CN105890991A - 考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，步骤是：A、进行刚性挡墙发生不同位移模式时的主动与被动土压力试验；B、一直使刚性挡墙在现有状态下保持静止状态；C、箱体内土体随着时间的推移发生流变，产生土压力松弛效应；D、通过计算机程序反馈，获取内各个时刻薄膜式压力传感器读数；E、得到土压力随时间变化的结果。试验装置由箱体、上下滑块、上下滑槽、上下千斤顶、刚性挡墙、竖向承压板、柔性加载水囊、薄膜式压力传感器、位移传感器等构成。步序合理，操作方便，高效节约，性能优异，满足了考虑土体流变作用时，刚性挡墙土压力随时间变化规律的研究需要。

Description

考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法

技术领域

本发明涉及建筑与土木工程试验测试技术领域，尤其涉及一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，同时还涉及一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置，它适用于考虑时间效应和土体流变效应，同时模拟刚性挡墙不同位移模式下的主动、被动土压力试验。

背景技术

大量的基坑开挖、填土挡墙、地铁隧道和地下空间开发利用等工程中普遍遇到土压力问题，正确确定土压力是进行上述工程的合理设计和顺利施工的前提，也是确保工程项目安全性和经济性的基础。

为了进行土压力相关理论研究，需要一种功能完善的试验方法来进行土压力的实验室物理模拟。土压力是一个时间函数，从基坑开挖到基坑支护结构的完成，以及建筑物建成后，土压力一直随时间而变化。考虑到土体的流变特性，研究土压力随时间变化，对于基坑开挖工程有着重要的理论价值和工程实用价值。由于目前用于基坑开挖方面的土压力计算理论(如朗肯理论)并没有考虑时间对土压力的影响，因而在实际运用中存在着局限性。

为解决上述问题，研究一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，考虑到土体时间效应，同时完成刚性挡墙不同位移模式下的主动、被动土压力试验，在工程上，对于挡土结构的设计和土压力理论的发展，以及工程技术水平的提高都具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是针对土建工程中承受着土体侧压力的构筑物（如抗滑桩、挡土墙等），是在于提供了一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，步序合理，操作方便，高效节约，性能优异，满足了土体流变条件下，刚性挡墙土压力分布规律的研究需要，对于土压力理论的发展，以及工程测试技术水平的提高具有重要意义。

本发明的另一个的目是在于提供了一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置，结构合理，操作方便，高效节约，性能优异，满足了考虑土体流变作用时，刚性挡墙土压力随时间变化规律的研究需要，对于土建工程技术水平的提高具有重要意义。

为解决上述问题，本发明采用以下技术措施来实现上述目的：

一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，包括以下步骤：

一、预先通过一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置进行刚性挡墙发生不同位移模式时的主动与被动土压力试验，待试验完成后，使刚性挡墙处于已发生特定位移量的平动状态或者特定角度的转动状态；所述在特定位移量是0.1~10mm，特定角度范围是0.01°~5°。

二、通过位移传感器的读数进行刚性挡墙的位移控制，在整个考虑土体流变的土压力松弛效应试验过程中，保持所有位移传感器读数不变，即能一直使刚性挡墙在现有状态下保持静止状态，读取此时刚性挡墙前、后侧面上薄膜式压力传感器的读数，作为主动、被动土压力初始值；

三、箱体内土体随着时间的推移发生流变，从而导致主动和被动土压力随时间发生变化，产生土压力松弛效应；

四、在土体流变过程中，按照试验设定的采样频率6~12次/小时，通过计算机程序反馈，获取试验所需时间段内各个时刻的刚性挡墙前、后侧面上每个薄膜式压力传感器的读数，直到各个薄膜式压力传感器的读数在5天内保持不变，认为土压力达到稳定状态，停止测试。所述的试验所需时间段为1~3月；

五、通过薄膜式压力传感器的读数测试得到土压力随时间变化的结果（见附图6），分析刚性挡墙不同深度主动土压力和被动土压力随时间的变化规律，揭示刚性挡墙主动土压力和被动土压力的松弛效应。

