CN107271088B - 松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置及方法，所述装置包括：精确控制位移方向的定向底盘、T形弧片拼接圆筒结构、中段设置倒置圆台的中心控制轴、用于封盖缝的橡胶带以及用于减小接触面摩擦的滑动滚轮；所述方法基于所述装置。本发明可以实现以较小的竖向加载力产生N倍竖向加载值的水平推力，且保证沿径向均匀分布；可以将微小的径向位移放大N倍进行测量；可以测取较大直径圆筒结构的主动、被动极限土压力，验证松散介质轴对称极限平衡理论；可以模拟圆形基坑、矿山立井、公路立井等圆筒结构在施工过程中的土压力变化规律，为工程设计与支护提供依据。

Description

松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种松散介质中轴对称问题的室内模型实验设备和方法，具体的，涉及一种松散介质中圆筒结构主动、被动土压力测试装置与松散介质轴对称极限理论的验证方法。

背景技术

松散介质的轴对称极限平衡理论是土力学的重要理论分支，作为一门基础理论并没有得到完善解答，针对众多学者提出的不同近似解答，需要进行科学验证与甄别。由于轴对称的实际工程结构，如圆形基坑、矿山立井等，在施工与正常使用过程中均处于非极限状态，实测数据无法验证极限状态的力学理论，故室内试验尤为重要，但是实现轴对称结构径向均匀加载、均匀位移以及对微小径向位移的准确测量均较困难；特别的，轴对称被动极限状态的水平推力较大，要在相对较小的圆筒结构中实现较大的、均匀的径向加载力，现有装置显得无能为力；且现有装置的特点是：针对主动极限状态、半径仅几个厘米、位移的径向均匀性差，难以准确模拟轴对称问题，且太小直径偶然因素影响大。圆筒形的工程结构遍及土木工程、军用工程、水电水利等众多领域，且往往关系到人员的生命安全，极限、非极限侧压力的研究具有重要的工程实用价值。

目前，国内外测试圆筒结构土压力用的实验装置与方法，没有发现与本发明类似的文献报道。

发明内容

针对现有装置与方法中的缺陷，本发明提供一种测试松散介质中圆筒结构主动、被动状态，极限、非极限侧压力的室内模型试验装置，该装置适用的半径范围广、覆砂厚度大，径向加载、径向位移的均匀性好，能以较小的竖向加载实现很大的、均匀的径向外推力，还能将微小的径向位移放大数十倍后测量，有效减小对加载头量程需求，同时提高位移的测量精度。

为实现以上目的，本发明通过以下方案实现：

根据本发明的一个方面，提供一种测试圆筒结构土压力的模型试验装置，包括：用于控制加载位移与加载力的中心控制轴，拼接圆筒，用于精确控制位移方向的定向底盘，用于封盖缝隙的封缝橡胶带，滑动滚轮，以及微型土压力传感器；

所述中心控制轴分为上、中、下三段，其中：中心控制轴上段和中心控制轴下段均为圆柱体，中心控制轴中段为一倒置圆台；

所述拼接圆筒由数量Ns不少于18的T型弧片等间距拼接而成，每个T型弧片均由弧片单元和平面内撑板组成T型结构；

所述定向底盘由内撑板滑道盘、中心柱筒、环形盖板和固定底板组成，其中：内撑板滑道盘由多个弧边梯形等间距拼接而成，平面内撑板分别插入在内撑板滑道盘的多个弧边梯形等间距间隙内，固定底板的中心位置设置中心柱筒，并在中心柱筒的顶端设置环形盖板，中心控制轴下段插入在中心柱筒内；

所述封缝橡胶带包括环形波纹橡胶带和直条状橡胶带，其中：环形波纹橡胶带的内侧与所述拼接圆筒底部侧壁牢固粘结、外侧与所述固定底板牢固粘结，直条状橡胶带的波纹段两侧分别与相邻所述T形弧片的弧片单元的外壁牢固粘结；

