CN109706982A - 平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置及试验方法，它解决了现有技术中试验装置模拟与实际工程不符的问题，具有实现不同位移模式下土压力与侧向位移关系确定，实现完全意义上的平面应变假定，极大地缩小模型尺寸，简化试验步骤的有益效果，其方案如下：一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，包括U型结构，包括一侧的主体墙身，主体墙身表面设有若干压力传感器；侧墙，包围U型结构，在U型结构内设置填料；若干推进机构，推进机构分别与主体墙身连接，且若干推进机构上下设置，以使主体墙身的上半段和/或下半段在两组推进机构的带动下相对于挡土底座实现转动或平动。

Description

平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置及试验方法。

背景技术

随着我国耕地资源的日益紧张，高速公路建设中土地资源日益紧张，挡土墙代替高路堤边坡技术受到了工程界的广泛关注。在挡土墙的设计中，墙后土压力问题一直以来受到了学界和工程界的广泛关注，因为土压力的确定直接关系到挡土墙的结构计算和整体稳定性计算。传统的挡土墙设计的极限平衡法都是基于平面应变假定，假设挡土墙绕底转动，产生足够大的侧向位移量使墙后土体达到主动极限平衡状态。而实际工程中，挡土墙可能表现出不同位移模式，墙身侧向位移量也不一定能够到达到主动土压力所需要的量值而处于非极限状态下。Terzaghi在1936年开展的大量挡土墙土压力模型试验中指出不同位移模式下墙背土压力分布模式有很大的区别；非极限状态下的土压力远大于极限平衡状态下的主动土压力。因此发明人发现有必要开展不同位移模式下的挡土墙土压力分布研究，以及非极限状态下土压力与侧向位移量关系的研究，此外，现有技术中利用实际土体做填料的缩尺试验往往会因为宽度方向受限而引起不可避免的边界效应，使试验条件与平面应变假设不符合。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，能对挡土墙位移模式和位移量进行精确控制，易于加工，安装、拆卸方便，能够重复利用，安全性高。

一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置的具体方案如下：

一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，包括：

U型结构，包括一侧的主体墙身，主体墙身表面设有若干压力传感器；

侧墙，包围U型结构，在U型结构内设置填料；

若干推进机构，推进机构分别与主体墙身连接，且若干推进机构上下设置，以使主体墙身的上半段和/或下半段在两组推进机构的带动下相对于U型结构底部实现转动或平动。

上述的模型实验装置，通过U型结构，配合侧墙的设置，可形成试验箱，通过推进机构的设置可有效模拟不同位移模式下挡土墙压力与侧向位移关系的测量。

进一步地，所述主体墙身的顶部和底部分别设置位移传感器，位移传感器与压力传感器分别与控制器连接，压力传感器用于测量当侧向有压力时，挡土墙内侧所受的压力，位移传感器用于确定挡土墙顶部和底部的位移量。

进一步地，所述主体墙身为L型形状，所述的压力传感器依次排列于主体墙身内侧，相邻的压力传感器间隔设定距离设置，且间隔处通过支撑片支撑，支撑片为橡胶，且主体墙身底端为三角形状以使主体墙身绕底部转动时不受到阻碍，压力传感器可与位移传感器一一对应，每一排设置一个压力传感器，然后再设置一个位移传感器。

进一步地，为了保证压力传感器的设置可靠性，所述U型结构还包括挡土底座，在所述主体墙身的对立侧设置副挡土墙，挡土底座设于所述主体墙身的底部，设于所述副挡土墙的侧部，填料分层填筑，每层填筑的高度为10-20cm，挡土底座的宽度与主体墙身、副挡土墙的宽度分别相同。

进一步地，所述推进机构包括第一推进机构，第一推进机构为通过反力架支撑的第一螺旋推进机构，第一螺旋推进机构通过第一夹具与所述主体墙身铰接连接，第一螺旋推进机构与主体墙身的上半段铰接连接。

进一步地，所述第二推进机构为通过所述反力架支撑的第二螺旋推进机构，第二螺旋推进机构通过第二夹具与所述主体墙身铰接连接，第二螺旋推进机构与主体墙身的下半段铰接连接。