所述的一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置，它由箱体、上滑块、下滑块、上滑槽、下滑槽、上千斤顶、下千斤顶、刚性挡墙、竖向承压板、柔性加载水囊、薄膜式压力传感器、孔压探头、位移传感器等部件构成。所述的箱体为一个长3m，宽1.2m，高1.5m的钢制敞口长方体状容器，箱体由槽钢、工字钢等型钢焊接而成，以保证足够大的刚度。所述的箱体后侧板下部中央距下沿10~15cm处焊接进水管，进水管作为试验中土体水分输入通道，箱体前侧板上部中央距上沿10~15cm处焊接排气管，排气管作为试验中土体内空气排出通道。所述的箱体内部紧贴前侧板和后侧板内壁各放置一块多孔板，多孔板距箱体前侧板和后侧板1~2cm，并与箱体前侧板和后侧板平行，多孔板宽度与箱体宽度相同，多孔板的高度比箱体高度小8~10cm，此高度略大于柔性加载水囊的满水高度，保证柔性加载水囊的加载空间。所述的箱体的左、右箱体侧板规格相同，左、右箱体侧板上均留有二个矩形开口，矩形开口的纵轴线水平，上矩形开口中心点位于箱体侧板竖向中轴线上2/3高度处，下矩形开口中心点位于箱体侧板竖向中轴线上1/3高度处，上矩形开口长20~25cm，高8~10cm，下矩形开口长20~25cm，高4~6cm。所述的箱体侧板的上矩形开口和下矩形开口处的外侧壁上分别焊接上滑槽和下滑槽，上滑槽和下滑槽的敞口面朝向箱体侧板上的相应的矩形开口，上滑槽和下滑槽的前侧壁分别开有贯穿性圆柱孔A和贯穿性圆柱孔B；上滑槽内中央放置上滑块，上千斤顶的活塞杆穿过上滑槽前侧壁的贯穿性圆柱孔A，通过球铰与上滑块前侧面中心连接，上千斤顶焊接在上千斤顶台座上；下滑槽内中央放置下滑块，下千斤顶的活塞杆穿过下滑槽前侧壁的贯穿性圆柱孔B，通过球铰与下滑块的前侧面中心连接，下千斤顶焊接在下千斤顶台座上，上千斤顶台座和下千斤顶台座分别焊接在箱体侧板前端部外壁2/3高度处和1/3高度处；所述的上滑槽和下滑槽均为敞口凹形槽体，上滑槽和下滑槽的轴线保持水平，敞口面向箱体，上滑槽内空尺寸为长60~80cm，宽10~12cm，高12~15cm，上滑槽敞口面的中心与箱体侧板的上矩形开口中心在竖直面内重合；下滑槽内空尺寸为长60~80cm，宽10~12cm，高10~12cm，下滑槽敞口面的中心与箱体侧板的下矩形开口中心在竖直面内重合。所述的上滑块和下滑块均是钢制长方体，上滑块或下滑块的宽度和高度较上滑槽或下滑槽内空宽度和高度相应小1mm。所述的上滑块朝向箱体的侧面在中心处车有一深度约5~6cm的竖直槽口D，槽口D平面形状为矩形与上下二个半圆组合而成，槽口D的宽度较上连接钢杆外径大1mm，槽口D的高度为9~10cm；下滑块朝向箱体的侧面在中心处钻有一深度约5~6cm的圆柱孔C，圆柱孔C的内径较下连接钢杆的外径大1mm。所述的千斤顶台座是长和宽均为15~16cm的型钢板，共有四个，左右箱体侧板上各焊接二个，千斤顶台座与箱体侧板垂直并与箱体前侧板平行。所述的上连接钢杆的一端直接插入上滑块的竖直槽口D中，上连接钢杆的另一端与刚性挡墙刚性连接；下连接钢杆的一端直接插入下滑块的圆柱孔C内，下连接钢杆的另一端与刚性挡墙刚性连接。圆柱孔C的底端从中心处开有直径3cm的直角状细孔，细孔沿圆柱孔C底端延伸2~3cm后，发生90°转向并斜向下从下滑块后侧面穿出。上连接钢杆和下连接钢杆是长度8~10cm，外径40~50mm，内径20mm的钢制空心圆柱，上连接钢杆和下连接钢杆插入上滑块和下滑块的深度均为45~55mm。所述的上弹性钢片和下弹性钢片分别焊接在上滑块和下滑块朝向箱体的侧面上，其安装位置分别对应箱体侧板的上矩形开口和下矩形开口。上滑块在上连接钢杆的两边分别焊接二片上弹性钢片，下滑块在下连接钢杆的两边分别焊接二片下弹性钢片。上弹性钢片和下弹性钢片均为厚度1~2mm、长度20~25cm的薄钢片，上弹性钢片高度比箱体侧板的上矩形开口的高度小1~2mm，下弹性钢片高度比箱体侧板的下矩形开口的高度小1~2mm。弹性钢片在滑块滑动过程中可以覆盖箱体侧板上的矩形开口，防止试样漏进滑槽内。所述的箱体内填有土体，土体上表面水平，距箱体顶端5~6cm；刚性挡墙竖直埋设于土体中，土体上表面超过刚性挡墙15cm以上。土体上表面水平放置柔性加载水囊，柔性加载水囊上水平放置竖向承压板，竖向承压板通过螺栓固定连接在箱体顶部上，在竖向承压板与箱体接触部位设置密封胶带，防止土体中水分渗出。试验中通过柔性加载水囊加压，来模拟土体表面竖向荷载，柔性加载水囊可以实现向土体柔性加载，保证受力均匀，减小测试误差。所述的在刚性挡墙前侧面和后侧面的竖向轴线处各布设一组薄膜式压力传感器，在刚性挡墙前侧面和后侧面上各布设二只孔压探头，在上滑槽和下滑槽内部后端各安装一只位移传感器，位移传感器水平放置，位移传感器顶杆头直接顶在上滑块或下滑块的后侧面中心。所述的刚性挡墙为厚度约10~15cm的钢板与型钢制成的组合型钢板，刚性挡墙为内部有刚性支撑的空心厚板状结构，刚性挡墙宽度比箱体宽度小约6~10mm，高度约90~100cm。所述的下连接钢杆末端密封连接一条空心软管，软管直径2cm，软管在下滑块中通过圆柱孔C底端的细孔从后侧面穿出下滑块，通过在下滑槽后侧壁中间偏下的位置钻孔将软管穿出下滑槽，软管与下滑槽间布设密封圈，防止水分流失。薄膜式压力传感器和孔压探头所连接的数据线，通过在刚性挡墙上开孔进入刚性挡墙内部，经由下连接钢杆和软管穿出箱体，在外部连接采集仪等试验测试装置。所述的位移传感器从上滑槽或下滑槽的后壁钻孔穿出，位移传感器与上滑槽或下滑槽之间布设密封圈，防止漏水。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1) 通过位移传感器和千斤顶的结合，可精确控制刚性挡墙位移量及静止状态，考虑到土的流变特性，研究土压力随时间变化，实现对土压力松弛效应的测试与分析；