所述内撑板滑道盘、中心控制轴中段的倒置圆台、固定底板、环形盖板的各个接触面上均采用所述滑动滚轮接触联接；

所述微型土压力传感器分布在所述T型弧片的弧片单元上。

优选地，所述的中心控制轴中：

所述中心控制轴上段尺寸H_S不小于中心控制轴下段尺寸H_x；

所述中心控制轴中段的倒置圆台坡度大于45度，优选坡率N取值范围为5～50；倒置圆台的下端半径R_n不小于临界紧缩半径R_cr与主动极限位移估算值S_a之和；

所述中心控制轴下段由上、下两段圆柱体拼接组成，其总尺寸H_x长度不小于主动极限位移估算值S_a与被动极限位移估算值S_p之和的N倍，上段圆柱体的长度为被动极限位移估算值S_p的N倍，下段圆柱体的长度为主动极限位移估算值S_a的N倍，N为所述的倒置圆台的坡率。

优选地，所述的临界紧缩半径R_cr等于平面内撑板的厚度t_b的Ns/2π倍，其中Ns为拼接圆筒的T形弧片单元的数量；

所述的主动极限位移估算值S_a、被动极限位移估算值S_p按照拼接圆筒的半径R_w与高度H_w估算，其中：主动极限位移估算值S_a取2.5％*R_w与0.2％*H_w的较大值，被动极限位移估算值S_p取主动极限位移估算值S_a的5倍值。

优选地，所述的拼接圆筒的半径R_w与高度H_w是根据实验目的和需要确定；

所述的拼接圆筒由Ns个T形弧片按照设定的拼接间距拼接组成，其中：个数不小于18，优选个数为24～36；设定拼接间距d不小于2πS_a/N_S，不大于4πS_a/N_S，优选间距为3πS_a/N_S。

优选地，所述的T型弧片由弧片单元与平面内撑板牢固连接构成，其中：

所述弧片单元的弧度为2π/N_S-d/R_w、弧长为2πR_w/N_S-d、厚度t_w满足局部稳定要求；d为T形弧片之间拼接间距；R_w为拼接圆筒的半径，Ns为拼接圆筒的T形弧片单元的数量；

所述平面内撑板的总体高度H为拼接圆筒高度H_w减去滑动滚轮直径d_o，平面内撑板的总体宽度B等于拼接圆筒半径R_w与弧片单元厚度t_w、滑动滚轮直径d_o、中心控制轴中段倒置圆台下端半径R_n的差，平面内撑板的厚度t_b不小于弧片单元厚度t_w；所述平面内撑板的内侧边缘整体呈三角齿状，三角齿状的上部内倾坡度等于中心控制轴中段倒置圆台的坡度，三角齿状的下部内凹缺口三角形的底边长L不小于主动极限位移S_a、被动极限位移S_p与3倍的滚轮直径d_o之和，三角齿状的下部内凹缺口三角形的高度H_bS为被动极限位移S_p的N倍加上滑动滚轮直径d_o与环形盖板厚度t_g；平面内撑板的下端内凸部分高度H_bs的取值为主动极限位移差值S_a的N倍减去滚轮直径d与环形盖板厚度t_g。

优选地，所述的定向底盘中：

所述内撑板滑道盘由Ns个弧边梯形等间距拼接而成，拼接间距为内撑板滑道盘的厚度t_b加1mm的富余尺寸；Ns为拼接圆筒的T形弧片单元的数量；

所述中心柱筒的外半径R_o不大于中心控制轴中段倒置圆台的下端半径R_n与主动极限位移估算值S_a的差值，即：R_n≤R_o-S_a，且不小于临界紧缩半径R_cr；中心柱筒的高度H_z为主动极限位移差值S_a的N倍；

