CN105113555A - 一种加筋土挡土墙模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加筋土挡土墙模型试验装置及方法，包括模型箱(1)、挡土墙面板(5)、填料(7)、竖向荷载加载系统(10)以及测试系统；所述填料(7)填充于模型箱(1)内，所述挡土墙面板(5)布置在模型箱(1)前；所述竖向荷载加载系统(10)设置于模型箱(1)上方，给模型施加垂直压力。本发明采用的填料(7)为密度在5.2g/cm³～7.0g/cm³、内摩擦角在28°～35°的混合钢砂，混合钢砂的密度为普通砂土填料的3～4倍，内摩擦角与普通砂相似，通过增大填料密度的方法来等效应力场，既能等效挡墙后填料的受力状态，又能有效的测出模型的受力和变形特征；填料可以多次重复使用，大大降低了试验成本。

Description

一种加筋土挡土墙模型试验装置及方法

技术领域

本发明专利涉及岩土工程、道路工程技术领域，特别是一种加筋土挡土墙模型试验装置及方法。

背景技术

加筋土挡土墙结构自二十世纪六十年代问世以来得到了较快发展，在铁路、公路、码头等填筑工程中都常有应用，其设计理论仍需进一步研究。挡土墙的试验研究主要分为原型试验和缩尺模型试验；原型试验最能反应结构真实的受力和变形情况，但是原型试验需要大量的人力物力，成本昂贵，代价高，限制了其应用。缩尺模型试验是研究挡土墙结构的重要方法，而采用缩尺模型的关键是合理等效模型内部的应力场。显然在常规重力场下缩尺模型内部的应力场不能反应原型结构内部的应力场，因此这种实验得到的结果不可以用于实际工程。

目前获得合理等效应力场的方法是增大加速度的方法，离心模型试验的原理就是通过这种方法等效原型结构的应力场，模型箱随着转臂绕旋转中心旋转，通过产生的离心惯性力模拟实际结构的重力场。在离心模型试验中，由于模型内部各个点所受的惯性力沿半径方向是不一样的，即模型沿高度方向的受力大小是不一样的。因此，在离心模型试验中只有把模型做的很小才能减少这一缺点，但是模型的尺寸如果太小，又限制了模型内部传感器的布置，从而无法准确而全面的得到模型内部的应力、应变。而且，离心模型试验的设备制造、维护和使用均较昂贵。

因此，开发一种既能有效反应加筋土挡土墙结构真实受力，又经济节约、便于测试的试验装置和方法是非常必要的。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供了一种加筋土挡土墙模型试验装置；该实验装置采用密度在5.2g/cm³～7.0g/cm³、内摩擦角在28°～35°的混合钢砂填料，目的是通过增大填料密度的方法来等效应力场，既能等效挡墙后填料的受力状态，又能有效的测出模型的受力和变形特征，填料可以重复利用，大大降低了试验成本，能广泛普及应用。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种加筋土挡土墙模型试验装置，包括模型箱、挡土墙面板、填料、竖向荷载加载系统以及测试系统；

所述填料填充于模型箱内，所述挡土墙面板布置在模型箱前；所述竖向荷载加载系统设置于模型箱上方，给模型施加垂直压力。

所述填料为密度在5.2g/cm³～7.0g/cm³、内摩擦角在28°～35°之间的混合钢砂。

进一步的，所述模型箱包括一U型支撑架，所述U型支撑架两侧支撑端内侧设置有钢化玻璃；

所述支撑架顶部设有横梁；

所述支撑架底部上方设有基础；

还包括一可活动调节模型箱容积的封闭挡板，与支撑架两侧支撑端连接。

进一步的，所述基础为采用橡胶材质的柔性结构。

进一步的，所述钢化玻璃以及封闭挡板与所述填料的接触面分别设有一润滑层，所述润滑层为一尼龙塑料薄膜。

进一步的，所述混合钢砂包括密度为4.835g/cm³，内摩擦角为35.1°的铅状钢丸以及密度为5.065g/cm³，内摩擦角为18.1°的普通钢砂，按照1.1：1～1.5：1的比例混合。

进一步的，所述铅状钢丸与普通钢砂的混合比例为1.3：1。

进一步的，所述测试系统包括应力测试装置、位移测试装置和挡墙内部变形测试装置；

所述应力测试装置包括设置于填料中的横向土压力测试装置和竖向土压力测试装置；所述横向土压力测试装置包括横向微型土压力盒，以测定横向土压力；所述竖向土压力测试装置包括竖向微型土压力盒，以测定竖向土压力；