2）试验方法可实现挡墙平动和各种转动等多种不同的位移模式，并可精确控制平动位移和转动位移、角度，从而测试各种工况下土压力的分布情况；

3）竖向承压板和柔性加载水囊组成的竖向加压装置，可以实现且更好的模拟地面荷载作用下的土压力。

4）通过土体内置挡墙，通过一次试验可同时完成土体主动土压力和被动土压力的测试，大大节约了人力物力成本和测试效率；

该考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，通过置于箱体内部的挡墙来模拟挡墙土压力平面应变问题，可测试考虑时间效应的不同荷载条件下的土体主动、被动土压力，功能完善，操作性强，高效节约，对工程设计、施工有较好的指导作用，对于土压力理论的发展，以及工程技术的提高都具有重要意义。

附图说明

图1为一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置俯视图。

图2为一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置主视图。

图3为一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置剖面结构示意图。

图4为一种下滑块组件结构示意图。

图5为一种上滑块组件结构示意图。

图6为一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验土压力结果。

图中：1—箱体，11—箱体侧板，12—多孔板，13—进水管，14—排气管，211—上滑块，212—下滑块，221—上弹性钢片，222—下弹性钢片，231—上连接钢杆，232—下连接钢杆，31—上滑槽， 32—下滑槽，41—上千斤顶，42—下千斤顶，421—上千斤顶台座，422—下千斤顶台座，5—刚性挡墙，6—竖向承压板，61—密封胶带，7—柔性加载水囊，81—薄膜式压力传感器（MFF系列多点薄膜压力测试系统），82—孔压探头（PW系列孔隙水压力计），83—位移传感器（符合量程100~150mm，精度为1/100mm的各种弹簧回弹式位移计），9—土体。

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步详细描述：

根据图1、图2、图3、图4、图5、图6可知，一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，包括以下步骤：

一、预先通过一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置进行刚性挡墙5发生不同位移模式时的主动与被动土压力试验，待试验完成后，使刚性挡墙5处于已发生特定位移量的平动状态或者特定角度的转动状态；所述在特定位移量是0.1或0.5或1或2或4或6或8或10mm，特定角度范围是0.01°或0.05°或0.1°或0.5°或1°或3°或5°。

二、通过位移传感器83的读数进行刚性挡墙5的位移控制，在整个考虑土体流变的土压力松弛效应试验过程中，保持所有位移传感器83读数不变，即能一直使刚性挡墙5在现有状态下保持静止状态，读取此时刚性挡墙5前、后侧面上薄膜式压力传感器81的读数，作为主动、被动土压力初始值；

三、箱体1内土体9随着时间的推移发生流变，从而导致主动和被动土压力随时间发生变化，产生土压力松弛效应；

四、在土体9流变过程中，按照试验设定的采样频率6或8或10或12次/小时，通过计算机程序反馈，获取试验所需时间段内各个时刻的刚性挡墙5前、后侧面上每个薄膜式压力传感器81的读数，直到各个薄膜式压力传感器81的读数在5天内保持不变，认为土压力达到稳定状态，停止测试。所述的试验所需时间段为1或1.5或2或2.5或3月；

五、通过薄膜式压力传感器81的读数测试得到土压力随时间变化的结果（见附图6），分析刚性挡墙5不同深度主动土压力和被动土压力随时间的变化规律，揭示刚性挡墙5主动土压力和被动土压力的松弛效应。

