CN108507878A - 一种土压力模拟测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土压力模拟测试装置及方法，装置包括试验箱和支撑腿，试验箱的顶部开口，试验箱包括前挡板、后挡板以及可上下滑动地设置于所述前挡板和所述后挡板之间的下挡板，下挡板上沿左右方向滑动连接有挡板和调节挡板，调节挡板连接有驱动机构，试验箱内填充有上下均布的若干层土体模拟物，每层土体模拟物由左右排列的多个土体模拟棒构成，土体模拟棒为柱状体，土体模拟棒的轴向平行于试验箱的前后方向，调节挡板一侧固设有土压力盒。材料易得，操作方便，尤其适用于测试外部荷载带来的土压力增加和有限土体的土压力。土体模拟棒的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，测试准确，采用土压力盒测试，便于和现场测试相互印证。
Description
技术领域
本发明涉及模拟测试装置技术领域，具体来说，涉及一种土压力模拟测试装置及方法。
背景技术
在基坑支护设计、边坡支护设计计算时，需要知道荷载有多大，也就是土的侧向压力，这样才能依照此荷载设计支护结构，提供相应的抗力。土压力分为主动土压力、被动土压力、静止土压力三种，其形成条件依据支护结构是否发生位移、以及位移的方向来确定。目前土压力的计算依据勘察资料中土的粘聚力c和土的内摩擦角Φ两个参数，采用朗肯或者库伦公式进行计算，这两个公式提出均在两百年前，当时测试手段不高，所以公式带有很大的经验成分，且针对不同的土质会有较大的、不同的误差，为了测试土压力的真实值，便于工程设计和灾变监测，近代学者提出了多种方式，主要包括原位土压力盒测试和模拟试验箱测试，（比如申请号为201510479119.6的中国专利公开了有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置，该装置包括试验箱、加载系统、挡土墙和量测系统。试验箱侧面嵌固钢化玻璃，试验箱底板上焊接刚性垫块，加载侧设置反力架，框架上焊接八组卡位钢块；反力架上安装两套可独立工作的加载系统，通过固定铰支座与移动挡墙相连接；固定边界根据填土宽度需要安装到指定卡位钢块上；挡土墙上埋设有微型土压力盒；移动挡墙后方安装有百分表；数码照相机置于试验箱侧面正前方。模拟不同填土宽度、墙土接触面、挡墙位移和变位模式，监测主动或者被动土压力的变化，探求土体位移场和滑裂面；申请号为201510682981.7的中国专利公开了一种可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置，包括有限填土试验箱系统、挡土墙平动系统和PIV测试系统；模拟有限填土挡墙平动时的自然应力状态，即试验时土体应力状态与实际工程中土体的状态相同；试验装置在挡土墙上等高度间距设置高精度的土压力传感器，可以实时量测有限填土的土压力；试验装置在试验箱正前方设置高精度的摄像机，同时用PIV技术可以实时量测挡墙平动全过程中土体位移图像；申请号为201620379706.8的中国专利一种挡墙内置式土压力模型试验装置，箱体为一个敞口长方体，箱体侧板上留有二个矩形开口，矩形开口外焊接滑槽，滑槽内中央放置滑块，滑块连接千斤顶，千斤顶焊接在千斤顶台座上。连接钢杆一端插入滑块，连接钢杆另一端与刚性挡墙刚性连接。弹性钢片焊接在滑块上。箱体内填有土体，土体上表面放置柔性加载水囊，竖向承压板固定在箱体顶部上。薄膜式压力传感器与孔压探头分别布设在刚性挡墙前侧面和后侧面上，滑槽内安装位移传感器。该装置满足了不同地面荷载条件下，同时研究刚性挡墙发生不同位移模式下的主动、被动土压力分布规律的需要；申请号为201720049523.4的中国专利公开了一种桩基模型试验中实现侧向土压力的装置，包括试验箱、模型桩、多块侧压传递板、多个加压设备和多个土压力传感器，所述模型桩、侧压传递板、加压设备和土压力传感器置于所述试验箱内；所述侧压传递板的一边与所述试验箱的侧壁活动连接，所述试验箱的相邻两个侧壁上的侧压传递板咬合相接，所述加压设备设在所述试验箱的侧壁与所在侧壁上的所述侧压传递板之间；所述模型桩置于所述侧压传递板围设的空间中，所述土压力传感器设于所述模型桩上）。尽管方式很多，但是有两个问题一直难以解决，一是原位测试的扰动和土压力盒精度问题，二是试验箱测试的土体相似性模拟，对于附加荷载和有限土体困难更多。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种土压力模拟测试装置，通过土体模拟棒代替土颗粒将三维土压力变为二维问题，采用土压力盒测量土压力，在增加外荷载引起土压力变化、有限土体压力的测试方面尤其适用。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种土压力模拟测试装置，包括试验箱和支撑腿，所述试验箱的顶部开口，所述试验箱包括前挡板、后挡板以及可上下滑动地设置于所述前挡板和所述后挡板之间的下挡板，所述下挡板上沿左右方向滑动连接有挡板和调节挡板，所述调节挡板连接有驱动机构，所述试验箱在由所述前挡板、所述后挡板、所述下挡板、所述挡板和所述调节挡板围成的模拟区域内填充有上下均布的若干层土体模拟物，每层土体模拟物由左右排列的多个土体模拟棒构成，所述土体模拟棒为柱状体，所述土体模拟棒的轴向平行于所述试验箱的前后方向，所述调节挡板在靠近所述模拟区域的一侧固设有若干与所述土体模拟物相对应的土压力盒。
