CN107063883B - 一种土力学多功能联合试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土力学多功能联合试验装置及试验方法，装置包括模型槽、挡土墙系统、定坡机构、加载系统和可视化系统等。挡土墙系统模拟刚性挡土墙背离或推挤土体的方式，从而实现土压力大小的变化；定坡机构实现土坡坡度的变化；加载系统对地基施加竖向荷载；可视化系统通过模型槽开口处四个顶点处的摄像头记录试验过程中土体的破坏等特征并同步放映。本发明可进行挡土结构物土压力、边坡稳定性和地基承载力的相关试验，较好的补充了土力学中的教学试验课程，也为本领域技术人员分析复杂工况工程案例提供了依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种土力学多功能联合试验装置及试验方法，具体涉及一种挡土墙-边坡-地基土体破坏联合试验装置及试验方法。
背景技术
在土力学实验学习过程中，通常围绕“颗粒分析实验、液塑限实验、相对密实度实验、击实实验、渗透实验、压缩实验、直接剪切实验、三轴压缩实验”八个传统实验开展，主要关于如何获取土的基本物理、力学特性，对于土体在工程中的性质特点的介绍涉及较少，较为典型的不足是土力学实验学习内容缺乏与土力学中挡土结构物上的土压力、边坡稳定分析、地基承载力内容的对接，目前关于这三部分内容具体的实验装置较少。
在本发明之前，中国专利CN 102928296 A、CN101127169CN、CN 104153341 A和103233486 A均公开了关于挡土墙土压力的试验装置，但是都无法同时综合实验挡土墙填土受到静动荷载土体破坏和主动土压力、被动土压力和静止土压力变化的情况；
中国专利CN 104807746 A公开了一种可调节角度边坡试验台，但是边坡是由非土体模型模拟，无法真实演示边坡不同条件下出现土体破坏情况；
中国专利CN 103485371 A和CN101707024均公开了关于地基承载力的试验装置，但是对于地基土破坏时的受力仅考虑了静载情况，未考虑动载情况。
以上专利均为考虑单一工况下的试验装置，挡土墙-边坡-地基土体破坏联合试验装置及试验方法尚未被关注和研究，这部分实验内容的缺失，难以深刻理解该内容的基本原理与工程应用，上述不足之处不仅对于土力学的学习较为不利，也难以满足本领域的技术人员对挡土结构物的土压力、边坡稳定性和地基承载力的理论与试验分析的要求。
发明内容
针对以上所述的试验装置及方法的缺失和试验研究的不足，本发明的目的是提供一种土力学多功能联合试验装置及试验方法，本发明可演示土体在动静荷载下挡土墙静止土压力、主动土压力和被动土压力的分布；动静荷载下以及边坡受渗流影响时边坡稳定性情况；以及静动荷载作用下天然地基破坏的主要形式和观察振动荷载引发砂土液化对地基承载力的影响；通过室内实验，初步测算相应的挡土墙上土压力大小、边坡稳定安全系数、地基承载力和绘制P-s曲线。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种土力学多功能联合试验装置，包括：顶部开口的模型槽，用于填筑土体并形成土坡；模型槽包括钢板框架，以及连接在钢板框架两侧的透明有机玻璃侧板；
还包括挡土墙机构、定坡机构以及加载机构，其中：
所述挡土墙机构设置在模型槽内一端，包括：第一挡板，设置于模型槽内，与模型槽两侧的透明有机玻璃侧板及底板保持贴合并可相对滑动；启闭器，与所述第一挡板连接；第一挡板接触土体的一侧设有土压力检测机构，包括4个土压力盒，4个土压力盒分别竖向等间距均匀固定在一有机玻璃板中间位置上，有机玻璃板固定在第一挡板上，各土压力盒上通过引线与应变仪连接；
定坡机构，设置在模型槽内相对挡土墙机构的另一端，包括：第二挡板，第二挡板的底部两端通过对称设置的转动螺栓可转动的连接在两片透明有机玻璃侧板之间，第二挡板的上部一侧设有用于限制第二挡板转动角度的限位机构，包括：对称设置在透明有机玻璃侧板上的两个弧形定位滑轨，弧形定位滑轨上连接限位螺栓；
