CN110082190B - 考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置及方法 - Google Patents

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Abstract

考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置及方法，属于土力学中土压力测试技术。所述土压力测试装置包括钢板桩挡墙、模型槽、角度控制装置和土压力监测采集装置；钢板桩挡墙包括四个钢板桩、两根可转动细杆和三根固定细杆，四个钢板桩分别为钢板桩一、钢板桩二、钢板桩三和钢板桩四，钢板桩一、钢板桩二、钢板桩三和钢板桩四通过锁扣结构顺次连接，形成挡土墙，钢板桩一和钢板桩四各通过一根固定细杆固定在所述模型槽的侧壁内，位于模型槽侧壁内的两根固定细杆的顶部各安装一个角度控制装置；角度控制装置包括旋转盘和连接绳；土压力监测采集装置包括频率计和四个土压力传感器，每个钢板桩的挡土侧各安装一个土压力传感器。

Description

考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置及方法
技术领域
本发明涉及土力学中土压力测试技术领域，特别涉及一种考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置及方法。
背景技术
由于钢板桩具有施工快、占地面积小、可循环利用等显著优势，无论是在码头、挡土墙、防洪堤等永久性建筑物方面还是围堰、基坑、防洪等临时性构筑物方面，钢板桩均有广泛地应用，例如采用U型钢板桩拼接而成的钢板桩挡墙。土压力作为钢板桩挡墙上重要的荷载之一，对钢板桩挡墙的荷载传递和受力机制有直接影响。因此，在进行钢板桩挡墙的结构设计时土压力的计算尤为重要。而现有规范关于钢板桩挡墙土压力计算的普遍做法是将其视为平面刚性挡墙，采用经典土压力理论进行近似计算，因此忽略了钢板桩的柔性及钢板桩挡墙凹凸不平的横截面特性。正因为钢板桩是典型的柔性支护结构且具有独特的横截面形状，导致钢板桩在打设过程中会产生较大的施工变形且变形主要沿钢板桩挡墙的中轴线方向发生。由于钢板桩与土体的弹性模量存在较大差异，在后期钢板桩挡墙被动侧土体的开挖卸载过程中受土体约束的钢板桩变形会有所恢复，这一过程会引起钢板桩的桩身应力及主动侧土压力发生重分布。大量的现场测试已证明土体开挖引起的应力重分布不容忽视，然而，针对这一应力调整过程的研究一直缺失。
发明内容
本发明提供了一种考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，所述土压力测试装置包括钢板桩挡墙、模型槽、角度控制装置和土压力监测采集装置；
钢板桩挡墙包括四个钢板桩、两根可转动细杆和三根固定细杆，每个钢板桩的两个侧面均设有锁扣结构，四个钢板桩分别为钢板桩一、钢板桩二、钢板桩三和钢板桩四，钢板桩一、钢板桩二、钢板桩三和钢板桩四通过所述锁扣结构顺次连接，形成挡土墙，每两个相邻钢板桩的开口朝向相反，钢板桩一和钢板桩四各通过一根固定细杆固定在所述模型槽的侧壁内，位于所述模型槽侧壁内的两根固定细杆的顶部各安装一个角度控制装置，钢板桩一与钢板桩二的锁扣结构扣合后所形成的扣槽内安装有一根可转动细杆，钢板桩二与钢板桩三的锁扣结构扣合后所形成的扣槽内安装有一根固定细杆，钢板桩三与钢板桩四的锁扣结构扣合后所形成的扣槽内安装有一根可转动细杆，每根可转动细杆均与所述模型槽转动连接，每根固定细杆均与所述模型槽固定连接；
角度控制装置包括旋转盘和连接绳，旋转盘转动安装在固定细杆上，连接绳的一端连接在旋转盘的侧壁，另一端连接在距离该固定细杆最近的可转动细杆的顶部；
土压力监测采集装置包括频率计和四个土压力传感器，每个钢板桩的挡土侧各安装一个土压力传感器，土压力传感器位于钢板桩的腹板中心处，四个土压力传感器均与频率计相连。
所述土压力测试装置还包括至少一组约束装置，每组约束装置均包括两个约束杆，每个约束装置的两个约束杆分别抵压在所述挡土墙的两侧，且每根约束杆的两端固定在所述模型槽的侧壁上。
所述旋转盘包括外环和内环；
