CN107389446A - 分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置与方法，所述装置包括：三角斜撑架、加载框、肋尺槽架、加载单元、加载拐、回复弹簧、拼接挡墙、微型土压力传感器、橡胶薄膜、模型箱；所述方法基于所述装置。本发明可以模拟基坑分层开挖卸荷过程支护结构的侧压力，为工程设计与支护提供依据；可以研究非均匀位移时支护结构侧压力的分布规律及其随位移的变化规律。特别地，可以精确控制各深度处挡墙的侧移量，还可以较小的加载推力实现挡墙的被动位移加载。

Description

分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置与方法

技术领域

本发明涉及一种岩土工程的室内模型试验系统与测试方法，具体地，涉及一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置与方法。

背景技术

基坑逐步开挖卸荷，支护结构上土压力的分布规律是基坑工程研究的重要内容，也是基坑支护设计的依据，支护结构土压力随着开挖过程的变化规律也是岩土工程的重要科学问题。

刚性挡墙土压力研究的甚多，实际工程中，除了重力式挡墙以外，其他各种支护结构在使用过程中，均会产生挠曲变形，体现出柔性挡墙特点，侧移沿深度非均匀分布才是各种支护结构工作状态的普遍真实工况，非均匀侧移的土压力特点的实验与理论研究相对较少。

截至目前，国内外关于研究开挖卸荷土压力的试验装置并不多，且分层数较少，一次性卸荷深度太大，难以模拟实际工况；研究非均匀位移时支护结构上土压力的实验装置更为少见。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置与方法，通过模拟基坑分层开挖过程支护结构的侧压力，为工程设计与支护提供依据；通过本发明所述装置和方法可以研究非均匀位移时支护结构侧压力的分布规律及其随位移的变化规律。

根据本发明的第一个方面，提供一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，所述装置包括：模型箱、拼接挡墙、三角斜撑架、加载框、肋尺槽架、加载单元、回复弹簧、微型土压力传感器、橡胶薄膜；

所述模型箱为一端侧壁缺失的长方体箱体；

所述拼接挡墙位于模型箱侧壁缺失一端的箱体内部，拼接挡墙由多条等长的带肋墙片单元沿竖向拼接组成，每条带肋墙片单元的一条对角线两角处设有弹簧拉孔；

所述微型土压力传感器有多个，多个微型土压力传感器分别设置在拼接挡墙的各条带肋墙片单元面向模型箱内侧面上；

所述橡胶薄膜覆盖在拼接挡墙向模型箱内侧的一面上，橡胶薄膜的四周粘结在拼接挡墙上，用于隔离土体进入拼接挡墙的多条带肋墙片单元拼接缝隙内；

所述三角斜撑架由不少于两片的三角斜撑片，以及位于三角斜撑片之间用于连接三角斜撑片的水平连接杆件构成；

所述肋尺槽架由一系列长方体和一块矩形背板构成，一系列长方体沿竖向等间距规则布置并固定在矩形背板上，所述间距即为楔尺槽；矩形背板固定在三角斜撑架上，在矩形背板上、各长方体一条对角线的两角点对应处设有弹簧拉孔；

所述回复弹簧的两端分别钩在带肋墙片单元上的弹簧拉孔上和肋尺槽架的矩形背板上的弹簧拉孔上；

所述加载框由矩形边框与边框加强杆构成，矩形边框设置在肋尺槽架的外围，边框加强杆与矩形边框连接固定，并在矩形边框的一边即加载边上设有若干螺纹孔；

所述加载单元由加载楔尺、转动端头、环盖、螺杆和加载手柄构成；其中：加载楔尺安插在肋尺槽架的楔尺槽中，加载楔尺为直角梯形厚板，直角梯形的直角边侧面紧贴肋尺槽架的矩形背板，直角梯形的斜边侧面紧贴楔形背肋侧边斜面，加载楔尺较大端即直角梯形下底边侧面朝外并设有圆形内凹构造；转动端头的一端安装在加载楔尺较大端的圆形内凹构造内；环盖盖在转动端头的一端外侧，并固定在加载楔尺的较大端端头；转动端头的另一端与螺杆一端连接，螺杆的另一端穿过加载边上的螺纹孔与加载手柄连接；加载手柄的外侧设有数个圆孔的内凹构造。

优选地，所述的装置还包括加载拐，所述加载拐包括连为一体的三折线杆与加载端头，其中：

所述加载端头的一侧设置有数个外凸的圆柱结构，且外凸圆柱结构的数量与加载手柄外侧的圆孔内凹构造的数量相同，外凸的圆柱结构与圆孔的内凹构造适配并连接固定，通过转动三折线杆从而拧动加载手柄，进而转动加载单元，从而带动加载楔尺在肋尺槽架的肋尺槽内滑动。

优选地，所述装置具有以下至少一种特征：

—所述模型箱净宽等于拼接挡墙的宽度B外加2mm富余尺寸；

—所述模型箱的高度不小拼接挡墙总高H；

—所述模型箱的长度尺寸根据实验目的确定：

根据测试基坑开挖与非均匀位移下的主动土压力工况，模型箱的长度尺寸L0不小于

根据测试非均匀位移下的被动土压力工况，模型箱的长度尺寸L0不小于其中：H为拼接挡墙总高，π为圆周率，为松散介质的内摩擦角。

优选地，所述带肋墙片单元由条形板与楔形背肋牢固连接组成，条形板与楔形背肋之间采用螺钉连接；

所述楔形背肋为狭长的直角梯形板件，其中：直角梯形板件的厚度te为带肋墙片单元高度的1/5～1/2且不小于3cm，直角梯形上底边即楔形背肋小端的宽度尺寸St1不小于被动极限位移估算值Sp，直角梯形下底边即楔形背肋大端的宽度尺寸St2不小于被动极限位移估算值Sp的3倍，直角梯形截面楔形边的坡率N>>1，直角梯形截面的直角腰长Sx＝2*N*(St2-St1)，所述被动极限位移估算值Sp按照主动极限位移估算值Sa的10倍估算，所述主动极限位移估算值Sa按照拼接挡墙总高H的0.2％估算；