加载机构，包括：连接支架、加载横梁、传力杆、托盘、砝码、刚性承压板、弹性承压板以及振动平台，其中，连接支架一端固定连接在模型槽的外壁上，另一端通过支点螺栓与加载横梁的一端连接，加载横梁的另一端通过铰接螺栓连接托盘，传力杆上端与加载横梁卡扣连接，下端与刚性承压板或弹性承压板螺纹连接；
刚性承压板的表面焊接有螺栓接头；
弹性承压板由上板、下板和多个弹簧组成，上板上表面中心位置焊有螺栓接头，上板下表面与下板上表面均匀布置多个弹簧，弹簧两端与上板和下板为焊接连接；
振动平台包括上板、下板、弹簧以及凸轮，上板和下板平行对齐放置，上板上表面中心位置焊有螺栓接头，上板与下板之间均匀固定连接多个弹簧，凸轮设置于上板和下板的中间位置，凸轮上连接电机；
可视化系统，包括：连接在模型槽4个顶点处的4组图像采集单元，每组图像采集单元包括折叠杆以及摄像头，所述折叠杆一端连接摄像头，另一端通过球头固定在模型槽顶点上。
所述透明有机玻璃板上设有高度尺以及角度尺。
所述启闭器为手轮式启闭器，手轮式启闭器固定在前挡板上，手轮式启闭器上的顶推螺杆一端穿过前挡板后与所述第一挡板固定连接。
所述第一挡板为钢板，钢板上非接触土体的一侧焊接有加劲钢板，钢板上接触土体的一侧设置土压力检测机构，所述第二挡板为透明有机玻璃板、木质板或金属板中的任意一种。
所述钢板框架与侧板采用螺栓连接，连接处用胶水密封并在各个边角焊接加劲角钢。
一种基于所述的土力学多功能联合试验装置进行填土上加静载的方法，包括以下步骤：
S1.1：传力杆连接刚性承压板，刚性承压板放置在填土表面；
S1.2：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为mf；
S1.3：根据杠杆定理，静荷载
其中，m0为加载横梁质量，l0为加载横梁长度，lc为传力杆与支点螺栓距离，mc为传力杆质量，mg为刚性承压板质量，Sg为刚性承压板面积。
一种基于所述的土力学多功能联合试验装置进行填土上加竖向动载的方法，包括以下步骤：
S2.1：传力杆连接弹性承压板，将弹性承压板整体放置在填土表面，测量此时弹簧的长度x0；
S2.2：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为mf；
S2.3：测量在砝码和加载横梁的作用下弹性承压板的上板和下板之间的弹簧的长度为x1；
S2.4：撤去砝码，使弹簧带动加载横梁振动，弹簧对土体的反力即为土体表面受到的动荷载；
S2.5：根据杠杆定理和弹簧简谐振动原理，填土所受动荷载为：
一种基于所述的土力学多功能联合试验装置进行挡土结构物土压力试验方法，包括静止土压力测试，主动土压力测试和被动土压力测试三种，其中，
静止土压力试验方法具体包括以下步骤：
S3.1.1：分层填筑土体，至填土高度高于最高处的土压力盒且低于第一挡板高度时停止填土；
S3.1.2：将填筑好的土体静置半个小时，依次读取应变仪检测到的不同高度处的土压力盒应力值，绘制静止土压力沿挡墙深度的变化曲线；S3.1.3：填土上施加静荷载或动荷载，重复S3.1.2，并绘制填土表面受静荷载作用时静止土压力沿挡墙深度的变化曲线；
主动土压力试验方法具体包括以下步骤：
S3.2.1：在第一挡板后面固定百分表，指针调零；
S3.2.2：分层填筑土体，在每层填完压实之后，在每层上靠近透明有机玻璃侧板处撒黑砂线，再填筑上面一层，黑砂线用于观测破坏线的位置与形状，至填土高度高于最高处的土压力盒且低于第一挡板高度时停止填土；
S3.2.3：将填筑好的土体静置半个小时，测量第一挡板位移为零时的应变仪检测到的应变值；控制启闭器将第一挡板向着填土的反方向移动，位移为Δs时停止，Δs取值范围0.1mm～0.4mm，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线与透明有机玻璃板上刻度线的位置关系的变化情况；再移动Δs，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线位置变化；重复当前操作，直至黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；观察过程均同步通过可视化系统记录和放映；