所述环形盖板的外半径R_ow不小于中心控制轴中段倒置圆台的下端半径R_n与被动极限位移估算值S_p之和。

优选地，所述的封缝橡胶带中：

所述环形波纹橡胶带的内侧半径等于拼接圆筒的外径R_w，环形波纹橡胶带的波纹段最大径向拉伸长度不小于被动极限位移估算值S_p；

所述直条状橡胶带的长度与拼接圆筒等高、宽度为2～3cm。

优选地，所述的微型土压力传感器安装在至少4片两两相对的弧片单元上，每个弧片单元上至少安装5个微型土压力传感器。

根据本发明第二方面，提供一种利用上述装置测试圆筒结构侧壁主动侧压力的测试方法，包括如下步骤：

(1)将T形弧片在内撑板滑道盘中安装就位，各T形弧片向内推至极限，拼接成拼接圆筒结构；

(2)将中心控制轴下段完全插入中心柱筒底部，并将中心控制轴上段位移锁定；

(3)用环形波纹橡胶带封堵拼接圆筒与固定底板处的缝隙，用直条状橡胶带封堵各拼接弧片单元缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒周围一定范围均匀装填松散介质至所需高度，其中拼接圆筒周围一定范围B_a不小于拼接圆筒高度H_w的倍，为松散介质的内摩擦角；

(5)以位移控制方式，将中心控制轴匀速向上抽出，记录竖向位移与各微型土压力传感器压力信息，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器的压力值区域稳定值，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构主动侧压力值。

根据本发明第三方面，提供一种利用上述装置测试圆筒结构侧壁主动侧压力的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：

(1)将T形弧片在内撑板滑道盘中安装就位，各T形弧片向内推至极限，拼接成拼接圆筒结构；

(2)将中心控制轴下端的上段圆柱体截下，将下段圆柱体连接在倒置圆台下端，然后将中心控制轴竖直放入中心柱筒所在的中轴线上，由各个平面内撑板内侧边缘围成的中心圆台状空间中，使得倒置圆台下端截面刚好与平面内撑板的内侧三角齿尖端重合；

(3)用环形波纹橡胶带封堵拼接圆筒与固定底板处的缝隙，用直条状橡胶带封堵各拼接弧片单元缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒周围一定范围均匀装填松散砂至所需高度，其中拼接圆筒周围一定范围Bp，不小于拼接圆筒高度倍，为松散介质的内摩擦角；

(5)以位移控制方式，对中心控制轴准静态向下加载，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器压力值区域稳定值，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构被动侧压力值。

根据本发明第四方面，提供一种利用上述装置测试圆筒结构侧壁主动侧压力的测试方法，所述测试方法包括如下步骤：

(1)将T形弧片在内撑板滑道盘中安装就位，各T形弧片向内推至极限，拼接成拼接圆筒结构；

(2)将中心控制轴下段的上段圆柱体截下，然后轻轻插入中心柱筒达控制位置处，其中所述控制位置是指：中心控制轴中段倒置圆台的下端与内撑板滑道盘的内侧三角齿尖相重合所对应的位置；

(3)用环形波纹橡胶带封堵拼接圆筒与固定底板处的缝隙，用直条状橡胶带封堵各拼接弧片单元缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒周围一定范围B_S均匀装填松散砂至所需高度；其中拼接圆筒周围一定范围B_S，不小于拼接圆筒高度H_w的倍，为松散介质的内摩擦角；

(5)以位移控制方式，将中心控制轴准静态向上抽出，记录竖向位移与各微型土压力传感器压力信息，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器压力值区域稳定值，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构主动侧压力值；

(6)以位移控制方式，对中心控制轴准静态向下加载，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器压力值区域稳定值，实验结束，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构被动侧压力值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明装置中，圆筒的分片数较多，模拟效果更接近真实的轴对称情况；各弧片单元的径向位移采用一个倒置圆台统一控制，位移的径向均匀性好控制；位移加载方式由水平加载转化为竖向加载，更方便加载控制；最重要的效果是倒置圆台与内撑板的楔坡构造，不仅可以使竖向加载力缩小为所需水平推力的1/N，同时还可以使得微小的径向位移放大N倍，通过中心控制轴的竖向位移读数，其中N为倒置圆台与平面内撑板楔坡共同的坡率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构三维视图；