所述条形板的宽度为5cm～50cm，条形板的长度不小于楔形背肋的长度，条形板的厚度为条形板的长度的1/5～1/8；

所述带肋墙片单元的数量为3～20，具体数量根据实验目的、工程需要、制作与操作的繁简程度综合确定：模拟基坑分层开挖时取3～10，模拟柔性挡墙非均匀位移工况时取10～20；带肋墙片单元的长度即拼接挡墙的宽度B不小于2*N倍的被动极限位移估算值Sp，也不小于拼接挡墙总高H的1/3。

优选地，所述肋尺槽架具有如下至少一种特征：

—所述长方体包括中间长方体结构、顶部长方体结构、底部长方体结构，其中：中间长方体结构沿模型箱宽度方向的尺寸，即中间长方体结构的长度小于模型箱的净宽尺寸和带肋墙片单元的条形板长度尺寸5cm～10cm；中间长方体结构沿模型箱竖向尺寸，即中间长方体结构的高度等于带肋墙片单元的条形板高度与楔形背肋厚度的差值；中间长方体结构沿模型箱长边方向尺寸，即中间长方体结构的宽度不大于加载楔尺的梯形中线长度减去主动极限位移估算值Sa；顶部长方体结构和底部长方体结构的高度尺寸为中间长方体结构的高度尺寸的一半；

—所述矩形背板固定在三角斜撑片的竖向杆件和水平连接杆件上；

—所述长方体长度方向沿模型箱短边方向固定在矩形背板宽度的中间位置；

—所述矩形背板上、各长方体结构的一条对角线与带肋墙片单元的条形板上设置弹簧拉孔的对角线方位相同。

优选地，所述的加载单元具有如下至少一种特征：

—所述加载楔尺的厚度与带肋墙片单元的条形板厚度相同，加载楔尺小端即直角梯形上底边长不小于主动极限位移估算值Sa，加载楔尺的直角梯形直角边长度与斜边坡度均与带肋墙片单元的楔形背肋相同，且斜边坡面与直角边侧面光滑；加载楔尺的直角梯形直角边侧面设置有双向毫米刻度，零点刻度设置于直角边侧面中点，向加载楔尺小端一侧为主动位移刻度段，向加载楔尺大端一侧为被动位移刻度段；

—所述螺杆长度取大于加载楔尺长度一半的整数值，螺杆的螺纹间距不大于主动极限土压力估算值Sa，且螺杆长度不小于N倍的Sa；

—所述转动端头为圆柱头铆钉形状，圆柱头安装在加载楔尺的圆形内凹构造内；

—所述转动端头与螺杆之间、螺杆与加载手柄之间采用孔隼与销钉方式连接。

优选地，所述的加载框具有如下至少一种特征：

—所述矩形边框包括一条加载边和三条非加载边，加载边采用实心钢材制作，且加载边上设置的螺纹孔的数量与加载单元的数量相同，三条非加载边采用H型钢或矩形型钢制作；

—所述边框加强杆包括两根竖向加强杆组成的“Π形”结构和两个斜向加强杆组成的“V形”结构，材质均采用实心钢材；“Π形”结构设置在矩形边框的中部且紧贴模型箱外壁处，两根竖向加强杆分别位于矩形边框的两侧，且净间距不小于加载楔尺大端的宽度；两根斜向加强杆设置在“Π形”竖向加强杆与加载边之间，“V形”结构的顶点固定于加载边的中点，“V形”结构的两个端点固定于同一根竖向加强杆的两端；

—所述加载框的高度净尺寸等于肋尺槽架的高度，加载框的长度小于加载单元中的加载楔尺与螺杆的长度之和。

优选地，所述回复弹簧具有如下至少一种特征：

—所述回复弹簧直径小于模型箱的净宽尺寸与肋尺槽架的长方体长度尺寸的差值；

—所述回复弹簧的弹性系数为10N/cm～50N/cm，具体弹性系数满足带肋墙片单元在移动过程中平衡摩擦力。

优选地，所述的橡胶薄膜具有变形力，橡胶薄膜的表面粗糙程度根据所模拟的实际挡墙工况或者实验目的选择。

优选地，所述的微型土压力传感器均为圆形，其直径均为1cm～2cm、厚度均为4mm～8mm。

根据本发明的第二个方面，提供一种基坑分层开挖土压力测试方法与非均匀位移工况支护侧压力测试方法：

(一)基坑分层开挖土压力测试方法，包括如下步骤：

(1)调零，填土：

用加载拐逐个拧动各加载单元的加载手柄，使各加载楔尺的刻度为零，向模型箱内缓慢、均匀填土；

(2)测量第一层卸荷后挡墙土压力：

手动拧动第一个加载单元的加载手柄，使对应的加载楔尺刻度产生向外位移达N*Sa1，其中：Sa1＝h1*0.2％，h1为第一层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一层卸荷后挡墙的土压力；

(3)测量第一、第二层卸荷后挡墙土压力：

手动拧动第一、二个加载单元的加载手柄，使对应的加载楔尺刻度产生向外位移达N*Sa2，其中：Sa2＝(h1+h2)*0.2％，h1、h2分别为第一层、第二层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一、第二层卸荷后挡墙的土压力；

(4)测量第一、第二、…第n层卸荷后挡墙土压力：

手动拧动第一、第二、…第n个加载单元的加载手柄，使对应的加载楔尺刻度产生向外位移达N*San，其中：San＝(h1+h2+…+hn)*0.2％，h1、h2、…hn分别为第一层、第二层、…第n层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一、第二、…第n层卸荷后挡墙的土压力；

