CN109440835A - 研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程模型试验方法相关技术领域，其公开了一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法，所述装置包括模型箱、刚性面板、柔性垫层、可移动挡板、竖向加载系统及测试系统，所述刚性面板设置在所述模型箱前端，其转动地连接于所述模型箱的底部；所述柔性垫层设置在所述刚性面板内侧；所述可移动挡板可拆卸地连接于所述模型箱；所述竖向加载系统设置在所述模型箱的外侧；所述测试系统邻近所述刚性面板设置；通过改变所述可移动挡板的安装位置进而改变填土的宽度；所述刚性面板通过相对于所述模型箱的转动来改变自身与所述模型箱的底部之间的夹角，继而对不同倾角的挡土墙进行模拟。本发明适用性较好，结构简单，易于加工。

Description

研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验方法相关技术领域，更具体地，涉及一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法。

背景技术

挡土墙是土木工程实践中重要的结构物之一，其主要功能在于抵抗侧向土压力，防止墙后土体发生滑动或者坍塌，目前已经广泛应用于房屋建筑、水利工程、公路与铁路工程等工程建设中。传统的挡土墙多为刚性结构，包括重力式挡土墙、衡重式挡土墙、扶壁式挡土墙和桩板墙等，其支撑刚度较大、侧向位移小，但由于对墙后土体的限制作用过强，不利于土体自身抗剪强度的发挥，同时也导致墙后土压力过大，不利于挡土墙的稳定，特别是地震作用下，墙后土压力容易快速增大，从而导致挡土墙失稳破坏。

柔性支挡结构允许被支挡土体发生容许范围内的变形，发挥土体的自稳能力，从而减小作用于支挡结构的土压力。为了改进刚性挡土墙的工作性状，在被支挡土体和刚性挡土墙之间设置柔性垫层以形成刚柔复合支挡结构，根据土压力随着支挡结构离开土体的位移增加而减小的特点，利用挡土墙后柔性垫层的易压缩特性，可有效减小作用于刚性挡土墙墙背的土压力，提高挡土墙的稳定性。然而，目前没有有效地措施对柔性支挡结构进行试验，柔性垫层的减压性能的数据也较少，不能有效地指导工程实践。相应地，本领域存在着发展一种适用性较好的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法，其基于柔性支挡结构的特点，研究及设计了一种适用性较好的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，所述模型试验装置适用于多种柔性垫层减压性能工况的研究分析，有利于全面深入研究挡土墙后柔性垫层的参数及设置方式对于减小挡土墙背土压力的影响规律，从而有效地指导工程实践，且结构简单，易于加工制造，安装、拆卸方便。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，所述模型试验装置包括模型箱、刚性面板、柔性垫层、可移动挡板、竖向加载系统及测试系统，所述刚性面板设置在所述模型箱前端，其一端转动地连接于所述模型箱的底部；所述柔性垫层设置在所述刚性面板朝向所述可移动挡板的表面上，其与所述可移动挡板间隔设置；所述可移动挡板可拆卸地连接于所述模型箱，其位于所述模型箱内；所述竖向加载系统设置在所述模型箱的外侧，其用于对所述模型箱内的填土施加竖向载荷；所述测试系统邻近所述刚性面板设置，其用于采集及分析实验数据；

所述刚性面板、所述模型箱及所述可移动挡板之间形成容纳空间，所述容纳空间用于收容填土；通过改变所述可移动挡板于所述模型箱上的安装位置来改变所述刚性面板与所述可移动挡板之间的距离，进而改变所述填土的宽度，以模拟出不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响；所述刚性面板通过相对于所述模型箱的转动来改变自身与所述模型箱的底部之间的夹角，继而对不同倾角的挡土墙进行模拟。

进一步地，所述模型箱包括不锈钢框架及设置在所述不锈钢框架内的塑料板，多个所述塑料板分别作为所述不锈钢框架的底板及侧板。

进一步地，所述塑料板、所述柔性垫层及所述可移动挡板形成所述容纳空间；所述模型箱垂直于所述刚性面板转动方向的相对的两个侧板上分别开设有弧形开口槽，第一螺栓的一端穿过所述弧形开口槽后连接于所述刚性面板，以将所述刚性面板固定；所述弧形开口槽的圆心位于所述模型箱的侧板与底板的相接处，且所述弧形开口槽的圆心角为46°。