图2为本发明一实施例的俯视图；

图3为本发明一实施例的竖向剖面图；

图4为本发明一实施例的拼接圆筒的俯视图；

图5为本发明一实施例的位移定向底盘的三维视图；

图6为本发明一实施例的中心控制轴的竖向剖面图；

图中：1—拼接圆筒，2—中心控制轴，3—定向底盘，4—封缝橡胶带，5—滑动滚轮，6—微型土压力传感器，7—T形弧片，8—弧片单元，9—平面内撑板，10—中心控制轴上段，11—中心控制轴中段倒置圆台，12—中心控制轴下段，13—内撑板滑道盘，14—中心柱筒，15—环形盖板，16—固定底板，17—环形波纹橡胶带，18—直条状橡胶带，19—T形弧片之间拼接间距d，20—T形弧片的净弧度Arc1，21—相邻平面内撑板间的弧度Arco。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图6所示，一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，所述的装置包括：拼接圆筒1、中心控制轴2、定向底盘3、封缝橡胶带4、滑动滚轮5、微型土压力传感器6，其中：

所述中心控制轴2分为上、中、下三段，其中：中心控制轴上段10和中心控制轴下段12均为圆柱体，中心控制轴中段为一倒置圆台11；

所述拼接圆筒1由多个T型弧片7等间距拼接而成，每个T型弧片均由弧片单元8和平面内撑板9组成T型结构；

所述定向底盘3由内撑板滑道盘13、中心柱筒14、环形盖板15和固定底板16组成，其中：内撑板滑道盘13由多个弧边梯形等间距拼接而成，平面内撑板9分别插入在内撑板滑道盘13的多个弧边梯形等间距间隙内，固定底板16的中心位置设置中心柱筒14，并在中心柱筒14的顶端设置环形盖板15，中心控制轴下段12插入在中心柱筒14内；

所述封缝橡胶带4包括环形波纹橡胶带17和直条状橡胶带18，其中：环形波纹橡胶带17的内侧与所述拼接圆筒1底部侧壁牢固粘结、外侧与所述固定底板16牢固粘结，直条状橡胶带18的波纹段两侧分别与相邻所述T形弧片的弧片单元8的外壁牢固粘结；

所述内撑板滑道盘13、中心控制轴2中段的倒置圆台11、固定底板16、环形盖板15的各个接触面上均采用所述滑动滚轮5接触联接；

所述微型土压力传感器6分布在所述T型弧片的弧片单元8上。

具体的，在部分实施例中，所述的中心控制轴2中：

所述的上段10尺寸Hs不小于下段12尺寸Hx。

所述的倒置圆台11，材质较硬、变形量小；圆台坡度大于45度，优选的坡率N取值范围5～50；

所述的倒置圆台11，下端半径R_n不小于临界紧缩半径R_cr与主动极限位移S_a之和R_n≥S_a+R_cr，优选的取等号；

所述的临界紧缩半径R_cr，其值等于内撑板厚度t_w的Ns/2π倍；

所述的下段12，是由两段圆柱体采用销钉拼接组成，且可拆卸，总尺寸H_x，长度不小于主动极限位移估算值S_a与被动极限位移估算值S_p之和的N倍，优选的取等号；拼接上分段长度为被动极限位移估算值S_p的N倍，拼接下分段长度为主动极限位移估算值S_a的N_S倍。

具体的，在部分实施例中，所述的拼接圆筒1的半径R_w与高度H_w是根据实验目的和需要确定，圆筒是由Ns个T形弧片7按照设定的拼接间距拼接组成；

所述的T形弧片7个数Ns，不小于18，优选的个数为24～36；

所述的T形弧片7，是由弧片单元8与平面内撑板9牢固连接构成，所述的拼接间距d不小于2πS_a/N_S，不大于4πS_a/N_S，优选的间距为3πS_a/N_S；

所述的弧片单元8的弧度为2π/N_S-d/R_w、弧长为2πR_w/N_S-d、厚度t_w满足局部稳定要求；

所述的平面内撑板9的总体高度H为所述的拼接圆筒1高度H_w减去滑动滚轮5直径do，所述的平面内撑板9的总体宽度B等于所述的拼接圆筒1半径R_w与所述的弧片单元8厚度t_w、所述的滑动滚轮5直径do、所述的倒置圆台11下端半径R_n的差值；

所述的平面内撑板9的内侧边缘整体呈三角齿状，上部内倾坡度等于所述的倒置圆台11坡度；下部的内凹缺口三角形底边长L不小于主动极限位移S_a、被动极限位移S_p与3倍的滚轮直径do之和，缺口三角形高度H_bS为被动极限位移差值S_p的N倍加上滚轮直径do与压板厚度t_g；内撑板下端内凸部分高度H_bx,优选的取值为主动极限位移差值S_a的N倍减去滚轮直径do与环形盖板15厚度t_g。