S3.2.4：根据土压力盒对应的应力值，绘制主动土压力随深度变化的关系曲线；
S3.2.5：填土上施加静荷载或动荷载，重复S3.2.3，并绘制填土表面受荷载作用时主动土压力沿挡墙深度的变化曲线；
被动土压力试验方法具体包括以下步骤：
S3.3.1：在第一挡板后面固定百分表，将指针调到Kmm处，K的取值范围为8～10mm；
S3.3.2：分层填筑土体，填筑方式与上述主动土压力试验方法步骤S3.2.2相同；
S3.3.3：静置半小时之后记录第一挡板位移为零时的土压力盒应力值，控制启闭器将第一挡板缓慢向着填土的方向移动，单次移动K/3mm，待应变仪读数基本不发生变化时，记录各土压力盒的应力值，并观察预先分层埋设的黑砂线与有机玻璃上刻度线的位置关系；当移动三次后百分表指针指向0mm，待应变仪读数基本不发生变化后，重新安装百分表，使其指针指向Kmm处，重复操作，每次移动K/3mm应变仪读数基本不发生变化后记录应力值，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；观察过程均同步通过可视化系统记录和放映；
S3.3.4：根据土压力盒对应的应力值，绘制被动土压力随深度的变化曲线；
S3.3.5：填土上施加静荷载或动荷载，重复S3.3.3，并绘制填土表面受荷载作用时被动土压力沿挡墙深度的变化曲线。
一种基于所述的土力学多功能联合试验装置进行边坡稳定性试验方法，包括以下步骤：
S4.1：先将第二挡板旋转到合理的位置，拧紧侧壁上的限位螺栓，使第二挡板的倾斜角度固定；
S4.2：分层填筑土体；
S4.3：填至坡顶之后静置5分钟，拧松限位螺栓，转动移开第二挡板，观察土坡是否会发生滑塌；
S4.4：变换不同的坡度进行填筑，静置后移开第二挡板，观察坡面是否发生滑塌，并通过可视化系统记录和放映；
S4.5：缓慢向填土表面加水，观察渗流作用对边坡稳定性的影响；
S4.6：在填土上施加静荷载、动荷载或振动荷载，重复步骤S4.4，试验填土受不同荷载对边坡稳定性的影响。
一种基于所述的土力学多功能联合试验装置进行地基承载力试验方法，包括以下步骤：
S5.1：分层填筑地基；
S5.2：在刚性承压板两对角处安放百分表，将指针调到满刻度Xmm处；
S5.3：托盘上分级增加砝码配重，每增加一次砝码，记录此时地基上静荷载和百分表读数x mm，直至刚性承压板周边的土体产生明显的隆起终止实验；
S5.4：地基所受静荷载即为基底压力P，地基沉降s＝(X-x)mm，绘制基底压力和地基沉降的P-s的关系曲线，并根据曲线判断模拟地基的破坏形式；
S5.5：为探究承压板尺寸对实验结果的影响，改变刚性承压板的面积，重复步骤S5.1～S5.4进行对比分析实验；
S5.6：为演示振动荷载引发砂土液化现象对地基承载力的影响，地基土选用饱和砂土，将模型槽放置在振动平台上，启动凸轮，凸轮转动，带动模型槽做简谐振动，并对模型槽柔性击打以在饱和砂土地基中产生振动波，观察刚性承压板竖向位移随振动的变化。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明可以同时对土力学中挡土结构物土压力、边坡稳定性、地基承载力三个模块的内容进行演示分析实验；
2、本发明的小巧轻便，加载方式简便易于操作，具有较强的可操作性和可视性，有助于土力学的相关教学和学习；
3、本发明可同时试验分析挡土墙填土受静荷载或动荷载时静止土压力、主动土压力和被动土压力的分布，而且可以分析击实功对挡土墙土压力的影响；
4、本发明可试验分析边坡稳定破坏的主要形式，以及动静荷载和渗流作用下边坡稳定性的变化情况，可快速测定无粘性土的稳定性安全系数；
5、本发明可试验地基基础破坏的主要形式，以及静动荷载和地震荷载作用下地基承载力的变化情况，可进行分析尺寸效应的地基承载力的影响。
附图说明
图1土力学多功能联合试验装置加载静载荷时的结构示意图；