进一步地，所述模型箱的侧壁上还设置有多对滑轨，多对所述滑轨间隔设置，所述可移动挡板通过所述滑轨连接于所述模型箱。

进一步地，每对所述滑轨中的两个滑轨分别设置在所述模型箱相对的两个侧壁上且相对设置，所述滑轨用于收容部分所述可移动挡板；所述可移动挡板的两端分别插入对应的所述滑轨中，由此所述可移动挡板连接于所述模型箱。

进一步地，所述刚性面板还开设有两排圆孔，所述圆孔用于供所述测试系统的位移计穿过，以使所述位移计测量不同高度处的柔性垫层的压缩量。

进一步地，所述柔性垫层朝向所述可移动挡板的表面上设置有数块刚性薄片，所述刚性薄片分别粘贴于所述柔性垫层与所述圆孔相对应的位置；所述测试系统包括多个土压力盒、多个位移计、支架及静态应变采集仪，多个所述土压力盒沿所述模型箱的高度间隔设置在所述柔性垫层上，以用于测量挡土墙后不同高度处的土压力；所述支架设置在所述刚性面板外；所述位移计水平设置在所述支架上，其一端穿过所述圆孔及所述柔性垫层后抵靠在刚性薄片上，以测量所述柔性垫层不同高度处的水平压缩量，进而将测量到的数据传输给所述静态应变采集仪。

进一步地，所述测试系统还包括便携式计算机，所述土压力盒及所述位移计分别连接于所述静态应变采集仪，所述静态应变采集仪将采集到的来自所述土压力盒及所述位移计的数据传输给所述便携式计算机，所述便携式计算机对接收到的数据进行分析处理，以得到所述柔性垫层的减压性能。

进一步地，所述竖向加载系统包括反力架、千斤顶及加载板，其用于向所述填土施加竖向载荷；所述反力架基本呈H型，其设置于所述模型箱的外侧；所述千斤顶连接于所述反力架，其与填土相对；所述加载板连接于所述千斤顶的一端，其用于施压给填土。

按照本发明的另一个方面，提供了一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验方法，该方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，并调整及固定所述刚性面板；

(2)确定所述可移动挡板的安装位置，并将所述可移动挡板安装到对应的安装位置；

(3)采用砂雨法在所述刚性面板与所述可移动挡板之间分层铺设中粗砂，直至所述刚性面板的顶部；之后，所述竖向加载系统向所述填土逐级施加竖向载荷；

(4)所述测试系统实时采集竖向加载过程中的土压力及位移数据，并根据采集到的所述土压力及位移数据分析挡土墙后柔性垫层的减压性能。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法主要具有以下有益效果：

1.所述模型试验装置适用于多种柔性垫层减压性能工况的研究分析，有利于全面深入研究挡土墙后柔性垫层的参数及设置方式对于减小挡土墙背土压力的影响规律，从而有效地指导工程实践，且结构简单，易于加工制造，安装、拆卸方便。

2.通过改变所述可移动挡板于所述模型箱上的安装位置来改变所述刚性面板与所述可移动挡板之间的距离，进而改变所述填土的宽度，以模拟出不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响。

3.所述刚性面板通过相对于所述模型箱的转动来改变自身与所述模型箱的底部之间的夹角，继而对不同倾角的挡土墙进行模拟。

4.所述竖向加载系统设置在所述模型箱的外侧，其用于对所述模型箱内的填土施加竖向载荷，通过调整所述竖向加载系统与所述模型箱之间的相对位置及施加载荷的大小，以模拟不同加载位置及载荷大小的影响。

附图说明

图1是本发明提供的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置去除竖向加载系统及测试系统后的剖视图。

图2是图1中的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的另一个角度的局部示意图。

图3是图1中的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的平面示意图。

图4中的a图及b图分别是图1中的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的局部示意图及刚性面板的示意图。