所述的一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置，它由箱体1、上滑块211、下滑块212、上滑槽31、下滑槽32、上千斤顶41、下千斤顶42、刚性挡墙5、竖向承压板6、柔性加载水囊7、薄膜式压力传感器81、孔压探头82、位移传感器83等部件构成。所述的箱体1为一个长3m，宽1.2m，高1.5m的钢制敞口长方体状容器，箱体1由槽钢、工字钢等型钢焊接而成，以保证足够大的刚度。所述的箱体1后侧板下部中央距下沿10或12或15cm处焊接进水管13，进水管13作为试验中土体9水分输入通道，箱体1前侧板上部中央距上沿10或12或15cm处焊接排气管14，排气管14作为试验中土体9内空气排出通道。所述的箱体1内部紧贴前侧板和后侧板内壁各放置一块多孔板12，多孔板12距箱体1前侧板和后侧板1或2cm，并与箱体1前侧板和后侧板平行，多孔板12宽度与箱体1宽度相同，多孔板12的高度比箱体1高度小8或9或10cm，此高度略大于柔性加载水囊7的满水高度，保证柔性加载水囊7的加载空间。所述的箱体1的左、右箱体侧板11规格相同，左、右箱体侧板11上均留有二个矩形开口，矩形开口的纵轴线水平，上矩形开口中心点分别位于箱体侧板11竖向中轴线上2/3高度处，下矩形开口中心点分别位于箱体侧板11竖向中轴线上1/3高度处，上矩形开口长20或21或22或23或24或25cm，高8或9或10cm，下矩形开口长20或21或22或23或24或25cm，高4或5或6cm。所述的箱体侧板11的上矩形开口和下矩形开口处的外侧壁上分别焊接上滑槽31和下滑槽32，上滑槽31和下滑槽32的敞口面朝向箱体侧板11上的相应的矩形开口，上滑槽31和下滑槽32的前侧壁分别开有贯穿性圆柱孔A和贯穿性圆柱孔B；上滑槽31内中央放置上滑块211，上千斤顶41的活塞杆穿过上滑槽31前侧壁的贯穿性圆柱孔A，通过球铰与上滑块211前侧面中心连接，上千斤顶41焊接在上千斤顶台座421上；下滑槽32内中央放置下滑块212，下千斤顶42的活塞杆穿过下滑槽32前侧壁的贯穿性圆柱孔B，通过球铰与下滑块212的前侧面中心连接，下千斤顶42焊接在下千斤顶台座422上，上千斤顶台座421和下千斤顶台座422分别焊接在箱体侧板11前端部外壁2/3高度处和1/3高度处；所述的上滑槽31和下滑槽32均为敞口凹形槽体，上滑槽31和下滑槽32的轴线保持水平，敞口面向箱体1，上滑槽31内空尺寸为长60或70或80cm，宽10或11或12cm，高12或13或14或15cm，上滑槽31敞口面的中心与箱体侧板11的上矩形开口中心在竖直面内重合；下滑槽32内空尺寸为长60或70或80cm，宽10或11或12cm，高10或11或12cm，下滑槽32敞口面的中心与箱体侧板11的下矩形开口中心在竖直面内重合。所述的上滑块211和下滑块212均是钢制长方体，上滑块211或下滑块212的宽度和高度较上滑槽31或下滑槽32内空宽度和高度相应小1mm。所述的上滑块211朝向箱体1的侧面在中心处车有一深度约5~6cm的竖直槽口D，槽口D平面形状为矩形与上下二个半圆组合而成，槽口D的宽度较上连接钢杆231外径大1mm，槽口D的高度为9或10cm；下滑块212朝向箱体1的侧面在中心处钻有一深度约5或6cm的圆柱孔C，圆柱孔C的内径较下连接钢杆232的外径大1mm。