CN109187184A - 一种土压力测试演示系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土压力测试演示系统，包括待测土箱，该待测土箱通过一竖直隔板分隔成第一腔体和第二腔体；所述第一腔体内靠近隔板的一侧设有竖直测力支板，所述测力支板相对隔板的另一侧间隔固定有多个测力刚块，所述每一测力刚块的一端与测力支板固定，另一端固定有挡墙块体，所述挡墙块体竖直累叠延伸至箱体底部，所述测力刚块上设有应变片；所述第二腔体内设有电机、加力杆和位移传感器，所述加力杆穿过隔板联动电机和测力支板，所述位移传感器与测力支板连接；所述挡墙块体累叠形成的墙体与箱体之间填装有待测土，还公开了该系统的演示方法。该系统可直观地演示土压力理论中不同状态下的宏观响应。

Description

一种土压力测试演示系统及方法
技术领域
本发明涉及土压力测试领域，尤其是涉及一种土压力测试演示系统及方法。
背景技术
土压力理论是《土力学》中的重要内容。土压力理论是土体抗剪强度在挡土墙实际工程中的运用理论，工程运用广泛的有朗肯土压力理论和库伦土压力理论，运用这些理论，可用来分析挡土墙所受压力，从而进行挡土墙的设计等工作。从理论角度，挡土墙所受的压力与其位移(变形或弯曲)之间存在一定的关系。根据原始土体与挡土墙的相对位移，土体可分为主动土压力状态、静止土压力状态和被动土压力状态。这些概念比较抽象，通过讲授的教学方式，无法较好地让学生接受这些状态与土体的力学性质(如土的内摩擦角、内聚力等)等存在的内在联系，无法较好地让学生直观的接受这些状态与实际土体产生的地面沉降、裂缝等宏观现象之间的联系。在教学时间中，学生常常有不知所云的感受。
另外，应变测试，无论在钢结构、混凝土结构还是岩土工程中的桩体及边坡支护结构等测试、检测和监测中，是一项重要的测试内容。研究生《土木工程测试技术》课程是实践性非常强的课程，其中的应变测试也是十分基础和重要的教学和实验内容之一。应变测试的通常采用应变片的电桥电路测试方法，需要学生具有一定的电路知识。
发明内容
发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明得第一目的为公开了一种土压力测试演示系统，该系统可直观地演示土压力理论中不同状态下的宏观响应，第二目的为公开了该系统的演示方法。
技术方案：本发明所述的土压力测试演示系统，包括待测土箱，该待测土箱通过一竖直隔板分隔成第一腔体和第二腔体；所述第一腔体内靠近隔板的一侧设有竖直测力支板，所述测力支板相对隔板的另一侧间隔固定有多个测力刚块，所述每一测力刚块的一端与测力支板固定，另一端固定有挡墙块体，所述挡墙块体竖直累叠延伸至箱体底部，所述测力刚块上设有应变片；所述第二腔体内设有电机、加力杆和位移传感器，所述加力杆穿过隔板联动电机和测力支板，所述位移传感器与测力支板连接；所述挡墙块体累叠形成的墙体与箱体之间填装有待测土。
电机通过加力杆联动控制测力支板移动，从而带动挡墙块体进行位移，位移传感器用于测量挡墙快板的整体位移量，采用电桥桥路的测试获得应变片的电阻值变化，可换算得到测力刚块轴向应变量。
进一步的，所述挡墙块体为竖直挡墙块体或倾角挡墙块体，竖直挡墙块体可用于演示朗肯土压力理论，倾斜当墙块体可用于演示库伦土压力理论。
进一步的，所述每个挡墙块体的倾斜角度一致，所述每个挡墙块体对应固定的测力刚体的摆放角度一致，以确保测试演示的精确度。
进一步的，所述挡墙块体上下底边均设有用于固定叠加位置的导滑槽，防止侧滑。
进一步的，所述测力刚体为半圆柱形，所述应边片安装在其平面处。
进一步的，所述电机连接有位移速度控制器，可以通过手动进行控制，也可通过A/D信号转换，通过电脑自动控制。
上述土压力测试演示系统的演示方法，包括以下步骤：
(1)选择竖直挡墙块体，根据电机行程确定挡墙块体合适的初始位置，之后在土箱中根据所需密实度均匀堆放砂土，堆放高度与挡墙块体平齐；
(2)测试土压力的初始分布，并计算静止土压力，与土力学中静止土压力的分布规律进行对比分析；
