CN103257218A - 一种进行土拱试验的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多试验条件土体成拱试验装置，其包括试验模型箱、位移板控制装置、活动底板角度控制装置。位移板控制装置通过调节位移板传动螺杆控制土体卸荷水平。活动底板角度控制装置通过调节活动底板传动螺杆，控制π型板与L型板位置，可以调节活动底板倾斜角度，从而改变土样初始应力状态（底板角度不同，土样初始主应力方向也会不同）。本发明设备拆卸、组装方便，可更换不同宽度的位移板，进行不同卸荷尺度的土体成拱试验。试验仪器结构简单，操作可重复性强，能够研究多种试验条件下的土体成拱内部应力及位移分布，为理论与实际工程研究提供准确的分析数据。

Description

一种进行土拱试验的装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，特别涉及一种土拱试验研究仪器。

背景技术

土拱现象在岩土工程中较为常见，例如隧道开挖、基坑工程以及桩网地基等。计算围岩压力的普氏理论就是基于土拱效应理论的，该理论还应用在挡土墙土压力以及桩承式路堤承载力、抗滑桩间距等研究之中。由于土拱效应理论的重要性，学者们对土拱现象进行了大量试验研究，其中最为经典的是太沙基进行的活动门试验，该试验装置活动门两端的刚性挡板是没有位移、角度变化的，并且试验中土体没有形成自由临空面。基于该试验衍生出许多土拱试验方法，Mcnulty在圆形容器中进行了圆形活动门试验，Harris在纵向长度上将活动门分割成一系列窄条，通过逐个移动窄条模拟土体开挖面的逐步推进过程，PeijunGuo在土拱试验中将活动挡板撤除，研究了土体形成自由临空面时的土拱效应。可以发现土拱效应室内试验的条件往往是单一的对位移板进行改变，而在实际工程中，土拱的荷载传递效应往往会使拱脚部位的支护压力增加，局部压力增大则会引起支护结构倾斜。因此，有必要提供一种新的土拱试验仪，能够尽可能多的模拟实际工程中可能出现的土拱现象，以解决现有土拱室内试验中试验条件单一的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多试验条件土体成拱试验装置，能够使土样底板倾斜角度连续变化，而且能够更换不同宽度的位移板，位移板下移距离较大时还能够研究土体形成自由临空面时的土拱现象。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种多试验条件土体成拱试验装置，其包括容纳试验土样的试验模型箱、位移板控制装置、活动底板角度控制装置；

所述试验模型箱包括左右侧板、前后透明板、固定底板以及支撑底座，所述左右侧板上分别设有槽孔，所述固定底板上分别设有若干个第一类安装孔与第二类安装孔；

所述活动底板角度控制装置包括活动安装于所述固定底板上的π型板、位于所述π型板上与其活动连接的两组L型板、两组活动底板以及活动底板传动杆，所述两组活动底板分别一端插入所述左右侧板上的槽孔中，另一端与所述L型板的竖板活页连接，所述活动底板的宽度、所述槽孔宽度以及前后透明板之间的间距相等，所述活动底板传动杆自下而上向上穿过所述第一类安装孔并支撑所述π型板；

所述位移板控制装置包括位移板以及位移板传动杆，所述位移板位于所述两组L型板之间，所述位移板的长度与所述两组L型板的竖板之间的间距相等，所述位移板的宽度等同所述活动底板宽度设置，所述位移板传动杆自下而上向上穿过所述第二类安装孔并支撑所述位移板。

所述活动底板传动杆与所述位移板传动杆均为螺杆结构，所述第一类安装孔与第二类安装孔均为螺纹安装孔，分别对应所述螺杆设置内螺纹；

优选的，所述固定底板上分别对称设有四个第一类螺纹安装孔以及两个第二类螺纹安装孔。

所述π型板与所述位移板上分别设有贯穿所述π型板与所述位移板的第一螺杆孔与第二螺杆孔，所述活动底板传动杆与所述位移板传动杆的顶端分别钻有螺纹孔，所述活动底板传动杆与所述位移板传动杆经由设于所述螺纹孔中的螺母分别与所述第一螺杆孔、第二螺杆孔连接，所述螺母外部还分别设有螺母套筒，所述螺母套筒外直径小于所述第一螺杆孔与第二螺杆孔的孔径，所述安装于第一螺杆孔与第二螺杆孔上的螺母套筒长度分别大于所述π型板与所述位移板厚度；

所述第一螺杆孔与第二螺杆孔的孔径分别小于活动底板传动杆与所述位移板传动杆的杆径。

所述的土体成拱试验装置，还设有密封件，所述密封件位于所述活动底板与所述槽孔之间，用于封堵所述活动底板与所述槽孔之间的间隙。

优选的，所述密封件为橡胶条。

所述L型板的竖板上设有刻度标记。

所述活动底板传动杆与位移板传动杆底部设有转动手柄。

所述π型板的长度等于固定底板长度与左、右侧板厚度之差，所述π型板宽度小于所述两个第二类安装孔之间的间距。

所述左右侧板、前后透明板、固定底板、支撑底座之间以及所述π型板与所述L型板之间均采用螺栓连接。

所述的试验模型箱前后透明板为钢化玻璃，左右侧板、活动底板、位移板、π型板、L型板、固定底板均为钢板。

本发明还公开了使用所述土体成拱试验装置进行土拱试验的方法，包括以下步骤：

（1）确定室内土拱试验的卸荷尺度以及活动底板倾斜角度；

（2）通过调节活动底板传动杆下端手柄，将活动底板调节至预期倾斜角度；

（3）根据不同的土拱试验卸荷尺度选择确定位移板宽度，并将L型板与π型板连接固定；

（4）在组装好多试验条件土体成拱试验装置后，在模型箱中分层填入土样，并根据试验目标孔隙率分层压实，在填土过程中埋设、连接好相关的测量设备。

（5）根据L型板上的刻度标记同步调节位移板传动杆，使位移板逐渐平稳下落，读取测试设备读数。试验完成后，取出土样中土压测量设备。

所述步骤（2）中，为防止调节过程中π型板卡位，先将π型板拆下，待调节活动底板传动杆至目标高度后再将π型板与活动底板传动杆连接；

所述步骤（3）中，根据卸荷尺度确定位移板宽度后，将所述位移板与所述位移板传动杆连接，并根据位移板宽度确定L型板横板以及π型板上的钻孔个数以及钻孔位置，将L型板与π型板连接固定；

所述步骤4）中，土体成拱试验装置的组装过程如下：首先将所述活动底板插入所述槽孔，然后安装所述左右侧板，最后安装所述前后透明板。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

1）活动底板倾角可以连续变化，可在不同土体初始应力条件下进行土拱试验；

2）能够改变位移板宽度，进行不同卸荷尺度下的土拱试验；

3）位移板位移变化范围大，可进行不同卸荷水平下的土拱试验。不仅能够进行小位移条件下的土拱试验，还能够进行土体内部出现自由临空面时的大位移土拱试验。

与同类试验仪器相比较，本发明所示的土体成拱试验装置，试验设备拆卸、组装方便，试验可重复性、操作性强，能够更为全面的揭示土体成拱后土体内部应力以及位移的变化规律，解决了现有土拱室内试验中试验条件单一的问题，帮助技术人员更加深入的研究各种试验条件下的土拱现象。

附图说明

图1为本发明土体成拱试验装置其中一实施例的结构示意图；

图2为图1所示实施例的A-A剖面视图；

图3为图1所示实施例中左右侧板的结构示意图；

图4为图1所示实施例中位移板的结构示意图；

图5为图1所示实施例中π型板的正视图；

图6为图5所示实施例中π型板的俯视图；

图7为图1所示实施例中活动底板传动杆安装示意图；

图8为图1所示实施例中位移板传动杆安装示意图；

图9为图1所示实施例中固定底板的结构示意图；

其中，左右侧板1、前后透明板2、固定底板3、支撑底座4、槽孔5、活动底板6、第一类安装孔7、第二类安装孔8、位移板9、位移板传动杆10、L型板11、π型板12、活动底板传动杆14、螺纹孔15、第一螺杆孔16、第二螺杆孔17、密封件18、螺母19、螺母套筒20。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种多试验条件土体成拱试验装置，其包括容纳试验土样的试验模型箱、位移板控制装置、活动底板角度控制装置。