所述固定细杆的顶部依次穿过外环和内环，外环上设有多个对称布置的孔洞，每个孔洞中心至外环中心的距离相等，相邻孔洞中心与外环中心形成的夹角相同；
内环的外径小于外环的外径，外环和内环固定连接，当旋转外环时，外环和内环同时转动，所述连接绳的一端固定在内环的侧壁。
所述旋转盘还包括插销和旋转手轮，所述模型槽的顶部设有插销孔；
旋转手轮安装在外环上，插销能够依次插入所述孔洞和所述插销孔，对所述外环和所述内环进行定位。
所述模型槽采用透明有机玻璃制成。
所述外环上设有8个所述孔洞，相邻所述孔洞中心与所述外环中心形成的夹角为45°。
所述内环与所述外环的外径比为1:3。
一种采用所述土压力测试装置进行土压力测试的方法，所述方法包括：
S1、组装所述土压力测试装置，在所述挡土墙安装了土压力传感器的侧面与所述模型槽形成的空间内填土，使土体与所述模型槽内壁及所述挡土墙充分接触；
S2、用频率计读取所述挡土墙的每个土压力传感器的读数f0'，f0'为土压力传感器的初始频率，将每个土压力传感器的初始频率f0'分别带入公式(1)的fi，分别计算得出每个所述钢板桩受到的土压力P0，P0为钢板桩受到的初始静止土压力；
Figure BDA0002027014160000021
其中，公式(1)中，P为钢板桩受到的土压力，f0为土压力传感器的出厂频率，K为率定系数，fi为频率计读取的土压力传感器的读数；
S3、旋转所述旋转盘分别至θ1、θ2、θ3……θn，根据公式(2)，分别将θ1、θ2、θ3……θn带入公式(2)中的θ，得到所述旋转盘旋转至每个角度时，与所述连接绳连接的可转动细杆顶部的线位移S1，根据公式(3)计算得出钢板桩在中主应力方向的形变量S2，同时，所述旋转盘旋转至每个角度时，所述频率计均读取每个土压力传感器的读数f，并将每个土压力传感器的读数f分别带入公式(1)的fi，如此，计算得出旋转盘旋转至每个角度时，所对应的每个钢板桩受到的土压力P；
Figure BDA0002027014160000031
Figure BDA0002027014160000032
其中，S1为与连接绳连接的可转动细杆顶部的线位移，
Figure BDA0002027014160000033
为所述旋转盘的内环转动角位移对应的内环弧长，θ为所述旋转盘旋转所至的角度，r为所述内环的半径，S2为钢板桩在中主应力方向的形变量；
S4、所述旋转盘旋转至每个角度时，对每个土压力传感器所在高程处的土体单元进行三维应力分析，其中σ1为第一主应力，即土体单元的竖向应力，σ1保持不变，根据公式(4)和公式(3)计算得出所述土体单元的中主应力的增量Δσ2，根据公式(5)计算得出所述土体单元的第三主应力的增量Δσ3；
Δσ2＝E·S2 (4)
Δσ3＝P-P0 (5)
其中，E为土体的弹性模量，对于被压缩的钢板桩所对应的土体单元，E取室内土压缩试验得出的土体压缩模量，对于被拉伸的钢板桩所对应的土体单元，E取室内土压缩试验得出的土体回弹模量，P为钢板桩受到的土压力，P0为钢板桩受到的初始静止土压力；
S5、对于每个所述钢板桩，绘制所述旋转盘旋转至每个角度时，该钢板桩上的土压力传感器所在高程处的土体单元的Δσ2-Δσ3关系曲线。
本发明的有益效果为：
1、本发明借助角度控制装置的旋转通过连接绳牵引钢板桩锁扣内的可转动细杆发生绕底部的线位移，钢板桩由此产生沿挡墙中轴线方向的拉伸和压缩变形，钢板桩沿高度方向各高程的形变量与可转动细杆顶部的线位移大小近似成正比，连接刚性细杆顶部的线位移等于角度控制装置转动角位移对应的内环弧长，通过此联动装置实现了钢板桩沿挡墙中轴线方向的变形的可测量；
2、角度控制装置每旋转一次，可通过几何关系计算出钢板桩沿中轴线方向的形变量，通过频率计可记录不同形变条件下的土压力传感器测试值，基于土力学基本原理可对挡墙后方土压力测试传感器位置对应的土体单元进行应力分析，绘制中主应力与第三主应力关系曲线，分析钢板桩施工变形对土压力的影响，得知土体应力的重分布情况。
3、本发明的测试装置结构简单，测试方法简练，费用低廉，易于推广应用。
附图说明
图1是本发明的钢板桩挡墙土压力测试装置的俯视图；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是图1的B-B向剖视；