其中，1为手轮，2为顶推螺杆，3为启闭器，4为连接支架，5为支点螺栓，6为加载横梁，7为托盘，8为透明有机玻璃侧板，9为钢板框架，10为第一挡板，11为折叠杆，12为摄像头，13为弹性承压板，14为凸轮，15为传力杆，16为刚性承压板，17为砝码，18为第二挡板，19为限位螺栓，20为定位滑轨，21为水平高度标尺，22为角度标尺，23为转动螺栓；
图2土力学多功能联合试验装置加载动载荷时的结构示意图；
其中，24为弹性承压板；
图3不同填筑方式静止土压力分布图；
图4主动土压力分布随挡墙位移的影响；
图5被动土压力分布随挡墙位移的影响；
图6不同承压板面积对应的P-s曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种土力学多功能联合试验装置，包括：顶部开口的模型槽，用于填筑土体并形成土坡；模型槽包括由前钢板、底板及后钢板连接而成的钢板框架，以及连接在钢板框架两侧的透明有机玻璃侧板；
还包括挡土墙机构、定坡机构以及加载机构，其中，
挡土墙机构设置在模型槽内一端，包括：第一挡板，设置于模型槽内，与模型槽两侧的透明有机玻璃侧板及底板保持贴合并可相对滑动；启闭器，与所述第一挡板连接；第一挡板接触土体的一侧设有土压力检测机构，包括4个土压力盒，4个土压力盒分别竖向等间距均匀固定在一有机玻璃板中间位置上，有机玻璃板固定在第一挡板上，各土压力盒上通过引线与应变仪连接；
定坡机构，设置在模型槽内相对挡土墙机构的另一端，包括：第二挡板，第二挡板的底部两端分别通过转动螺栓可转动的连接在模型槽两侧的两片透明有机玻璃侧板之间，透明有机玻璃侧板上，位于第二挡板的后部上方对称设有两个弧形定位滑轨，弧形定位滑轨上连接有限位螺栓；
加载机构，包括：连接支架、加载横梁、传力杆、托盘、砝码、刚性承压板、弹性承压板以及振动平台，其中，连接支架一端固定连接在模型槽的外壁上，另一端通过支点螺栓与加载横梁的一端连接，加载横梁的另一端通过铰接螺栓连接托盘，传力杆上端与加载横梁卡扣连接，下端与刚性承压板或弹性承压板螺纹连接；
刚性承压板的表面焊接有螺栓接头；
弹性承压板由上板、下板和多个弹簧组成，上板上表面中心位置焊有螺栓接头，上板下表面与下板上表面均匀布置多个弹簧，弹簧两端与上板和下板为焊接连接；
振动平台包括上板、下板、弹簧以及凸轮，上板和下板平行对齐放置，上板上表面中心位置焊有螺栓接头，上板与下板之间均匀固定连接多个弹簧，凸轮设置于上板和下板的中间位置，凸轮上连接电机；
可视化系统，包括：连接在模型槽4个顶点处的4组图像采集单元，每组图像采集单元包括折叠杆以及摄像头，所述折叠杆一端连接摄像头，另一端通过球头固定在模型槽顶点上。
透明有机玻璃板上设有高度尺以及角度尺。
启闭器为手轮式启闭器，手轮式启闭器固定在前挡板上，手轮式启闭器上的顶推螺杆一端穿过前挡板后与所述第一挡板固定连接。
第一挡板为钢板，钢板上非接触土体的一侧焊接有加劲钢板，钢板上接触土体的一侧设置土压力检测机构，4个电阻式微型土压力盒，4个电阻式微型土压力盒固定在开槽有机玻璃挡板上，开槽固定在第一挡板上，各土压力盒上通过引线与电阻式应变测试仪连接；所述第二挡板为透明有机玻璃板、木质板或金属板中的任意一种。
钢板框架与侧板采用螺栓连接，连接处用胶水密封并在各个边角焊接加劲角钢。
利用本发明一种土力学多功能联合试验装置进行填土上加静载荷的方法，包括以下步骤：
步骤S1.1：传力杆连接刚性承压板，刚性承压板放置在填土表面；
步骤S1.2：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为20kg；
步骤S1.3：测量加载横梁质量7.4kg，加载横梁长度1.3m，传力杆与支点螺栓距离0.76m，传力杆质量为1.0kg，刚性承压板质量为0.5kg，刚性承压板面积为0.0225m2，根据杠杆定理，静荷载P静＝18.52kPa。
利用本发明一种土力学多功能联合试验装置进行填土上加竖向动载的方法包括以下步骤：
步骤S2.1：传力杆连接弹性承压板，弹性承压板下板下表面放置在填土表面，测量此时弹簧的长度0.20m；
步骤S2.2：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为40kg；
