CN103541339A - 非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于测试非饱和原状黄土垂直边坡土压力大小及变化规律，涉及非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，包括锚杆、钢筋应力计、锚固板及数据采集箱；钢筋应力计两端焊接于锚杆，锚杆一端与锚固板固定连接，另一端锚固在锚固桩上，钢筋应力计经数据线与数据采集箱连接。锚杆和钢筋应力计的外围设有套管。使用时，用混凝土桩作为锚杆一端的锚固桩，锚杆的另一端锚固在边坡的临空面处，对黄土边坡进行自上而下垂直切减，把试验的自然原边坡削坡成垂直边坡，在削坡过程中，由于对原边坡的大量卸荷，土体应力释放对锚固钢板产生作用力，使锚杆和钢筋应力计产生应变，便可以测得此测点的土压力；还可测得锚固钢板上的土压力强度。

Description

非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置与测试方法

技术领域        

本发明属于岩土工程领域中一种实测边坡土压力的方法，主要用于测试非饱和原状黄土垂直边坡土压力大小及变化规律，具体地说本发明涉及非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，本发明还涉及将拉杆式测试装置用于测试非饱和原状黄土边坡土压力的方法。

背景技术      

土压力是土与支护结构相互作用的结果。传统的设计理论根据挡土结构变位的方向和大小，仅考虑三种极限状态下的土压力，即主动、被动和静止土压力。由于库伦(1773)和郎肯(1857)的古典土压力理论使用简单而被广泛应用于工程设计中。然而由于这些古典土压力理论基于完全弹性、平面滑裂面假定等假设，使得实际土压力与设计有一定的偏差。

库仑理论假设土的黏聚力为零，缺点是对于黏性土必须采用等代摩擦角，误差较大；对于层状土尚要简化等代为均质土才能计算，而当有地下水时，特别是有渗流效应时，库仑理论是不适用的。 

朗肯理论则不仅适用于砂土、黏性土、均质土或层状土，也适用于有地下水及渗流效应的土层。其理论上假设地面为水平，墙面为竖直，但假设墙与土体之间不存在摩擦力，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小，因此其计算结果偏于保守。 

传统的土压力模型是通过饱和土的抗剪强度模型来建立的，非饱和原状黄土的抗剪强度包括有效粘聚力、有内效摩擦角、基质吸力及黄土的结构强度，其抗剪强度与传统的抗剪强度理论有较大区别，故传统的土压力计算理论不能再满足非饱和原状黄土边坡的计算要求。 

许多学者就土压力问题做了大量的试验研究，但试验中所针对的都是重塑土；对于原状砂性土的力学性状与扰动后的差别并不是很大，但扰动后的非饱和黄土与其原状时的力学性能相差很大，并且这种原状的力学特性在短期之内不能恢复。 

测试土压力中采用刚性支挡结构和土压力盒很难能准确的测量出土体真实的土压力。刚性挡墙受力后，由于挡墙的刚度很大，墙背各点是不可能又相对独立的位移。而柔性支挡结构已被广泛的应用到工程中，其结构与土的作用所产生的土压力分布和大小与刚性支挡结构完全不同。 

因此本发明专利测试黄土边坡土压力采用了柔性支挡结构。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，该装置结构简单；本发明另一目的在于提供一种应用拉杆式测试装置测试非饱和原状黄土边坡土压力的方法，该方法实施简单，相对于刚性挡墙方法经济合理，能够准确测试原状黄土边坡土压力。 

本发明的实现第一目的所采取的技术方案是：一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，包括锚杆、钢筋应力计、锚固板及数据采集箱；钢筋应力计两端焊接于锚杆，锚杆一端与锚固板固定连接，另一端锚固在锚固桩上，钢筋应力计经数据线与数据采集箱连接。 

使用时锚杆锚固在锚固桩上作为固定端，锚杆另一端用锚固板锚固在削坡后垂直边坡的临空面上，用固定螺母拧紧。 

所述钢筋应力计是应变式埋入钢筋应力计。 

为消除锚杆和钢筋应力计与土体的摩擦，用PVC管作为锚杆和钢筋应力计的套管。 

本发明的实现第二目的所采取的技术方案是：一种应用拉杆式测试装置测试非饱和原状黄土边坡土压力的方法，其特征在于：利用非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置与锚固桩，将锚杆、钢筋应力计与套管，按照设计方案埋设于原状黄土边坡中，对非饱和原状黄土边坡土压力进行测试；包括步骤如下： 