进一步地，所述第二夹具通过滑座设于导轨，导轨设于底座，底座与所述的反力架连接，所述挡土底座设于底座表面，第二夹具与滑座固连，这样当第二螺旋推进机构前进或后退，会带动滑座相对于导轨移动，挡土底座包括顶板，顶板宽度大于填料即钢棒相似土的长度，顶板下表面通过多块竖直撑板焊接设于底座表面，穿过底座设置螺栓用于调整底座的高度。

进一步地，所述第一夹具包括第一H型架，第一H型架一侧通过第一长转轴与第一螺旋推进机构端部的第一防旋轴座连接，另一侧通过第一短转轴与设于所述主体墙身侧部的第一轴座连接，第一轴座设于主体墙身的上半段，第一轴座焊接于主体墙身的两侧。

进一步地，所述第二夹具包括第二H型架，第二H型架一侧通过第二长转轴与第二螺旋推进机构端部的第二防旋轴座连接，另一侧通过第二短转轴与设于所述主体墙身侧部的第二轴座连接。

进一步地，所述侧墙为透明材料，且侧墙通过夹具设置，夹具安装于底座表面，夹具设置多个，且夹具包括两块L型的卡板，两块卡板间隔设定距离设置，通过两块卡板之间的距离用于竖直设置侧墙，侧墙的一侧为透明或半透明材料，通过夹具竖直设置；

在所述侧墙的外侧设有PIV位移检测装置，通过该装置实现位移场监测。PIV位移检测装置可以直接观测钢棒相似土的位移。

此外，填料为二维相似模拟材料——钢棒相似土，能够实现完全意义上的平面应变假定，极大地缩小模型尺寸，简化试验步骤，目前还没有相应的实验装置及试验方法，钢棒相似土由设定长度但不同直径的不锈钢棒按照设定配比组成，钢棒的长度沿着挡土底座的宽度方向设置。

为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置的试验方法，包括如下内容：

通过绕底转动模式、绕底某点转动模式、平动模式下进行土压力检测试验；

绕底转动模式下的土压力监测方法如下：

保证第二推进机构不动；控制第一推进机构的运动速率，获取主体墙身的位移数值，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律；

绕底某点转动模式下的土压力检测方法如下：

同时控制第一推进机构和第二推进机构，保证第一推进机构和第二推进机构的运动速率之比为n，n＞1，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律；

平动模式下的土压力检测方法如下：

同时控制第一推进机构和第二推进机构，保证第一推进机构和第二推进机构的运动速率相同，n＝1，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明装置通过第一推进机构和第二推进机构的设置，能够任意调整挡土墙的位移模式，控制在不同位移模式下的位移量，适用于于研究不同位移模式下，土压力与侧向位移的关系。

2)本发明装置整体装置的设置，实现了完全的平面应变假定条件，能对挡土墙位移模式和位移量进行精确控制，易于加工，安装、拆卸方便，能够重复利用，安全性高。

3)本发明采用砂土的二维模拟材料——钢棒相似土材料，消除了模型试验中的边界效应，实现了完全的平面应变假定，取得的结果对于理论分析的价值极高。

4)本发明模型实验装置加工方便，易于拆卸和搬运，能重复利用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明实施例中模型试验装置的侧视图；

图2(a)是本发明实施例中主体墙身的主视图；

图2(b)是本发明实施例中主体墙身的侧视图；

图3(a)是本发明实施例中主体墙身与第一夹具、第二夹具连接的侧视图；

图3(b)是本发明实施例中主体墙身与第一夹具、第二夹具连接的主视图；

图4是本发明实施例中模型试验装置的结构示意图；

图中，1-主体墙身，2-压力传感器，3-第一轴座，4-第二轴座，5-第一夹具，6-第二夹具，7-直线导轨，8-第一螺旋推进机构，9-第二螺旋推进机构，10-反力架，11-挡土底座，12-副挡土墙，13-底座，14-第一长转轴，15-第二短转轴，16-夹具，17-第二长转轴，18-第二短转轴。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图4所示，一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，包括主体墙身1，主体墙身1表面设有若干压力传感器2；副挡土墙12，与主体墙身1对立设置；挡土底座11，设于主体墙身1和副挡土墙12的底部或侧部，从而使主体墙身1、副挡土墙12和挡土底座11构成一个U型结构；侧墙，包围U型结构，在U型结构内设置填料；第一推进机构，与主体墙身1连接；第二推进机构，第二推进机构同样与主体墙身1连接，且第二推进机构与第一推进机构上下设置，以使主体墙身1的上半段和/或下半段在两组推进机构的带动下转动或平动。

