CN104196064B - 一种挡土墙失稳模型试验装置及安装、试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挡土墙失稳模型试验装置及安装、试验方法，包括用于挡土的底盘、用于模拟路基纵向的平面应变状态的挡土板以及用于加载的挡土墙,在底盘上设有两个与其相连且相互平行的挡土板，在两个挡土板形成的端部设有一对相对立的悬臂式挡土墙I和挡土墙II；挡土墙I上设有挡土墙转动装置，挡土墙II上设有挡土墙沉降装置；挡土墙II的底部与底盘之间有间隙；在挡土墙转动装置和挡土墙沉降装置上设有用于检测土压力和位移的检测装置。本发明通过挡土墙失稳模型试验，可用于研究挡土墙不同失稳工况下的土压力及位移变化规律。该装置可应用于多种填料类型及不同顶部荷载下的挡土墙失稳试验、研究。

Description

一种挡土墙失稳模型试验装置及安装、试验方法

技术领域

本发明涉及道路工程、铁路工程、岩土工程技术领域，尤其涉及一种挡土墙失稳模型装置及试验方法。

背景技术

挡土墙能够起到替代高边坡、节约土地的作用，在公路、铁路建设及维修加固中使用日益广泛。近年来，悬臂式挡土墙及锚杆挡土墙多采用钢筋混凝土面板，因其具有占地面积小，使用极限高度高的特点而备受关注。然而，轻型挡土墙在长期使用过程中存在潜在多种破坏形式，主要有挡土墙绕底板转动、挡土墙沉降及锚杆失效等主要失稳形式。挡土墙失稳研究属于工程破坏性研究，无法在实际工程中开展。挡土墙一旦失稳，易造成重大安全事故。目前实际工程中的研究多停留在挡土墙失稳后的原因分析，尚有能够对挡土墙失稳过程机理开展系统研究的装置及试验方法。模型试验可以对挡土墙中的主要因素进行独立控制，相对于现场试验更安全简便。目前还没有相应的试验装置及试验方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述不足，提供了一种挡土墙失稳模型试验装置及试验方法；通过该装置能够任意调整挡土墙的转动角度及速率，能够控制挡土墙沉降量，采用水箱堆载模拟不同填土高度，适用于研究不同失稳条件下轻型挡土墙应力、位移及锚杆受力测试。本发明易于加工，安装、拆卸方便，能够重复利用，安全性高。

本发明采用的技术方案如下:

一种挡土墙失稳模型试验装置，包括用于挡土的底盘、用于模拟路基纵向的平面应变状态的挡土板以及用于加载的挡土墙,其特征在于：在所述的底盘上设有两个与其相连且相互平行的挡土板，在两个挡土板形成的端部设有一对相对立的悬臂式挡土墙I和挡土墙II；挡土墙I上设有挡土墙转动装置，挡土墙II上设有挡土墙沉降装置；挡土墙II的底部与底盘之间有间隙；在所述的挡土墙转动装置和挡土墙沉降装置上设有用于检测土压力和位移的检测装置。

所述的挡土墙I包括通过转轴相连的挡土墙竖板I和挡土墙底板I,且挡土墙竖板I和挡土墙底板I在挡土墙转动装置的驱动下能转动；所述的挡土墙II包括相连的挡土墙竖板II挡土墙底板II；挡土墙底板II与底盘相连且两者之间有间隙。

所述底盘采用Q235钢板焊接制成，底盘上覆盖有机玻璃，用于模拟素混凝土基础。

所述的挡土板由多个钢架通过螺栓锚固成一个整体，挡土板内侧覆有一层有机玻璃限制填料的侧向变形，用于模拟路基纵向的平面应变状态。

所述的挡土板通过螺栓与底盘相连。

所述的挡土墙转动装置还包括一个转轴、油缸和油缸反力墙；转轴通过转轴瓦架与转轴底座相连，转轴底座与底盘相连；转轴与挡土墙通过转轴连接件采用螺栓锚固为一个整体；油缸一端通过螺栓与固定在转动挡土墙竖板I上的油缸连接件相连；油缸另一端通过螺栓与固定在油缸反力墙上的油缸连接件相连；油缸反力墙下设槽钢，通过螺栓与底盘连接为一整体；油缸送油及回油通过控制器控制。