图5是图1中的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的测试系统的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-刚性面板，2-柔性垫层，3-可移动挡板，4-滑轨，5-不锈钢框架，6-ABS塑料板，7-第一螺栓，8-圆孔，9-第二螺栓，10-千斤顶，11-反力架，12-加载版，13-土压力盒，14-位移计，15-支架，16-静态应变采集仪，17-便携式计算机，18-弧形开口槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2及图3，本发明提供的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，所述模型试验装置包括模型箱、刚性面板1、柔性垫层2、可移动挡板3、竖向加载系统及测试系统，所述刚性面板1设置在所述模型箱内，其一端转动地连接于所述模型箱的底板。所述柔性垫层2设置在所述刚性面板1上，其与所述可移动挡板3间隔设置以形成容纳空间，所述可移动挡板3位于所述模型箱前端，其可拆卸地连接于所述模型箱。所述竖向加载系统设置于所述模型箱外侧，其用于对所述模型箱内的填土施加竖向载荷。所述测试系统邻近所述刚性面板1设置，其用于采集及分析处理实验数据。其中，所述容纳空间用于收容土，通过改变所述可移动挡板3相对于所述模型箱的位置来改变所述模型箱内的填土的宽度，进而模拟不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响。此外，所述刚性面板1通过相对于所述模型箱转动来改变所述刚性面板1与所述模型箱的底板之间的夹角，继而模拟不同倾角的挡土墙，即挡土墙的倾角对墙后土压力分布的影响。

请参阅图4，所述模型箱用于承载所述刚性面板1、所述柔性垫层2及所述可移动挡板3，其包括不锈钢框架5及设置在所述不锈钢框架5内的ABS塑料板6，多个所述ABS塑料板6分别作为所述不锈钢框架5的底板及侧板。所述ABS塑料板6、所述柔性垫层2及所述可移动挡板3形成所述容纳空间，通过改变所述可移动挡板3位于所述不锈钢框架5的位置来改变所述容纳空间的体积大小，进而改变所述刚性面板1后的填土的宽度。本实施方式中，所述模型箱为矩形箱，其长为800毫米，宽为400毫米，高为500毫米；所述模型箱平行于所述刚性面板1转动的方向的两个侧壁分别开设有弧形开口槽18，所述弧形开口槽18的圆心位于所述模型箱的侧板与底板的相接处。所述弧形开口槽18用于供所述第一螺栓7穿过。所述第一螺栓7的一端穿过所述弧形开口槽18后连接于所述刚性面板1，以将所述刚性面板1固定。本实施方式中，所述弧形开口槽18的圆心角为46°；可以理解，在其他实施方式中，所述弧形开口槽18的数量可以为一个。

所述模型箱的侧壁上还设置有多对滑轨4，多对所述滑轨4间隔设置，且多对所述滑轨4位于所述柔性垫层2的同一侧。每对所述滑轨4中的两个滑轨4分别设置在所述模型箱相对的两个侧壁上且相对设置。所述滑轨4用于收容部分所述可移动挡板3，以使所述可移动挡板3连接于所述模型箱，具体为，所述可移动挡板3的两端分别插入对应的两个所述滑轨4内，由此使得所述可移动挡板3连接于所述模型箱。本实施方式中，所述滑轨4的顶部及底部分别通过第二螺栓9连接于所述模型箱，且所述滑轨4竖直设置。

所述刚性面板1设置于所述模型箱前端，其一端转动地连接于所述模型箱的底部，另一端为自由端。所述刚性面板1可以相对于所述模型箱转动，其可以相对于所述模型箱分别朝向所述可移动挡板3或者朝远离所述可移动挡板3的方向倾斜0～26°及0～20°。所述刚性面板1还开设有两排圆孔8，所述圆孔8用于供所述测试系统的位移计14穿过，以使所述位移计14测量不同高度处的柔性垫层2的压缩量。本实施方式中，每排所述圆孔8的数量为四个，四个所述圆孔8间隔设置；所述圆孔8的直径为40毫米。

所述柔性垫层2粘贴于所述刚性面板1朝向所述可移动挡板3的表面上，其物理力学参数依据具体实验情况确定。所述柔性垫层2具有不同模量及不同厚度的数种规格。所述柔性垫层2朝向所述可移动挡板3的表面上设置有数块刚性薄片，所述刚性薄片分别粘贴于所述柔性垫层与所述圆孔相对应的位置。本实施方式中，所述柔性垫层2的尺寸及形状、所述刚性面板1的尺寸及形状分别相同。