图4是本发明的可转动细杆的主视图；
图5是本发明的可转动细杆的侧视图；
图6是本发明的固定细杆的结构示意图；
图7是本发明的旋转盘的结构示意图；
图8是本发明的角度控制装置的安装及固定示意图；
图9是本发明的角度控制装置旋转角度为0°时的状态图；
图10是本发明的角度控制装置旋转至45°时的状态图；
图11和图12是本发明的钢板桩形变量关系的示意图。
其中，
1模型槽，2钢板桩一，3钢板桩二，4钢板桩三，5钢板桩四，6可转动细杆一，7可转动细杆二，8固定细杆一，9固定细杆二，10固定细杆三，11锁扣结构，12挡土墙的中轴线，13第一角度控制装置，14第二角度控制装置，15旋转盘，16连接绳，17土体，18约束杆，19外环，20内环，21孔洞，22插销，23旋转手轮，24土压力传感器一，25土压力传感器二，26土压力传感器三，27土压力传感器四，28螺母。
具体实施方式
如图1至图12所示，本发明提供了一种考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，该土压力测试装置包括钢板桩挡墙、模型槽1、角度控制装置和土压力监测采集装置；
钢板桩挡墙包括四个钢板桩、两根可转动细杆和三根固定细杆，四个钢板桩分别为钢板桩一2、钢板桩二3、钢板桩三4和钢板桩四5，两根可转动细杆分别为可转动细杆一6和可转动细杆二7，三根固定细杆分别为固定细杆一8、固定细杆二9和固定细杆三10；
每个钢板桩的两个侧面均设有锁扣结构11，钢板桩一2、钢板桩二3、钢板桩三4和钢板桩四5通过锁扣结构11顺次连接，形成挡土墙，每两个相邻钢板桩的开口朝向相反，钢板桩一2和钢板桩四5各通过一根固定细杆固定在模型槽1的侧壁内，参见图1，钢板桩一2通过固定细杆一8固定在模型槽1的一个侧壁，钢板桩四5通过固定细杆二9固定在模型槽1的另一个侧壁，挡土墙的中轴线12与模型槽1的一个侧壁平行，位于模型槽1侧壁内的两根固定细杆的顶部，即固定细杆一8和固定细杆二9的顶部各安装一个角度控制装置，钢板桩一2与钢板桩二3的锁扣结构11扣合后所形成的扣槽内安装有一根可转动细杆，该可转动细杆为可转动细杆一6，钢板桩二3与钢板桩三4的锁扣结构11扣合后所形成的扣槽内安装有一根固定细杆，该固定细杆为固定细杆三10，钢板桩三4与钢板桩四5的锁扣结构11扣合后所形成的扣槽内安装有一根可转动细杆，该可转动细杆为可转动细杆二7，每根可转动细杆的底部均与模型槽1的槽底转动连接，即每根可转动细杆均可围绕其与模型槽1的连接处转动，每根固定细杆均与模型槽1固定连接，即每根固定细杆均不能与模型槽1产生相对运动；
安装在固定细杆一8顶部的角度控制装置为第一角度控制装置13，安装在固定细杆二9顶部的角度控制装置为第二角度控制装置14，两个角度控制装置的结构相同，每个角度控制装置均包括旋转盘15和连接绳16，旋转盘15转动安装在固定细杆上，连接绳16的一端连接在旋转盘15的侧壁，另一端连接在距离该固定细杆最近的可转动细杆的顶部，即第一角度控制装置13的旋转盘15安装在固定细杆一8上，第一角度控制装置13的连接绳16的另一端连接在可转动细杆一6上，第二角度控制装置14的旋转盘15安装在固定细杆二9上，第二角度控制装置14的连接绳16的另一端连接在可转动细杆二7上；由于钢板桩一2的一侧通过固定细杆一8固定，钢板桩二3的一侧通过固定细杆三10固定，因此，参见图1和图11，当旋转第一角度控制装置13的旋转盘15时，旋转盘15会将连接绳16卷起，连接绳16会拉动可转动细杆一6，钢板桩一2会被压缩，钢板桩二3会被拉伸，钢板桩一2被压缩的形变量和钢板桩二3被拉伸的形变量大小相同；同理，由于钢板桩四5的一侧通过固定细杆二9固定，钢板桩三4的一侧通过固定细杆三10固定，因此，当旋转第二角度控制装置14的旋转盘15时，旋转盘15会将连接绳16卷起，连接绳16会拉动可转动细杆二7，钢板桩四5会被压缩，钢板桩三4会被拉伸，钢板桩四5被压缩的形变量和钢板桩三4被拉伸的形变量大小相同，图11中通过虚线显示出了沿着挡土墙的中轴线12被拉伸的钢板桩二3和钢板桩三4。
土压力监测采集装置包括频率计和四个土压力传感器，每个钢板桩的挡土侧各安装一个土压力传感器，土压力传感器位于钢板桩的腹板中心处，四个土压力传感器均通过导线与频率计相连。