压力传感器2通过AB胶粘贴在主体墙身1，相邻压力传感器2之间有1mm的间隙，间隙通过硬橡胶片填充。压力传感器2的测力面与主体墙身1下部突出部分的表面构成所研究的理想墙面，主体墙身1为L型。第一轴座3和第二轴座4分别焊接在主体墙面1的两侧，第一轴座3和第二轴座4的轴心分别通过主体墙身1的顶端和底端。

第一推进机构和第二推进机构分别为第一螺旋推进机构和第二螺旋推进机构，两个机构分别通过螺栓固定在反力架10的相应位置。如图3(a)和图3(b)所示，第一夹具5一端通过第一长转轴14连接在第一螺旋推进机构8螺旋杆端部的第一防旋轴座，另一端通过第一短转轴15与主体墙身1的第一轴座3相连接。第二夹具6通过螺栓连接在直线滑轨7的滑座，第二夹具的一端通过第二长转轴17连接在第二螺旋推进机构9螺旋杆端部的第二防旋轴座，另一端通过第二短转轴18与第二轴座4相连接，而且两个螺旋推进机构均通过电机控制旋转，或者手动操作。

挡土底座11设置于底座13，保证挡土底座11表面水平，挡土底座11位于主体墙身1的下面，位于副挡土墙12的侧面，挡土底座11的上表面与主体墙身1底端接触，与副挡土墙12接触，从而构成用于填土的U型空间。

副挡土墙12由两块Q235钢板焊接成倒置的T型，其底板设螺栓孔。副挡土墙12通过螺栓与底座13连接成一个整体用以支撑一侧的填料。

填料为砂土二维相似材料——钢棒相似土，钢棒相似土由长度为100mm，直径为3mm、4mm、5mm的304淬火不锈钢棒组成。

主体墙身1采用刚度大材料制成，且具有设定的厚度，主体墙身底部的突出部分厚度与压力传感器的厚度相同。

其中，侧墙前侧为竖直设置的透明有机玻璃板，后侧可选用其他材料，有机玻璃板通过设于底座13表面的夹具16进行安装，夹具16安装于底座表面，夹具16设置多个，且夹具包括两块L型的卡板，两块卡板间隔设定距离设置，通过两块卡板之间的距离用于竖直设置侧墙。

在侧墙的外侧设有PIV位移检测装置，PIV位移检测装置包括图像采集仪。在主体墙身1的顶部和底部分别设置位移传感器，位移传感器与压力传感器2分别与控制器连接，控制器为PLC可编程控制器，压力传感器用于测量当侧向有压力时，主体墙身1内侧所受的压力，位移传感器用于确定主体墙身1顶部和底部的位移量，这样推进机构对主体墙身1实现位移推进，主体墙身1在推进机构的控制下实现不同的位移模式，位移传感器为千分表，监测主体墙身1的位移变化，并通过压力传感器2检测主体墙身1土压力分布，通过PIV位移检测装置观测墙后墙土的位移变化情况。

整个装置的具体制作步骤如下：

步骤1)安装推进机构

将上下两个螺旋推进机构通过螺栓分别安装到反力架10的设计位置；将第二夹具6通过螺栓连接到底座13的直线导轨7，直线导轨的设置起到支撑整个主体墙身1的作用，能使主体墙身相对于挡土底座11水平移动，第一夹具5和第二夹具6的一端分别与第一防旋轴座，第二防旋轴座通过第一长转轴14和第二长转轴17连接。

步骤2)安装主体墙身

将压力传感器2安装到主体墙身1；将主体墙身1的两侧轴座与第一夹具5和第二夹具6分别通过第一短转轴15和第二短转轴18连接；

步骤3)安装挡土底座

将挡土底座11置于底座13上，调整底座13高度使底座水平放置，并保证其底座13上表面与主体墙身1无缝接触；

步骤4)安装副挡土墙

副挡土墙12通过螺栓安装到底座13的相应位置，使挡土底座11与副挡土墙12的竖板无缝接触；

步骤5)填料的填筑和压实

将钢棒相似土分层填筑到由试验墙、挡土底座和副挡土墙所形成的U型结构内，填料内设置标记点用于图像分析使用，每层填筑高度为10-20cm，进行压实以达到设计的孔隙率；