试验模型箱包括左右侧板1、前后透明板2、固定底板3以及支撑底座4，左右侧板1上分别设有槽孔5，固定底板3上分别设有若干个第一类安装孔7与第二类安装孔8。本实施例中，第一类安装孔7与第二类安装孔8均为螺纹安装孔，第一类安装孔7与第二类安装孔8两者为同一类型的安装孔，分别命名以示区分。

活动底板角度控制装置包括活动安装于固定底板3上的π型板12、位于π型板12上与其活动连接的两组L型板11、两组活动底板6以及活动底板传动杆14，两组活动底板6分别一端插入左右侧板1上的槽孔5中，另一端与L型板11的竖板活页连接，L型板11的竖板上设有刻度标记，活动底板6的宽度、槽孔5宽度以及前后透明板2之间的间距均相等，其中由于前后透明板2本身具有一定的厚度，因此本实施例中，前后透明板2之间的板间距取透明板内板之间的距离。活动底板传动杆14自下而上向上穿过第一类安装孔7并支撑π型板12。

位移板控制装置包括位移板9以及位移板传动杆10，位移板9位于两组L型板11之间，位移板9的长度与两组L型板11的竖板之间的间距相等，两L型板11竖板之间为位移板9的移动通道。位移板9的宽度等同活动底板6宽度设置，位移板传动杆10自下而上向上穿过第二类安装孔8并支撑位移板9。

在本发明所示的土体成拱试验装置中，试验模型箱的土样容纳空间为活动底板6、位移板9、左右侧壁1、前后透明板2所围空间。通过调节活动底板传动杆14的高度，控制π型板12、L型板11的升降，使活动底板6达到试验所需的倾斜角度。在试验过程中，通过调节位移板传动杆10的高度，可降低位移板9的高度，从而逐渐增加土体卸荷水平。通过更换不同宽度的位移板9，可进行不同卸荷尺度的土体成拱试验。

本实施例中，活动底板传动杆14与位移板传动杆10均为螺杆结构，第一类安装孔7与第二类安装孔8均为螺纹安装孔，分别对应螺杆设置内螺纹。如图9所示，固定底板3上分别对称设有四组第一类安装孔7以及两组第二类安装孔8，活动底板传动杆14与位移板传动杆10分别拧入固定底板3后，可通过旋转活动底板传动杆14与位移板传动杆10将其调整至合适高度。本实施例中，为方便调整活动底板传动杆14与位移板传动杆10，在活动底板传动杆14与位移板传动杆10底部分别设有转动手柄，旋转位于传动杆底端手柄即能够方便的调节以上两种传动杆高低位置。

在图1所示实施例中，π型板12与位移板9上分别设有贯穿π型板12与位移板9的第一螺杆孔16与第二螺杆孔17，如图6所示，π型板12对应第一类螺纹安装孔钻有四个第一螺杆孔16；如图4所示，位移板9对应第二类螺纹安装孔钻有两个第二螺杆孔17。如图7和图8所示，活动底板传动杆14与位移板传动杆10的顶端分别钻有螺纹孔15，四根活动底板传动杆14分别拧入第一类螺纹安装孔16后，顶端的螺纹孔15与π型板12上四个第一螺杆孔16对准并采用螺母19连接固定；两根位移板传动杆10分别拧入第二类螺纹安装孔17后，顶端螺纹孔15与位移板9中的两个第二螺杆孔17对准并采用螺母19连接固定。

本实施例中，如图7及图8所示，所述螺母19上安装有螺母套筒20，螺母套筒20外直径分别小于第一螺杆孔16与第二螺杆孔17的孔径，安装于第一螺杆孔16与第二螺杆孔1上的螺母套筒20长度分别略大于π型板12与位移板9厚度。第一螺杆孔16与第二螺杆孔17的孔径分别小于活动底板传动杆14与位移板传动杆10的杆径，且第一螺杆孔16与第二螺杆孔17的孔径分别大于活动底板传动杆14与位移板传动杆10顶端螺纹孔15的孔径。这样设置，位移板9相当于套在了螺母与位移板传动杆10的顶面之间，位移板传动杆10上下移动可以带动位移板9上下移动。π型板12套在了螺母与活动底板传动杆14顶面之间，活动底板传动杆14上下移动可以带动π型板12上下移动。