在使用本发明中的装置时，需要在四个钢板桩形成的挡土墙的其中一个侧面与模型槽1形成的空间内填土，使土体17与模型槽1内壁及挡土墙充分接触，用来模拟实际挡土墙的工作状态，挡土墙与土体接触的侧面为挡土侧，在本实施例中，模型槽1的横截面形状可以设计为长方形，使四个钢板桩形成的挡土墙的中轴线12与长方形的短边平行，可以使挡土墙与其中一个短边的距离较大，与另一个短边的距离较小，使挡土墙将模型槽1内部分隔成两个大小不同的区域，在较大的区域内填充土体17，如此更好的模拟实际挡土墙的工作状态。其中，钢板桩被压缩或者被拉伸时，都会使钢板桩挡土侧受到的土压力产生变化，土压力传感器和频率计能用于实时检测钢板桩变形时受到的土压力变化情况。
在本发明中，四个钢板桩均为U型钢板桩，四个钢板桩顺次连接形成的挡土墙并非平面挡土墙，而现有技术在计算挡土墙受到的土压力时，会将挡土墙作为一面平面挡土墙，忽略了挡土墙凹凸不平的表面特性，采用本发明中的装置能够通过旋转角度控制装置的旋转盘15，使得连接绳16牵引可转动细杆的顶部发生线位移，其线位移的大小等于连接绳16被旋转盘15卷起的长度，钢板桩在其高度方向各高程处沿着中轴线12方向的形变量与可转动细杆顶部的线位移成正比，因此可以得知钢板桩安装了土压力传感器位置处沿着挡土墙的中轴线12方向的形变量，由于土压力传感器安装在钢板桩的腹板中心处，因此钢板桩在土压力传感器位置处的形变量大小等于可转动细杆顶部线位移大小的一半，该形变量即为钢板桩在中主应力(第二主应力)方向的形变量，进而根据该形变量计算得出挡土墙变形过程中受到的土压力的变化情况，能用于挡土墙施工过程中由于变形而引起的土体应力重分布现象的研究。
在本发明中，土压力测试装置还包括至少一组约束装置，每组约束装置均包括两个约束杆18，每个约束装置的两个约束杆18分别抵压在挡土墙的两侧，且每根约束杆18的两端固定在模型槽1的侧壁上。约束杆18装置能够限制挡土墙发生靠近或远离土体的运动，保证各个钢板桩仅发生沿挡土墙中轴线12方向的拉伸和压缩变形。
在本发明中，旋转盘15包括外环19和内环20；
固定细杆的顶部依次穿过外环19和内环20，外环19上设有多个对称布置的孔洞21，每个孔洞21中心至外环19中心的距离相等，相邻孔洞21中心与外环19中心形成的夹角相同；
内环20的外径小于外环19的外径，外环19和内环20固定连接，当旋转外环19时，外环19和内环20同时转动，连接绳16的一端固定在内环20的侧壁。如此当旋转外环19时，连接绳16会卷在内环20的侧壁，可转动细杆顶部的线位移大小等于连接绳16被内环20卷起的长度，即等于内环20转动角位移对应的内环20弧长，内环20与外环19的外径比优选为1:3。
旋转盘15还包括插销22和旋转手轮23，模型槽1的顶部设有插销孔；
旋转手轮23安装在外环19上，插销22能够依次插入孔洞21和插销孔，通过旋转手轮23带动外环19和内环20沿着同一方向旋转，旋转至不同角度时，将插销22插入外环19上的空洞和模型槽1的插销孔，对外环19和内环20进行定位。
优选地，本发明中在外环19上设有8个孔洞21，相邻孔洞21中心与外环19中心形成的夹角为45°，因此本发明中的装置组装完毕后，通过旋转手轮23带动内环20和外环19依次旋转n·45°(n＝1，2，3,…)，因此旋转盘15的内环20转动的角位移对应的内环20弧长
Figure BDA0002027014160000071
r为内环20的半径，因此可转动细杆顶部的线位移
Figure BDA0002027014160000072
钢板桩在土压力传感器处的中主应力方向的形变量
Figure BDA0002027014160000073
图11和图12示出了钢板桩形变量的关系，其中，当使用本装置时，可以每次将第一角度控制装置13和第二角度控制装置14旋转至相同的角度，如此使得钢板桩一2和钢板桩四5的拉伸形变量大小相同，钢板桩二3和钢板桩三4的压缩形变量大小相同，如此可以得到两组被拉伸及被压缩的数据，可以进行对比分析，且每次旋转至不同角度时，均采集一次四个土压力传感器的读数，根据钢板桩的形变量及传感器的读数计算中主应力的变化量。
在本发明中，模型槽1可以采用透明有机玻璃制成，如此可以透过有机玻璃查看挡土墙的工作状态。