所述的上千斤顶台座421和下千斤顶台座422均是长和宽均为15或16cm的型钢板，共有四个，左右箱体侧板11上各焊接二个，上千斤顶台座421和下千斤顶台座422与箱体侧板11垂直并与箱体1前侧板平行。所述的上连接钢杆231的一端直接插入上滑块211的竖直槽口D中，上连接钢杆231的另一端与刚性挡墙5刚性连接；下连接钢杆232的一端直接插入下滑块212的圆柱孔C内，下连接钢杆232的另一端与刚性挡墙5刚性连接。圆柱孔C的底端从中心处开有直径3cm的直角状细孔，细孔沿圆柱孔C底端延伸2或3cm后，发生90°转向并斜向下从下滑块212后侧面穿出。上连接钢杆231和下连接钢杆232是长度8或9或10cm，外径40或45或50mm，内径20mm的钢制空心圆柱，上连接钢杆231和下连接钢杆232插入上滑块211和下滑块212的深度均为45或50或55mm。所述的上弹性钢片221和下弹性钢片222分别焊接在上滑块211和下滑块212朝向箱体1的侧面上，其安装位置分别对应箱体侧板11的上矩形开口和下矩形开口。上滑块211在上连接钢杆231的两边分别焊接二片上弹性钢片221，下滑块212在下连接钢杆232的两边分别焊接二片下弹性钢片222。上弹性钢片221和下弹性钢片222均为厚度1或2mm、长度20或22或25cm的薄钢片，上弹性钢片221高度比箱体侧板11的上矩形开口的高度小1或2mm，下弹性钢片222高度比箱体侧板11的下矩形开口的高度小1或2mm。弹性钢片在滑块滑动过程中可以覆盖箱体侧板11上的矩形开口，防止试样漏进滑槽内。所述的箱体1内填有土体9，土体9上表面水平，距箱体1顶端5或6cm；刚性挡墙5竖直埋设于土体9中，土体9上表面超过刚性挡墙5 15cm以上。土体9上表面水平放置柔性加载水囊7，柔性加载水囊7上水平放置竖向承压板6，竖向承压板6通过螺栓固定连接在箱体1顶部上，在竖向承压板6与箱体1接触部位设置密封胶带61，防止土体9中水分渗出。试验中通过柔性加载水囊7加压，来模拟土体9表面竖向荷载，柔性加载水囊7可以实现向土体9柔性加载，保证受力均匀，减小测试误差。所述的在刚性挡墙5前侧面和后侧面的竖向轴线处各布设一组薄膜式压力传感器81，在刚性挡墙5前侧面和后侧面上各布设二只孔压探头82，在上滑槽31和下滑槽32内部后端各安装一只位移传感器83，位移传感器83水平放置，位移传感器83顶杆头直接顶在上滑块211或下滑块212的后侧面中心。所述的刚性挡墙5为厚度约10或12或15cm的钢板与型钢制成的组合型钢板，刚性挡墙5为内部有刚性支撑的空心厚板状结构，刚性挡墙5宽度比箱体1宽度小约6或8或10mm，高度约90或95或100cm。所述的下连接钢杆232末端密封连接一条空心软管，软管直径2cm，软管在下滑块212中通过圆柱孔C底端的细孔从后侧面穿出下滑块212，通过在下滑槽32后侧壁中间偏下的位置钻孔将软管穿出下滑槽32，软管与下滑槽32间布设密封圈，防止水分流失。薄膜式压力传感器81和孔压探头82所连接的数据线，通过在刚性挡墙5上开孔进入刚性挡墙5内部，经由下连接钢杆232和软管穿出箱体1，在外部连接采集仪等试验测试装置。所述的位移传感器83从上滑槽31或下滑槽32的后壁钻孔穿出，位移传感器83与上滑槽31或下滑槽32之间布设密封圈，防止漏水。