土体成拱试验装置还设有密封件18，密封件18位于活动底板6与槽孔5之间，用于封堵述活动底板6与槽孔5之间的间隙，本实施例中，密封件18为橡胶条。

本实施例中，π型板12的长度等于固定底板3长度与左、右侧板1厚度之差，π型板12宽度小于位移板9的宽度。以使位移板传动杆10无需穿过π型板12，可直接拧入固定底板3上的第二类安装孔8中。

本实施例中，左右侧板1、前后透明板2、固定底板3、支撑底座4之间以及π型板12与L型板11之间均采用螺栓连接。L型板11横板与π型板12采用螺栓连接固定，防止在活动底板6倾斜角度较大时，L型板11的竖板对位移板9产生过大的水平挤压力妨碍其自由移动。本实施例中，根据位移板9宽度确定L型板11横板以及π型板12的钻孔个数以及钻孔位置，保证在更换位移板9后，π型板12与L型板11能够连接固定。

本实施例中的试验模型箱前后透明板为钢化玻璃，左右侧板1、活动底板6、位移板9、π型板12、L型板11、固定底板3均为钢板。

本发明还公开了一种使用土体成拱试验装置进行土拱试验的方法，包括以下步骤：

（1）确定室内土拱试验的卸荷尺度以及活动底板6倾斜角度；

（2）通过调节活动底板传动杆14下端手柄，将活动底板6调节至预期倾斜角度；首先根据不同的活动底板6倾斜角度确定相应的L型板11与π型板12高度，并通过活动底板传动杆14进行调节。步骤（2）中，在调节活动底板传动杆14至相应高度前，可先卸除其顶部的π型板12，防止调整传动螺杆不同步引起π型板12卡位。调整活动底板传动杆14至相应高度后，再将π型板12与活动底板传动杆14连接固定。

（3）根据不同的土拱试验卸荷尺度选择确定位移板9宽度，并将L型板11与π型板12连接固定；步骤（3）中，根据卸荷尺度确定位移板9的宽度后，将位移板9与位移板传动杆10连接，并根据位移板9的宽度确定L型板11的横板以及π型板12上的钻孔个数以及钻孔位置，将L型板11与π型板12连接固定。

4）在组装好多试验条件土体成拱试验装置后，在模型箱中分层填入土样，并根据试验目标孔隙率分层压实，在填土过程中埋设、连接好相关的测量设备。本实施例中，土体成拱试验装置的组装过程如下：首先将所述活动底板6插入所述槽孔5，然后安装所述左右侧板1，最后安装所述前后透明板2。

5）根据L型板11上的刻度标记同步调节位移板传动杆10，使位移板9逐渐平稳下落，读取测试设备读数。试验完成后，取出土样中土压测量设备。

本发明通过调节传动螺杆可进行不同土体初始应力状态、不同卸荷水平下的土体成拱室内试验，试验仪器拆卸方便，可更换不同宽度的位移板9进行不同卸荷尺度的土拱室内试验，满足技术人员研究各种试验条件下的土体成拱对土体应力及位移的影响。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多试验条件土体成拱试验装置，其特征在于：其包括容纳试验土样的试验模型箱、位移板控制装置、活动底板角度控制装置； 

所述试验模型箱包括左右侧板、前后透明板、固定底板以及支撑底座，所述左右侧板上分别设有槽孔，所述固定底板上分别设有若干个第一类安装孔与第二类安装孔； 

所述活动底板角度控制装置包括活动安装于所述固定底板上的π型板、位于所述π型板上与其活动连接的两组L型板、两组活动底板以及活动底板传动杆，所述两组活动底板分别一端插入所述左右侧板上的槽孔中，另一端与所述L型板的竖板活页连接，所述活动底板的宽度、所述槽孔宽度以及前后透明板之间的间距相等，所述活动底板传动杆自下而上向上穿过所述第一类安装孔并支撑所述π型板； 