所述第一、第二、…第n个和第一、第二、…第n层均为从上往下计数。

(二)非均匀位移工况支护侧压力测试方法，所述方法包括如下步骤：

(1)拼接安装：从下往上逐个拼装带肋墙片单元，加载楔尺的楔形侧面面向带肋墙片单元、加载楔尺小端插入肋尺槽架的楔尺槽一半深度处，并将橡胶薄膜四周粘结在拼接挡墙上；

(2)调零，填土：手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各加载楔尺的刻度为零，向模型箱内缓慢、均匀填土；

(3)根据预定的非均匀位移曲线，采用线性差值确定各带肋墙片单元的侧向位移值Sai或者Spi，其中：Sai为主动工况时线性差值计算的各带肋墙片单元的侧向位移值，Spi为被动工况时线性差值计算的各带肋墙片单元的侧向位移值；

(4)首先尝试直接手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各带肋墙片单元对应的加载楔尺刻度达到带肋墙片单元的侧向位移值Sai或者Spi的N倍；对于被动位移工况，直接拧动加载手柄有困难时，采用加载拐辅助加载；各带肋墙片单元位移设定就位后，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到步骤(3)中设定的侧向位移值下的土压力值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)挡墙的分层数受限少，能做到精细化：将挡墙离散为很多微小高度的水平墙片单元，对各墙片单元独立自由设定侧移量，从而不仅能很好的模拟分层开挖过程，还能有效模拟柔性挡墙的非均匀位移工况；

(2)位移加载与读数原理先进：以较小的加载力产生数倍、数十倍、甚至数百倍的水平推力，从而有效减小对加载设备的要求，直接采用手动加载即可实现对墙片单元的加卸载，测试被动土压力与大比例模型优势明显；同时还能将微小的侧移量放大数倍、数十倍、甚至数百倍后再读数，以常规的刻度尺便可以实现精确控制位移，测试非极限土压力优势明显。

(3)将墙片单元的微小侧移量放大倍率后，便于观察和控制加载过程。

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整体三维视图；

图2为本发明一实施例的各部分拼装顺序三维视图；

图3为本发明一实施例的三角斜撑架、加载框、加载框加强杆及模型箱托架三维视图；

图4为本发明一实施例的加载框与加载框加强杆三维视图；

图5为本发明一实施例的肋尺槽架三维视图；

图6为本发明一实施例的拼接挡墙三维视图；

图7为本发明一实施例的肋尺槽架、拼接挡墙及回复弹簧三维视图；

图8为本发明一实施例的肋尺槽架、拼接挡墙、回复弹簧、加载单元、螺栓加载件、微型土压力传感器及橡胶薄膜三维视图；

图9为本发明一实施例的加载单元及加载拐的细部三维视图；

图10为本发明一实施例的位移加载与读数原理的平面图；

图11为本发明一实施例的位移加载与读数原理的三维视图；

图12为本发明一实施例的加载力缩小原理的平面图；

图13为本发明一实施例的加载力缩小原理的三维视图；

图14为本发明一实施例的一种非线性位移工况时拼接墙片三维视图；

图15为本发明一实施例的另一种非线性位移工况时拼接墙片三维视图；

图16为本发明一实施例的分层开挖工况的拼接墙片三维视图；

图中：1—拼接挡墙，2—加载单元，3—加载拐，4—肋尺槽架，5—加载框，6—加载框加强件，7—回复弹簧，8—三角斜撑架，9—模型箱，10—微型土压力传感器，11—橡胶薄膜，12—带肋墙片单元，13—条形板，14—楔形背肋，15—加载楔尺，16—转动端头，17—螺杆，18—加载手柄，19—环盖，20—弹簧拉孔，21—自攻螺丝，22—模型箱托架，23—螺纹孔，24—螺钉孔，25—顶部长方体，26—中部长方体，27—底部长方体，28—肋尺槽背板，29—肋尺槽，30—弹簧拉孔，31—加载边，32—非加载边，33—竖向加强杆，34—斜向加强杆，35—位移标尺，36—位移标尺的零点刻度位置。

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。

实施例1

如图1-图9所示，一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，包括：拼接挡墙1、加载单元2、加载拐3、肋尺槽架4、加载框5、加载框加强件6、回复弹簧7、三角斜撑架8、模型箱9、微型土压力传感器10、橡胶薄膜11。

如图1、图2所示，所述模型箱9为一端侧壁缺失的长方体箱体，拼接挡墙1、螺栓加载件2、肋尺槽架4、加载框5、加载楔尺15、回复弹簧7、三角斜撑架8、微型土压力传感器10均设置于模型箱的侧壁缺失的一端；模型箱托架22位于模型箱9下面，并与模型箱9底板采用螺栓连接。

作为优选的实施方式，所述模型箱9的净宽等于拼接挡墙1的宽度B外加2mm富余尺寸，模型箱9的高度不小于拼接挡墙1的总高H，模型箱9的长度尺寸根据实验目的确定，具体的：

当用于模拟基坑分层开挖工况和非均匀位移下的主动土压力工况时，模型箱9的长度尺寸L0不小于

当用于模拟非均匀位移下的被动土压力工况时，模型箱9的长度尺寸L0不小于

其中：H为拼接挡墙1的总高，π为圆周率，为松散介质的内摩擦角。

进一步的，所述模型箱9为有机玻璃材质，模型箱9的净宽为50.1cm、壁厚为1.5cm、净长为175cm。

如图1、图2所示，所述拼接挡墙1位于模型箱9的开放缺口一侧；拼接挡墙1由10条等长的带肋墙片单元12沿竖向拼接组成，每条带肋墙片单元12均由条形板13与楔形背肋14牢固连接组成(如图6所示)，连接方式采用焊接或者自攻螺丝连接。