所述位移测试装置包括激光位移传感器支架以及设置在该支架上的激光位移传感器；

所述挡墙内部变形测试装置包括设置于模型箱内的标记线和彩砂。

相应的，本发明还提出了一种加筋土挡土墙模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)实验基础的处理；将基础铺设在模型箱底部，保证基础的完整性，没有缝隙；

2)采用行吊进行封闭面板的吊装，就位后，将封闭面板与模型箱通过固定连接，形成固定框架，在封闭挡板内侧涂一层润滑剂，并布置润滑层，减小填料沉降时与封闭面板之间的摩擦阻力；在模型箱钢化玻璃板内壁涂以润滑剂，并在玻璃板内侧铺设润滑层，减小箱壁与填料摩擦的影响，达到平面应变状态；

3)模型制作；将填料分层加入模型箱中，按照设计要求进行压实、布置加筋材料；

4)安装微型土压力盒；土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，即填料高度超过土压力盒位置一定高度后进行反开挖，将压力盒放入并回填压实；

5)安装顶部竖向荷载加载装置；填料在压实整平后，在模型顶部安装竖向荷载加载系统，保证荷载施加均匀，给模型施加竖向荷载；

6)安装挡墙模型变形测试装置；在模型制作过程中，当模型制作到指定高度时，在靠近钢化玻璃板的两侧铺设一小层彩砂，并在钢化玻璃板外侧的对应高度用黑笔画上一条标记线，试验过程中，对比彩砂的形状和标记线即可得到模型的变形特征；

7)安置位移监测仪器；侧向位移和竖向沉降的监测，在挡土墙的正面安装激光位移传感器支架，将激光位移传感器安装在支架上，用以测量挡土墙面板的水平位移和模型的竖向沉降。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明采用的填料为密度在5.2g/cm³～7.0g/cm³、内摩擦角在28°～35°的混合钢砂，混合钢砂的密度为普通砂土填料的3～4倍，内摩擦角与普通砂相似，通过增大填料密度的方法来等效应力场，既能等效挡墙后填料的受力状态，又能有效的测出模型的受力和变形特征；填料可以多次重复使用，大大降低了试验成本。

2.本发明能够调整挡土墙面板类型、加筋长度、加筋数量等，适用于不同工况条件下的加筋土挡土墙模型试验。

3.本发明通过调整模型顶部荷载大小，能够模拟不同填土荷载等级条件下的加筋土挡土墙模型。

4.本发明所采用的模型箱具有很大的侧向刚度，侧向变形很小，可以很好的模拟平面应变状态；

附图说明

图1为本发明试验装置模型箱的正视图；

图2为本发明试验装置模型箱的侧视图；

图3为本发明试验装置模型箱的俯视图；

图4为本发明试验装置正视图；

图5为本发明试验装置侧面剖视图。

附图中：1、模型箱，2、钢化玻璃，3、横梁，4、支撑架，5、挡土墙面板，6、封闭挡板，7、填料，8、加筋材料，9、润滑层，10、竖向荷载加载系统，11、竖向微型土压力盒，12、横向微型土压力盒，13、激光位移传感器支架，14、激光位移传感器，15、基础。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。

参照附图4-图5所示，一种加筋土挡土墙模型试验装置，包括模型箱1、挡土墙面板5、填料7、竖向荷载加载系统10以及测试系统。

所述填料7填充于模型箱1内，所述挡土墙面板5布置在模型箱1前；所述竖向荷载加载系统10设置于模型箱1上方，给模型施加垂直压力。测试系统包括应力测试装置、位移测试装置和挡墙内部变形测试装置。

参照图1-图3所示，所述模型箱1包括一U型支撑架4，所述U型支撑架4两侧支撑端内侧设置有钢化玻璃2；

所述支撑架4顶部设有两根工字型横梁3；

所述支撑架4底部上方设有基础15，所述基础15为采用橡胶垫的柔性结构。

还包括一可活动调节模型箱1容积的封闭挡板6，与支撑架4两侧支撑端通过螺栓固定连接。

所述支撑架4与横梁3为钢材质。

所述挡土墙面板5由预制混凝土分块面板组成，其具体尺寸应根据模型的尺寸与相似比关系进行调整；所述封闭挡板6用Q235钢板制成。

所述钢化玻璃2以及封闭挡板6与所述填料7的接触面分别设有一润滑层9，用来减小摩擦，减小对填料7沉降的约束，所述润滑层9为一尼龙塑料薄膜。

所述竖向荷载加载系统10可以是堆载加压，也可以是千斤顶加压，给模型施加垂直压力。

所述测试系统包括应力测试装置、位移测试装置和挡墙内部变形测试装置，所述应力测试装置包括横向土压力测试装置和竖向土压力测试装置；所述横向土压力测试装置包括横向微型土压力盒12，以测定横向土压力；所述竖向土压力测试装置包括竖向微型土压力盒11，以测定竖向土压力。