步骤S2.3：测量在砝码和加载横梁的作用下弹性承压板上下板之间的弹簧的长度为0.15m；
步骤S2.4：撤去砝码，使弹簧带动加载横梁振动，弹簧对土体的反力即为土体表面受到的动荷载；
步骤S2.5：测量加载横梁质量7.4kg，加载横梁长度1.3m，传力杆与支点螺栓距离0.76m，传力杆质量为1.0kg，弹性承压板质量为1.2kg，弹性承压板上板质量为0.5kg，弹性承压板面积为0.0225m2，根据杠杆定理和弹簧简谐振动原理，填土所受动荷载为P动＝29.8cos(38.82t)+4.02，其中t为时间。
利用本发明一种土力学多功能联合试验装置进行挡土结构物土压力实验实施例：
包括静止土压力测试，主动土压力测试和被动土压力测试；
静止土压力试验方法以下步骤：
步骤S3.1.1：分层填筑土体，第一种填筑方式为不压实；
第二种填筑方式为分层压实填筑，即每填筑5cm后将砂土表面抹平，将30cm×15cm的钢板放在砂土层表面，用重5kg的重锤从5cm的高度自由下落砸向钢板，连续三下，然后将钢板移位，长度方向与上一砸痕搭接20％，重复击实操作，直至该层遍击，再填筑第二层，再击实，直至填土表面与刚性挡板上边持平，再击实；
第三种填筑方式同样要求分层压实填筑，重锤抬升高度为10cm，单点击数为5下，其他过程不变；
步骤S3.1.2：依次读取各个土压力盒相应的应力值，绘制静止土压力沿挡墙深度的变化曲线；为验证击实功对静止土压力的影响，可以改变重锤的自由下落高度以及下落次数，进行多次实验比较实验结果；
主动土压力试验方法以下步骤：
步骤S3.2.1：在第一挡板后面固定百分表，指针调零；
步骤S3.2.2：分层填筑土体，填筑方式与静止土压力步骤S3.1.1一致，仅在每层填完之后，在模型槽的有机玻璃侧边撒少许黑砂，再填筑上面一层，黑砂线用于观测破坏线的位置与形状；
步骤S3.2.3：同样将填筑好的土体静置半个小时，测量第一挡板位移为零时的土压力盒应变值；缓慢转动手轮，将第一挡板向着填土的反方向移动，位移为0.3mm时停止，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线与有机玻璃上刻度线的位置关系的变化情况；再移动0.3mm待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线位置变化；重复当前操作，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；
步骤S3.2.4：根据土压力盒对应的应力值，绘制主动土压力随深度变化的关系曲线；
被动土压力试验方法包括以下步骤：
步骤S3.3.1：在第一挡板后面固定百分表，将指针调到9mm处；
步骤S3.3.2：分层填筑土体，填筑方式与上述主动土压力试验方法步骤S3.2.2相同；
步骤S3.3.3：静置半小时之后记录第一挡板位移为零时的土压力盒应力值，缓慢转动手轮，将第一挡板向着填土的方向移动，单次移动3mm，待应变仪读数基本不发生变化时，记录各应力值，并观察预先分层埋设的黑砂线与有机玻璃上画的线的位置关系；当移动三次后百分表指针指向0mm，待应变仪读数基本不发生变化后，重新安装百分表，使其指针指向9mm处，重复操作，每次移动3mm应变仪读数基本不发生变化后记录应力值，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；
步骤S3.3.4：根据土压力盒对应的应力值，绘制被动土压力随深度的变化曲线；
若需要实验土体受荷载情况下的土压力情况，则填筑完成后按加载方法对实验土体施加荷载，再读取土压力盒对应的应力值。
利用本发明一种土力学多功能联合试验装置进行边坡稳定性实验实施例，包括以下步骤：
步骤S4.1：先将第二挡板旋转到30°位置，拧紧侧壁上的限位螺栓；
步骤S4.2：分层填筑无粘性土，每填筑5cm后将砂土表面抹平，将30cm×15cm的钢板放在砂土层表面，用重5kg的重锤从5cm的高度自由下落砸向钢板，连续三下，然后将钢板移位，长度方向与上一砸痕搭接20％，重复击实操作，直至该层遍击，再填筑第二层，再击实，直至填土表面与刚性挡板上边持平，再击实；