所述的挡土墙沉降装置还包括两个双头螺栓；沉降挡土墙底板II和底盘之间通过双头螺栓连接；通过控制双头螺栓上的上、下螺母位置，使挡土墙底板与底座有10cm高度的空隙。

所述土压力监测装置包括竖向埋设于挡土墙墙背上的土压力盒，以测定土压力。

所述的位移监测系统包括百分表，以监测挡土墙的侧向位移。

一种挡土墙失稳模型试验装置的试验方法如下：

步骤1)安装挡土板

将挡土板通过锚栓与底盘连接成为一个整体，挡土板与有机玻璃采用双面胶连接为一个整体；底盘顶部采用双面胶上覆一层有机玻璃；

步骤2)安装挡土墙转动系统

安装槽钢、油缸反力墙。连接油缸和油缸反力墙，安装控制器；采用行吊或吊车进行转动挡土墙安装；采用螺栓将连接件与挡土墙连接；连接油缸和挡土墙竖板。

步骤3)安装挡土墙沉降系统

将双头螺栓的下侧通过螺母与底盘相连；采用行吊或吊车进行沉降挡土墙安装；采用螺母将双头螺栓上侧与左侧挡土墙连接。

步骤4)路基填土及压实

回填土按照设计要求进行压实；每层回填土夯实后均需测定压实度，未达到标准后继续夯实直至达标；

步骤5)安装土压力盒

土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，即填土高度超过土压力盒位置20cm后进行反开挖，将压力盒放入并回填压实；

步骤6)水箱堆载

将设计荷载换算成水位高度，在填土表面均匀布设水箱，并进行注水，以使顶部荷载达到设计荷载。

挡土墙失稳模型试验装置的试验方法，包括挡土墙转动失稳试验和挡土墙沉降失稳试验；

所述的挡土墙转动失稳试验如下：

保持沉降挡土墙与底盘的间距不变；通过控制器控制油缸进油和回油，使转动挡土墙绕轴向内或向外转动任意角度，测定不同转动角度下转动挡土墙侧向土压力变化规律；

所述的挡土墙沉降失稳试验如下：

控制油缸，保持转动挡土墙竖板竖直不动；在沉降挡土墙外侧距底盘0m,0.2m，0.4m,0.6m，0.8m高度处安装百分表；调节双头螺栓上部螺母，使沉降挡土墙向下移动任意距离，测定不同沉降量下沉降挡土墙侧向土压力分布及位移变化规律。

本发明的有益效果：

(1)能够调整锚杆支护形式、填料类型、顶部荷载，适用于不同工况下的挡土墙失稳研究。

(2)可以控制挡土墙不均匀沉降量，测定挡土墙不均匀沉降失稳条件下的挡土墙位移、土压力及锚杆轴力变化规律。

(3)可以控制挡土墙转动角度，测定挡土墙转动失稳条件下的挡土墙位移、土压力及锚杆轴力变化规律。

(4)可以控制锚杆的松弛量。测定挡土墙锚杆松弛失稳条件下的挡土墙位移、土压力及锚杆轴力变化规律。

(5)采用水箱注水堆载，可以保证顶部荷载为均布荷载。

(6)模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

附图说明

图1是本发明模型结构总示意图；

图2是挡土板与底盘结构示意图

图3是转动系统结构示意图；

图4是沉降系统结构示意图；

图中，1-油缸反力墙，2-油缸连接件I，3-油缸，4-油缸连接件II，5-转轴连接件，6-转轴瓦架，7-转轴底座，8-转动挡土墙竖板I，9-转动挡土墙底板I，10-转轴，11-底盘，12-挡土板，13-沉降挡土墙竖板II，14-沉降挡土墙底板II，15-双头螺栓，16-槽钢。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，一种挡土墙失稳模型试验装置，包括底盘11、挡土板12、悬臂式挡土墙、挡土墙转动系统、挡土墙沉降系统及监测系统。

底盘11采用交错焊接的Q235钢板制成，底盘11上覆有一层有机玻璃，用于挡土。挡土板12由多个钢架通过螺栓锚固成一个整体，挡土板12内侧覆有一层有机玻璃，用于挡土。挡土板12通过螺栓与底盘11相连。

悬臂式挡土墙由沉降挡土墙和转动挡土墙组成。沉降挡土墙由沉降挡土墙竖板II13和沉降挡土墙底板II14组成。

转动挡土墙由转动挡土墙竖板I8和转动挡土墙底板I9组成。两个挡土墙的挡土墙竖板和底板均通过焊接连接成为一个整体。转动挡土墙上设有挡土墙转动系统。沉降挡土墙上设有挡土墙沉降系统。

挡土墙转动系统由转动挡土墙底板I9两侧的转轴10、油缸3和油缸反力墙1组成。转轴10通过转轴瓦架6与转轴底座7相连，转轴底座7与底盘11通过锚栓相连。转轴10与转动挡土墙通过转轴连接件5采用螺栓锚固为一个整体。油缸3一端通过螺栓与固定在转动挡土墙竖板I8上的油缸连接件II4相连。油缸3另一端通过螺栓与固定在油缸反力墙1上的油缸连接件I2相连。油缸反力墙1下设槽钢16，通过螺栓与底盘11连接为一整体。油缸送油及回油通过控制器控制。

所述的挡土墙沉降系统主要由双头螺栓15组成。沉降挡土墙底板II14和底盘11上设有若干螺栓孔，用双头螺栓15连接。通过控制双头螺栓15上的上下螺母位置，使挡土墙底板与底座有10cm高度的空隙。

所述的监测系统包括与土压力监测装置及位移监测装置。

所述土压力监测装置包括竖向埋设于挡土墙墙背上的土压力盒，以测定土压力。所述的位移监测系统包括百分表，以监测挡土墙的侧向位移。

下面是本发明的模型制作和具体的两个具体试验方法：

一、挡土墙失稳模型制作

1)安装挡土板

将挡土板通过锚栓与底盘连接成为一个整体。底盘总长2.0m,宽1.0m,挡土板长2.0m,高0.8m。挡土板与有机玻璃采用双面胶连接为一个整体。底盘顶部采用双面胶上覆一层有机玻璃。

2)安装挡土墙转动系统

3)安装挡土墙沉降系统

4)路基填土及压实

回填土按照90％的压实度进行压实。每层回填土夯实后均需测定压实度，未达到标准后继续夯实直至达标。

5)安装土压力盒

土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，即填土高度超过土压力盒位置20cm后进行反开挖，将压力盒放入并回填压实。在左右两侧挡土墙墙背上均安装土压力盒，土压力盒距底盘上有机玻璃的埋设高度分别为0m,0.2m，0.4m,0.6m，0.8m。

6)水箱堆载

将设计荷载换算成水位高度1.0m，在填土表面均匀布设水箱，并进行注水至水位1.0m处。

二、试验方法，本发明中列举两个具体的试验方法。

实施例1

(1)模型安装。填料采用砂土，控制压实度为90％，水位高度1.0m

(2)采用便携式测频仪读取转动挡土墙侧向土压力盒初始频率。

(3)沉降挡土墙与底盘的间距保持不变。通过控制器控制油缸回油，使右侧挡土墙绕轴向外转动5゜

(4)采用便携式测频仪读取转动挡土墙侧向土压力盒频率，并转换为土压力，分析挡土墙外倾时的侧向土压力变化。

(5)通过控制油缸回油，使转动挡土墙绕轴向外转动角度分别为10゜，15゜，20゜，重复步骤(4)，研究不同转动角度下，挡土墙的侧向土压力变化。

实施例2

(1)模型安装。填料采用粉土，控制压实度为85％，水位高度1.5m

(2)采用便携式测频仪读取转动挡土墙侧向土压力盒初始频率。

(3)控制油缸，保持转动挡土墙竖板竖直不动。在沉降挡土墙外侧距底盘0m,0.2m，0.4m,0.6m，0.8m高度处安装百分表，并读取初始读数。

(4)将双头螺栓上部螺母向下旋紧，使沉降挡土墙向下移动5cm。

(5)采用便携式测频仪读取沉降侧挡土墙侧向土压力盒频率，并转换为土压力，分析挡土墙外倾时的侧向土压力变化。读取百分表读数，分析挡土墙侧向位移变化。

(6)调节双头螺栓上部螺母，使沉降挡土墙绕向下分别移动7cm,10cm，13cm，重复步骤(4)、(5)，研究不同沉降量下，挡土墙的侧向土压力变化和侧向位移变化。