(3)将挡墙向远离土体方向移动，直至土体产生明显的裂缝，根据挡墙块体所受到的土压力分布，计算获得主动土压力，绘制关于土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图进行分析；
(4)将挡墙向靠近土体方向推进，直至土体产生明显的裂缝时，根据挡墙块体受到的土压力分布，计算获得被动土压力，绘制关于土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图进行分析；
(5)在主动土压力和被动土压力状态时，裂缝倾角和位置存在差异，根据砂土的内摩擦角进行计算获得的裂缝倾角进行对比分析；
(6)将竖直挡墙块体换成不同倾斜角度的倾角挡墙块体，测得不同倾角下的土压力值进行，绘制关于土压力大小与挡土墙块倾斜角的关系曲线图进行分析；
上述步骤测量中，挡墙块体的整体位移：通过位移传感器测量；
土压力的测量：结合电阻应变测试技术原理通过应变片测得测力刚块轴向应变量ε＝4U0/kU(k为灵敏度系数)、测力刚块的弹性模量E和横截面A得每个挡墙块体受到力为fi＝2EAεi，挡墙受到的合力为
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)该装置不仅能够获得挡墙受到的合力，还能够测量土压力不同深度位置处的土压力；(2)不同深度位置处的土压力测量不是采用压力传感器直接获得，而是通过应变片测量特定性状刚块的应变来获得；既满足了测量获得土压力的本科生的需求，又满足了锻炼研究生动手能力的需求；(3)将通过位移和力测量，直接测试获得挡土墙的位移和土压力之间的定量关系，并在电脑中实现曲线显示，给学生直观感受，加深学生对理论知识的认识和理解；(4)该装置不但能演示朗肯土压力理论，而且能演示库伦土压力理论。
附图说明
图1是本发明的系统前视图；
图2是本发明的待测土箱的俯视图；
图3是本发明的待测土箱的前视图；
图4是本发明挡墙块体的正试图；
图5是本发明测力刚块平面布设示意图；
图6是本发明不同角度倾斜挡墙块体截面图；
图7是本发明土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图；
图8是本发明电阻应变测试技术原理中电桥电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1、图2和图3所示的一种土压力测试演示系统，包括待测土箱1，采用有机玻璃矩形箱，尺寸为长宽高为120cm*10cm*30cm，厚度3cm左右，在中间高度上设置圈梁11，土箱右侧30cm处设隔板2，该待测土箱1通过竖直隔板2分隔成左右的第一腔体101和第二腔体102；所述第一腔体101右侧内部靠近隔板2的一侧设有竖直测力支板3，所述测力支板3相对隔板2的另一侧间隔固定有10组测力刚块4，该测力刚块4在竖直方向上横向间隔放置，所述每一测力刚块4的一端与测力支板3固定，另一端固定有挡墙块体5，所述挡墙块体5竖直累叠延伸至箱体底部，所述测力刚块4上设有应变片6(电阻应变片)；所述第二腔体102内设有电机7、加力杆8和位移传感器9，所述加力杆8穿过隔板2联动电机7和测力支板3，所述位移传感器9与测力支板3连接；所述挡墙块体5累叠形成的墙体与箱体之间填装有待测土。
图4和图5所示，每组测力刚块4有两个，为半圆柱形，所述应边片6安装在其平面处，在每个挡墙块体5侧边开设两个安装孔，测力刚块4从安装孔插入，抵靠在内部，并有铆钉固定。所述挡墙块体5上下底边均设有用于固定叠加位置的导滑槽501。
所述挡墙块体5为竖直挡墙块体或倾角挡墙块体，如图6所示，倾斜角度根据需要可调。
所述每个挡墙块体5的倾斜角度一致，所述每个挡墙块体5对应固定的测力刚体4的摆放角度一致。
所述电机7连接有位移速度控制器10，通过A/D信号转换，通过电脑自动控制。
上述土压力测试演示系统的演示方法，包括以下步骤：
(1)选择竖直挡墙块体，根据电机行程确定挡墙块体合适的初始位置，之后在土箱中根据所需密实度均匀堆放砂土，堆放高度与挡墙块体平齐；对于演示实验而言，通常只采用一种或少数几种砂土进行演示。因此，在选用电机型号之前，可先确定是哪几种砂土，并测定基本力学参数，如内摩擦角等，然后计算可能需要的最大位移，在进行电机选择。
(2)测试土压力的初始分布，并计算静止土压力，与土力学中静止土压力的分布规律进行对比分析；
(3)将挡墙向远离土体方向移动，直至土体产生明显的裂缝，根据挡墙块体所受到的土压力分布，计算获得主动土压力；将挡墙向靠近土体方向推进，直至土体产生明显的裂缝时，根据挡墙块体受到的土压力分布，计算获得被动土压力，如图7所示，绘制关于土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图进行分析；
(5)在主动土压力和被动土压力状态时，裂缝倾角和位置存在差异，根据砂土的内摩擦角进行计算获得的裂缝倾角进行对比分析；
(6)将竖直挡墙块体换成不同倾斜角度的倾角挡墙块体，测得不同倾角下的土压力值进行，绘制关于土压力大小与挡土墙块倾斜角的关系曲线图进行分析；
上述步骤测量中，挡墙块体的整体位移：通过位移传感器测量，采用LVDT直线位移传感器，并通过A/D转换与电脑连接，进行自动采集；
土压力的测量：对于测力钢块的土压力采用电阻应变测试技术进行测量，包括以下步骤：
(1)检查应变片6，测量电阻值，挑选能组成温度补偿的应变片；
(2)在测力钢块4上选择位置，划线，打磨，用棉纱或脱脂棉沾丙酮清洁，用胶水将应变片6固定在测力钢块4上，用电烙铁将应变片6的引线与导线焊接在一起，测量应变片绝缘电阻值，应大于20MΩ；
(3)采用电桥电路的测试方法，将电阻变化量的测试转换成电压变化量的测试，有三种电路接线方式：单桥、半桥和全桥电路，电路图如图8所示，电桥电路的连接方式拟准备用单桥连接与半桥、全桥连接方式进行对比，择优选择。若采用若采用单桥电路进行测试，且R1＝R2＝R3＝R4时，应变量ε＝4U0/kU，式中k为灵敏度系数。
(4)通过测算得测力刚块的轴向应变量ε以及弹性模量E和横截面A，通过公式fi＝2EAεi可以求得每个挡墙块体受到的力，所以挡墙受到的合力为(k为灵敏度系数)。
通过桥路电路，将电阻值变化量的测试传换成了电压变化量的测试，从而使测试量可采用电脑自动化采集，手段更为灵活和先进。
电桥电路输出信号为电压信号，位移传感器也可以是电压信号。因此，信号调理主要是信号的放大或减小的问题。若出现信号需要减小的问题，则通过简单的精密电阻电路可实现信号的减小；若需要信号放大，则需要采用含有三极管的放大电路来实现了。
由于对本科生和研究生教学目的和侧重点存在差异，下面以本发明为基础，分别介绍本科生和研究生教学中的土压力演示试验。
本科生教学演示：
演示试验的准备工作有：测力支板3、测力刚块4、挡墙块体5、应变片6、电机7、加力杆8、位移传感器9以及桥盒组，信号调理盒，A/D转换全部安装完成，电脑以及电机能正常运行。在此基础上，演示土压力试验。具体步骤如下：
土箱第一腔体101中根据所需密实度均匀堆放砂土，堆放高度与挡墙块体平齐，测试土压力的初始分布，并计算静止土压力，与土力学中静止土压力的分布规律进行对比分析；
向远离土体方向移动挡墙块体5，直至土体产生明显的裂缝，由传感装置得到挡墙块体所受到的土压力，计算获得主动土压力；
向靠近土体方向推进挡墙块体5，直至土体产生明显的裂缝，由传感装置得到挡墙块体所受到的土压力，计算获得被动土压力；
绘制关于土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图并进行分析，如图7所示，以演示朗肯土压力理论；
(5)观察在主动土压力和被动土压力状态下裂的缝倾角和位置，与根据砂土的内摩擦角进行计算获得的裂缝倾角进行对比分析；
(6)将竖直挡墙块体5换成不同倾斜角度的倾角挡墙块体，在不同倾角下的测量土压力值，将土压力与挡土墙块倾角的关系绘制成曲线图并进行分析，以演示库伦土压力理论；
研究生教学演示：
在此教学演示中，测力钢块4以及桥盒，需要研究生加工制作，是研究生实践动手能力的考核内容。在土箱1中放置重物块，以重物的滑动摩擦力作为已知的力荷载。对测力刚块4中的应变片制作及桥盒连接进行检验。具体步骤如下：
