理性和工程适用性。

Description

一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪。

背景技术

土压力是进行挡土结构物断面计算和稳定验算的重要荷载，许多学者对土压力的计算理论及方法进行了研究。其中库仑土压力计算理论所是在假定滑动面为平面、滑动体为刚性体的前提下建立的。该理论认为当挡墙突然移去时，填土将沿一个平面滑动。若挡墙离开填土发生一个微小位移或向填土挤压，则在墙背面与水平面间产生不同倾角的破坏面。当确定出破坏面的形状和位置，则根据滑动土体的静力平衡条件来确定主动或被动破坏土压力。

朗肯土压力理论假设土体是具有水平表面的半无限体，墙背竖直光滑。则墙后土单元体在水平方向和竖直方向为主应力方向，如果墙体向离开填土的方向移动时，随着位移量的增加，竖向应力

保持不变，水平向应力

逐渐减小，直至单元体达到主动极限平衡状态；如果墙体向填土方向使土体挤压时，随着位移量的增加，竖向应力保持不变，水平应力

逐渐增大，并且大小主应力的方向会发生改变，直至达到被动极限平衡状态。

库仑和朗肯土压力理论直至今日仍为挡土墙设计中经常采用的重要方法，但由于实际条件与这两种理论的假定都有一定的出入，应用两种理论的适用性和误差就受到关注。在利用这两种理论解决工程问题前，应对土压力大小和分布规律的理论情况和实际情况进行对比分析。

目前，国内针对土压力破坏理论开展的的试验研究相对较少，在本发明之前，中国专利CN101127169公开了一种土体主动和被动破坏演示仪，其不足之处在于：

（1）土体主动和被动破坏演示仪活动挡板倾角固定，为竖直方向，而实际工程中并非都为直立挡墙。故对于有一定倾角的支挡结构后填土的破坏形式，该模型不能演示。

（2）土体主动和被动破坏演示仪活动挡板与动力螺纹为固定连接，试验中难以改变挡土墙与土接触一侧的粗糙程度，因此不能研究挡土墙的摩擦对破坏形态的影响。

（3）土体主动和被动破坏演示仪不能测定活动挡板不同位置的土压力，也未考虑对破坏产生时活动挡板所需达到的位移量进行测定，故仅可对主动和被动破坏的形式做一些模拟演示，不能对土压力破坏理论进行深入分析。

为了克服以上发明的不足，本发明设计了一种可改变挡土墙倾角，并且可更换不同摩擦程度的活动挡板的主、被动土压力破坏分析仪，可模拟多种倾角及摩擦组合的主动和被动土压力破坏。同时借助土压力传感器可测定不同位置的土压力大小，利用手轮精确控制活动挡板水平位移，对朗肯和库仑土压力破坏理论进行验证。

发明内容

本发明的目的是提供一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪。

主动和被动土压力破坏分析仪主体为透明有机玻璃制成的方形模型箱体，可在外部观察土体破坏形态；模型箱体内设有活动挡板，活动挡板上不同高度处嵌有三个土应力传感器，可采集试验整个阶段的水平向土压力大小并记录在应力采集器中；活动挡板上距底部20cm、21cm、22cm、23cm、25cm、27cm处设置多个螺栓孔，在活动挡板倾角为0°、6°、12°时选用20cm处螺栓孔，当活动挡板倾角在18°至45°内逐渐增大时依次选用22至27cm的螺栓孔，从而可降低活动挡板的高度，活动挡板底部的橡皮条也对阻止挡墙底部产生空隙起到辅助作用，阻隔填土漏出，同时可使活动挡板在平移时阻碍较小；活动挡板与角度控制环外环以螺栓固定，可拆卸更换不同粗糙程度的活动挡板；角度控制环内环与旋转顶撑采用刚性连接；角度控制环外环和角度控制环内环通过中心的角度控制环转轴相连，角度控制环外环和角度控制环内环外围分别有10个和12个同样大小的孔，内外环可绕转轴产生相对转动，当内外环一组圆孔对齐时，可用插销插入以固定内外环；旋转顶撑包住螺纹杆顶端圆形扁块，该部分可在顶撑内部旋转，螺纹杆在朝向或背离填土方向的位移会通过旋转顶撑向角度控制环传递；螺纹杆由螺纹杆固定套管连接在模型箱体一侧，伸出模型箱体有机玻璃箱外并设置手轮。