在本发明中，三根固定细杆的顶部和底部都设有螺纹，图6中示出的是固定细杆一8的结构示意图，固定细杆的底部和顶部均通过螺母28锁紧，使得旋转角度控制装置时，固定细杆一8和固定细杆二9保持不动，其中，可以在模型槽1的顶部固定一个板条，同时将固定细杆三10的顶部锁紧在板条上，使得两个角度控制装置通过连接绳16拉动两个可转动细杆时，固定细杆三10也保持不动。两根可转动细杆的结构也相同，可转动细杆可以设计成T型，如图4和图5所示的为可转动细杆的结构示意图，T型的可转动细杆的竖直部分安装在两个钢板桩扣合后形成的扣槽内，水平部分安装在模型槽1底部，且水平部分的横截面形状为圆形，如此可以实现可转动细杆受到连接绳16的拉力时能够转动；本发明中连接绳16采用直径为0.5mm的细软钢丝绳。
采用本发明中的装置进行土压力测试的方法包括：
S1、组装土压力测试装置，在挡土墙安装了土压力传感器的侧面与模型槽1形成的空间内填土，使土体与模型槽1内壁及挡土墙充分接触；
S2、用频率计读取挡土墙的每个土压力传感器的读数f0'，f0'为土压力传感器的初始频率，将每个土压力传感器的初始频率f0'分别带入公式(1)的fi，分别计算得出每个钢板桩受到的土压力P0，P0为钢板桩受到的初始静止土压力；
Figure BDA0002027014160000081
其中，P为钢板桩受到的土压力，f0为土压力传感器的出厂频率，K为率定系数，fi为频率计读取的土压力传感器的读数，K和f0均为已知；
具体地，当填充完土体后，未旋转角度控制装置时，土体也会对挡土墙的每个钢板桩产生一定的压力，将此时每个土压力传感器的读数分别带入公式(1)得出四个钢板桩受到的初始静止土压力，如图1和图3所示，钢板桩一2上的土压力传感器为土压力传感器一24，钢板桩二3上的土压力传感器为土压力传感器二25，钢板桩三4上的土压力传感器为土压力传感器三26，钢板桩四5上的土压力传感器为土压力传感器四27，每个土压力传感器的出厂频率f0和率定系数K均为已知，频率计读取四个土压力传感器的读数；
土压力传感器一24的初始频率为f0'1，将f0'1带入公式(1)中的fi，得到钢板桩一2受到的初始静止土压力为P01；
土压力传感器二25的初始频率为f0'2，将f0'2带入公式(1)中的fi，得到钢板桩二3受到的初始静止土压力为P02；
土压力传感器三26的初始频率为f0'3，将f0'3带入公式(1)中的fi，得到钢板桩三4受到的初始静止土压力为P03；
土压力传感器四27的初始频率为f0'4，将f0'4带入公式(1)中的fi，得到钢板桩四5受到的初始静止土压力为P04。
S3、旋转旋转盘15分别至θ1、θ2、θ3……θn，根据公式(2)，分别将θ1、θ2、θ3……θn带入公式(2)中的θ，得到旋转盘15旋转至每个角度时，与连接绳16连接的可转动细杆顶部的线位移S1，根据公式(3)计算得出钢板桩在中主应力方向的形变量S2，同时，旋转盘15旋转至每个角度时，频率计均读取每个土压力传感器的读数f，并将每个土压力传感器的读数f分别带入公式(1)的fi，如此，计算得出旋转盘15旋转至每个角度时，所对应的每个钢板桩受到的土压力P；
Figure BDA0002027014160000091
Figure BDA0002027014160000092
其中，S1为与连接绳16连接的可转动细杆顶部的线位移，
Figure BDA0002027014160000093
为旋转盘15的内环20转动角位移对应的内环20弧长，其中，旋转盘也可以只包括一个盘，无需分设成内环和外环两个盘，旋转盘为一个盘时，
Figure BDA0002027014160000094
为该一个旋转盘转动角位移对应的弧长，θ为旋转盘15旋转所至的角度，r为内环20的半径，r为已知数值，S2为钢板桩在中主应力方向的形变量，即钢板桩在土压力传感器处对应的形变量；
具体地，第一角度控制装置13的外环为外环一、内环为内环一、连接绳为连接绳一，第二角度控制装置14的外环为外环二、内环为内环二、连接绳为连接绳二，同时旋转外环一和外环二，使连接绳一拉动可转动细杆一6，连接绳二拉动可转动细杆二7，实现钢板桩一2和钢板桩四5的压缩，钢板桩二3和钢板桩三4的拉伸；