作为优选的实施方式，所述拼接挡墙1的全高H＝10*h＝1m；拼接挡墙1的主动极限位移估算值取Sa＝1000mm*0.25％＝2.5mm，被动极限位移估算值Sp取Sa的10倍，Sp＝10*Sa＝10*2.5mm＝25mm。

作为优选的实施方式，所述带肋墙片单元12的长度B，不小于2*N倍的被动极限位移的估算值Sp，也不小于拼接挡墙1全高H的1/3；每条带肋墙片单元12高h＝10cm、厚t＝8cm>B/8、长度B即拼接挡墙1的宽度尺寸取楔形背肋14的直角边腰高，B＝Sh，其中Sh为楔形背肋14的梯形直角边腰高尺寸，Sh＝2*N*Sp＝50cm。

作为优选的实施方式，所述楔形背肋14的坡面光滑；楔形背肋14为狭长的直角梯形板件，板件厚度te取带肋墙片单元12高度的1/5～1/2且不小于3cm；楔形背肋14的直角梯形上底边(即楔形背肋14小端)宽度尺寸St1等于1倍的被动极限位移估算值Sp、直角梯形下底边(即楔形背肋14大端)宽度尺寸St2取St2＝3*Sp＝7.5cm，楔形背肋14的直角梯形高度(即楔形背肋14长度)精确的等于N*Sp；楔形背肋14的直角梯形斜腰与直角梯形高线之间的夹角(即楔形背肋14的楔形坡度)大于45度，坡率N为3～20；直角梯形截面的楔形边的坡率N>>1，直角梯形截面的直角腰长Sx＝2*N*(St2-St1)；

所述条形板13的一条对角线的两角处设有圆形的弹簧拉孔20(如图6所示)。

进一步的，所述条形板13的宽度为5cm～50cm，具体宽度尺寸根据实验目的、工程需要、制作操作的繁简程度综合确定；条形板13的长度不小于楔形背肋14的长度；条形板13的厚度为条形板13长度的1/5～1/8。

如图2所示，所述的微型土压力传感器10有20个，分2排每排10个并分别设置在各条带肋墙片单元12面向模型箱9内侧的一面上的两个三等分点处；微型土压力传感器10的尺寸较小，优选为圆形，圆形的直径1cm～2cm、厚度4mm～8mm。

如图2所示，所述橡胶薄膜11覆盖在拼接挡墙1朝向模型箱9内侧的一面上，并将橡胶薄膜11四周粘结在拼接挡墙1上；橡胶薄膜11用于隔离土体，避免进入多个带肋墙片单元12拼接缝隙内。

作为优选的实施方式，所述橡胶薄膜11的表面光滑，橡胶薄膜11的厚1mm。

进一步的，所述橡胶薄膜11的表面的粗糙程度根据所模拟的实际挡墙工况或者实验目的选择；橡胶薄膜11具有一定的变形能力。

如图5所示，所述的肋尺槽架4由一系列长方体和一块肋尺槽背板28构成，一系列长方体沿竖向等间距规则布置，其中：所述等间距即为肋尺槽29，等于加载楔尺15的厚度；具体的：

一系列长方体包括9个中间长方体26、1个顶部长方体25和1个底部长方体27：中部长方体26长45cm、宽2cm、高5cm；顶部长方体25长45cm、宽2cm、高2.5cm；底部长方体27长45cm、宽2cm、高2.5cm；各长方体竖向间隔tl＝5cm布置；所述长方体均固定在一块宽50cm、高100cm、厚1cm的矩形的肋尺槽背板28上，并在肋尺槽背板28上、各长方体一条对角线的两角点对应的端头处设有圆形的弹簧拉孔30，所述对角线与各带肋墙片单元12的条形板13上圆形弹簧拉孔20的对角线方位一致。

如图1-图3所示，所述三角斜撑架8由两片三角斜撑片和水平连接杆焊接构成，肋尺槽架4的肋尺槽背板28通过自攻螺丝固定在三角斜撑片的竖向杆件和水平连接杆上。

作为优选的实施方式，所述三角斜撑架8由H形型钢焊接而成。

如图7、图8所示，所述回复弹簧7有多根，设置在每条带肋墙片单元12与肋尺槽架4的肋尺槽背板28之间；回复弹簧7的一端拉在每条带肋墙片单元12的条形板13的圆形弹簧拉孔30上，回复弹簧7的另一端拉在肋尺槽背板28对应的弹簧拉孔30上。

作为优选的实施方式，所述回复弹簧7的直径小于模型箱8的净宽尺寸与肋尺槽架4的中部长方体26长度尺寸的差值；

所述回复弹簧7的弹性系数较小，以满足每条带肋墙片单元12在移动过程中平衡摩擦力即可。

进一步的，所述回复弹簧7的弹性系数为10N/cm～50N/cm，优选25N/cm。

如图2-图4所示，所述加载框5为一刚度较大的矩形边框并采用型钢焊接制作，加载框5设置在肋尺槽架4的外围，包括一条加载边31和三条非加载边32，一条加载边31和三条非加载边32连接成一矩形，并在连接的四角采用焊接连接；

所述加载框5的内部净宽不小于楔形背肋14长度的1.5倍、净高等于拼接挡墙1的高度，长度略小于加载楔尺15长度与螺杆17长度的和；加载框5的非加载边32采用H型钢或矩形型钢制作，加载框3的加载边31采用实心钢材制作并在加载边31上开有10个螺丝孔23，螺丝孔23的螺丝尺寸与螺杆17的螺丝尺寸相同，螺杆17分别贯穿10个螺丝孔。