1)      距离原有边坡坡顶边缘约15 m处挖设直径0.8 m、深度与边坡同高的探井；按照设计距离，从边坡土体侧面用洛阳铲横向打水平孔，水平孔从边坡处一直延伸至探井与探井垂直对接；所有水平孔位于同一竖向平面，

2)      水平孔中插入PVC套管；将焊接有锚杆的钢筋应力计，插入PVC套管中；将钢筋应力计与数据采集线相连，数据采集线另一端与数据采集箱连接；

3)      探井中布置钢筋笼，锚杆一端与探井中钢筋笼固定连接，探井中浇注混凝土；

4)      从原有边坡自上而下逐步垂直削坡，削至第一个锚杆处，用锚杆拉拔仪拉紧锚杆使之刚好受力，加锚定板用螺栓固定该点；沿该点处临空面垂直卸载削坡，钢筋应力计的应变也随之改变，直接测得钢筋应力计的受力大小；

5)      重复步骤4），即削出一段垂直边坡临空面；将测得的钢筋应力计微应变经公式（1）至公式（5）换算，得出该测点锚杆所受的拉力及该测点的土压力。

经过修正得到非饱和原状黄土垂直高边坡的土压力强度分布特征曲线。 

土压力强度计算与修正如下： 

钢板上实测土压力强度由下式计算：

                       

     (1)

式中：为测点处钢板上的土压力强度；F为钢筋应力计测得的拉力；A为钢板的面积0.1 m²。由于土体中应力传递会发生扩散现象，拉杆承受的拉力并不仅由钢板面积A的土体所产生，而是由钢板后近似锥形的土体所产生，拉杆所受的拉力可假设成半无限空间表面作用的一个集中力F，如图11，故需对钢板上的土压力强度进行修正。

浸水过程中，原状非饱和黄土的力学特性被改变，原状土体中的基质吸力以及结构强度随着浸水而大幅减小，本发明方法在此选用Kelvin粘弹性模型，计算土体中的应力扩散范围，从而推导土压力强度修正系数。为了研究问题的方便，在进行理论分析之前，首先对土体做如下假设： 

1) 假定土体为空间半无限体，线性粘弹介质；

2) 半无限土体是均匀各向同性的连续变形体，在深度和水平方向上无限延伸；

3) 半无限土体在内部受集中力作用下的应力为三维应力状态，应力球张量和应变球张量之间符合弹性关系，而应力偏张量和应变偏张量之间符合Kelvin粘弹性本构方程。

由粘弹性空间半无限体内部深度h处受突加竖向集中力作用的解： 

计算推导的系数，无具体物理意义。土体Kelvin模型系数，剪切模量G_K=3MPa，阻尼系数η_K=200MPa·d；体积弹性模量K=22MP。r 为集中力的作用线到计算点的水平距离

为集中力的作用深度，在此取h=0。

如图12：计算在Z轴上Z=z ₀ 时，σ _z =0；在Z=z ₀ 的XOY平面上当Y=y₀、X=x₀时，σ_y=0、σ_x=0，从而得到应力扩散范围，把应力扩散的锥形体用与其同等长度的矩形等体积换算，换算得到的矩形XOY面上的截面积与钢板面积的比值就为修正系数β；如图13：在计算时取h=0，由计算得β=0.0318，故得修正后的边坡土压力强度： 

 (5)

总体来说计算方法：首先利用公式（4），计算出当

=0的深度，即应力扩散影响深度，在此深度处的平面上利用公式（2）,（3）计算，

=0的位置，即在X,Y轴上的应力扩散面积，从而得出土压力的应力扩散影响面积

。等效面积

，等效换算系数

，边坡真实土压力

。

非饱和原状黄土土压力目前的研究还处于半经验半理论层面，计算结果往往与实际情况不否。本发明可以很好解决非饱和原状黄土边坡土压力测试这一难点问题，解决现有技术存在的问题，能够测试非饱和原状黄土边坡土压力大小及分布情况。 

本发明提出了一种全新测试土压力方法，采用柔性支挡结构，对自然边坡进行垂直切削的方式，使边坡表面土体各测点可以相对独立的位移，测试非饱和黄土边坡的土压力与分布形式。本发明方法实施简单，相对刚性挡墙经济合理；与传统挡墙和土压力盒测试方法不同，能够准确直接测量原状非饱和黄土边坡土压力。这种实测方法是原状黄土土压力测试的一种全新尝试。 

