CN104153341B - 一种平动式土压力测模试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种平动式土压力测模试验装置。该测模试验装置包括外槽、内槽、上加载组件、下加载组件、土压力测量元件及位移测量元件，横向受荷体位于土体中，多个土压力测量元件埋置于横向受荷体侧面土体中，位移测量元件设置在横向受荷体上，上加载组件和下加载组件水平设置且位于横向受荷体的同侧，上加载组件一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的顶部连接，下加载组件一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的底部连接，上加载组件和下加载组件同时加载动作，以平动的方式推动横向受荷体横向移动，从而通过土压力测量元件及位移测量元件可获取横向受荷体发生平动位移模式下其侧面的土压力分布规律。

Description

一种平动式土压力测模试验装置

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种平动式土压力测模试验装置。

背景技术

目前，在深基坑工程、港口工程、桥梁工程、高层建筑和边坡等工程中，受荷体(例如受荷桩和挡土墙)应用较为广泛，其主要承受横向力及力矩的作用或者竖向荷载的作用。

以受荷桩为例，按其受力特点可分为竖向受荷桩(如桩基础)与横向受荷桩(如抗滑桩、围护桩)。在横向受荷桩的受力分析过程中，最大的难点在于如何准确确定作用于桩的侧向土压力。一方面，桩侧土压力与土体和桩的变形大小及模式相关，因此，需要将桩和土体作为整体来考虑；另一方面，风化、地震、降雨以及桩体施工等会改变土体密度、孔隙比、含水量等物理参数，引起土体力学参数(c,等)发生变化，进而改变桩侧土压力的大小和分布规律。

目前，在横向受荷体(如抗滑桩、挡土墙)常规设计中土压力一般取静止土压力或极限状态下的主动土压力或被动土压力。然而实际工程中的土压力是土与横向受荷体之间相互作用的结果，横向受荷体的不同变位模式、土体的变形与强度特性都对土压力的大小和分布规律产生影响。传统设计理论所采用的许多假设都在不同程度地回避受荷体与土体相互作用问题，因此使得横向受荷体侧土压力计算方法缺乏理论依据，设计参数存在诸多假设和不确定性，横向受荷体的设计计算大多依靠设计师的经验，设计理论滞后，工程失效的情况也时有发生，造成了巨大的财产损失(例如，3m×2m截面的抗滑桩造价基本上每米上万元，浙江省上三高速公路6#滑坡抗滑桩加固工程费用超过 四千万)，且工程失效涉及民生安全，关系重大。因此，积极开展横向受荷体侧土压力的试验研究具有较强的工程应用背景，而且具有非常重要的理论与应用价值。

鉴于人为因素(桩体施工)、自然因素(降雨、地震等)及桩体(墙体)位移等扰动因素影响下横向受荷体与土体相互作用的复杂性，建立合理的桩侧土压力计算模型必须基于大量的试验。

然而，现场试验成本过高，模型试验成为研究横向受荷体(抗滑桩、挡土墙等)体侧土压力分布特性的有效手段。但目前有关该方面的试验装置比较欠缺。因此，研制一种横向受荷体侧土压力测量模型试验装置，以满足横向受荷体侧土压力分布规律研究的需要成为工程界迫切需要解决的问题，鉴于实际工程中横向受荷体经常发生横向平动式的移动，因此开展该位移模式下横向受荷体侧土压力分布规律的研究显得很有必要。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种平动式土压力测模试验装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种平动式土压力测模试验装置以满足横向受荷体发生平动位移模式下土压力分布规律的研究需要。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种平动式土压力测模试验装置，其包括外槽、内槽、上加载组件、下加载组件、土压力测量元件及位移测量元件，内槽中设置有土体，横向受荷体位于土体中，多个土压力测量元件依次埋置于横向受荷体侧面的土体中，位移测量元件设置在横向受荷体上，上加载组件和下加载组件水平设置且位于横向受荷体的同侧，上加载组件的一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的顶部连接，下加载组件的一端抵在外槽的侧壁上，另一 端与横向受荷体的底部连接。