步骤S4.3：填至坡顶之后静置5分钟，移开第二挡板，观察土坡是否会发生滑塌；
步骤S4.4：变换不同的坡度进行填筑，静置后移开第二挡板，观察坡面是否发生滑塌，并通过可视化系统记录和放映；
步骤S4.5：缓慢向填土表面加水，观察渗流作用对边坡稳定性的影响，并通过可视化系统记录和放映；
步骤S4.6：在坡顶施加静荷载或动荷载，试验填土受不同荷载对边坡稳定性的影响，并通过可视化系统记录和放映。
利用本发明一种土力学多功能联合试验装置进行地基承载力试验实施例：
步骤S5.1：分层填筑地基，每填筑5cm后将砂土表面抹平，将30cm×15cm的钢板放在砂土表面，用重5kg的重锤从5cm的高度自由下落砸向钢板，连续三下，然后将钢板移位，长度方向与上一砸痕搭接20％，重复击实操作，直至该层遍击；再填筑第二层，再击实，重复操作，直至填土表面与刚性挡板上边持平，再击实；填筑好砂土后，沿着模型槽宽度方向每隔5cm水平铺一层白色石滑粉，用来观察地基的破坏模式；
步骤S5.2：在刚性承压板两对角处安放百分表，将指针调到满刻度处；
步骤S5.3：分级加载，直至承载板周边的土体产生明显的隆起终止实验；
步骤S5.4：绘制竖向位移与应力的关系曲线，判断模拟地基的破坏形式；
步骤S5.5：为探究承压板尺寸对实验结果的影响，分别对承压板的面积为0.0144m2(边长L＝120mm)和0.0225m2(边长L＝150mm)进行实验，进行对比分析；
步骤S5.6：为演示振动荷载引发砂土液化现象对地基承载力的影响，地基土选用饱和砂土，将模型槽放置在弹性承压板上，启动凸轮，两个凸轮同步转动。弹性承压板带动模型槽做简谐振动，凸轮对模型槽柔性击打以在饱和砂土地基中产生振动波，观察刚性承压板竖向位移随振动的变化。
表1加载过程数据记录表
| 荷载级别 | 砝码质量(kg) | 静荷载(kPa) | 动荷载 |
| 1 | 0 | 3.62 | |
| 2 | 20 | 18.52 | 14.9cos(38.82t)+4.02 |
| 3 | 40 | 33.42 | 29.8cos(38.82t)+4.02 |
| 4 | 60 | 48.32 | 44.7cos(38.82t)+4.02 |
| 5 | 80 | 63.22 | 59.6cos(38.82t)+4.02 |
| 6 | 100 | 78.12 | 74.5cos(38.82t)+4.02 |
表2为边坡稳定性实验记录表
实验土性能指标：干砂，含水量<5％，最大粒径2.35mm
Claims (9)
1.一种土力学多功能联合试验装置，其特征在于：包括：顶部开口的模型槽，用于填筑土体并形成土坡；模型槽包括钢板框架，以及连接在钢板框架两侧的透明有机玻璃侧板；
还包括挡土墙机构、定坡机构以及加载机构，其中：
所述挡土墙机构设置在模型槽内一端，包括：第一挡板，设置于模型槽内，与模型槽两侧的透明有机玻璃侧板及底板保持贴合并可相对滑动；启闭器，与所述第一挡板连接；第一挡板接触土体的一侧设有土压力检测机构，包括4个土压力盒，4个土压力盒分别竖向等间距均匀固定在一有机玻璃板中间位置上，有机玻璃板固定在第一挡板上，各土压力盒上通过引线与应变仪连接；
定坡机构，设置在模型槽内相对挡土墙机构的另一端，包括：第二挡板，第二挡板的底部两端通过对称设置的转动螺栓可转动的连接在两片透明有机玻璃侧板之间，第二挡板的上部一侧设有用于限制第二挡板转动角度的限位机构，包括：对称设置在透明有机玻璃侧板上的两个弧形定位滑轨，弧形定位滑轨上连接限位螺栓；
加载机构，包括：连接支架、加载横梁、传力杆、托盘、砝码、刚性承压板、弹性承压板以及振动平台，其中，连接支架一端固定连接在模型槽的外壁上，另一端通过支点螺栓与加载横梁的一端连接，加载横梁的另一端通过铰接螺栓连接托盘，传力杆上端与加载横梁卡扣连接，下端与刚性承压板或弹性承压板螺纹连接；
刚性承压板的表面焊接有螺栓接头；