挑选能组成温度补偿的应变片6，检查并测量电阻值；
在测力刚块4上选择位置，划线，打磨，用棉纱或脱脂棉沾丙酮清洁，用胶水将应变片6固定在测力钢块4上，在贴好应变片6后进行干燥处理，用热风机进行加热干燥，烘烤4个小时，烘烤时应适当控制距离和温度，防止温度过高烧坏应变片，用电烙铁将应变片6的引线与导线焊接在一起，测量应变片绝缘电阻值，应大于20MΩ；
在单桥、半桥和全桥电路三种电路接线方式中选择一种，如单桥单路，按照图8所示电路图进行连接，接通电路后，测得初始电压值U0，通过改变重物质量来改变施加的荷载，测量不同荷载下的电压值，通过公式ε＝4U0/kU(式中k为灵敏度系数)求得测力刚块的轴向应变量，通过试验，将对轴向应力的测试转换成了电压变化量的测试，以达到教学目的。

Claims (7)

1.一种土压力测试演示系统，其特征在于：包括待测土箱(1)，该待测土箱(1)通过一竖直隔板(2)分隔成第一腔体(101)和第二腔体(102)；所述第一腔体(101)内靠近隔板(2)的一侧设有竖直测力支板(3)，所述测力支板(3)相对隔板(2)的另一侧间隔固定有多个测力刚块(4)，所述每一测力刚块(4)的一端与测力支板(3)固定，另一端固定有挡墙块体(5)，所述挡墙块体(5)竖直累叠延伸至箱体底部，所述测力刚块(4)上设有应变片(6)；所述第二腔体(102)内设有电机(7)、加力杆(8)和位移传感器(9)，所述加力杆(8)穿过隔板(2)联动电机(7)和测力支板(3)，所述位移传感器(9)与测力支板(3)连接；所述挡墙块体(5)累叠形成的墙体与箱体之间填装有待测土。
2.根据权利要求1所述的土压力测试演示系统，其特征在于：所述挡墙块体(5)为竖直挡墙块体或倾角挡墙块体。
3.根据权利要求1所述的土压力测试演示系统，其特征在于：所述每个挡墙块体(5)的倾斜角度一致，所述每个挡墙块体(5)对应固定的测力刚体(4)的摆放角度一致。
4.根据权利要求1所述的土压力测试演示系统，其特征在于：所述挡墙块体(5)上下底边均设有用于固定叠加位置的导滑槽(501)。
5.根据权利要求1所述的土压力测试演示系统，其特征在于：所述测力刚体(4)为半圆柱形，所述应边片(6)安装在其平面处。
6.根据权利要求1所述的土压力测试演示系统，其特征在于：所述电机(7)连接有位移速度控制器(10)。
7.权利要求1所述土压力测试演示系统的演示方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)选择竖直挡墙块体，根据电机行程确定挡墙块体合适的初始位置，之后在土箱中根据所需密实度均匀堆放砂土，堆放高度与挡墙块体平齐；
(2)测试土压力的初始分布，并计算静止土压力，与土力学中静止土压力的分布规律进行对比分析；
(3)将挡墙向远离土体方向移动，直至土体产生明显的裂缝，根据挡墙块体所受到的土压力分布，计算获得主动土压力，绘制关于土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图进行分析；
(4)将挡墙向靠近土体方向推进，直至土体产生明显的裂缝时，根据挡墙块体受到的土压力分布，计算获得被动土压力，绘制关于土压力大小与挡土墙块位移量的关系曲线图进行分析；
(5)在主动土压力和被动土压力状态时，裂缝倾角和位置存在差异，根据砂土的内摩擦角进行计算获得的裂缝倾角进行对比分析；
(6)将竖直挡墙块体换成不同倾斜角度的倾角挡墙块体，测得不同倾角下的土压力值进行，绘制关于土压力大小与挡土墙块倾斜角的关系曲线图进行分析；
上述步骤测量中，挡墙块体的整体位移：通过位移传感器测量；
土压力的测量：结合电阻应变测试技术原理通过应变片测得测力刚块轴向应变量ε＝4U0/kU，k为灵敏度系数、测力刚块的弹性模量E和横截面A得每个挡墙块体受到力为fi＝2EAεi，挡墙受到的合力为
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