如图3、图4所示，所述加载框5的加载边31沿平面内水平方向开有10个直径为4cm的螺纹孔23用于分别贯穿螺杆17；在加载边31中点处沿平面外水平方向开有一个直径6cm的螺纹孔23、在上侧一条非加载边32的中部紧靠模型箱9的位置开设有一个直径6cm的竖向螺纹孔23，用于连接固定加载框加强件6。

进一步的，所述加载框5的净宽为90cm、净高为100cm。

如图4所示，所述加载框加强件6包括竖向加强杆33、斜向加强杆34，其中：

所述竖向加强杆33有两根，两根竖向加强杆33对称设置在加载框5的平面外两侧以构成Π形状，位于模型箱9一侧的竖向加强杆33紧贴模型箱9外壁，竖向加强杆33的两端固定在加载框5上、下边的中部位置，两根竖向加强杆33之间的间距大于加载楔尺15的较大一端的宽度尺寸；并在两根竖向加强杆33的顶部连接处开有直径6cm的螺纹孔23，通过螺栓与加载框5的上侧一条非加载边32连接固定；

所述斜向加强杆34有两根，两根斜向加强杆34设置在加载框5对着模型箱9的一侧和加载一端的两个角部，并与竖向加强杆33处于同一平面；两根斜向加强杆34的交点焊接为一整体并开有直径6cm的螺纹孔23，通过螺栓固定在加载框5的加载边31的中点附近；两根斜向加强杆34的另外一端分别焊接连接在同一根竖向加强杆33的两端附近位置。

如图8、图9所示，所述加载楔尺15安插在肋尺槽架4中；加载楔尺15的厚度、长度均及楔坡坡率与楔形背肋14相同，加载楔尺15为直角梯形厚板，加载楔尺15较小端即直角梯形上底边长不小于主动极限位移估算值Sa，加载楔尺15的侧面光滑；加载楔尺15较大端即直角梯形下底边外侧截面设有圆形内凹构造。

进一步的，所述加载楔尺15的外侧面，即面向三角斜撑架8的一面上设有刻度毫米刻度作为位移标尺35，位移标尺的零点刻度位置36设置在加载楔尺15的直角梯形直角边中点位置，中点位置向加载楔尺15较小端为主动位移读数范围，中点位置向加载楔尺15较大端为被动极限位移读数范围；

所述加载楔尺15的直角梯形下底边侧面的圆形内凹构造的直径4cm、深度1.5cm。

进一步的，所述加载楔尺15的直角梯形上底边(即较小端)宽2.5cm，直角梯形直角边长50cm，所述加载楔尺15的直角梯形下底边(即较大端)宽7.5cm、长5cm、厚8cm。

如图8、图9所示，所述加载单元2的数量与加载楔尺15相同，其中：

转动端头16安装在加载楔尺15较大端的圆形内凹构造里；螺杆17的两端各5cm无螺丝段部位分别设有两个直径1.5cm的螺钉孔24，转动端头16的连接端穿过环盖19设置的内孔安插在螺杆17内，并通过自攻螺丝21穿过螺杆17一端的螺钉孔与螺杆17固定；加载手柄18的连接端安插在螺杆17的另一端并通过自攻螺丝21穿过螺杆17的另一端21的螺钉孔24与螺杆17固定；螺杆17一一穿过加载框5的加载边31上设置的螺纹孔23后通过转动端头16与加载楔尺15较大端连接。

作为优选地实施方式，所述转动端头16形如螺钉，转动端头16的尾部膨大部分尺寸与加载楔尺15的圆形内凹构造尺寸相同，尾部膨大部分设置在加载楔尺15的圆形内凹构造里并可自由转动；转动端头16的另一端即连接端为环柱形状；

所述加载手柄18外侧设有四个凹孔构造与加载拐3配合；

所述环盖19盖在加载楔尺15的圆形内凹构造外侧，并通过螺钉牢固连接；环盖19的外圆尺寸大于转动端头16的尾部膨大部分尺寸、内孔尺寸等于螺杆17尺寸；

所述加载手柄18的外轮廓尺寸不大于带肋墙片单元12的高度；

所述螺杆17的长度不小于N倍的主动位移估算值Sa；螺杆17的螺丝间距不大于主动极限土压力估算值Sa，螺杆17的螺纹尺寸与加载框5的加载边31上设置的十个螺纹孔23尺寸相同；

进一步的，所述加载手柄18为直径5cm的光滑棱边的薄圆柱体；

所述螺杆17的长度40cm，螺丝段30cm、螺距5mm，螺牙高度3mm、螺牙厚度2.5mm；

所述转动端头16的直径4cm、厚度1.5cm；转动端头16的连接端直径1.5cm，并设有螺丝插销；

所述环盖19的外尺寸6.5cm、内孔直径1.5cm。

如图1、图2、图9所示，所述加载拐3由圆形截面的三折线钢构件和圆台件一体构成，其中：

圆台件的圆台外侧设有四个圆柱外凸构造，四个圆柱外凸构造与加载手柄18外侧面设置的四个凹孔构造匹配，圆台件与加载手柄18配合，通过转动三折线钢构件从而拧动加载单元2转动，并带动加载楔尺15在肋尺槽架4的肋尺槽29内滑动。

作为优选的实施方式，所述加载拐3的材度较高，优选的为钢材。

如图5、图7、图8所示，所述肋尺槽架4中的顶部长方体25上表面开设有若干螺钉孔24，用于作自攻螺丝21固定加载框5的上侧非加载边32的连接孔。

实施例2

基于上述实施例1的装置结构，提供一种室内模拟基坑分层开挖土压力测试模型试验方法，如图10-16所示。包括如下步骤：

(1)跟据实际设定基坑开挖的分层数n和各次开挖的深度hi，根据实施例1中的方法，确定带肋墙片单元的尺寸、加载楔尺的尺寸等实验装置的各部分构造，并拼装就位；

(2)调零，模型箱装填砂土：直接手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各加载楔尺的刻度处于零点位置，然后向模型箱内分层均匀地装填砂土达预定高度。