弹性承压板由第一上板、第一下板和多个第一弹簧组成，第一上板上表面中心位置焊有螺栓接头，第一上板下表面与第一下板上表面均匀布置多个第一弹簧，第一弹簧两端与第一上板和第一下板为焊接连接；
振动平台包括第二上板、第二下板、第二弹簧以及凸轮，第二上板和第二下板平行对齐放置，第二上板上表面中心位置焊有螺栓接头，第二上板与第二下板之间均匀固定连接多个第二弹簧，凸轮设置于第二上板和第二下板的中间位置，凸轮上连接电机；
可视化系统，包括：连接在模型槽4个顶点处的4组图像采集单元，每组图像采集单元包括折叠杆以及摄像头，所述折叠杆一端连接摄像头，另一端通过球头固定在模型槽顶点上；
进行填土上加竖向动载时，包括以下步骤：
S2.1：传力杆连接弹性承压板，将弹性承压板整体放置在填土表面，测量此时弹簧的长度x0；
S2.2：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为mf；
S2.3：测量在砝码和加载横梁的作用下弹性承压板的第一上板和第一下板之间的弹簧的长度为x1；
S2.4：撤去砝码，使弹簧带动加载横梁振动，弹簧对土体的反力即为土体表面受到的动荷载；
S2.5：根据杠杆定理和弹簧简谐振动原理，填土所受动荷载为
2.根据权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置，其特征在于：所述透明有机玻璃侧板上设有高度尺以及角度尺。
3.根据权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置，其特征在于，所述启闭器为手轮式启闭器，手轮式启闭器固定在前挡板上，手轮式启闭器上的顶推螺杆一端穿过前挡板后与所述第一挡板固定连接。
4.根据权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置，其特征在于，所述第一挡板为钢板，钢板上非接触土体的一侧焊接有加劲钢板，钢板上接触土体的一侧设置土压力检测机构，所述第二挡板为透明有机玻璃板、木质板或金属板中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置，其特征在于，所述钢板框架与透明有机玻璃侧板采用螺栓连接，连接处用胶水密封并在各个边角焊接加劲角钢。
6.一种基于权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置进行填土上加静载的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.1：传力杆连接刚性承压板，刚性承压板放置在填土表面；
S1.2：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为mf；
S1.3：根据杠杆定理，静荷载
其中，m0为加载横梁质量，l0为加载横梁长度，lc为传力杆与支点螺栓距离，mc为传力杆质量，mg为刚性承压板质量，Sg为刚性承压板面积。
7.一种基于权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置进行挡土结构物土压力试验方法，其特征在于，包括静止土压力试验方法，主动土压力试验方法和被动土压力试验方法三种，其中：
静止土压力试验方法具体包括以下步骤：
S3.1.1：分层填筑土体，至填土高度高于最高处的土压力盒且低于第一挡板高度时停止填土；
S3.1.2：将填筑好的土体静置半个小时，依次读取应变仪检测到的不同高度处的土压力盒应力值，绘制静止土压力沿第一挡板深度的变化曲线；
S3.1.3：填土上施加静荷载或动荷载，重复S3.1.2，并绘制填土表面受荷载作用时静止土压力沿第一挡板深度的变化曲线；
主动土压力试验方法具体包括以下步骤：
S3.2.1：在第一挡板后面固定百分表，指针调零；
S3.2.2：分层填筑土体，在每层填完压实之后，在每层上靠近透明有机玻璃侧板处撒黑砂线，再填筑上面一层，黑砂线用于观测破坏线的位置与形状，至填土高度高于最高处的土压力盒且低于第一挡板高度时停止填土；