Claims (1)

1.一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验方法，包括以下步骤：

A、预先通过一种考虑土体流变的土压力松弛效应试验的装置进行刚性挡墙（5）发生不同位移模式时的主动与被动土压力试验，待试验完成后，使刚性挡墙（5）处于已发生的平动状态或者转动状态；

B、通过位移传感器（83）的读数进行刚性挡墙（5）的位移控制，在整个考虑土体流变的土压力松弛效应试验过程中，所有位移传感器（83）读数不变，一直使刚性挡墙（5）在现有状态下保持静止，读取刚性挡墙（5）前、后侧面上薄膜式压力传感器（81）的读数，为主动、被动土压力初始值；

C、箱体（1）内土体（9）随着时间的推移发生流变，导致主动和被动土压力随时间发生变化，产生土压力松弛效应；

D、在土体（9）流变过程中，按照试验设定的采样频率6~12次/小时，通过计算机程序反馈，获取试验所需时间段内各个时刻的刚性挡墙（5）前、后侧面上每个薄膜式压力传感器（81）的读数，直到各个薄膜式压力传感器（81）的读数在5天内保持不变，土压力达到稳定状态，停止测试，所述的试验时间段为1~3月；

E、通过薄膜式压力传感器（81）的读数测试得到土压力随时间变化的结果，分析刚性挡墙（5）不同深度主动土压力和被动土压力随时间的变化规律，揭示刚性挡墙（5）主动土压力和被动土压力的松弛效应。