其中，所述上加载组件包括第一千斤顶和第一传力杆，第一千斤顶的底部设置在外槽侧壁上，第一千斤顶的顶端与第一传力杆的一端连接，第一传力杆的另一端与横向受荷体的顶部连接。

其中，所述下加载组件包括第二千斤顶和第二传力杆，第二千斤顶的底部设置在外槽侧壁上，第二千斤顶的顶端与第二传力杆的一端连接，第二传力杆的另一端与横向受荷体的底部连接。

其中，还包括竖向固定在外槽侧壁上调节导轨槽，调节导轨槽的槽壁上沿竖向设置有多个安装孔，第一千斤顶的底部通过螺栓组件固定在调节导轨槽上部的安装孔上，第二千斤顶的底部通过螺栓组件固定在调节导轨槽下部的安装孔上。

其中，所述土压力测量元件为土压力计。

其中，所述位移测量元件为百分表。

其中，所述横向受荷体为单个横向受荷桩。

其中，还包括第一导杆，所述横向受荷体为多个横向受荷桩，多个横向受荷桩并排设置在土体中，多个所述横向受荷桩顶部通过第一导杆连接，第一导杆的两端分别通过并行的两套上加载组件与外槽的内壁连接。

其中，还包括第二导杆，多个横向受荷桩底部通过第二导杆连接，第二导杆的两端分别通过并行的两套下加载组件与外槽的内壁连接。

其中，所述横向受荷体为挡土墙。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明的平动式土压力测模试验装置中，将横向受荷体位于土体中，多个土压力测量元件依次埋置于横向受荷体侧面的土体中，位移测量元件设置在横向受荷体上，上加载组件和下加载组件水平设置且位于横向受荷体的同侧，上加载组件的一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的顶部连接，下加载组件的一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的底部连接， 上加载组件和下加载组件同时加载动作，以平动的方式推动横向受荷体横向移动，从而通过土压力测量元件以及位移测量元件即可获取受荷体发生平动位移模式下其侧面的土压力分布规律。

附图说明

图1是本发明实施例平动式土压力测模试验装置的正视结构示意图；

图2是本发明实施例平动式土压力测模试验装置的俯视结构示意图；

图3是本发明实施例平动式土压力测模试验装置中横向受荷桩的结构示意图；

图4是本发明实施例平动式土压力测模试验装置中第一传力杆的结构示意图；

图5是本发明实施例平动式土压力测模试验装置中第一传力杆与第一导杆的连接关系示意图；

图6为本发明实施例横向受荷体底部驱动式土压力测模装置中调节导轨槽的俯视图；

图7为本发明实施例横向受荷体底部驱动式土压力测模装置中调节导轨槽的侧视图。

图中，1：外槽；2：内槽；3：位移测量元件；4：横向受荷桩；5：第一导杆；6：土压力测量元件；7：第一传力杆；8：第一千斤顶；9：第二传力杆；10：土体；11：螺栓组件；12：第二导杆；13：第二千斤顶；14：安装孔；15：第一调节导轨槽；701：连接块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1和图2所示，本发明提供的平动式土压力测模试验装置包括外槽1、内槽2、上加载组件、下加载组件、土压力测量元件6及位 移测量元件3，外槽1可在地面开挖然后用混凝土浇筑而成，然后再外槽1内设置内槽2，内槽2的一侧可以敞开，内槽2中设置有土体10，横向受荷体位于土体10中，该土体10可以阶梯状，也可以具有一定坡度，多个土压力测量元件6依次埋置于横向受荷体侧面的土体10中，位移测量元件3设置在横向受荷体上，上加载组件和下加载组件水平设置且位于横向受荷体的同侧，上加载组件的一端抵在外槽1的侧壁上，另一端与横向受荷体的顶部连接，下加载组件的一端抵在外槽1的侧壁上，另一端与横向受荷体的底部连接。其中，上述横向受荷体为横向受荷桩4，其可为圆柱状或为棱柱状；模型外槽1与内槽2一般均用混凝土浇筑而成，混凝土等级宜为C20，外槽1长为4000mm，宽为1200mm，高为1200mm，模型内槽2长3000mm，宽800mm，高1200mm，当然，外槽1与内槽2的尺寸也不限于上述具体数值。