优选地，每次外环一和外环二的旋转角度均相同，由于外环一和外环二的半径相同，内环一和内环二的半径相同，因此可转动细杆一6和可转动细杆二7的顶部的线位移大小相同，其中，θ1至θn的具体角度可以根据实验需求设定，优选地，在本实施例中，两个外环19上均设有8个孔洞21，相邻孔洞21中心与外环19中心形成的夹角为45°，因此可以按照同一方向旋转外环一分别至外环一的各个孔洞21，使外环一分别旋转至n·45°(n＝1，2，3,…)，即外环一分别旋转至θ1＝45°、θ2＝90°、θ3＝135°……，依次类推，若实验需要外环一旋转一周，则θn＝360°，若实验需要外环一旋转两周，则θn＝720°；同理，按照同一方向旋转外环二分别至外环二的各个孔洞21，使外环二分别旋转至n·45°(n＝1，2，3，…)，即外环二分别旋转至θ1＝45°、θ2＝90°、θ3＝135°……，依次类推，若实验需要外环二旋转一周，则θn＝360°，若实验需要外环二旋转两周，则θn＝720°，且每次外环一和外环二的旋转角度相同，例如外环一旋转至45°时，外环二也旋转至45°，外环二旋转至90°时，外环二也旋转至90°，如图9和图10所示，图9为第一角度控制装置13未旋转时，即旋转角度为0°时的状态图，图10为第一角度控制装置13旋转至45°时的状态图，图10中的虚线表示旋转至45°时，钢板桩一2被压缩后的位置图；
当外环一和外环二均旋转至θ1时，内环一和内环二也随之旋转至θ1，可转动细杆一6和可转动细杆二7顶部的线位移大小相同，将θ1带入公式(2)中的θ，得到可转动细杆一6和可转动细杆二7顶部的线位移大小
Figure BDA0002027014160000101
再将
Figure BDA0002027014160000102
带入公式(3)中的S1得到
Figure BDA0002027014160000103
其中钢板桩一2和钢板桩四5为被压缩的钢板桩，且在中主应力方向压缩的形变量大小均为
Figure BDA0002027014160000104
钢板桩二3和钢板桩三4均为被拉伸的钢板桩，且在中主应力方向拉伸的形变量大小也均为
Figure BDA0002027014160000105
如此得出了旋转至θ1时，所对应的四个钢板桩在挡土墙的中轴线12方向上的形变量；
同时，当外环一和外环二均旋转至θ1时，频率计读取土压力传感器一24的读数
Figure BDA0002027014160000106
将
Figure BDA0002027014160000107
带入公式(1)的fi，得到钢板桩一2受到的土压力
Figure BDA0002027014160000108
频率计读取土压力传感器二25的读数
Figure BDA0002027014160000109
将
Figure BDA00020270141600001010
带入公式(1)的fi，得到钢板桩二3受到的土压力
Figure BDA00020270141600001011
频率计读取土压力传感器三26的读数
Figure BDA00020270141600001012
将
Figure BDA00020270141600001013
带入公式(1)的fi，得到钢板桩三4受到的土压力
Figure BDA00020270141600001014
频率计读取土压力传感器四27的读数
Figure BDA00020270141600001015
将
Figure BDA00020270141600001016
带入公式(1)的fi，得到钢板桩四5受到的土压力
Figure BDA00020270141600001017
得出了旋转至θ1时，所对应的四个钢板桩受到的土压力；
同理，当外环一和外环二均旋转至θ2时，内环一和内环二也随之旋转至θ2，可转动细杆一6和可转动细杆二7顶部的线位移大小相同，将θ2带入公式(2)中的θ，得到可转动细杆一6和可转动细杆二7顶部的线位移大小
Figure BDA00020270141600001018
再将
Figure BDA00020270141600001019
带入公式(3)中的S1得到
Figure BDA00020270141600001020
其中钢板桩一2和钢板桩四5为被压缩的钢板桩，且在中主应力方向压缩的形变量大小均为