试验时自有机玻璃箱中正上方处向有机玻璃箱中分层撒入待演示的土体和有色砂层。顺时针或逆时针转动手轮，则可以控制挡土墙朝向或背离土体方向运动，随着挡板上土压力增大或减小到一定程度，墙后土体将达到极限状态，部分土体及有色砂层滑落或隆起，土体产生不同形态及角度的裂缝，滑动面形成，土体产生主动或被动破坏。此时，若滑动面为平面可以用量角器量出滑动破坏面与水平面的夹角，若破坏面为曲面可绘制或记录裂缝形态；同时根据裂缝出现时的手轮旋转圈数，以及螺旋杆螺距，可计算主动或被动破坏产生所需达到的应变。而整个试验过程中测定的土压力记录在应力采集器中。

本发明具有的有益效果

本发明可借助手轮的旋转，控制挡墙产生朝向或远离土体的水平位移，使土体产生主动和被动土压力破坏。螺旋杆朝向土体的位移可连续变化，可模拟土体从静止状态到极限状态的渐变过程。特别是设计了角度控制环，可按照6°的步幅旋转挡墙并使挡墙固定成不同倾角。并且活动挡板设计为可拆卸部件，制作了不同粗糙程度的挡墙以供使用。结合挡土墙光滑程度的选择和倾角的控制，可以分别满足朗肯和库仑土压力理论的假设条件。试验中将土体分层染色，试验中可以更清楚的观察其受力变形状态及最终的破坏形式。通过测量裂缝角度，观察裂缝的形态，测定挡墙不同位置处的土压力大小，记录产生破坏所需的位移量，可对比两种土压力理论计算值与实际值的吻合度。

附图说明

图1是本发明的整体结构正立面图；

图2是本发明的主体结构的俯视图；

图3（a）（b）（c）分别是本发明的整体结构的左视图、A-A剖面图及活动挡板平面图；

图4是本发明的旋转顶撑的平面图及侧视图；

图5（a）（b）是本发明的挡土墙倾角为0°和6°时的角度控制环内外环相对位置的示意图；

图6（a）（b）（c）挡土墙倾角变动，以及插销位置示意图； 

图中：模型箱体1、旋转顶撑2、手轮3、螺纹杆4、螺纹杆固定套管5、插销6、角度控制环外环7、角度控制环内环8、活动挡板9、角度控制环转轴10、橡皮条11、螺栓12、螺栓孔13、土应力传感器14、应力采集器15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1、2所示，一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪，主体为透明有机玻璃制成的方形模型箱体1，从而在外部可直接观察土体破坏形态。模型箱体1内设有活动挡板9，其高度略高于模型箱体1高度，在活动挡板不同高度处嵌有三个应力传感器14，测量不同高度处的土压力并收集到应力采集器15中。

如图3所示，在活动挡板9上距底部20cm、21cm、22cm、23cm、25cm、27cm处设置多个螺栓孔13，可在挡墙倾角不同时选择对应的螺栓孔，用以调节活动挡板9高度。活动挡板9与角度控制环外环7以螺栓12固定。

如图5所示，角度控制环内环外围有10个圆孔，外环外围有12个圆孔，内外环均由铁板切割加工得到角度控制环内、外环通过转轴10相连，未插入插销6时，内外环可绕转轴10产生相对转动，并带动活动挡板的倾角改变。在内外环一组孔对齐时通过插入插销6的方式阻止内外环的相对位移。

角度控制环内环8与旋转顶撑2采用焊接的方式刚性连接。如图4所示，旋转顶撑包住螺纹杆4顶端圆形扁块部分；螺纹杆4穿过螺纹杆固定套管5，伸出有机玻璃箱外并设置手轮3。