其中，横向受荷桩4的桩身材料可采用C25～C50的混凝土，桩内钢筋可采用HRB335～RRB400钢筋，桩身截面以及钢筋的配筋率可根据实际工程的需要而设计，桩长与桩身截面边长或直径满足模型试验的比例进行缩小。

上述技术方案中，上加载组件和下加载组件水平设置且位于横向受荷体的同侧，通过上加载组件和下加载组件同时加载动作，横向受荷桩4的顶部和底部同时受力，横向受荷桩4横向移动，多个土压力测量元件6的测得的土压力也发生变化，从而可以测得横向受荷桩4侧面的土压力变化值，且通过设置在横向受荷桩4上的位移测量元件3可以测得横向受荷桩4在发生横向平动位移时的位移值，结合所测得的土压力变化值，则可以得出横向受荷桩4侧面的土压力分布规律。

具体地，上加载组件包括第一千斤顶8和第一传力杆7，第一千斤顶8的底部固定在外槽1侧壁上，第一千斤顶8的顶端与第一传力杆7的一端连接，第一传力杆7的另一端与横向受荷体的顶部连接，其中为了使第一千斤顶8的顶端与第一传力杆7更稳当地进行加载力的传递，第一传力杆7的一端还设置有连接块701，以方便与第一千斤顶8 对接；下加载组件包括第二千斤顶13和第二传力杆9，第二千斤顶13的底部固定在外槽1侧壁上，第二千斤顶13的顶端与第二传力杆9的一端连接，第二传力杆9的另一端与横向受荷体的底部连接，所述第一千斤顶8和第二千斤顶13采用FCY-20长型液压千斤顶，其中为了使第二千斤顶13的顶端与第二传力杆9更稳当地进行加载力的传递，第二传力杆9的一端还设置有连接块701，以方便与第二千斤顶13对接。

为了使第一千斤顶8和第二千斤顶13的高度可调，以适应不同高度的受荷桩4的试验测量，本发明还包括竖向固定在外槽侧壁上调节导轨槽15，调节导轨槽15的槽壁上沿竖向设置有多个安装孔，第一千斤顶的底部通过螺栓组件固定在调节导轨槽15上部的安装孔上，第二千斤顶的底部通过螺栓组件固定在调节导轨槽15下部的安装孔上。这样，通过调节螺栓组件可以将第一千斤顶8安装在调节导轨槽15上部的不同高度的安装孔上，也可以将第二千斤顶13安装在调节导轨槽15下部的不同高度的安装孔上，从而使第一千斤顶8和第二千斤顶13的高度可调，进而本发明的土压力测模试验装置可以应用于不同高度的受荷桩4的试验测量中。

一般地，土压力测量元件6为土压力计；位移测量元件3为百分表。当然，土压力测量元件6不限于土压力计，位移测量元件3也不限于百分表，也可以采用其他类型的土压力测量元件6与位移测量元件3。其中，横向受荷桩4的两侧可均埋置JTM-V2000型振弦式土压力计，分别沿竖向布置于横向受荷桩4桩体两侧，分别用来测量桩侧的主动土压力与被动土压力。

本发明中，横向受荷体可为单个横向受荷桩4，也可为多个并列设置的横向受荷桩4。如图2、图3和图5所示当采用多个并列设置的横向受荷桩4时，多个横向受荷桩4顶部通过第一导杆5连接，第一导杆5的两端分别通过并行的两套上加载组件与外槽1的内壁连接，也即第一导杆5的两端分别通过一个第一传力杆7与固定在外槽1侧壁 上的第一千斤顶8连接；多个横向受荷桩4底部通过第二导杆12连接，第二导杆12的两端分别通过并行的两套下加载组件与外槽1的内壁连接，也即第二导杆12的两端分别通过一个第二传力杆9与固定在外槽1侧壁上的第二千斤顶13连接，这样横向受荷桩4的顶部有两个第一传力杆7驱动，横向受荷桩4的底部由两个第二传力杆9驱动，横向受荷桩4平动受力更均匀，传力杆的传动更精确稳当。另外，横向受荷桩4的间距一般为3d～5d或3b～5b(其中，d为圆桩的直径，b为方桩的边长)，横向受荷桩4顶部和底部有预设的安装孔14，用于穿过第一导杆5或第二导杆12，第一导杆5与第一传力杆7或者第二导杆12与第二传力杆9之间采用螺栓组件11连接，当然也可采用其他连接方式。

