CN105239610A - 可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置 - Google Patents
可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，包括有限填土模型箱系统、挡土墙绕墙底转动系统和PIV测试系统；本发明的试验装置，能够真正模拟有限填土挡墙绕墙底转动时的自然应力状态，即试验时土体应力状态与实际工程中土体的状态相同；本发明试验装置在挡土墙上等高度间距设置高精度的土压力传感器，可以实时量测有限填土的土压力；本发明试验装置在模型箱正前方设置高精度的摄像机，同时用PIV技术可以实时量测挡墙绕墙底转动全过程中土体位移图像；本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，易于掌握。
Description
技术领域
本发明涉及一种土木工程土工模型试验装置，特别是一种可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，应用于岩土工程的土工试验。
背景技术
作用于支挡结构物上的土压力计算是岩土工程设计中的关键问题。经典理论假定墙后为半无限土体、土体变形达到极限状态。而实际工程设计中挡墙位移易受到容许位移量的限制，土体未能完全到迖极限平衡状态，土压力处于静止土压力与极限土压力之间。例如临近既有地下室基坑支护结构、临近基岩面的边坡挡土墙、地铁车站狭窄基坑支护结构等。上述这类土压力问题可统一归结为有限土体的土压力问题。经典库伦或朗肯土压力理论均已不适用以上工程实际。
此外，刚性挡土墙位移模式对土压力分布具有重要影响。因此研究不同转动方式，如绕墙底转动、绕墙顶转动等对刚性挡土墙土压力及变形的影响显得非常必要。关于有限填土土压力，已有的研究成果都集中于理论分析，缺少大量模型试验数据的支撑。目前关于有限填土挡土墙绕墙底转动时土压力及位移变化规律开展的模型试验研究甚少。因此研究挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的变形规律，对基坑工程、边破工程的稳定性评估和预测具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，在实现有限填土挡墙发生绕墙底转动情况下，能够实时、精确地量测挡墙上土压力的分布及土体位移的变化。本发明的可实时量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及变形的模型试验装置仪器构造简单，操作方便，易于掌握。
本发明的技术方案是这样实现的：一种可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，该装置包括有限填土模型箱系统、挡土墙绕墙底转动系统和PIV测试系统。
所述的有限填土模型箱系统包括一个上面及右侧面开敞的透明有机玻璃模型箱，用混泥土浇筑的前、后两侧开敞的L字形混凝土浇筑块，一块安装在L字形混凝土浇筑块底部合页上的第一钢板和第一钢板上贴的第一砂布层，所述的L字形混凝土浇筑块安装在透明有机玻璃模型箱内，钢板倾斜放置在L字形混凝土浇筑块底板上设置的锯齿凹槽内；挡土墙绕墙底转动系统包括与透明有机玻璃模型箱内等宽的挡土墙，安装在合页上的第二钢板，贴在第二钢板内侧的第二砂布层，贴在第二钢板外侧的四氟乙烯层，贴在第二砂布层内侧的应力传感膜，在应力传感膜和第一砂布层之间的透明有机玻璃模型箱内填充有土体，在挡土墙外侧固定安装有轴力传感器，轴力传感器与推进轴相连接，推进轴与SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪相连接，在轴力传感器下方的挡土墙外侧固定安装有位移计；所述的PIV测量系统包括安装在土体外侧的壳体，壳体内安装有LED灯、CCD高速相机和图像采集处理器。
所述的L字形混凝土浇筑块的底板上帖置有第三砂布层。
所述的锯齿凹槽至少为三个，所述的四氟乙烯层设置在挡土墙和第二钢板之间。
所述的LED灯为两个，LED灯设置在透明有机玻璃模型箱前方对称位置，LED灯是额定功率为30W的交直流LED泛光灯。
所述的应力传感膜设置在第二砂布层内侧面上，应力传感膜采用多点薄膜压力传感器制成，应力传感膜厚度为0.2mm，直径为10mm，量测范围为0至10kPa，精度为1%。
所述的位移计的量程为0至10mm，精度为0.01mm。
所述的轴力传感器的量程为0至5kN，精度为0.001。
所述的SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪的剪切速度分别为：0.02mm/min、0.8mm/min和2.4mm/min，最大剪切力为5KN。
所述的CCD高速相机分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供了Camlink专用接口。
本发明具有如下的积极效果：首先，本发明结构简单，操作方便，包括有限填土模型箱系统、挡土墙绕墙底转动系统和PIV测试系统；本发明的试验装置，能够真正模拟有限填土挡墙绕墙底转动时的自然应力状态，即试验时土体应力状态与实际工程中土体的状态相同；本发明试验装置在挡土墙上等高度间距设置高精度的土压力传感器，可以实时量测有限填土的土压力；本发明试验装置在模型箱正前方设置高精度的摄像机，同时用PIV技术可以实时量测挡墙绕墙底转动全过程中土体位移图像；本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，易于掌握。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为本发明的俯视结构示意图。
图3为本发明的锯齿凹槽结构示意图。
图4为本发明的第二钢板结构示意图。
图5为本发明的轴力传感器结构示意图。
具体实施方式