本发明用混凝土桩作为锚固锚杆和钢筋应力计一端的锚固桩，锚杆和钢筋应力计的另一端锚固在边坡的临空面处，对黄土边坡进行自上而下垂直切减，把试验的自然原边坡削坡成垂直边坡，在削坡过程中，由于对原边坡的大量卸荷，土体应力释放对锚固钢板产生作用力，垂直边坡产生侧向即横向水平位移，使锚杆和钢筋应力计产生应变，故便可以测得应力计的拉力，即为此测点的土压力；还可测得锚固钢板上的土压力强度，经过修正得到非饱和原状黄土垂直高边坡的土压力强度分布特征曲线。 

在边坡坡顶和锚固桩桩身顶部设置位移观测点，以便观测边坡和桩的位移情况。 

附图说明

图1 是挖设探井、洛阳铲水平向打孔的示意图； 

图2是水平向孔洞中插入PVC管、锚杆及钢筋应力计的示意图，

图3是在探井中布置钢筋，将锚杆一端固定于钢筋上，并浇注混凝土的示意图，

图4是锚杆拉拔仪拉紧锚杆，自上而下削坡至第一个锚杆时，固定端头的示意图，

图5是自上而下削坡，固定端头的示意图，

图6是试验区域剖面示意图，

图7是试验区域的立面图，

图8是试验区域的俯视图，

图9是临空面固定端组件图，

图10是的图9的左视图，

图11是空间等效面积换算示意图，

图12是YOZ 二维坐标系等效面积换算示意图，

图13是XOY二维坐标系等效面积换算示意图，

图 14是非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置结构示意图。

图中：1—原始地面；2—探井；3—水平孔；4—套管；5—钢筋应力计；6—锚杆；7—原有坡面；8—钢筋混凝土锚固桩；9—数据线；10—数据采集箱；11—锚杆拉拔仪；12—临空面固定端；13—垂直边坡临空面；14—新形成的地面；15—垂直边坡临空面与原有黄土坡面分界线；16—固定螺母；17—锚固板；18—A矩形等效面积，19—A钢板面积。

为二维坐标轴；XYZ为三维坐标。 

具体实施方式

如图14与图8所示：一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，包括锚杆6、钢筋应力计5、锚固板17及数据采集箱10；钢筋应力计5两端焊接于锚杆6，锚杆6一端与锚固板17固定连接，另一端锚固在锚固桩8上，钢筋应力计5经数据线9与数据采集箱10连接。 

参见图6、图9与图10：使用时，锚杆6一端锚固在钢筋混凝土锚固桩8上作为固定端，另一端用锚固板17锚固在削坡后垂直边坡的临空面上，用固定螺母16拧紧。 

所述钢筋应力计5是应变式埋入钢筋应力计。 

为消除锚杆6和钢筋应力计5与土体的摩擦，锚杆6和钢筋应力计5的外围设有套管4，套管4为PVC管。 

图1、图2、图3、图4与图5表示出本发明土压力测试方法实施步骤图，本发明提供的一种应用拉杆式测试装置测试非饱和原状黄土边坡土压力的方法，是利用非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置与锚固桩，将锚杆、钢筋应力计与套管，按照设计方案埋设于原状黄土边坡中，对非饱和原状黄土边坡土压力进行测试；主要步骤如下： 

（1）在边坡土体坡顶的原始地面1向下挖设与其垂直的探井2；探井2距离原有边坡坡顶边缘15 m，探井2的直径H5为0.8 m、探井2深度H1为14m与边坡同高； 

    （2）边坡土体侧面按照设计距离，用洛阳铲横向生产水平孔3，水平孔3从边坡处一直延伸至探井2与探井2垂直对接连通；设计距离：第一个拉杆离地面距离H2为3m，两拉杆之间距离H3为1.4m；钢筋应力计5和锚杆6组成拉杆；

（3）横向水平孔3中，插入套管4；套管4中在放入焊接好的钢筋应力计5和锚杆6；将钢筋应力计5与数据采集线9相连，数据采集线9另一端与数据采集箱10连接；钢筋应力计离锚固端距离H4为1m；拉杆长度H6为15m；

（4）探井中布置钢筋笼，锚杆6一端与探井2中钢筋笼固定连接，探井2中浇注混凝土，使之成为受力的钢筋混凝土锚固桩8；

（5）从原有边坡7自上而下逐步垂直削坡，削至第一个拉杆处，用锚杆拉拔仪11拉紧锚杆6使之刚好受力，加锚固板17用固定螺母16固定该点，即临空面固定端12；并将数据采集线9与数据采集箱10相连，开始记录数据；

（6）重复步骤（5），即削出一段垂直边坡临空面13，直至完成接近边坡土体坡脚原始地面；参见图6与图7：将垂直边坡临空面13全部挖完后，形成了垂直边坡临空面与原有黄土坡面分界线15、新形成的地面14；

（7）自上而下对原有黄土边坡7逐步削坡成为垂直边坡，原边坡大量卸载，削坡后的垂直边坡侧向水平位移增大，钢筋应力计5与土体共同移动，钢筋应力计5的应变也随之改变，数据箱10直接测得钢筋应力计5的微应变； 

（8）将测得的钢筋应力计微应变经公式（1）至公式（5）换算，得出该测点锚杆所受的拉力及该测点的土压力。

Claims (7)

1.一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，其特征在于：包括锚杆、钢筋应力计、锚固板及数据采集箱；钢筋应力计两端焊接于锚杆，锚杆一端与锚固板固定连接，另一端锚固在锚固桩上，钢筋应力计经数据线与数据采集箱连接。

2.如权利要求1所述的一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，其特征在于：锚杆锚固在锚固桩上，锚杆另一端用锚固板锚固在削坡后垂直边坡的临空面上，由固定螺母固定。

3.如权利要求1或2所述的一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，其特征在于：锚杆和钢筋应力计的外围设有套管。

4.如权利要求3所述的一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，其特征在于：套管为PVC管。

5.如权利要求3所述的一种非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置，其特征在于：钢筋应力计是应变式埋入钢筋应力计。

6.一种应用拉杆式测试装置测试非饱和原状黄土边坡土压力的方法，其特征在于：利用非饱和原状黄土边坡土压力拉杆式测试装置与锚固桩，将锚杆、钢筋应力计与套管，按照设计方案埋设于原状黄土边坡中，对非饱和原状黄土边坡土压力进行测试；包括步骤如下：

A、距离原有边坡坡顶边缘约15 m处挖设直径0.8 m、深度与边坡同高的探井；按照设计距离，从边坡土体侧面用洛阳铲横向打水平孔，水平孔从边坡处一直延伸至探井与探井垂直对接；所有水平孔位于同一竖向平面，

B、水平孔中插入PVC套管；将焊接有锚杆的钢筋应力计，插入PVC套管中；将钢筋应力计与数据采集线相连，数据采集线另一端与数据采集箱连接；

C、探井中布置钢筋笼，锚杆一端与探井中钢筋笼固定连接，探井中浇注混凝土；

D、从原有边坡自上而下逐步垂直削坡，削至第一个锚杆处，用锚杆拉拔仪拉紧锚杆使之刚好受力，加锚定板用螺栓固定该点；沿该点处临空面垂直卸载削坡，钢筋应力计的应变也随之改变，直接测得钢筋应力计的受力大小；

E、重复步骤D，即削出一段垂直边坡临空面；将测得的钢筋应力计微应变经公式（1）至公式（5）换算，得出该测点锚杆所受的拉力及该测点的土压力；经过修正得到非饱和原状黄土垂直高边坡的土压力强度分布特征曲线。

7.如权利要求6所述的一种应用拉杆式测试装置测试非饱和原状黄土边坡土压力的方法，其特征在于：钢板上实测土压力强度由下式计算：

 (1)

式中：

为测点处钢板上的土压力强度；F为钢筋应力计测得的拉力；A为钢板的面积0.1 m²；

利用公式（4），计算出当

=0的深度，即应力扩散影响深度，在此深度处的平面上利用公式（2）,（3）计算，=0的位置，即在X,Y轴上的应力扩散面积，从而得出土压力的应力扩散影响面积

；等效面积

，等效换算系数，边坡真实土压力

；

由粘弹性空间半无限体内部深度h处受突加竖向集中力作用的解：

 

是计算推导的系数，无具体物理意义；土体Kelvin模型系数，剪切模量G_K=3MPa，阻尼系数η_K=200MPa·d；体积弹性模量K=22MP；r 为集中力的作用线到计算点的水平距离

为集中力的作用深度，在此取h=0；

计算在Z轴上Z=z ₀ 时，σ _z =0；在Z=z ₀ 的XOY平面上当Y=y₀、X=x₀时，σ_y=0、σ_x=0，从而得到应力扩散范围，把应力扩散的锥形体用与其同等长度的矩形等体积换算，换算得到的矩形XOY面上的截面积与钢板面积的比值就为修正系数β；在计算时取h=0，由计算得β=0.0318，故得修正后的边坡真实土压力强度：

 (5)。

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