进一步地，所述土压力模拟测试装置还包括砝码，所述砝码压在最上层的土体模拟物上。
进一步地，所述土体模拟棒的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，所述土体模拟棒由塑料和铁粉混合制成。
进一步地，所述支撑腿的底部设置有调平螺母。
进一步地，所述驱动机构包括滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副包括调节螺杆，所述调节螺杆的端部设置有调节旋钮。
进一步地，所述试验箱上设置有与所述调节螺杆的轴向相平行的刻度尺。
本发明还公开了一种土压力模拟测试方法，包括以下步骤：
S1将土压力盒按预定深度位置放置在试验箱内，并与调节挡板固定好；
S2通过土体模拟棒来模拟真实土体，并将多个土体模拟棒逐层填充入试验箱内；
S3调节试验箱上的调节挡板的位置，使调节挡板沿垂直土体模拟棒轴向的方向移动并挤压土体模拟棒；
S4通过土压力盒测得压力。
进一步地，还包括以下步骤：
S5在最上层的土体模拟棒上加设砝码，模拟真实土体在竖向方向上所受的载荷。
进一步地，所述土体模拟棒的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，所述土体模拟棒由塑料和铁粉混合制成。
进一步地，所述等效内摩擦角与自然休止角Φk等效，所述自然休止角Φk的计算公式为Φk=arctan(tanΦ+c/γH)，其中Φ为内摩擦角，c为粘聚力，γ为重度，H为散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线高度。
本发明的有益效果：材料易得，操作方便，尤其适用于测试外部荷载带来的土压力增加和有限土体的土压力。土体模拟棒的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，测试准确，采用土压力盒测试，便于和现场测试相互印证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的土压力模拟测试装置在未放入土体模拟棒时的主视图；
图2是根据本发明实施例所述的土压力模拟测试装置在未放入土体模拟棒时的俯视图；
图3是根据本发明实施例所述的土压力模拟测试装置在未放入土体模拟棒时的侧视图；
图4是根据本发明实施例所述的土压力模拟测试装置在放入土体模拟棒时的主视图；
图5是根据本发明实施例所述的土压力模拟测试装置在放入土体模拟棒时的俯视图；
图6是根据本发明实施例所述的土压力模拟测试装置在放入土体模拟棒时的侧视图；
图7 是根据本发明实施例所述的土体模拟棒的截面图。
图中：
1、挡板；2、调节挡板；3、调节螺杆；4、调节旋钮；5、隔离垫板；6、下挡板；7、刻度尺；8、支撑腿；9、调平螺母；10、土压力盒；11、土体模拟棒。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明通过图1的上下左右前后方向对实施例进行说明。
如图1-7所示，根据本发明实施例所述的一种土压力模拟测试装置，包括试验箱和支撑腿8，所述试验箱的顶部开口，所述试验箱包括前挡板、后挡板以及可上下滑动地设置于所述前挡板和所述后挡板之间的下挡板6，所述下挡板6上沿左右方向滑动连接有挡板1和调节挡板2，所述调节挡板2连接有驱动机构，所述试验箱在由所述前挡板、所述后挡板、所述下挡板6、所述挡板1和所述调节挡板2围成的模拟区域内填充有上下均布的若干层土体模拟物，每层土体模拟物由左右排列的多个土体模拟棒11构成，所述土体模拟棒11为柱状体，所述土体模拟棒11的轴向平行于所述试验箱的前后方向，所述调节挡板2在靠近所述模拟区域的一侧固设有若干与所述土体模拟物相对应的土压力盒10。
在本发明的一个具体实施例中，所述土压力模拟测试装置还包括砝码，所述砝码压在最上层的土体模拟物上。
在本发明的一个具体实施例中，所述土体模拟棒11的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，所述土体模拟棒11由塑料和铁粉混合制成。
在本发明的一个具体实施例中，所述支撑腿8的底部设置有调平螺母9。