S3.2.3：将填筑好的土体静置半个小时，测量第一挡板位移为零时的应变仪检测到的应变值；控制启闭器将第一挡板向着填土的反方向移动，位移为Δs时停止，Δs取值范围0.1mm～0.4mm，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线与透明有机玻璃侧板上刻度线的位置关系的变化情况；再移动Δs，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线位置变化；重复当前操作，直至黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；观察过程均同步通过可视化系统记录和放映；
S3.2.4：根据土压力盒对应的应力值，绘制主动土压力随深度变化的关系曲线；
S3.2.5：填土上施加静荷载或动荷载，重复S3.2.3，并绘制填土表面受荷载作用时主动土压力沿第一挡板深度的变化曲线；
被动土压力试验方法具体包括以下步骤：
S3.3.1：在第一挡板后面固定百分表，将指针调到Kmm处，K的取值范围为8～10mm；
S3.3.2：分层填筑土体，填筑方式与上述主动土压力试验方法步骤S3.2.2相同；
S3.3.3：静置半小时之后记录第一挡板位移为零时的土压力盒应力值，控制启闭器将第一挡板缓慢向着填土的方向移动，单次移动K/3mm，待应变仪读数基本不发生变化时，记录各土压力盒的应力值，并观察预先分层埋设的黑砂线与透明有机玻璃侧板上刻度线的位置关系；当移动三次后百分表指针指向0mm，待应变仪读数基本不发生变化后，重新安装百分表，使其指针指向Kmm处，重复操作，每次移动K/3mm应变仪读数基本不发生变化后记录应力值，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；观察过程均同步通过可视化系统记录和放映；
S3.3.4：根据土压力盒对应的应力值，绘制被动土压力随深度的变化曲线；
S3.3.5：填土上施加静荷载或动荷载，重复S3.3.3，并绘制填土表面受荷载作用时被动土压力沿第一挡板深度的变化曲线。
8.一种基于权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置进行边坡稳定性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S4.1：先将第二挡板旋转到合理的位置，拧紧侧壁上的限位螺栓，使第二挡板的倾斜角度固定；
S4.2：分层填筑土体；
S4.3：填至坡顶之后静置5分钟，拧松限位螺栓，转动移开第二挡板，观察土坡是否会发生滑塌；
S4.4：变换不同的坡度进行填筑，静置后移开第二挡板，观察坡面是否发生滑塌，并通过可视化系统记录和放映；
S4.5：缓慢向填土表面加水，观察渗流作用对边坡稳定性的影响；
S4.6：在填土上施加静荷载、动荷载或振动荷载，重复步骤S4.4，试验填土受不同荷载对边坡稳定性的影响。
9.一种基于权利要求1所述的土力学多功能联合试验装置进行地基承载力试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S5.1：分层填筑地基；
S5.2：在刚性承压板两对角处安放百分表，将指针调到满刻度Xmm处；
S5.3：托盘上分级增加砝码配重，每增加一次砝码，记录此时地基上静荷载和百分表读数x mm，直至刚性承压板周边的土体产生明显的隆起终止实验；
S5.4：地基所受静荷载即为基底压力P，地基沉降s＝(X-x)mm，绘制基底压力和地基沉降的P-s的关系曲线，并根据曲线判断模拟地基的破坏形式；
S5.5：为探究承压板尺寸对实验结果的影响，改变刚性承压板的面积，重复步骤S5.1～S5.4进行对比分析实验；
S5.6：为演示振动荷载引发砂土液化现象对地基承载力的影响，地基土选用饱和砂土，将模型槽放置在振动平台上，启动凸轮，凸轮转动，带动模型槽做简谐振动，并对模型槽柔性击打以在饱和砂土地基中产生振动波，观察刚性承压板竖向位移随振动的变化。
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