步骤6)安装千分表和PIV位移场监测系统

在所研究主体墙身1的底部和顶部安装千分表用以检测主体墙身1运动过程中的位移量；在试验装置的正面安装透明有机玻璃，在整个实验装置正面一定距离上布置图像采集仪，在试验过程中定时采集图像。

本发明还提供了一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置的试验方法，包括如下内容：

通过绕底转动模式(RB)、绕底某点转动模式(RBT)、平动模式(T)下的土压力检测试验；

假设所研究的主体墙身1高度为h，转动点距离理想墙面下部距离为d，则在转动过程中理想墙面上顶点水平位移量H_上与理想墙面下部顶点的水平位移量H_下之间的比值n始终满足下式：

因此可以通过控制上、下水平丝杆升降机升降端的水平运动速率，实现上述研究理想墙面的任意位移模式，测定不同位移模式下土压力分布情况和填土内部的应变情况。

绕底转动模式下的土压力监测方法如下：

保证第二推进机构不动；控制第一推进机构的运动速率，获取主体墙身的位移数值，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律；

绕底某点转动模式下的土压力检测方法如下：

同时控制第一推进机构和第二推进机构，保证第一推进机构和第二推进机构的运动速率之比为n，n＞1，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律；

平动模式下的土压力检测方法如下：

同时控制第一推进机构和第二推进机构，保证第一推进机构和第二推进机构的运动速率相同，n＝1，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，包括：

U型结构，包括一侧的主体墙身，主体墙身表面设有若干压力传感器；

侧墙，包围U型结构，在U型结构内设置填料；

若干推进机构，推进机构分别与主体墙身连接，且若干推进机构上下设置，以使主体墙身的上半段和/或下半段在两组推进机构的带动下相对于U型结构底部实现转动或平动。

2.根据权利要求1所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述主体墙身的顶部和底部分别设置位移传感器，位移传感器与压力传感器分别与控制器连接；

进一步地，所述主体墙身为L型形状，所述的压力传感器依次排列于主体墙身内侧，相邻的压力传感器间隔设定距离设置，且间隔处通过支撑片支撑。

3.根据权利要求1所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述U型结构还包括挡土底座，在所述主体墙身的对立侧设置副挡土墙，挡土底座设于所述主体墙身的底部，设于所述副挡土墙的侧部。

4.根据权利要求1所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述推进机构包括第一推进机构，第一推进机构为通过反力架支撑的第一螺旋推进机构，第一螺旋推进机构通过第一夹具与所述主体墙身铰接连接。

5.根据权利要求4所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述推进机构还包括第二推进机构，第二推进机构为通过所述反力架支撑的第二螺旋推进机构，第二螺旋推进机构通过第二夹具与所述主体墙身铰接连接。

6.根据权利要求5所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述第二夹具通过滑座设于导轨，导轨设于底座，底座与所述的反力架连接。

7.根据权利要求4所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述第一夹具包括第一H型架，第一H型架一侧通过第一长转轴与第一螺旋推进机构端部的第一防旋轴座连接，另一侧通过第一短转轴与设于所述主体墙身侧部的第一轴座连接。

8.根据权利要求5所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述第二夹具包括第二H型架，第二H型架一侧通过第二长转轴与第二螺旋推进机构端部的第二防旋轴座连接，另一侧通过第二短转轴与设于所述主体墙身侧部的第二轴座连接。

9.根据权利要求1所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置，其特征在于，所述侧墙为透明材料，且侧墙通过夹具设置；

在所述侧墙的外侧设有PIV位移检测装置；

或者，所述填料为二维相似模拟材料。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种平面应变条件下的挡墙土压力模型实验装置的试验方法，其特征在于，包括如下内容：

通过绕底转动模式、绕底某点转动模式、平动模式下进行土压力检测试验；

绕底转动模式下的土压力监测方法如下：

保证第二推进机构不动；控制第一推进机构的运动速率，获取主体墙身的位移数值，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律；

绕底某点转动模式下的土压力检测方法如下：

同时控制第一推进机构和第二推进机构，保证第一推进机构和第二推进机构的运动速率之比为n，n＞1，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律；

平动模式下的土压力检测方法如下：

同时控制第一推进机构和第二推进机构，保证第一推进机构和第二推进机构的运动速率相同，n＝1，测定不同侧向位移量下的侧向土压力变化规律。