在本发明的一个具体实施例中，所述驱动机构包括滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副包括调节螺杆3，所述调节螺杆3的端部设置有调节旋钮4。
在本发明的一个具体实施例中，所述试验箱上设置有与所述调节螺杆3的轴向相平行的刻度尺7。
本发明还公开了一种土压力模拟测试方法，包括以下步骤：
S1将土压力盒10按预定深度位置放置在试验箱内，并固定好；
S2通过土体模拟棒11来模拟真实土体，并将多个土体模拟棒11填充入试验箱内；
S3调节试验箱上的调节挡板2的位置，使调节挡板2沿垂直土体模拟棒11轴向的方向移动并挤压土体模拟棒11；
S4通过土压力盒10测得压力。
在本发明的一个具体实施例中，还包括以下步骤：
S5在最上层的土体模拟棒11上加设砝码，模拟真实土体在竖向方向上所受的载荷。
在本发明的一个具体实施例中，所述土体模拟棒11的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，所述土体模拟棒11由塑料和铁粉混合制成。
在本发明的一个具体实施例中，所述等效内摩擦角与自然休止角Φk等效，所述自然休止角Φk的计算公式为Φk=arctan(tanΦ+c/γH)，其中Φ为内摩擦角，c为粘聚力，γ为重度，H为散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线高度。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
本发明所述的滑动连接方式可采用直线轴承、滑轨等常规技术手段。
本发明可通过制作不同尺寸的试验箱来模拟真实土体（比如有限土体、半无限土体）；土体模拟棒11通过融化塑料并增加铁粉来调节重度，使其与现场实测的真实土体重度相等；通过采用不同塑料来调节土体模拟棒11的表面粗糙度，使其自然休止角等于真实土体的等效内摩擦角；土压力盒10的壳体刚度大，可有效克服土压力测量的误差。
驱动机构可以为气缸、电动缸等，本发明中驱动机构采用滚珠丝杠螺母副和调节旋钮4，手动旋转调节旋钮4可实现调节挡板2的移动。
调节挡板2在靠近调节螺杆3的位置处设置隔离垫板5。
具体步骤为：一、土体模拟棒的制作。
1）计算真实土体的等效内摩擦角，依据室内试验测得的粘聚力c和内摩擦角Φ，用公示Φk=arctan(tanΦ+c/γH)计算出自然休止角Φk，由于自然休止角Φk与等效内摩擦角等效，从而得到等效内摩擦角。
2）选用热塑性塑料（如PMMA、PP、PVC等等，密度均在0.5~1.2g/cm3），加入铁粉（密度约在7.8g/cm3），在塑料中加入少量铁粉即可配置成同真实土体天然密度相同的材料。具体为，先对塑料进行重量、体积测量，依据土壤密度，称取定量重量的铁粉，融化塑料，加入铁粉，通过模具制成土体模拟棒11；测试土体模拟棒11堆放时的自然休止角，不符合要求时调整表面粗糙度，达到相应的模拟要求。
二、按照模拟比例调整试验箱。
1）移动试验箱的挡板1，来调整试验箱的平面尺寸，模拟有限土体或半无限土体。
2）移动下挡板6，调整试验箱深度，来模拟不同深度的土层。
三、将土压力盒10按预定深度位置放置在试验箱内，并与调节挡板2固定，土压力盒10的周边衬塑料泡沫。
四、放入土体模拟棒11，按照比例逐层放入，模拟土层分层，每层厚度均按预定的几何相似系数确定。
五、适当调整调节旋钮4，使得调节挡板2移动，模拟主动土压力或被动土压力产生条件。（按照欧洲岩土设计规范，根据土质密实程度和墙体位移模式，对于松散土、墙体水平位移，主动土压力产生条件在位移达到深度的千分之二，被动土压力产生条件在位移达到深度的千分之五到千分之十，不发生位移即为静止土压力）。
六、通过土压力盒10读取土压力。
七、在最上层的土体模拟棒11上增加砝码，模拟外部荷载，砝码放在铁盒中，铁盒形状模拟荷载形状，为避免应力集中，铁盒下放聚苯板。
试验箱在具体制作时，根据相似理论第一相似定理，相似现象必然发生在几何相似的对象里，因此一般根据相似理论取几何相似系数n=10~20，即模型：原型=1:10~1：20。例如：在模拟有限土体时，建筑物距基坑开挖边线的距离为10m按照相似比1:20制作模型，则试验箱平面尺寸可定为50cm×50cm，深度可根据拟加入土层的厚度也按照1:20制作。模拟半无限界面时可根据真实土体的自然休止角设置试验箱平面尺寸。试验箱一般采用角钢焊接而成，内衬玻璃板，玻璃板内壁尺寸为试验箱平面尺寸，调节挡板2可模拟移动，调节挡板2的内侧埋设土压力盒10。