所述的定向底盘3，由内撑板滑道盘13、中心柱筒14与固定底板16三部分组成，具体的，在部分实施例中：

所述的内撑板滑道盘13，是由N_S个弧边梯形等间距拼接而成，拼接间距为内撑板厚度t_b加1mm的富余尺寸；

所述的中心柱筒14，外半径R_o不大于所述的倒置圆台11的下端半径R_n与所述的主动极限位移估算值S_a的差值R_n≤R_o-S_a，且不小于所述的临界紧缩半径R_cr；

所述的中心柱筒14的高度H_z，为主动极限位移差值S_a的N倍；

所述的中心柱筒14，顶端设置一环形盖板15。所述的环形盖板15的外半径R_ow不小于所述的倒置圆台11下端半径R_n与所述的被动极限位移估算值S_p之和。

在部分实施例中，所述的封缝橡胶带4，分为一圈环形波纹橡胶带17和N_S条带状橡胶带两种；

所述的环形波纹橡胶带17，半径等于所述的圆筒外径R_w，波纹段的最大径向拉伸长度不小于被动极限位移S_p，内侧与所述的拼接圆筒1底部侧壁牢固粘结，外侧与所述的固定底板16牢固粘结；

所述的直条状橡胶带，长度与所述的拼接圆筒1等高，宽度2～3cm，两侧分别与所述的弧片单元8外壁牢固粘结。

在部分实施例中，所述的内撑板与所述的倒置圆台11、所述的固定底板16、所述的环形压板接触面上均采用所述的滑动滚轮5接触联接。

在部分实施例中，所述的微型土压力传感器6安装在至少4片两两相对的T形弧片上，每片弧片上至少安装5个。所述的T形弧片外侧安装所述的微型土压力传感器6处按所述的微型土压力传感器6尺寸设置内凹形状。

在本发明一优选实施例中：所述的拼接圆筒1的外半径R_w＝40cm、高度H_w＝150cm；拼接圆筒1由32个T形弧片7间隔d＝4mm拼接组成；T形弧片7由弧片单元8与平面内撑板9牢固连接构成，其中：弧片单元的弧长arc1s＝7.7cm、厚度t_w＝1.0cm，平面内撑板9的高度H＝148.5cm、宽B＝29.5cm，上部的内倾坡率N＝20，下部的内凹缺口三角形底边长L＝10cm、高度H_bS＝52.5cm。

如图3、图6所示，在本发明一优选实施例中：所述的中心控制轴2由中心控制轴上段10、中心控制轴中段倒置圆台11和中心控制轴下段12组成，其中：中心控制轴上段10、中心控制轴下段12的半径均为R_o＝2.5cm，中心控制轴中段倒置圆台11的下端半径R_n＝8.0cm，中心控制轴下段12的高度H_x＝60cm，中心控制轴上段10的高度H_s＝60cm，中心控制轴中段倒置圆台11的高度H_z＝80cm，中心控制轴中段倒置圆台11的倒置圆台坡率N＝20。

如图5所示，在本发明一优选实施例中：，述的位移定向底盘3中：内撑板滑道盘13由三十二个弧边梯形等隔1.1cm拼接而成，所述中心柱筒14的外半径R_ow＝3.0cm、高度H_zz＝10.0cm，所述环形盖板15的外半径R_g＝12.0cm(如图3所示)。

如图2所示，在本发明一优选实施例中：所述的封缝橡胶带4中：

所述环形波纹橡胶带17的内半径等于所述拼接圆筒外径R_w＝40.0cm，所述环形波纹橡胶带17的内侧与所述拼接圆筒1底部的侧壁牢固粘结、外侧与所述固定底板16牢固粘结；