(3)向外手动拧动第一层带肋墙片单元对应的加载手柄，直至达极限位移Sa1＝Sa1＝h1*0.25％，其中h1为第一层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一层开挖卸荷后挡墙的土压力；

(4)向外手动拧动第一层、第二层带肋墙片单元对应的加载手柄，直至达极限位移Sa2＝Sa1＝(h1+h2)*0.25％，其中h1、h2分别为第一层、第二层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一、二层开挖卸荷后挡墙的土压力；

(5)参照步骤(4)中的方法，向外手动拧动第一层、第二层、…第i层带肋墙片单元对应的加载手柄，直至达极限位移Sai＝(h1+h2+…+hi)*0.25％，其中h1、h2、…、hi分别为第一层、第二层、…第i层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一层、第二层、…第i层开挖卸荷后挡墙的土压力；

不断重复步骤(5)，直至i＝n，得到全部开挖卸荷时挡墙的土压力，实验完毕。

实施例3

基于上述实施例1的装置结构，提供一种室内模拟非均匀位移工况土压力测试模型试验方法，如图10-16所示。包括如下步骤：

(1)根据模拟的精确性要求与带肋墙片单元、加载楔尺、加载螺栓等部件制作与操作的繁琐形综合考虑，选定拼接挡墙的分段数量，最少不小于10，也不宜多于20；

(2)按照实施例1中的方法计算、制作、拼装实验装置的各个部件；

(3)手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各加载楔尺的刻度处于零点位置，然后分层均匀地向模型箱内装填砂土至预定的高度；

(4)根据预定的非均匀位移曲线，采用线性差值的方法计算确定各带肋墙片单元的侧向位移值Sai或者Spi，其中：Sai为主动工况时线性差值计算的各带肋墙片单元的侧移值，Spi为被动工况时线性差值计算的各带肋墙片单元的侧移值；

(5)首先手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各带肋墙片单元对应的加载楔尺刻度达到带肋墙片单元的位移值(Sai或者Spi)的N倍；对于被动位移工况，直接拧动加载手柄有困难时，采用加载拐辅助加载；带肋墙片单元位移设定就位后，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到设定步骤(4)中设定位移下的土压力值；

实验完毕。

实施例4

如图10所示，中间图为初始状态加载楔尺15与带肋墙片单元12的相对位置关系，加载楔尺15的顶端处于带肋墙片单元12的楔形背肋14的中点；左侧图为被动位移加载状态，即要使带肋墙片单元12向内产生Sp的位移，加载单元2需向内插入N*Sp的长度，从而将读数位移放大了N倍，其中N为加载楔尺15与带肋墙片单元12的楔形背肋14二者斜面坡率；右侧图为主动位移加载状态，即要使带肋墙片单元12向内产生Sa的位移，加载单元2需向外拔出N*Sa的长度，将读数位移放大了N倍。

实施例5

如图11所示，中间图为初始状态加载楔尺15与带肋墙片单元12的相对位置关系，加载楔尺15的顶端处于带肋墙片单元12背肋的中点，且加载楔尺15背面的刻度中点位移中点处，中点向外为被动位移段，中点向内为主动位移段；左侧图为左侧图为被动位移加载状态，为使带肋墙片单元12产生Sp的被动位移，加载楔尺15需向内插入N*Sp的长度，转动端头16需要顺时针旋转360*N*Sp/Δh的角度，从而实现了将被动位移读数放大N倍的目的；右侧图主动位移加载状态，即要使带肋墙片单元12向内产生Sa的位移，加载单元2需向外拔出N*Sa的长度，转动端头16需要逆时针旋转360*N*Sa/Δh的角度，从而实现了将主动位移读数放大N倍的目的。

实施例6

如图12所示，中间图为初始加载状态的加载楔尺15与带肋墙片单元12之间相对位置关系，位移加载楔楔尺15的顶端位于带肋墙片单元12背肋的中点；左侧图为被动位移加载状态，要平衡带肋墙片单元12传来的被动侧压力Ep，只需Ep/N的力作用在加载楔尺15的末端，从而将加载力缩小了N倍，其中N为位移加载楔尺15与带肋墙片单元12背肋二者的斜面坡率；右侧图为主动位移加载状态，要平衡带肋墙片单元12传来的主动侧压力Ea，只需Ea/N的力作用在加载楔尺15的末端，从而将加载力缩小了N倍。

实施例7

如图13所示，中间图为初始加载状态的加载楔尺15与带肋墙片单元12之间相对位置关系，位移加载楔尺15的顶端位于带肋墙片单元12背肋的中点；左侧图为被动位移加载状态，要平衡带肋墙片单元12传来的被动侧压力Ep，由位移加载楔尺15与带肋墙片单元12背肋二者的接触斜面上力矢的平衡可知，只需Ep/N的力作用在加载楔尺15的末端，则螺杆17上螺纹与加载框5的加载边31上螺纹孔23的螺纹之间的摩擦力为μ*Ep/N，根据同轴转动的杠杆原理可知作用在加载拐3上的手动加载力进一步缩小为Fp＝(r/R)*μ*(Ep/N)，其中N为位移加载楔尺15与带肋墙片单元12背肋二者的斜面坡率，r为螺杆17的半径，R加载拐3中段的长度，μ螺杆17螺纹与螺纹孔23螺纹之间的摩擦系数；右侧图为主动位移加载状态，要平衡带肋墙片单元12传来的主动侧压力Ea，由加载楔尺15与带肋墙片单元12背肋接触面处的力矢平衡可知，只需Ea/N的力作用在加载楔尺15的末端，则螺杆17螺纹与螺纹孔23螺纹之间的摩擦力为μ*Ea/N，根据同轴转动的杠杆原理可知作用在加载拐3上的手动加载力进一步缩小为Fp＝(r/R)*μ*(Ea/N)。