如图1、2、3、4、5所示，一种可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，该装置包括有限填土模型箱系统、挡土墙绕墙底转动系统和PIV测试系统。
所述的有限填土模型箱系统包括一个上面及右侧面开敞的透明有机玻璃模型箱1，用混泥土浇筑的前、后两侧开敞的L字形混凝土浇筑块2，一块安装在L字形混凝土浇筑块2底部合页11上的第一钢板12和第一钢板12上贴的第一砂布层5-1，所述的L字形混凝土浇筑块2安装在透明有机玻璃模型箱1内，钢板12倾斜放置在L字形混凝土浇筑块2底板上设置的锯齿凹槽3内；挡土墙绕墙底转动系统包括与透明有机玻璃模型箱1内等宽的挡土墙4，安装在合页11上的第二钢板13，贴在第二钢板13内侧的第二砂布层5-2，贴在第二钢板13外侧的四氟乙烯层14，贴在第二砂布层5-2内侧的应力传感膜6，在应力传感膜6和第一砂布层5-1之间的透明有机玻璃模型箱1内填充有土体15，在挡土墙4外侧固定安装有轴力传感器7，轴力传感器7与推进轴10相连接，推进轴10与SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8相连接，在轴力传感器7下方的挡土墙4外侧固定安装有位移计9；所述的PIV测量系统包括安装在土体15外侧的壳体16，壳体16内安装有LED灯18、CCD高速相机17和图像采集处理器19。
所述的L字形混凝土浇筑块2的底板上帖置有第三砂布层5-3。所述的锯齿凹槽3至少为三个，所述的四氟乙烯层14设置在挡土墙4和第二钢板13之间。所述的LED灯18为两个，LED灯18设置在透明有机玻璃模型箱1前方对称位置，LED灯18是额定功率为30W的交直流LED泛光灯。所述的应力传感膜6设置在第二砂布层5-2内侧面上，应力传感膜6采用多点薄膜压力传感器制成，应力传感膜6厚度为0.2mm，直径为10mm，量测范围为0至10kPa，精度为1%。所述的位移计9的量程为0至10mm，精度为0.01mm。所述的轴力传感器7的量程为0至5kN，精度为0.001。所述的SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8的剪切速度分别为：0.02mm/min、0.8mm/min和2.4mm/min，最大剪切力为5KN。所述的CCD高速相机17分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供了Camlink专用接口。PIV测量系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由两盏泛光LED灯18、CCD高速相机17、图像采集及后处理器19等组成，软件系统采用德国LaVision公司DaVis8.0系列软件及PIVview2C软件完成挡墙绕墙底转动全过程土体位移图像的采集分析与展示工作。
实施例1：透明有机玻璃模型箱1其前后两面长为500mm，宽为400mm，左侧面长为400mm，宽为200mm，底面长为500mm，宽为200mm，有机玻璃板厚均为10mm；L字形混凝土浇筑块2长度为530mm，宽度为200mm，高度为380mm，厚度为80mm；锯齿凹槽3，深度为5mm，长度为200mm，宽度为15mm，间隔10mm布置；挡土墙4，墙高为300mm，上底为40mm，下底为80mm，宽度为200mm；第一钢板12和第二钢板13长度均为500mm，宽度均为200mm，厚度均为5mm。
在挡墙内侧面上、钢板上和底板上均帖置一层砂纸，确保土体的摩擦性与砂纸摩擦性相一致，以便消除边界对土体应力和位移的影响，可真实再现土体的应力状态，使试验结果更加准确。模型箱前方对称设置两盏额定功率30W的交直流LED泛光灯作为光源18，可消除光线对CCD高速相机17拍照质量的不良影响，既保证光源的亮度又满足光源的稳定性要求，可更加准确地量测到土体的变形。
使用本实施例可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及变形的模型试验装置，其试验方法具体如下：
a．按照图示安装好试验装置，标定土压力传感膜6、轴力传感器7；
b．将预先制作好的土样15分层压实到设定目标压实度；
c.在模型箱前面对称设置交直流LED泛光灯18；打开PIV测量系统16，包括CCD高速相机17和相关软件系统；
d.运用标定板，进行PIV测量系统的标定工作；
e.安装位移计9，设置SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8的绕墙底转动速率；
f.土压力膜采集系统、电动等应变控制剪切仪向右绕墙底转动和PIV系统测量同时进行，并实时量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移，直到预定的目标位移结束试验；
g．可求出土体发生主动破坏过程中的土压力及变形的变化规律；
h.可以重复上述步骤a～步骤g的试验过程，不同的是上述步骤b土体的压实度不同；
k．通过在上述步骤h中不同压实度土体得到土体发生主动破坏过程中的土压力及变形，可研究土体发生主动破坏时压实度对土压力及变形的影响。
在本实施例中，土压力膜传感器采集系统、电动等应变控制剪切仪向右绕墙底转动和PIV系统测量同时进行，可很好地实现实时量测有限填土压力及其位移的变化。在本实施例土压力膜传感器精度高，电动等应变控制剪切仪具有三种控制速度、自动化高，PIV系统测量拍照速度高、照片分辨率高等优点。在本实施例模型试验装置使用方法操作方便，易于掌握，适用于砂土、粉土及其含少量黏粒的土体模型试验的测量。
实施例2：本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：改变有限填土两侧坡面的倾角，即通过将合页11放置于不同的锯齿凹槽3内，改变第一钢板12与第二钢板13的夹角来实现。可用来研究挡土墙发生绕墙底转动时不同有限填土坡面的倾角对土体压力及位移的影响。