所述可移动挡板3为不锈钢板，其通过相对的两个所述滑轨4连接于所述模型箱。所述可移动挡板3插入不同位置的所述滑轨4，使得所述可移动挡板3连接于所述模型箱的位置改变，所述可移动挡板3与所述柔性垫层2之间的间距改变，即墙后土体的宽度改变。

所述竖向加载系统包括反力架11、千斤顶10及加载板12，其用于向所述填土施加竖向载荷。所述反力架11基本呈H型，其设置于所述模型箱的外侧。所述千斤顶10连接于所述反力架11，其与填土相对。所述加载板12连接于所述千斤顶10的一端，其用于施压给填土。本实施方式中，所述加载板12的面积与填土区域的面积相一致，以给填土施加满布竖向载荷，由此使得填土受到均匀分布的竖向载荷。

请参阅图5，所述测试系统包括多个土压力盒13、多个位移计14、支架15、静态应变采集仪16及便携式计算机17，多个所述土压力盒13沿所述模型箱的高度间隔设置在所述柔性垫层2上，以用于测量挡土墙后不同高度处的土压力。其中，所述土压力盒13之间的间隔为100毫米。所述支架15设置在所述刚性面板外，其与所述柔性垫层2分别位于所述刚性面板1相背的两侧。所述支架15邻近所述刚性面板1设置，所述位移计14水平设置在所述支架15上，其一端穿过所述圆孔8及所述柔性垫层后抵靠在刚性薄片上，以测量所述柔性垫层2不同高度处的水平压缩量，进而将测量到的数据传输给所述静态应变采集仪16。所述土压力盒13及所述位移计14分别连接于所述静态应变采集仪16，所述静态应变采集仪16将采集到的来自所述土压力盒13及所述位移计14的数据传输给所述便携式计算机17，所述便携式计算机17对接收到的数据进行分析处理，以得到所述柔性垫层2的减压性能。本实施方式中，连接线自所述模型箱的顶部边缘引出，以将所述土压力盒13及所述位移计14与所述静态应变采集仪16相连接。

本发明还提供了采用了如上所述研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验方法，所述模型试验方法包括以下步骤：

步骤一，调整及固定所述刚性面板1。调整所述刚性面板1与所述模型箱的底板之间的夹角成90°，通过所述第二螺栓9将所述刚性面板1与所述模型箱相固定。

步骤二，采用玻璃胶将所述柔性垫层2牢固粘贴于所述刚性面板1的内侧。

步骤三，确定所述可移动挡板3的位置后，将所述可移动挡板3插入对应的所述滑轨4中以使所述可移动挡板3安装于所述模型箱内。

步骤四，将已经编号的所述土压力盒13自所述柔性垫层2内侧的底部向上等距100毫米布置，并将已经编号的位移计14水平固定在所述支架15上，其伸缩段穿过所述刚性面板1上的圆孔8和所述柔性垫层2后抵靠在所述刚性薄片上，所述刚性薄片粘贴于所述柔性垫层2内表面。梳理所述土压力盒13的连接线，从所述模型盒顶部的边缘引出，将所述土压力盒13和所述位移计14与所述静态应变采集仪16相连接。

步骤五，装样与加载。采用砂雨法在所述刚性面板1上与所述可移动挡板3之间分层铺设中粗砂，直至所述刚性面板1的顶部，在所述模型箱上安装所述竖向加载系统的反力架11，将与填土表面尺寸吻合的加载板12置于填砂顶部，然后将所述千斤顶10从0到200kpa以20kpa的梯度逐级施加竖向载荷。

步骤六，数据采集与分析。在分层铺设中粗砂之前开启所述静态应变采集仪16及所述便携式计算机17，并设置数据采集频率和绘图显示的输出参数，实时采集、记录填砂及竖向加载过程中的土压力和位移(所述柔性垫层2的水平压缩量)；试验结束后，对所采集的土压力和位移数据进行分析。

本发明提供的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法，其可移动挡板可拆卸地连接于所述模型箱，且所述刚性面板的一端转动地连接于所述模型箱的底部，如此可以模拟试验不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响及不同倾角的挡土墙，进而为以后的工程应用提供有效的数据支持。

本领域的技术人员容易理解，以上所述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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：