实施例8

如图14、15所示，根据实验侧移曲线计算出各带肋墙片单元12的侧移量，通过加载单元2逐一设置并调整各带肋墙片单元12的侧移量，从而模拟该位移工况下的柔性挡墙的变形。

实施例9

如图16所示，从上向下逐步向外撤出带肋墙片单元12，撤出位移不小于Sa＝(Δh1+Δh2+……+Δhi)*0.02，i为开挖至第i层，对应下图的第5层。

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 (10)

1.一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述装置包括：模型箱、拼接挡墙、三角斜撑架、加载框、肋尺槽架、加载单元、回复弹簧、微型土压力传感器、橡胶薄膜；

所述模型箱为一端侧壁缺失的长方体箱体；

所述拼接挡墙位于模型箱侧壁缺失一端的箱体内部，拼接挡墙由多条等长的带肋墙片单元沿竖向拼接组成，每条带肋墙片单元的一条对角线两角处设有弹簧拉孔；

所述微型土压力传感器有多个，多个微型土压力传感器分别设置在拼接挡墙的各条带肋墙片单元面向模型箱内侧面上；

所述橡胶薄膜覆盖在拼接挡墙向模型箱内侧的一面上，橡胶薄膜的四周粘结在拼接挡墙上，用于隔离土体进入拼接挡墙的多条带肋墙片单元拼接缝隙内；

所述三角斜撑架由不少于两片的三角斜撑片，以及位于三角斜撑片之间用于连接三角斜撑片的水平连接杆件构成；

所述肋尺槽架由一系列长方体和一块矩形背板构成，一系列长方体沿竖向等间距规则布置并固定在矩形背板上，所述间距即为楔尺槽；矩形背板固定在三角斜撑架上，在矩形背板上、各长方体一条对角线的两角点对应处设有弹簧拉孔；

所述回复弹簧的两端分别钩在带肋墙片单元上的弹簧拉孔上和肋尺槽架的矩形背板上的弹簧拉孔上；

所述加载框由矩形边框与边框加强杆构成，矩形边框设置在肋尺槽架的外围，边框加强杆与矩形边框连接固定，并在矩形边框的一边即加载边上设有若干螺纹孔；

所述加载单元由加载楔尺、转动端头、环盖、螺杆和加载手柄构成；其中：加载楔尺安插在肋尺槽架的楔尺槽中，加载楔尺为直角梯形厚板，直角梯形的直角边侧面紧贴肋尺槽架的矩形背板，直角梯形的斜边侧面紧贴楔形背肋侧边斜面，加载楔尺较大端即直角梯形下底边侧面朝外并设有圆形内凹构造；转动端头的一端安装在加载楔尺较大端的圆形内凹构造内；环盖盖在转动端头的一端外侧，并固定在加载楔尺的较大端端头；转动端头的另一端与螺杆一端连接，螺杆的另一端穿过加载边上的螺纹孔与加载手柄连接；加载手柄的外侧设有数个圆孔的内凹构造。

2.根据权利要求1所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于：所述的装置还包括加载拐，所述加载拐包括连为一体的三折线杆与加载端头，其中：

所述加载端头的一侧设置有数个外凸的圆柱结构，且外凸圆柱结构的数量与加载手柄外侧的圆孔内凹构造的数量相同，外凸的圆柱结构与圆孔的内凹构造适配并连接固定，通过转动三折线杆从而拧动加载手柄，进而转动加载单元，从而带动加载楔尺在肋尺槽架的肋尺槽内滑动。

3.根据权利要求1所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述装置具有以下至少一种特征：

—所述模型箱净宽等于拼接挡墙的宽度B外加2mm富余尺寸；

—所述模型箱的高度不小拼接挡墙总高H；

—根据测试基坑开挖与非均匀位移下的主动土压力工况，模型箱的长度尺寸L0不小于

—根据测试非均匀位移下的被动土压力工况，模型箱的长度尺寸L0不小于其中：H为拼接挡墙总高，π为圆周率，为松散介质的内摩擦角。

4.根据权利要求1所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述的带肋墙片单元由条形板与楔形背肋牢固连接组成，条形板与楔形背肋之间采用螺钉连接；

所述楔形背肋为狭长的直角梯形板件，其中：直角梯形板件的厚度te为带肋墙片单元高度的1/5～1/2且不小于3cm，直角梯形上底边即楔形背肋小端的宽度尺寸St1不小于被动极限位移估算值Sp，直角梯形下底边即楔形背肋大端的宽度尺寸St2不小于被动极限位移估算值Sp的3倍，直角梯形截面楔形边的坡率N>>1，直角梯形截面的直角腰长Sx＝2*N*(St2-St1)，所述被动极限位移估算值Sp按照主动极限位移估算值Sa的10倍估算，所述主动极限位移估算值Sa按照拼接挡墙总高H的0.2％估算；

所述条形板的宽度为5cm～50cm，条形板的长度不小于楔形背肋的长度，条形板的厚度为条形板的长度的1/5～1/8；

所述的带肋墙片单元的数量为3～20，具体数量根据实验目的、工程需要、制作与操作的繁简程度综合确定：模拟基坑分层开挖时取3～10，模拟柔性挡墙非均匀位移工况时取10～20；带肋墙片单元的长度即拼接挡墙的宽度B不小于2*N倍的被动极限位移估算值Sp，也不小于拼接挡墙总高H的1/3。