Figure BDA00020270141600001021
钢板桩二3和钢板桩三4均为被拉伸的钢板桩，且在中主应力方向拉伸的形变量大小也均为
Figure BDA00020270141600001022
如此得出了旋转至θ2时，所对应的四个钢板桩在挡土墙中轴线12方向上的形变量；
同时，当外环一和外环二均旋转至θ2时，频率计读取土压力传感器一24的读数
Figure BDA00020270141600001023
将
Figure BDA00020270141600001024
带入公式(1)的fi，得到钢板桩一2受到的土压力
Figure BDA00020270141600001025
频率计读取土压力传感器二25的读数
Figure BDA00020270141600001026
将
Figure BDA00020270141600001027
带入公式(1)的fi，得到钢板桩一2受到的土压力
Figure BDA00020270141600001028
频率计读取土压力传感器三26的读数
Figure BDA0002027014160000111
将
Figure BDA0002027014160000112
带入公式(1)的fi，得到钢板桩三4受到的土压力
Figure BDA0002027014160000113
频率计读取土压力传感器四27的读数
Figure BDA0002027014160000114
将
Figure BDA0002027014160000115
带入公式(1)的fi，得到钢板桩四5受到的土压力
Figure BDA0002027014160000116
得出了旋转至θ2时，所对应的四个钢板桩受到的土压力；
依次类推，当外环一和外环二均旋转至θn时，内环一和内环二也随之旋转至θn，可转动细杆一6和可转动细杆二7顶部的线位移大小相同，将θn带入公式(2)中的θ，得到可转动细杆一6和可转动细杆二7顶部的线位移大小
Figure BDA0002027014160000117
再将
Figure BDA0002027014160000118
带入公式(3)中的S1得到
Figure BDA0002027014160000119
其中钢板桩一2和钢板桩四5为被压缩的钢板桩，且在中主应力方向的压缩的形变量大小均为
Figure BDA00020270141600001110
钢板桩二3和钢板桩三4均为被拉伸的钢板桩，且在中主应力方向拉伸的形变量大小也均为
Figure BDA00020270141600001111
如此得出了旋转至θn时，所对应的四个钢板桩在挡土墙中轴线12方向上的形变量；
同时，当外环一和外环二均旋转至θn时，频率计读取土压力传感器一24的读数
Figure BDA00020270141600001112
将
Figure BDA00020270141600001113
带入公式(1)的fi，得到钢板桩一2受到的土压力
Figure BDA00020270141600001114
频率计读取土压力传感器二25的读数
Figure BDA00020270141600001115
将
Figure BDA00020270141600001116
带入公式(1)的fi，得到钢板桩一2受到的土压力
Figure BDA00020270141600001117
频率计读取土压力传感器三26的读数
Figure BDA00020270141600001118
将
Figure BDA00020270141600001119
带入公式(1)的fi，得到钢板桩三4受到的土压力
Figure BDA00020270141600001120
频率计读取土压力传感器四27的读数
Figure BDA00020270141600001121
将
Figure BDA00020270141600001122
带入公式(1)的fi，得到钢板桩四5受到的土压力
Figure BDA00020270141600001123
得出了旋转至θn时，所对应的四个钢板桩受到的土压力。