本发明使用时：

（1）旋转顶撑2与角度控制内环8在部件制作时可用焊接刚性连接。螺纹管4顶端制作成的圆形扁块形状，部件制作时将该圆形扁块部分包裹在旋转顶撑2内腔中，再将旋转顶撑封口，即可使得旋转顶撑只传递螺纹杆沿轴线方向的位移。

（2）固定套管5安装在有机玻璃箱1有预留孔洞的一侧侧壁上，套管中有与螺纹杆4等螺距的内螺纹，将螺纹管4旋入套管5，伸出模型箱体1，伸出模型箱体1的螺纹管一头安装手轮3。由于固定套管4固定在侧壁上，旋转手轮3时，螺纹杆将沿轴线方向产生位移。

（3）将角度控制内环8和外环7圆心对准，用角度控制转轴10插入，使得内外环可绕转轴转动。

（4）角度控制环拼装完毕后旋转角度控制外环7，使其倾角为0°、6°、12°等大小，并用插销6插入角度控制内环8和外环7对齐的一组圆孔，阻止内外环相对转动。

（5）选择特定粗糙程度的活动挡板9与角度控制外环7用螺栓12固定。在在倾角为0°、6°、12°时选用20cm处螺栓孔13，当活动挡板9倾角增大时对应选用距底部21cm、22cm、23cm、25cm、27cm处螺栓孔13，保证活动挡板9下部没有空隙。由于计算精度可能产生的较小的孔隙则利用橡皮条11填补，同时橡皮条11可使活动挡板在平移时阻碍较小。

（6）在挡土墙9右侧分层撒入待演示的土体和有色砂层。

（7）旋转手轮3控制挡土墙朝向或远离土体水平位移，设计时采用螺纹杆螺距为0.2mm，故手轮旋转一圈时活动挡板位移量为0.2mm。理论上，手轮向外旋转3至两4圈土体产生主动破坏，向内旋进15圈以上发生被动破坏，试验时慢慢旋转手轮，并观察土体是否破坏。可以记模拟出土体从静止状态到极限状态的渐变过程。

（8）在填土出现裂缝时，停止旋转手轮3，记录手轮旋转圈数，并测量破坏角，观察裂缝形态。根据理论计算位移、土压力等值，与实测值相比较。

Claims (3)

1.一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪，其特征在于：主体为透明有机玻璃制成的方形模型箱体（1），可在外部观察土体破坏形态；模型箱体（1）内设有活动挡板（9），活动挡板（9）上不同高度处嵌有三个土应力传感器（14），可采集试验整个阶段的水平向土压力大小并记录在应力采集器（15）中；活动挡板（9）上距底部20cm、21cm、22cm、23cm、25cm、27cm处设置多个螺栓孔（13），在活动挡板倾角为0°、6°、12°时选用20cm处螺栓孔（13），当活动挡板（9）倾角在18°至45°内逐渐增大时依次选用22至27cm的螺栓孔（13），从而可降低活动挡板（9）的高度，活动挡板（9）底部的橡皮条（11）用较强力的胶粘贴；活动挡板（9）与角度控制环外环（7）以螺栓（12）固定，；角度控制环内环（8）与旋转顶撑（2）采用刚性连接；角度控制环外环（7）和角度控制环内环（8）通过中心的角度控制环转轴（10）相连，角度控制环外环（7）和角度控制环内环（8）外围分别有10个和12个同样大小的孔，内环孔间夹角为30°，外环为36°，内外环可绕转轴产生相对转动，当内外环一组圆孔对齐时，用插销（6）插入以固定内外环；旋转顶撑（2）包住螺纹杆（4）顶端圆形扁块，该部分可在顶撑内部旋转，（4）在传递螺纹杆（4）朝向或背离填土方向的位移；螺纹杆（4）由螺纹杆固定套管（5）连接在模型箱体（1）一侧，伸出模型箱体（1）外并设置手轮。

2.根据权利要求1所述的一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪，其特征在于：活动挡板（9）各具有不同的粗糙程度。

3. 据权利要求1所述的一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪，其特征在于：螺旋杆（4）的螺距为0.2mm。

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