本装置水位高度，填料类型，压实度等均可进行调整，其他参照实施例1，在此不再赘述。

本申请受国家自然科学基金(51208284)、山东省科技发展计划(2013GSF11603)资助。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种挡土墙失稳模型试验装置，包括底盘、挡土墙及用于模拟路基纵向的平面应变状态的挡土板,其特征在于：在所述的底盘上设有两个与其相连且相互平行的挡土板，在两个挡土板形成的端部设有一对相对立的悬臂式挡土墙I和挡土墙II；挡土墙I上设有挡土墙转动装置，挡土墙II上设有挡土墙沉降装置；挡土墙II的底部与底盘之间有间隙；且在所述的挡土墙转动装置和挡土墙沉降装置上设有用于检测土压力和位移的检测装置。

2.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述的挡土墙I包括通过转轴相连的挡土墙竖板I和挡土墙底板I，且挡土墙竖板I和挡土墙底板I在挡土墙转动装置的驱动下能转动；所述的挡土墙II包括相连的挡土墙竖板II和挡土墙底板II；挡土墙底板II与底盘相连且两者之间有间隙。

3.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述底盘采用Q235钢板焊接制成，底盘上覆盖有用于挡土的有机玻璃。

4.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述的挡土板由多个钢架通过螺栓锚固成一个整体；挡土板内侧覆有一层限制填料的侧向变形的有机玻璃。

5.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述的挡土墙转动装置包括一个转轴、油缸和油缸反力墙；转轴通过转轴瓦架与转轴底座相连，转轴底座与底盘相连；转轴与挡土墙I通过转轴连接件采用螺栓锚固为一个整体；油缸一端与固定在转动挡土墙竖板I上的油缸连接件相连；油缸另一端与固定在油缸反力墙上的油缸连接件相连；油缸反力墙下设槽钢且槽钢与底盘连接为一整体；所述的油缸通过控制器控制。

6.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述的挡土墙沉降装置包括两个双头螺栓；沉降挡土墙底板II和底盘之间通过双头螺栓连接且通过控制双头螺栓上的上、下螺母位置，使挡土墙底板与底座有空隙。

7.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述土压力检测装置包括竖向埋设于挡土墙墙背上的土压力盒。

8.如权利要求1所述的挡土墙失稳模型试验装置，其特征在于：所述的位移检测装置包括监测挡土墙的侧向位移的百分表。

9.如权利要求1-8任一所述的挡土墙失稳模型试验装置的安装方法，其特征在于，如下：

步骤1）安装挡土板

将挡土板通过锚栓与底盘连接成为一个整体，挡土板与有机玻璃采用双面胶连接为一个整体；底盘顶部采用双面胶上覆一层有机玻璃；

步骤2）安装挡土墙转动系统

安装槽钢、油缸反力墙；连接油缸和油缸反力墙，安装控制器；采用行吊或吊车进行转动挡土墙安装；采用螺栓将连接件与挡土墙连接；连接油缸和挡土墙竖板；

步骤3）安装挡土墙沉降系统

将双头螺栓的下侧通过螺母与底盘相连；采用行吊或吊车进行沉降挡土墙安装；采用螺母将双头螺栓上侧与挡土墙连接；

步骤4）路基填土及压实

回填土按照设计要求进行压实；每层回填土夯实后均需测定压实度，未达到标准后继续夯实直至达标；

步骤5）安装土压力盒

土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，即填土高度超过土压力盒位置设定距离后进行反开挖，将压力盒放入并回填压实；

步骤6）水箱堆载

将设计荷载换算成水位高度，在填土表面均匀布设水箱，并进行注水，以使顶部荷载达到设计荷载。

10.如权利要求1-8任一所述的挡土墙失稳模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括挡土墙转动失稳试验和挡土墙沉降失稳试验；

所述的挡土墙转动失稳试验如下：

保持沉降挡土墙与底盘的间距不变；通过控制器控制油缸进油和回油，使转动挡土墙绕轴向内或向外转动任意角度，测定不同转动角度下转动挡土墙侧向土压力变化规律；

所述的挡土墙沉降失稳试验如下：

控制油缸，保持转动挡土墙竖板竖直不动；在沉降挡土墙外侧距底盘的不同高度处安装百分表；调节双头螺栓上部螺母，使沉降挡土墙向下移动任意距离，测定不同沉降量下沉降挡土墙侧向土压力分布及位移变化规律。