所述位移板控制装置包括位移板以及位移板传动杆，所述位移板位于所述两组L型板之间，所述位移板的长度与所述两组L型板的竖板之间的间距相等，所述位移板的宽度等同所述活动底板宽度设置，所述位移板传动杆自下而上向上穿过所述第二类安装孔并支撑所述位移板。 

2.根据权利要求1所述的土体成拱试验装置，其特征在于：所述活动底板传动杆与所述位移板传动杆均为螺杆结构，所述第一类安装孔与第二类安装孔均为螺纹安装孔，分别对应所述螺杆设置内螺纹； 

优选的，所述固定底板上分别对称设有四个第一类螺纹安装孔以及两个第二类螺纹安装孔。 

3.根据权利要求2所述的土体成拱试验装置，其特征在于：所述π型板与所述位移板上分别设有贯穿所述π型板与所述位移板的第一螺杆孔与第二螺杆孔，所述活动底板传动杆与所述位移板传动杆的顶端分别钻有螺纹孔，所述活动底板传动杆与所述位移板传动杆经由设于所述螺纹孔中的螺母分别与所述第一螺杆孔、第二螺杆孔连接，所述螺母外部还分别设有螺母套筒，所述螺母套筒外直径小于所述第一螺杆孔与第二螺杆孔的孔径，所述安装于第一螺杆孔与第二螺杆孔上的螺母套筒长度分别大于所述π型板与所述位移板厚度； 

所述第一螺杆孔与第二螺杆孔的孔径分别小于活动底板传动杆与所述位移板传动杆的杆径。 

4.根据权利要求1所述的土体成拱试验装置，其特征在于：还包括密封件，所述密封件位于所述活动底板与所述槽孔之间，用于封堵所述活动底板与所述槽孔之间的间隙； 

优选的，所述密封件为橡胶条。 

5.根据权利要求1至4任一项所述的土体成拱试验装置，其特征在于：所述L型板的竖板上设有刻度标记； 

或，所述活动底板传动杆与位移板传动杆底部设有转动手柄。 

6.根据权利要求2所述的土体成拱试验装置，其特征在于：所述π型板的长度等于固定底板长度与左、右侧板厚度之差，所述π型板宽度小于所述两个第二类安装孔之间的间距。 

7.根据权利要求1所述的土体成拱试验装置，其特征在于：所述左右侧板、前后透明板、固定底板、支撑底座之间以及所述π型板与所述L型板之间均采用螺栓连接。 

8.根据权利要求2所述的土体成拱试验装置，其特征在于：所述的试验模型箱前后透明板为钢化玻璃，左右侧板、活动底板、位移板、π型板、L型板、固定底板均为钢板。 

9.一种使用如权利要求1所述土体成拱试验装置进行土拱试验的方法，其特征在于：包括以下步骤， 

（1）确定室内土拱试验的卸荷尺度以及活动底板倾斜角度； 

（2）通过调节活动底板传动杆下端手柄，将活动底板调节至预期倾斜角度； 

（3）根据不同的土拱试验卸荷尺度选择确定位移板宽度，并将L型板与π型板连接固定； 

（4）在组装好多试验条件土体成拱试验装置后，在模型箱中分层填入土样，并根据试验目标孔隙率分层压实，在填土过程中埋设、连接好相关的测量设备； 

（5）根据L型板上的刻度标记同步调节位移板传动杆，使位移板逐渐平稳下落，读取测试设备读数，试验完成后，取出土样中土压测量设备。 

10.根据权利要求9所述的土拱试验的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，为防止调节过程中π型板卡位，先将π型板拆下，待调节活动底板传动杆至目标高度后再将π型板与活动底板传动杆连接； 

或所述步骤（3）中，根据卸荷尺度确定位移板宽度后，将所述位移板与所述位移板传动杆连接，并根据位移板宽度确定L型板横板以及π型板上的钻孔个数以及钻孔位置，将L型板与π型板连接固定； 

或所述步骤4）中，土体成拱试验装置的组装过程如下：首先将所述活动底板插入所述槽孔中，然后安装所述左右侧板，最后安装所述前后透明板。 

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