土体模拟棒在具体制作时：土体模拟棒11模拟原状土体（即真实土体）需满足两个条件，一是重度相等，二是等效内摩擦角相等。其中，重度相等的实现方式为采用热塑性塑料（如PMMA、PP、PVC等等，密度均在0.5~1.2g/cm3），铁粉（密度约在7.8g/cm3）进行混合，因为原状土体的天然密度均在1.6~2.2g/cm3，所以在塑料中加入少量铁粉即可配置成同原状土体天然密度相同的材料。其中，等效内摩擦角相等的实现方式中影响土压力的原状土体测试参数有两个，粘聚力c和内摩擦角Φ，在土压力计算时可通过下面公式等效成Φk，Φk=arctan(tanΦ+c/γH)，Φk为自然休止角，配置完成后，以土体模拟棒和真实土体在堆放时的自然休止角Φk等同为标准，即实现模拟。自然休止角Φk可通过调整表面粗糙度来实现调整，由于选择不同的塑料，其表面粗糙程度会有较大差别，通过不同的加工方式，也能实现表面粗糙度变化，其表面粗糙度Rz可在0.05~200之间变化，（依据GB10610《触针式仪器测量表面粗糙度的规则和方法》检测评定）。土体模拟棒11的轴向长度略小于试验箱的前后宽度，为保证土体模拟棒11有一定刚度和满足监测精度要求，土体模拟棒11直径选0.3~1.0cm；为便于密实，土体模拟棒11的横截面做成椭圆形，尺寸为长轴长为0.6~1.0cm，短轴长为0.3~0.5cm。
综上，借助于本发明的上述技术方案，材料易得，操作方便，尤其适用于测试外部荷载带来的土压力增加和有限土体的土压力。土体模拟棒的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，测试准确，采用土压力盒测试，便于和现场测试相互印证。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土压力模拟测试装置，包括试验箱和支撑腿（8），其特征在于，所述试验箱的顶部开口，所述试验箱包括前挡板、后挡板以及可上下滑动地设置于所述前挡板和所述后挡板之间的下挡板（6），所述下挡板（6）上沿左右方向滑动连接有挡板（1）和调节挡板（2），所述调节挡板（2）连接有驱动机构，所述试验箱在由所述前挡板、所述后挡板、所述下挡板（6）、所述挡板（1）和所述调节挡板（2）围成的模拟区域内填充有上下均布的若干层土体模拟物，每层土体模拟物由左右排列的多个土体模拟棒（11）构成，所述土体模拟棒（11）为柱状体，所述土体模拟棒（11）的轴向平行于所述试验箱的前后方向，所述调节挡板（2）在靠近所述模拟区域的一侧固设有若干与所述土体模拟物相对应的土压力盒（10）。
2.根据权利要求1所述的土压力模拟测试装置，其特征在于，所述土压力模拟测试装置还包括砝码，所述砝码压在最上层的土体模拟物上。
3.根据权利要求1所述的土压力模拟测试装置，其特征在于，所述土体模拟棒（11）的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，所述土体模拟棒（11）由塑料和铁粉混合制成。
4.根据权利要求1所述的土压力模拟测试装置，其特征在于，所述支撑腿（8）的底部设置有调平螺母（9）。
5.根据权利要求1所述的土压力模拟测试装置，其特征在于，所述驱动机构包括滚珠丝杠螺母副，所述滚珠丝杠螺母副包括调节螺杆（3），所述调节螺杆（3）的端部设置有调节旋钮（4）。
6.根据权利要求5所述的土压力模拟测试装置，其特征在于，所述试验箱上设置有与所述调节螺杆（3）的轴向相平行的刻度尺（7）。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的土压力模拟测试装置的土压力模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1将土压力盒（10）按预定深度位置放置在试验箱内，并与调节挡板（2）固定好；
S2通过土体模拟棒（11）来模拟真实土体，并将多个土体模拟棒（11）逐层填充入试验箱内；
S3调节试验箱上的调节挡板（2）的位置，使调节挡板（2）沿垂直土体模拟棒（11）轴向的方向移动并挤压土体模拟棒（11）；
S4通过土压力盒（10）测得土压力。
8.一种根据权利要求7所述的土压力模拟测试方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S5在最上层的土体模拟棒（11）上加设砝码，模拟真实土体在竖向方向上所受的载荷。
9.一种根据权利要求7所述的土压力模拟测试方法，其特征在于，所述土体模拟棒（11）的重度和等效内摩擦角均与真实土体一致，所述土体模拟棒（11）由塑料和铁粉混合制成。
10.一种根据权利要求9所述的土压力模拟测试方法，其特征在于，所述等效内摩擦角与自然休止角Φk等效，所述自然休止角Φk的计算公式为Φk=arctan(tanΦ+c/γH)，其中Φ为内摩擦角，c为粘聚力，γ为重度，H为散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线高度。
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