5.根据权利要求4所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述的肋尺槽架具有如下至少一种特征：

—所述长方体包括中间长方体结构、顶部长方体结构、底部长方体结构，其中：中间长方体结构沿模型箱宽度方向的尺寸，即中间长方体结构的长度小于模型箱的净宽尺寸和带肋墙片单元的条形板长度尺寸5cm～10cm；中间长方体结构沿模型箱竖向尺寸，即中间长方体结构的高度等于带肋墙片单元的条形板高度与楔形背肋厚度的差值；中间长方体结构沿模型箱长边方向尺寸，即中间长方体结构的宽度不大于加载楔尺的梯形中线长度减去主动极限位移估算值Sa；顶部长方体结构和底部长方体结构的高度尺寸为中间长方体结构的高度尺寸的一半；

—所述矩形背板固定在三角斜撑片的竖向杆件和水平连接杆件上；

—所述长方体长度方向沿模型箱短边方向固定在矩形背板宽度的中间位置；

—所述矩形背板上、各长方体结构的一条对角线与带肋墙片单元的条形板上设置弹簧拉孔的对角线方位相同。

6.根据权利要求4所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述的加载单元具有如下至少一种特征：

—所述加载楔尺的厚度与带肋墙片单元的条形板厚度相同，加载楔尺小端即直角梯形上底边长不小于主动极限位移估算值Sa，加载楔尺的直角梯形直角边长度与斜边坡度均与带肋墙片单元的楔形背肋相同，且斜边坡面与直角边侧面光滑；加载楔尺的直角梯形直角边侧面设置有双向毫米刻度，零点刻度设置于直角边侧面中点，向加载楔尺小端一侧为主动位移刻度段，向加载楔尺大端一侧为被动位移刻度段；

—所述螺杆长度取大于加载楔尺长度一半的整数值，螺杆的螺纹间距不大于主动极限土压力估算值Sa，且螺杆长度不小于N倍的Sa；

—所述转动端头为圆柱头铆钉形状，圆柱头安装在加载楔尺的圆形内凹构造内；

—所述转动端头与螺杆之间、螺杆与加载手柄之间采用孔隼与销钉方式连接。

7.根据权利要求1所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述的加载框具有如下至少一种特征：

—所述矩形边框包括一条加载边和三条非加载边，加载边采用实心钢材制作，且加载边上设置的螺纹孔的数量与加载单元的数量相同，三条非加载边采用H型钢或矩形型钢制作；

—所述边框加强杆包括两根竖向加强杆组成的“Π形”结构和两个斜向加强杆组成的“V形”结构，材质均采用实心钢材；“Π形”结构设置在矩形边框的中部且紧贴模型箱外壁处，两根竖向加强杆分别位于矩形边框的两侧，且净间距不小于加载楔尺大端的宽度；两根斜向加强杆设置在“Π形”竖向加强杆与加载边之间，“V形”结构的顶点固定于加载边的中点，“V形”结构的两个端点固定于同一根竖向加强杆的两端；

—所述加载框的高度净尺寸等于肋尺槽架的高度，加载框的长度小于加载单元中的加载楔尺与螺杆的长度之和。

8.根据权利要求1所述的一种分层卸荷与非均匀侧移支护侧压力测试模型装置，其特征在于，所述回复弹簧具有如下至少一种特征：

—所述的回复弹簧直径小于模型箱的净宽尺寸与肋尺槽架的长方体长度尺寸的差值；

—所述的回复弹簧的弹性系数为10N/cm～50N/cm，具体弹性系数满足带肋墙片单元在移动过程中平衡摩擦力。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的基坑分层开挖土压力测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)调零，填土：

用加载拐逐个拧动各加载单元的加载手柄，使各加载楔尺的刻度为零，向模型箱内缓慢、均匀填土；

(2)测量第一层卸荷后挡墙土压力：

手动拧动第一个加载单元的加载手柄，使对应的加载楔尺刻度产生向外位移达N*Sa1，其中：Sa1＝h1*0.2％，h1为第一层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一层卸荷后挡墙的土压力；

(3)测量第一、第二层卸荷后挡墙土压力：

手动拧动第一、二个加载单元的加载手柄，使对应的加载楔尺刻度产生向外位移达N*Sa2，其中：Sa2＝(h1+h2)*0.2％，h1、h2分别为第一层、第二层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一、第二层卸荷后挡墙的土压力；

(4)测量第一、第二、…第n层卸荷后挡墙土压力：

手动拧动第一、第二、…第n个加载单元的加载手柄，使对应的加载楔尺刻度产生向外位移达N*San，其中：San＝(h1+h2+…+hn)*0.2％，h1、h2、…hn分别为第一层、第二层、…第n层带肋墙片单元的高度尺寸，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到第一、第二、…第n层卸荷后挡墙的土压力；

所述第一、第二、…第n个和第一、第二、…第n层均为从上往下计数。

10.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的非均匀位移工况土压力测试方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)拼接安装：从下往上逐个拼装带肋墙片单元，加载楔尺的楔形侧面面向带肋墙片单元、加载楔尺小端插入肋尺槽架的楔尺槽一半深度处，并将橡胶薄膜四周粘结在拼接挡墙上；

(2)调零，填土：手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各加载楔尺的刻度为零，向模型箱内缓慢、均匀填土；

(3)根据预定的非均匀位移曲线，采用线性差值确定各带肋墙片单元的侧向位移值Sai或者Spi，其中：Sai为主动工况时线性差值计算的各带肋墙片单元的侧向位移值，Spi为被动工况时线性差值计算的各带肋墙片单元的侧向位移值；

(4)首先尝试直接手动拧动各个加载单元的加载手柄，使各带肋墙片单元对应的加载楔尺刻度达到带肋墙片单元的侧向位移值Sai或者Spi的N倍；对于被动位移工况，直接拧动加载手柄有困难时，采用加载拐辅助加载；各带肋墙片单元位移设定就位后，记录各个微型土压力传感器测得的压力数据，即得到步骤(3)中设定的侧向位移值下的土压力值。