所述模型试验装置包括模型箱、刚性面板、柔性垫层、可移动挡板、竖向加载系统及测试系统，所述刚性面板设置在所述模型箱前端，其一端转动地连接于所述模型箱的底部；所述柔性垫层设置在所述刚性面板朝向所述可移动挡板的表面上，其与所述可移动挡板间隔设置；所述可移动挡板可拆卸地连接于所述模型箱，其位于所述模型箱内；所述竖向加载系统设置在所述模型箱的外侧，其用于对所述模型箱内的填土施加竖向载荷；所述测试系统邻近所述刚性面板设置，其用于采集及分析实验数据；

所述刚性面板、所述模型箱及所述可移动挡板之间形成容纳空间，所述容纳空间用于收容填土；通过改变所述可移动挡板于所述模型箱上的安装位置来改变所述刚性面板与所述可移动挡板之间的距离，进而改变所述填土的宽度，以模拟出不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响；所述刚性面板通过相对于所述模型箱的转动来改变自身与所述模型箱的底部之间的夹角，继而对不同倾角的挡土墙进行模拟。

2.如权利要求1所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱包括不锈钢框架及设置在所述不锈钢框架内的塑料板，多个所述塑料板分别作为所述不锈钢框架的底板及侧板。

3.如权利要求2所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述塑料板、所述柔性垫层及所述可移动挡板形成所述容纳空间；所述模型箱垂直于所述刚性面板转动方向的相对的两个侧板上分别开设有弧形开口槽，第一螺栓的一端穿过所述弧形开口槽后连接于所述刚性面板，以将所述刚性面板固定；所述弧形开口槽的圆心位于所述模型箱的侧板与底板的相接处，且所述弧形开口槽的圆心角为46°。

4.如权利要求1所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱的侧壁上还设置有多对滑轨，多对所述滑轨间隔设置，所述可移动挡板通过所述滑轨连接于所述模型箱。

5.如权利要求4所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：每对所述滑轨中的两个滑轨分别设置在所述模型箱相对的两个侧壁上且相对设置，所述滑轨用于收容部分所述可移动挡板；所述可移动挡板的两端分别插入对应的所述滑轨中，由此所述可移动挡板连接于所述模型箱。

6.如权利要求1所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述刚性面板还开设有两排圆孔，所述圆孔用于供所述测试系统的位移计穿过，以使所述位移计测量不同高度处的柔性垫层的压缩量。

7.如权利要求6所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述柔性垫层朝向所述可移动挡板的表面上设置有数块刚性薄片，所述刚性薄片分别粘贴于所述柔性垫层与所述圆孔相对应的位置；所述测试系统包括多个土压力盒、多个位移计、支架及静态应变采集仪，多个所述土压力盒沿所述模型箱的高度间隔设置在所述柔性垫层上，以用于测量挡土墙后不同高度处的土压力；所述支架设置在所述刚性面板外；所述位移计水平设置在所述支架上，其一端穿过所述圆孔及所述柔性垫层后抵靠在刚性薄片上，以测量所述柔性垫层不同高度处的水平压缩量，进而将测量到的数据传输给所述静态应变采集仪。

8.如权利要求7所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述测试系统还包括便携式计算机，所述土压力盒及所述位移计分别连接于所述静态应变采集仪，所述静态应变采集仪将采集到的来自所述土压力盒及所述位移计的数据传输给所述便携式计算机，所述便携式计算机对接收到的数据进行分析处理，以得到所述柔性垫层的减压性能。

9.如权利要求1-8任一项所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述竖向加载系统包括反力架、千斤顶及加载板，其用于向所述填土施加竖向载荷；所述反力架基本呈H型，其设置于所述模型箱的外侧；所述千斤顶连接于所述反力架，其与填土相对；所述加载板连接于所述千斤顶的一端，其用于施压给填土。

10.一种研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)提供如权利要求1-9任一项所述的研究挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，并调整及固定所述刚性面板；

(2)确定所述可移动挡板的安装位置，并将所述可移动挡板安装到对应的安装位置；

(3)采用砂雨法在所述刚性面板与所述可移动挡板之间分层铺设中粗砂，直至所述刚性面板的顶部；之后，所述竖向加载系统向所述填土逐级施加竖向载荷；

(4)所述测试系统实时采集竖向加载过程中的土压力及位移数据，并根据采集到的所述土压力及位移数据分析挡土墙后柔性垫层的减压性能。