所述直条状橡胶带18的长度与所述拼接圆筒1等高H_w＝200.0cm、宽度3.0cm，直条状橡胶带18的波纹段两侧分别与相邻弧片单元8的外壁牢固粘结。

在本发明一优选实施例中：所述的滑动滚轮5的直径d_o＝1.5cm(如图1、图4所示)。

在本发明一优选实施例中：所述的微型土压力传感器6的直径为1.5cm、厚度0.5cm，安装在十字交叉对应位置的4片的弧片单元8上，该4片弧片单元8上每间隔20cm预先设置直径1.6cm、深度0.5cm的内凹圆坑用于放置微型土压力传感器6。

基于上述装置，土压力测试方法分为：主动土压力测试方法、被动土压力测试方法、主动被动土压力一次性测试方法；具体的：

一、圆筒结构主动土压力测试方法的测试方法的步骤为：

(1)将T形弧片7在内撑板滑道盘13中安装就位，且各T形弧片7向内推至极限，拼接成拼接圆筒1；

(2)将中心控制轴2的底端完全插入中心柱筒14的底部，并将中心控制轴2的顶部位移锁定；

(3)用环形波纹橡胶带17封堵拼接圆筒1与固定底板16处的缝隙，用直条状橡胶带18封堵各弧片单元8缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒1周围一定范围内均匀装填松散砂至所需高度；

(5)以位移控制方式，将中心控制轴2准静态向上抽出，记录中心控制轴2的竖向位移与各微型土压力传感器6的压力信息，直至中心控制轴2的竖向位移达主动极限位移估算值Sa的N倍或者各微型土压力传感器6的压力值趋于稳定值，实验结束，传感器6记录的稳定压力值即为待测的主动侧压力值。

二、圆筒结构被动侧压力的测试方法的步骤为：

(1)将T形弧片7在内撑板滑道盘13中安装就位，且各T形弧片7向内推至极限，拼接成拼接圆筒1；

(2)将中心控制轴下段12的上分段截下，将下分段与倒置圆台11下端连接，然后插入由各个内撑板9内侧边缘围成的中心圆台状空间中，直至倒置圆台11的下端截面与内撑板滑的内侧三角齿尖端重合，

(3)用环形波纹橡胶带17封堵拼接圆筒1与固定底板16处的缝隙，用直条状橡胶带18封堵各拼接弧片单元8缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒1的周围一定范围均匀装填松散砂至所需高度；

(5)以位移控制方式，对中心控制轴2准静态向下加载，直至中心控制轴2的竖向位移达被动极限位移估算值Sp的N倍或者各微型土压力传感器6的压力值区域稳定值，实验结束,传感器6记录的稳定压力值即为待测的被动侧压力值。

三、所述的圆筒结构主动、被动土压力的一次性测试方法的步骤为：

(1)将T形弧片7在内撑板滑道盘13中安装就位，且各T形弧片7向内推至极限，以拼接成拼接圆筒1；

(2)中心控制轴下段12仅安装下分段，然后轻轻插入中心柱筒14直至中心控制轴中段倒置圆台11的下端与平面内撑板9的齿口一致处，锁定中心控制轴2位置；

(3)用环形波纹橡胶带17封堵拼接圆筒1与固定底板16处的缝隙；直条状橡胶带18封堵各拼接弧片单元8缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒1的周围范围均匀装填松散砂至所需高度；

(5)以位移控制方式，将中心控制轴2准静态向上抽出，记录竖向位移与各微型土压力传感器6压力信息，直至中心控制轴2竖向位移达主动极限位移估算值Sa的N倍或者各微型土压力传感器6压力值趋于稳定，传感器6记录的稳定压力值即为待测的主动侧压力值；

(6)以位移控制方式，对中心控制轴2准静态向下加载，直至中心控制轴2的竖向位移达被主动极限位移估算值Sp的N倍或者各微型土压力传感器6压力值趋于稳定，传感器6记录的稳定压力值即为待测的被动侧压力值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (11)

1.一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，包括：用于控制加载位移与加载力的中心控制轴，拼接圆筒，用于精确控制位移方向的定向底盘，用于封盖缝隙的封缝橡胶带，滑动滚轮，以及微型土压力传感器；