所述位移测试装置包括挡墙面板水平位移测试结构和模型竖向沉降测试结构，所述水平位移测试结构和竖向沉降测试结构包括激光位移传感器支架13、激光位移传感器14，将激光位移传感器14安装在激光位移传感器支架13上，用以测量整个实验过程中的挡土墙面板5的水平位移和模型竖向沉降。

所述挡墙模型变形测试装置包括标记线和彩砂，在模型指定高度的靠近钢化玻璃侧用彩砂铺设一层标记，并在玻璃外侧用黑笔画上标记线，试验过程中，对比彩砂的形状和标记线即可得到模型的变形特征。

本发明填料7的选用基于以下原理：

若在原型中任意一个研究点的深度为H，地基土的密度为ρ，则其自重应力σ_z为：

σ_z＝γH＝ρgH

填料7用密度为普通砂土n倍的混合钢砂来代替，混合钢砂的密度ρ'＝nρ，现以1：n比尺制作一模型，则其与原型相对应的点的深度为相应位置的自重应力为：

${{\mathrm{\σ}}_z}^{\′}={\mathrm{\γ}}^{\′}{H}^{\′}=n\mathrm{\ρ}g\frac{H}{n}=\mathrm{\ρ}gH={\mathrm{\σ}}_z$

由上式可知，只要混合钢砂的密度为原型填料的n倍，就可使模型达到与其n倍高原型的相同应力状态。本发明采用的填料密度在5.2g/cm³～7.0g/cm³之间，混合钢砂的密度为普通砂土填料的3～4倍；可使模型达到与其3～4倍高原型的相同应力状态。

虽然钢砂的硬度要比普通砂高，但是挡土墙填料的强度并不是由颗粒本身的强度所决定，而是取决于颗粒之间的摩擦力，本发明采用的填料内摩擦角在28°～35°之间，内摩擦角和普通砂相似，因此能较好的模拟普通砂。

所述填料7为铅状钢丸与普通钢砂按一定配比混合的混合钢砂，普通砂土的内摩擦角为28°～35°，因此，要模拟普通砂土的话，混合钢砂的内摩擦角也要控制在这个范围内，并且要求混合砂土密度大于5.2g/cm³，通过测试各种配比情况下的混合钢砂的参数，密度通过排水法测得，粘聚力和内摩擦角通过直剪试验测得，得出符合要求的配比范围为：铅状钢丸的质量含量为52.4％～60.0％。混合钢砂的密度是普通砂土密度的3～4倍；选择密度最大配比(铅状钢丸的质量含量为56.5％)进行颗粒筛分测得其不均匀系数C_u＝13.08，曲率系数C_c为1.13，颗粒不均匀，属于级配良好填料，除了密度外，各项指标均与普通砂相似，因此可以很好的模拟普通填料挡土墙模型，所做模型的应力状态是普通填料模型的3～4倍。

本实施例填料7采用了密度为4.835g/cm³，内摩擦角为35.1°的铅状钢丸以及密度为5.065g/cm³，内摩擦角为18.1°的普通钢砂，按照1.1：1～1.5：1的比例混合后形成的混合钢砂，其得出的试验结果参照表1。

表1混合钢砂配比与试验参数结果

其进行加筋土挡土墙模型试验的具体过程为：

1)实验基础的处理；基础15采用橡胶垫柔性基础，将预制好的橡胶垫铺设在模型箱底部，保证基础的完整性，没有缝隙；

2)采用行吊进行封闭面板6的吊装，就位后，将封闭面板6与模型箱1通过螺栓固定在一起，形成固定框架，在封闭挡板6内侧涂一层润滑剂，并布置尼龙塑料薄膜，减小填料7沉降时与封闭面板6之间的摩擦阻力；在模型箱钢化玻璃2内壁涂以润滑剂，并在钢化玻璃2内侧铺设尼龙塑料薄膜；减小箱壁与填料7摩擦的影响，达到平面应变状态；

3)模型制作；将钢砂填料7分层加入模型箱中，按照设计要求进行压实、布置加筋材料；

4)安装微型土压力盒；土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，即填料高度超过土压力盒位置10cm后进行反开挖，将压力盒放入并回填压实；