本发明中，所述横向受荷体不仅仅局限于横向受荷桩4，其也可为挡土墙。当横向受荷体为挡土墙时，将挡土墙埋于土体10中，挡土墙的顶部水平设置两套上述上加载组件，挡土墙的底部水平设置两套上述下加载组件，上加载组件和下加载组件同时加载动作，挡土墙的顶部和底部同时受力，横向受荷桩4横向移动，进而可测出相应的挡土墙两侧的土压力分布规律。

综上所述，本发明的平动式土压力测模试验装置中，通过将横向受荷体埋置在内槽2的土体10中，在横向受荷体的顶部和底部分别设置上加载组件和下加载组件，上加载组件和下加载组件的一端均抵在外槽1的侧壁上，上加载组件和下加载组件同时加载动作，以平动的方式推动横向受荷体横向移动，然后通过埋置在横向受荷体一侧的土压力计以及设置在横向受荷体上的百分表获取横向受荷桩4侧面的土压力分布规律；通过并列设置的多个横向受荷桩4，在横向受荷桩4的顶部和底部分别设置第一导杆5和第二导杆12，第一导杆5两端分别通过第一传力杆7与固定在外槽1侧壁上的第一千斤顶8连接，这样横向受荷桩4顶部由两个第一传力杆7驱动，可以使多个横向受荷桩4的顶部发生相同位移，同理，第二导杆12两端通过第二传力杆9 的驱动可使多个横向受荷桩4的底部发生相同位移，提高试验测量的准确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种平动式土压力测模试验装置，其特征在于：包括外槽、内槽、上加载组件、下加载组件、土压力测量元件及位移测量元件，内槽中设置有土体，横向受荷体位于土体中，多个土压力测量元件依次埋置于横向受荷体侧面的土体中，位移测量元件设置在横向受荷体上，上加载组件和下加载组件水平设置且位于横向受荷体的同侧，上加载组件的一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的顶部连接，下加载组件的一端抵在外槽的侧壁上，另一端与横向受荷体的底部连接；所述上加载组件包括第一千斤顶和第一传力杆，第一千斤顶的底部设置在外槽侧壁上，第一千斤顶的顶端与第一传力杆的一端连接，第一传力杆的另一端与横向受荷体的顶部连接；所述下加载组件包括第二千斤顶和第二传力杆，第二千斤顶的底部设置在外槽侧壁上，第二千斤顶的顶端与第二传力杆的一端连接，第二传力杆的另一端与横向受荷体的底部连接；还包括竖向固定在外槽侧壁上调节导轨槽，调节导轨槽的槽壁上沿竖向设置有多个安装孔，第一千斤顶的底部通过螺栓组件固定在调节导轨槽上部的安装孔上，第二千斤顶的底部通过螺栓组件固定在调节导轨槽下部的安装孔上。

2.根据权利要求1所述的平动式土压力测模试验装置，其特征在于：所述土压力测量元件为土压力计。

3.根据权利要求1所述的平动式土压力测模试验装置，其特征在于：所述位移测量元件为百分表。

4.根据权利要求1所述的平动式土压力测模试验装置，其特征在于：所述横向受荷体为单个横向受荷桩。

5.根据权利要求1所述的平动式土压力测模试验装置，其特征在于：还包括第一导杆，所述横向受荷体为多个横向受荷桩，多个横向受荷桩并排设置在土体中，多个所述横向受荷桩顶部通过第一导杆连接，第一导杆的两端分别通过并行的两套上加载组件与外槽的内壁连接。

6.根据权利要求5所述的平动式土压力测模试验装置，其特征在于：还包括第二导杆，多个横向受荷桩底部通过第二导杆连接，第二导杆的两端分别通过并行的两套下加载组件与外槽的内壁连接。

7.根据权利要求1所述的平动式土压力测模试验装置，其特征在于：所述横向受荷体为挡土墙。