所述中心控制轴分为上、中、下三段，其中：中心控制轴上段和中心控制轴下段均为圆柱体，中心控制轴中段为一倒置圆台；

所述拼接圆筒由多个T型弧片等间距拼接而成，每个T型弧片均由弧片单元和平面内撑板组成T形结构；

所述定向底盘由内撑板滑道盘、中心柱筒、环形盖板和固定底板组成，其中：内撑板滑道盘由多个弧边梯形等间距拼接而成，平面内撑板分别插入在内撑板滑道盘的多个弧边梯形等间距间隙内，固定底板的中心位置设置中心柱筒，并在中心柱筒的顶端设置环形盖板，中心控制轴下段插入在中心柱筒内；

所述封缝橡胶带包括环形波纹橡胶带和直条状橡胶带，其中：环形波纹橡胶带的内侧与所述拼接圆筒底部侧壁牢固粘结、外侧与所述固定底板牢固粘结，直条状橡胶带的波纹段两侧分别与相邻所述T形弧片的弧片单元的外壁牢固粘结；

所述内撑板滑道盘、中心控制轴中段的倒置圆台、固定底板、环形盖板的各个接触面上均采用所述滑动滚轮接触联接；

所述微型土压力传感器分布在所述T型弧片的弧片单元上。

2.根据权利要求1所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的中心控制轴中：

所述中心控制轴上段尺寸H_s不小于中心控制轴下段尺寸H_x；

所述中心控制轴中段的倒置圆台坡度大于45度，坡率N取值范围5～50；倒置圆台的下端半径R_n不小于临界紧缩半径R_cr与主动极限位移估算值S_a之和；

所述中心控制轴下段由上、下两段圆柱体拼接组成，其总尺寸H_x长度不小于主动极限位移估算值S_a与被动极限位移估算值S_p之和的N倍，Ns为T形弧片个数；上段圆柱体的长度为被动极限位移估算值S_p的N倍，下段圆柱体的长度为主动极限位移估算值S_a的N倍，N为所述的倒置圆台的坡率。

3.根据权利要求2所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的临界紧缩半径R_cr等于平面内撑板的厚度t_b的Ns/2π倍；

所述的主动极限位移估算值S_a、被动极限位移估算值S_p按照拼接圆筒的半径R_w与高度H_w估算，其中：主动极限位移估算值S_a取2.5％*R_w与0.2％*H_w的较大值，被动极限位移估算值S_p取主动极限位移估算值S_a的5倍值。

4.根据权利要求3所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的拼接圆筒的半径R_w与高度H_w是根据实验目的和需要确定；

所述的拼接圆筒由N_s个T形弧片按照设定的拼接间距拼接组成，其中：数量N_s不小于18；设定拼接间距d不小于2πS_a/N_S，不大于4πS_a/N_S。

5.根据权利要求1所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的T型弧片由弧片单元与平面内撑板牢固连接构成，其中：

所述弧片单元的弧度为2π/N_S-d/R_w、弧长为2πR_w/N_S-d、厚度t_w满足局部稳定要求；d为T形弧片之间拼接间距；R_w为所述的拼接圆筒的半径，N_s为所述的拼接圆筒的T形弧片单元数量；

所述平面内撑板的总体高度H为拼接圆筒高度H_w减去滑动滚轮直径do，所述平面内撑板的总体宽度B等于拼接圆筒半径R_w与弧片单元厚度t_w、滑动滚轮直径do、中心控制轴中段倒置圆台下端半径R_n的差，平面内撑板的厚度t_b不小于弧片单元厚度t_w；

所述平面内撑板的内侧边缘整体呈三角齿状，三角齿状的上部内倾坡度等于中心控制轴中段倒置圆台的坡度，三角齿状的下部内凹缺口三角形的底边长L不小于主动极限位移S_a、被动极限位移S_p与3倍的滚轮直径do之和，三角齿状的下部内凹缺口三角形的高度H_bs为被动极限位移S_p的N倍加上滑动滚轮直径do与环形盖板厚度t_g；平面内撑板的下端内凸部分高度H_bx的取值为主动极限位移差值S_a的N倍减去滚轮直径do与环形盖板厚度t_g。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的定向底盘中：

所述内撑板滑道盘由N_s个弧边梯形等间距拼接而成，拼接间距为内撑板滑道盘的厚度t_b加1mm的富余尺寸；Ns是指所述拼接圆筒的T形弧片单元数量；

所述中心柱筒的外半径R_o不大于中心控制轴中段倒置圆台的下端半径R_n与主动极限位移估算值S_a的差值，即：R_n≤R_o-S_a，且不小于临界紧缩半径R_cr；中心柱筒的高度H_z为主动极限位移差值S_a的N倍；

所述环形盖板的外半径R_ow不小于中心控制轴中段倒置圆台的下端半径R_n与被动极限位移估算值S_p之和。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的封缝橡胶带中：

所述环形波纹橡胶带的内侧半径等于拼接圆筒的外径R_w，环形波纹橡胶带的波纹段最大径向拉伸长度不小于被动极限位移估算值S_p；

所述直条状橡胶带的长度与拼接圆筒等高。

8.根据权利要求1所述的一种松散介质中圆筒侧压力测试的模型试验装置，其特征在于，所述的微型土压力传感器安装在至少4片两两相对的弧片单元上，每个弧片单元上至少安装5个微型土压力传感器。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的装置测试圆筒结构侧壁主动侧压力的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

(1)将T形弧片在内撑板滑道盘中安装就位，各T形弧片向内推至极限，拼接成拼接圆筒结构；

(2)将中心控制轴下段完全插入中心柱筒底部，并将中心控制轴上段位移锁定；

(3)用环形波纹橡胶带封堵拼接圆筒与固定底板处的缝隙，用直条状橡胶带封堵各拼接弧片单元缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒周围一定范围均匀装填松散介质至所需高度，其中拼接圆筒周围一定范围B_a不小于拼接圆筒高度H_w的倍，为松散介质的内摩擦角；

(5)以位移控制方式，将中心控制轴匀速向上抽出，记录竖向位移与各微型土压力传感器压力信息，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器的压力值区域稳定值，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构主动侧压力值。

10.一种采用权利要求1-8任一项所述的装置测试圆筒结构侧壁被动侧压力的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

(1)将T形弧片在内撑板滑道盘中安装就位，各T形弧片向内推至极限，拼接成拼接圆筒结构；

(2)将中心控制轴下端的上段圆柱体截下，将下段圆柱体连接在倒置圆台下端，然后将中心控制轴竖直放入中心柱筒所在的中轴线上，由各个平面内撑板内侧边缘围成的中心圆台状空间中，使得倒置圆台下端截面刚好与平面内撑板的内侧三角齿尖端重合；

(3)用环形波纹橡胶带封堵拼接圆筒与固定底板处的缝隙，用直条状橡胶带封堵各拼接弧片单元缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒周围一定范围均匀装填松散砂至所需高度，其中拼接圆筒周围一定范围B_p，不小于拼接圆筒高度H_w的倍，为松散介质的内摩擦角；

(5)以位移控制方式，对中心控制轴准静态向下加载，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器压力值区域稳定值，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构被动侧压力值。

11.一种采用权利要求1-8任一项所述装置的圆筒结构主动、被动侧压力的同时测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

(1)将T形弧片在内撑板滑道盘中安装就位，各T形弧片向内推至极限，拼接成拼接圆筒结构；

(2)将中心控制轴下段的上段圆柱体截下，然后轻轻插入中心柱筒达控制位置处，其中所述控制位置是指：中心控制轴中段倒置圆台的下端与内撑板滑道盘的内侧三角齿尖相重合所对应的位置；

(3)用环形波纹橡胶带封堵拼接圆筒与固定底板处的缝隙，用直条状橡胶带封堵各拼接弧片单元缝隙外侧；

(4)向拼接圆筒周围一定范围B_S均匀装填松散砂至所需高度；其中拼接圆筒周围一定范围B_S，不小于拼接圆筒高度H_w的倍，为松散介质的内摩擦角；

(5)以位移控制方式，将中心控制轴准静态向上抽出，记录竖向位移与各微型土压力传感器压力信息，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器压力值区域稳定值，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构主动侧压力值；

(6)以位移控制方式，对中心控制轴准静态向下加载，直至竖向位移达极限或者各微型土压力传感器压力值区域稳定值，实验结束，得到的微型土压力传感器记录值即为圆筒结构被动侧压力值。