5)安装顶部竖向荷载加载装置；填料7在压实整平后，在模型顶部安装竖向荷载加载装置，保证荷载施加均匀，给模型施加竖向荷载；

6)安装挡墙模型变形测试装置；在模型制作过程中，当模型制作到指定高度时，在靠近钢化玻璃板2的两侧铺设一小层彩砂，并在钢化玻璃板2外侧的对应高度用黑笔画上一条标记线，试验过程中，对比彩砂的形状和标记线即可得到模型的变形特征；

7)安置位移监测仪器；侧向位移和竖向沉降的监测，在挡土墙的正面安装激光位移传感器支架13，将激光位移传感器14安装在支架上，用以测量挡土墙面板的水平位移和模型的竖向沉降。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，并非用以限制本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下提出的等同变化、修改和结合，均属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，包括模型箱(1)、挡土墙面板(5)、填料(7)、竖向荷载加载系统(10)以及测试系统；

所述填料(7)填充于模型箱(1)内，所述挡土墙面板(5)布置在模型箱(1)前；所述竖向荷载加载系统(10)设置于模型箱(1)上方，给模型施加垂直压力；

所述填料(7)为密度在5.2g/cm³～7.0g/cm³、内摩擦角在28°～35°之间的混合钢砂。

2.根据权利要求1所述的一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述模型箱(1)包括一U型支撑架(4)，所述U型支撑架(4)两侧支撑端内侧设置有钢化玻璃(2)；

所述支撑架(4)顶部设有横梁(3)；

所述支撑架(4)底部上方设有基础(15)；

还包括一封闭挡板(6)，与支撑架(4)两侧支撑端固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述基础(15)为采用橡胶材质的柔性结构。

4.根据权利要求2所述的一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述钢化玻璃(2)以及封闭挡板(6)与所述填料(7)的接触面分别设有一润滑层(9)。

5.根据权利要求1所述的一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述混合钢砂包括密度为4.835g/cm³，内摩擦角为35.1°的铅状钢丸以及密度为5.065g/cm³，内摩擦角为18.1°的普通钢砂，按照1.1：1～1.5：1的比例混合。

6.根据权利要求5所述的一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述铅状钢丸与普通钢砂的混合比例为1.3：1。

7.根据权利要求1所述的一种加筋土挡土墙模型试验装置，其特征在于，所述测试系统包括应力测试装置、位移测试装置和挡墙内部变形测试装置；

所述应力测试装置包括设置于填料(7)中的横向土压力测试装置和竖向土压力测试装置；所述横向土压力测试装置包括横向微型土压力盒(12)，以测定横向土压力；所述竖向土压力测试装置包括竖向微型土压力盒(11)，以测定竖向土压力；

所述位移测试装置包括激光位移传感器支架(13)以及设置在该支架上的激光位移传感器(14)；

所述挡墙内部变形测试装置包括设置于模型箱(1)内的标记线和彩砂。

8.一种加筋土挡土墙模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)实验基础的处理；将基础(15)铺设在模型箱(1)底部，保证基础(15)的完整性，没有缝隙；

2)采用行吊进行封闭面板(6)的吊装，就位后，将封闭面板(6)与模型箱(1)通过固定连接，形成固定框架，在封闭挡板内侧涂一层润滑剂，并布置润滑层(9)，减小填料沉降时与封闭面板(6)之间的摩擦阻力；在模型箱钢化玻璃板(2)内壁涂以润滑剂，并在玻璃板内侧铺设润滑层(9)，减小箱壁与填料摩擦的影响，达到平面应变状态；

3)模型制作；将填料(7)分层加入模型箱(1)中，按照设计要求进行压实、布置加筋材料；

4)安装微型土压力盒；土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，即填料(7)高度超过土压力盒位置一定高度后进行反开挖，将压力盒放入并回填压实；

5)安装顶部竖向荷载加载装置；填料(7)在压实整平后，在模型顶部安装竖向荷载加载系统(10)，保证荷载施加均匀，给模型施加竖向荷载；

6)安装挡墙模型变形测试装置；在模型制作过程中，当模型制作到指定高度时，在靠近钢化玻璃板(2)的两侧铺设一小层彩砂，并在钢化玻璃板(2)外侧的对应高度用黑笔画上一条标记线，试验过程中，对比彩砂的形状和标记线即可得到模型的变形特征；

7)安置位移监测仪器；侧向位移和竖向沉降的监测，在挡土墙的正面安装激光位移传感器支架(13)，将激光位移传感器(14)安装在支架上，用以测量挡土墙面板的水平位移和模型的竖向沉降。