实施例3：本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：改变第二钢板13绕墙底转动的方向，即使SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8向左绕墙底转动，可用来研究有限填土发生被动破坏时土体的压力及其位移的变化规律。
实施例4：本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：改变第二钢板13绕墙底转动的速率，即改变SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8绕墙底转动的速率，可用来研究挡土墙平移速度对土体压力及位移的影响。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及变形的模型试验装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：该装置包括有限填土模型箱系统、挡土墙绕墙底转动系统和PIV测试系统。
2.根据权利要求1所述的可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置，其特征在于：所述的有限填土模型箱系统包括一个上面及右侧面开敞的透明有机玻璃模型箱（1），用混泥土浇筑的前、后两侧开敞的L字形混凝土浇筑块（2），一块安装在L字形混凝土浇筑块（2）底部合页（11）上的第一钢板（12）和第一钢板（12）上贴的第一砂布层（5-1），所述的L字形混凝土浇筑块（2）安装在透明有机玻璃模型箱（1）内，钢板（12）倾斜放置在L字形混凝土浇筑块（2）底板上设置的锯齿凹槽（3）内；挡土墙绕墙底转动系统包括与透明有机玻璃模型箱（1）内等宽的挡土墙（4），安装在合页（11）上的第二钢板（13），贴在第二钢板（13）内侧的第二砂布层（5-2），贴在第二钢板（13）外侧的四氟乙烯层（14），贴在第二砂布层（5-2）内侧的应力传感膜（6），在应力传感膜（6）和第一砂布层（5-1）之间的透明有机玻璃模型箱（1）内填充有土体（15），在挡土墙（4）外侧固定安装有轴力传感器（7），轴力传感器（7）与推进轴（10）相连接，推进轴（10）与SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪（8）相连接，在轴力传感器（7）下方的挡土墙（4）外侧固定安装有位移计（9）；所述的PIV测量系统包括安装在土体（15）外侧的壳体（16），壳体（16）内安装有LED灯（18）、CCD高速相机（17）和图像采集处理器（19）。
3.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的L字形混凝土浇筑块（2）的底板上帖置有第三砂布层（5-3）。
4.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的锯齿凹槽（3）至少为三个，所述的四氟乙烯层（14）设置在挡土墙（4）和第二钢板（13）之间。
5.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的LED灯（18）为两个，LED灯（18）设置在透明有机玻璃模型箱（1）前方对称位置，LED灯（18）是额定功率为30W的交直流LED泛光灯。
6.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的应力传感膜（6）设置在第二砂布层（5-2）内侧面上，应力传感膜（6）采用多点薄膜压力传感器制成，应力传感膜（6）厚度为0.2mm，直径为10mm，量测范围为0至10kPa，精度为1%。
7.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的位移计（9）的量程为0至10mm，精度为0.01mm。
8.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的轴力传感器（7）的量程为0至5kN，精度为0.001。
9.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪（8）的剪切速度分别为：0.02mm/min、0.8mm/min和2.4mm/min，最大剪切力为5KN。
10.根据权利要求2所述的可量测挡土墙绕墙底转动时有限填土压力及位移的装置，其特征在于：所述的CCD高速相机（17）分辨率为1626pixel×1236pixel，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，曝光时间为100μs×80ms，采集速率可达200fps，同时提供了Camlink专用接口。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Jiang Tong Inventor after: Zhang Junran Inventor after: Zhang Tao Inventor after: Xue Lei Inventor after: Li Hongjun Inventor after: Wang Zhongfu Inventor after: Zhang Cuan Inventor after: Guo Mengmeng Inventor before: Jiang Tong Inventor before: Zhang Junran Inventor before: Li Hongjun Inventor before: Wang Zhongfu Inventor before: Zhang Cuan Inventor before: Guo Mengmeng |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170606 Termination date: 20191021 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |