CN107300501B - 一种土拱试验箱及土拱试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土拱试验箱及土拱试验方法，其中，土拱试验箱包括箱体，所述箱体内部设有用于填装土样的土拱试验舱，土拱试验舱的顶壁以及至少一侧壁为活动板，设有向各活动板施加朝向土拱试验舱压力的加压系统，侧壁的活动板上转动定位安装有变径拱具，所述变径拱具为水平布置的柱体，且该柱体的横截面的至少一部分轮廓为螺线。本发明提供的土拱试验箱结构简单，便于观察，依据对称原理对装置结构进行了简化，有效降低了土拱试验箱的自重，土拱试验方法操作简单，结果准确。

Description

一种土拱试验箱及土拱试验方法

技术领域

本发明涉及土力学工程领域，具体涉及一种土拱试验箱及土拱试验方法。

背景技术

土拱效应是自然界中十分常见的一种现象。在岩土工程中，土拱的形成是指在外力作用下土体产生不均匀位移，从而发挥自身强度以抵抗外力作用的结果。桩后土体的土拱效应是分离布置桩中最重要的力学现象，认识桩后土体的土拱效应，对于掌握桩后土体的应力传递规律、桩周土体的塑性区发展趋势、确定合理的桩间距和桩的极限承载力、以及分析桩土相互作用机理并指导抗滑桩设计等方面具有重要的理论和工程意义。

桩间土拱的稳定性，直接影响到抗滑桩设计的成败，对于抗滑桩桩后土体的土拱效应问题，国内外很多学者通过建立理论或数值模型对其进行了研究并取得了一定的成果。但是，这些模型都有一些前提假设条件，对于界面接触、边界条件、收敛等方面还存在着不足，因而目前对于桩间土拱效应的机理及影响因素还没有形成统一的认识。

土拱效应从概念的提出到理论发展已经历了一个多世纪，由于没有系统成熟的理论方法来指导，因而在实际设计工作中对于布桩的设计参数还停留于依靠经验的阶段，其中拱脚的存在形式、拱形及拱体的几何参数和拱体的微观特性，以及土体自身性质对其发育的影响程度还需要进一步系统的进行分析和论证。

目前的土拱试验箱体大多数结构复杂，部件繁多而导致使用不便。此外，在进行不同参数分析，(如：设置不同桩径、桩距时)需要调整较多部件而耗时过长。

发明内容

本发明提供了一种土拱试验箱及土拱试验方法，主要用于分析桩土相互作用机理，进而为抗滑桩设计提供指导。

一种土拱试验箱，包括箱体，所述箱体内部设有用于填装土样的土拱试验舱，土拱试验舱的顶壁以及至少一侧壁为活动板，设有向各活动板施加朝向土拱试验舱压力的加压系统，作为侧壁的活动板上转动定位安装有变径拱具，所述变径拱具为水平布置的柱体，且该柱体的横截面的至少一部分轮廓为螺线。

土拱结构为对称结构，本发明提供的土拱试验箱依据土拱的对称原理做了简化，仅模拟半个土拱结构，以变径拱具为桩体，桩体与相对的土拱实验舱侧壁之间形成半个土拱结构，由此降低土拱试验箱的自重，同时不影响土拱形成的效果。

土拱试验舱除去活动的顶壁和侧壁外，其余舱壁可由箱壁兼做。所述土拱试验舱的底部可以为开放结构，在使用时，以地面或其他平面作为底板。土样由土拱试验舱的顶部途径变径拱具进入土拱试验舱内。

作为优选，所述土拱试验舱的顶壁为竖直活动板，一侧壁为水平活动板，所述加压系统包括向竖直活动板施加向下压力的竖直加压系统，以及向水平活动板施加朝向土拱试验舱压力的水平加压系统。

所述竖直活动板沿竖直方向运动，通过竖直加压系统向土拱试验舱内的土样施加向下的压力。所述水平活动板沿水平方向运动，起到调整桩间距的作用，同时由水平加压系统施加朝向土拱试验舱的压力。

所述竖直加压系统至少为两个，竖直加压系统的施力点均匀分布在竖直活动板上。所述水平加压系统至少为两个，水平加压系统的施力点均匀分布在水平活动板上。所述竖直加压系统和水平加压系统均可以采用油压千斤顶。

作为优选，所述箱体内部设有与竖直活动板相配合的竖直导轨，以及贯穿土拱试验舱且与水平活动板相配合的水平导轨。通过竖直导轨和水平导轨对竖直活动板和水平活动板的运动起到导向作用。

作为优选，所述土拱试验舱的一侧壁为透明材质制作的观察窗，所述观察窗上设有刻度网格。

向土拱实验舱内填装土样时，可以依据刻度网格进行分层，相邻两层之间利用石膏粉或石灰粉等形成的薄层进行隔离。

作为优选，所述变径拱具为空心结构，变径拱具的侧壁上设有用于穿过数据线的穿线孔。

所述土样中根据需要预埋若干应变片，应变片的数据线通过变径拱具的侧壁延伸出箱体后，与测量仪器连接。

作为优选，所述变径拱具横截面的螺线的旋转角度不小于360度。通过变径拱具的旋转，可以模拟直径连续变化的桩体。

作为优选，所述变径拱具通过自锁结构固定转动位置，所述自锁结构包括：

设置在水平导轨上的棘齿；

固定套设在变径拱具转轴上的棘轮；

通过卷簧固定在变径拱具转轴上且与棘齿相啮合的棘爪。

棘爪脱离棘齿后，变径拱具可以自由转动，变径拱具旋转至合适角度后，棘轮与相应位置处的棘齿啮合，在卷簧的作用下，棘爪与棘齿啮合，限制棘轮的进一步转动。

作为优选，所述水平活动板上设有用于容置变径拱具的预留口，且预留口的边缘固定有与变径拱具相接触以密闭土拱试验舱的橡胶垫。

土拱试验舱需要为密闭结构，以防通过加压系统施加压力后，土样在间隙处挤出，干扰土拱试验的准确性。

作为优选，所述土拱试验舱的顶部设有支撑框架，所述竖直加压系统安装在支撑框架内，且顶部抵靠支撑框架以向竖直活动板施加向下压力。

本发明还提供了一种采用所述的土拱试验箱测量土拱效应的试验方法，包括：

步骤1，依据桩间距调整作为侧壁的活动板的位置；

步骤2，依据桩径大小设定变径拱具的旋转角度；

步骤3，由上至下向土拱试验舱中分层填装土样，各层土样之间采用异质土样薄层隔离；

步骤4，通过加压系统向各活动板施加压力，观察以及测量形成的土拱结构。

本发明提供的土拱试验箱，能够直观再现不同含水率、桩间距以及不同桩径下的土拱形成，可直接测量拱高、拱跨，描绘拱形，获得土拱的各项应力应变参数，进而获得载荷和位移的关系，从力学和试验现象两方面合理分析土拱的形成机理。

本发明提供的土拱试验箱操作简单，便于观察，依据对称原理对装置结构进行了简化，有效降低了土拱试验箱的自重。

附图说明

图1为本发明土拱试验箱的示意图；

图2为本发明土拱试验箱的箱体俯视图；

图3a～3d为本发明土拱试验箱中变径拱具不同旋转角度的示意图；

图4为本发明土拱试验箱中变径拱具的横截面示意图；

图5为本发明土拱试验箱中变径拱具上穿线孔布置的示意图；

图6为本发明土拱试验箱中变径拱具自锁结构的示意图。

图中：1、箱体；2、水平活动板；3、水平加压系统；4、竖直加压系统；5、变径拱具；6、竖直活动板；11、水平加压舱；12、竖直加压舱；13、土拱试验舱；14、角钢；15、钢板；16、观察窗；51、穿线孔；52、数据线；53、集线孔；55、棘轮；56、卷簧；57、棘爪；31、棘齿。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明土拱试验箱以及土拱试验方法做详细描述。

实施例1

如图1所示，一种土拱试验箱，包括箱体1、设置在箱体1内的土拱试验舱13、变径拱具5、水平加压系统3以及竖直加压系统4。

箱体1为下端开口的棱柱体，本实施例中箱体1为长1000mm、宽300mm、高1500mm的长方体。箱体1侧壁采用钢板15，相连两块钢板15通过等边角钢14以及螺栓固定连接。各钢板15之间的连接关系如图2所示，每块等边角钢14的两边分别贴靠相邻的两块钢板15，通过贯穿角钢14和钢板15的螺栓固定连接二者，在两块钢板15的连接处利用工程胶进行密封。

箱体1的各侧壁设有与地面相贴靠的外翻边，通过贯穿外翻边的地锚螺栓将箱体1固定在地面上。箱体1内部空间划分为处于右下角的土拱试验舱13，处于土拱试验舱13左侧的水平加压舱11以及处于土拱试验舱13上方的竖直加压舱12。水平加压系统3位于水平加压舱11内，竖直加压系统4位于竖直加压舱12内。

土拱试验舱13为长方体结构，土拱试验舱13的顶壁为竖直活动压板，左侧壁为水平活动压板，其余侧壁由箱体1兼做，土拱试验舱13的底部为开放结构。

箱体1内设置有用于导向竖直活动压板移动的竖直导轨，以及用于导向水平活动压板移动的水平导轨。水平导轨贯穿土拱试验舱13，且两端分别延伸至与箱体1侧壁接触，水平导轨的两端分别通过锚固螺栓与箱体1侧壁固定。

土拱试验舱13与水平活动压板相邻的一侧壁为透明有机玻璃制作的观察窗16，观察窗16上绘有刻度网格，根据刻度网格进行填料分层填筑，通过控制每层填料重量的方式控制填料孔隙率，相邻两层填料之间通过薄层白色石膏粉或石灰粉进行隔离，以方便观察。

水平活动压板上沿竖直方向依次设置两个水平加载位置，其中一个水平加载位置处于箱体11/3高度处，另一个水平加载位置处于箱体12/3高度处，在每个水平加载位置处焊接一根长度为25cm的等边角钢，每根等边角钢沿水平方向且垂直于箱体1侧壁的方向延伸，形成悬臂支撑结构，等边角钢的开口向上，且其中一边处于水平面上。

水平加压系统3向水平活动压板施加朝向土拱试验舱13的压力，水平加压系统3包括两个数显自动油压千斤顶，每个水平加载位置处的等边角钢上放置一个数显自动油压千斤顶，利用数显自动油压千斤顶推动水平活动压板沿水平导轨前进，以模拟不同的桩间距。数显自动油压千斤顶能够对箱体1内的土样进行连续稳定加压，有效地避免压力回缩造成的土样中应力回弹。

土拱试验舱13的顶部设有支撑框架，支撑框架内部形成竖直加压舱12，竖直加压系统4安装在支撑框架内部，竖直加压系统4向竖直活动压板施加向下的压力。支撑框架的相对水平两侧为不设置侧壁的开口结构，开口面积为600mm×400mm，以便放置竖直加压系统4以及向土拱试验舱13内进行填料。

竖直导轨为四根，分别贯穿竖直活动板6的四个角。竖直加压系统4包括两台数显自动油压千斤顶，支撑框架的顶部设有顶板，液压千斤顶抵靠顶板从而向竖直活动板6施加压力。

竖直加压系统4中两台油压千斤顶的位置依据水平活动板2的位置进行调整，两台油压千斤顶的施力点沿垂直于水平活动板2的直线排布，该直线将竖直活动板6平均分为两份。施力点所处的直线由土拱试验舱13的相对两侧壁截取出一线段，施力点将该线段划分为等长的三段。

竖直活动板6将压力均匀施加在土样上，竖直加压系统4可以对土拱试验舱13内的土样进行连续稳定加压，有效避免压力回缩造成的土样中应力回弹。

土拱结构为对称结构，取圆形桩的一半作为土拱试验的对象，采用变径拱具5模拟圆形桩的一半，通过变径拱具5与相对的土样试验舱侧壁之间的土样状态来研究土拱结构。

如图3a～3d所示，变径拱具5为水平布置的空心柱体，变径拱具5的截面形状如图4所示，截面形状的其中一部轮廓为螺线，其余部分为连接螺线两端的线段，线段所在直线通过变径拱具5的轴线，即螺线环绕角度为360度。

变径拱具5上，螺线所对应的侧壁上设有用于贯穿数据线52的穿线孔51，线段所对应的侧壁上设有用于贯穿数据线52的集线孔53。数据线52的一端连接置入土样中的应变片，另一端依次贯穿穿线孔51和集线孔53后与测试仪器连接。

如图5所示，穿线孔51为平行布置的两圈。如图4所示，每圈以变径拱具5的转轴为中心，每旋转15度，在螺线对应的侧壁上设置穿线孔51。

变径拱具5不同旋转角度下的示意图如图3a～图3d所示，变径拱具5旋转至不同角度，与土样相接触的一半侧壁对应不同直径的桩体，由此可以连续模拟不同直径的桩体，实现桩体桩径的自由变化。

水平活动板2上设有容置变径拱具5的预留口，变径拱具5位于预留口处且变径拱具5的转轴两端通过螺纹转动安装在水平活动板2上。

变径拱具5旋转至某一角度后由自锁结构限制变径拱具5的转动，自锁结构的示意图如图6所示，水平导轨上设置棘齿31，变径拱具5的转轴上固定套设与棘齿31相配合的棘轮55，变径拱具5的转轴上还通过卷簧56固定有与棘齿31相啮合的棘爪57。

棘爪57脱离棘齿31后，变径拱具5可以自由转动，变径拱具5旋转至合适角度后，棘轮55与相应位置处的棘齿31啮合，在卷簧56的作用下，棘爪57与棘齿31啮合，限制棘轮55的进一步转动。

水平导轨贴靠箱体1侧壁设置，水平活动板2的边缘与箱体1内壁相贴合并设有避让水平导轨的凹槽。水平活动板2的边缘与箱体1内壁相贴合以形成密封的土拱试验舱13。

预留口边缘粘贴有橡胶垫，橡胶垫与变径拱具5的相接触，变径拱具5旋转任意角度时，橡胶垫能够填补变径拱具5与预留口边缘的间隙，以保证土拱试验舱13的密闭性。

土样自上而下进入土拱试验舱13中，并途径变径拱具5，通过水平加压系统3以及竖直加压系统4施加压力以模拟土拱的形成。

实施例2

一种采用实施例1提供的土拱试验箱测量土拱效应的试验方法，包括：

步骤1，依据桩间距调整水平活动板2的位置。即通过水平加压系统3推动水平活动板2沿水平导轨移动至合适位置，以得到不同的桩间距。

步骤2，依据桩径大小设定变径拱具5的旋转角度。通过变径拱具5不同的旋转角度，变形拱具朝向土样的一侧具有不同的桩径大小。

步骤3，由上至下向土拱试验舱13中分层填装土样，各层土样之间采用异质土样薄层隔离。通过异质土样薄层的的纹路来反应土拱结构的形貌。

步骤4，通过加压系统向各活动板施加压力，观察以及测量形成的土拱结构。通过水平加压系统3和竖直加压系统4向土样施加不同的作用力，观察形成的土拱结构。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种土拱试验箱，包括箱体，其特征在于，所述箱体内部设有用于填装土样的土拱试验舱，土拱试验舱的顶壁以及至少一侧壁为活动板，设有向各活动板施加朝向土拱试验舱压力的加压系统，作为侧壁的活动板上转动定位安装有变径拱具，所述变径拱具为水平布置的柱体，且该柱体的横截面的至少一部分轮廓为螺线；所述变径拱具横截面的螺线的旋转角度不小于360度；

所述土拱试验舱的顶壁为竖直活动板，一侧壁为水平活动板，所述加压系统包括向竖直活动板施加向下压力的竖直加压系统，以及向水平活动板施加朝向土拱试验舱压力的水平加压系统；

所述箱体内部设有与竖直活动板相配合的竖直导轨，以及贯穿土拱试验舱且与水平活动板相配合的水平导轨；

所述变径拱具通过自锁结构固定转动位置，所述自锁结构包括：

设置在水平导轨上的棘齿；

固定套设在变径拱具转轴上的棘轮；

通过卷簧固定在变径拱具转轴上且与棘齿相啮合的棘爪。

2.如权利要求1所述的土拱试验箱，其特征在于，所述土拱试验舱的一侧壁为透明材质制作的观察窗，所述观察窗上设有刻度网格。

3.如权利要求1所述的土拱试验箱，其特征在于，所述变径拱具为空心结构，变径拱具的侧壁上设有用于穿过数据线的穿线孔。

4.如权利要求1所述的土拱试验箱，其特征在于，所述水平活动板上设有用于容置变径拱具的预留口，且预留口的边缘固定有与变径拱具相接触以密闭土拱试验舱的橡胶垫。

5.如权利要求1所述的土拱试验箱，其特征在于，所述土拱试验舱的顶部设有支撑框架，所述竖直加压系统安装在支撑框架内，且顶部抵靠支撑框架以向竖直活动板施加向下压力。

6.一种采用如权利要求1～5任一项所述的土拱试验箱测量土拱效应的试验方法，包括：

步骤1，依据桩间距调整作为侧壁的活动板的位置；

步骤2，依据桩径大小设定变径拱具的旋转角度；

步骤3，由上至下向土拱试验舱中分层填装土样，各层土样之间采用异质土样薄层隔离；

步骤4，通过加压系统向各活动板施加压力，观察以及测量形成的土拱结构。

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