S4、旋转盘15旋转至每个角度时，对每个土压力传感器所在高程处的土体单元进行三维应力分析，其中σ1为第一主应力，即土体单元的竖向应力，σ1＝σz＝γ·z，σz为土体竖向应力，γ为土的重度，z为土压力传感器的埋深，γ和z均没有变化，因此σ1保持不变，根据公式(4)和公式(3)计算得出土体单元的中主应力的增量Δσ2，根据公式(5)计算得出土体单元的第三主应力的增量Δσ3；
Δσ2＝E·S2 (4)
Δσ3＝P-P0 (5)
其中，E为土体的弹性模量，为已知数值，对于被压缩的钢板桩所对应的土体单元，为受压缩的土体单元，E取室内土压缩试验得出的土体压缩模量，为已知值，对于被拉伸的钢板桩所对应的土体单元，E取室内土压缩试验得出的土体回弹模量，为已知值，S2为钢板桩沿着中主应力方向的形变量，P为钢板桩受到的土压力，P0为钢板桩受到的初始静止土压力；
具体地，当外环一和外环二均旋转至θ1时，对钢板桩一2在土压力传感器一24处的土体单元进行三维应力分析，第一主应力保持不变，钢板桩一2为被压缩的钢板桩，根据公式(3)得出钢板桩一2在中主应力方向的压缩形变量大小为
Figure BDA0002027014160000121
将
Figure BDA0002027014160000122
带入公式(4)中的S2，E取室内土压缩试验得出的土体压缩模量，得出土体单元的中主应力的增量
Figure BDA0002027014160000123
当外环一和外环二均旋转至θ1时，钢板桩一2受到的土压力为
Figure BDA0002027014160000124
将
Figure BDA0002027014160000125
带入公式(5)中的P，将钢板桩一2受到的初始静止土压力为P01带入公式(5)中的P0，得出土体单元的第三主应力的增量
Figure BDA0002027014160000126
当外环一和外环二均旋转至θ1时，对钢板桩二3在土压力传感器二25处的土体单元进行三维应力分析，第一主应力保持不变，钢板桩二3为被拉伸的钢板桩，根据公式(3)得出钢板桩二3在中主应力方向的拉伸形变量大小为
Figure BDA0002027014160000127
将
Figure BDA0002027014160000128
带入公式(4)中的S2，E取室内土压缩试验得出的土体回弹模量，得出土体单元的中主应力的增量
Figure BDA0002027014160000129
当外环一和外环二均旋转至θ1时，钢板桩二3受到的土压力为
Figure BDA00020270141600001210
将
Figure BDA00020270141600001211
带入公式(5)中的P，将钢板桩二3受到的初始静止土压力为P02带入公式(5)中的P0，得出土体单元的第三主应力的增量
Figure BDA00020270141600001212
同理，当外环一和外环二均旋转至θ1时，对于钢板桩三4，计算得出土体单元的中主应力增量
Figure BDA00020270141600001213
第三主应力的增量
Figure BDA00020270141600001214
对于钢板桩四5，计算得出土体单元的中主应力增量
Figure BDA00020270141600001215
第三主应力的增量
Figure BDA00020270141600001216
当外环一和外环二均旋转至θ2时，对钢板桩一2在土压力传感器一24处的土体单元进行三维应力分析，第一主应力保持不变，钢板桩一2为被压缩的钢板桩，根据公式(3)得出钢板桩一2在中主应力方向的压缩形变量大小为
Figure BDA00020270141600001217
将
Figure BDA00020270141600001218
带入公式(4)中的S2，E取室内土压缩试验得出的土体压缩模量，得出土体单元的中主应力的增量
Figure BDA00020270141600001219
当外环一和外环二均旋转至θ2时，钢板桩一2受到的土压力为
Figure BDA0002027014160000131
将
Figure BDA0002027014160000132
带入公式(5)中的P，将钢板桩一2受到的初始静止土压力为P01带入公式(5)中的P0，得出土体单元的第三主应力的增量
Figure BDA0002027014160000133
当外环一和外环二均旋转至θ2时，对钢板桩二3在土压力传感器二25处的土体单元进行三维应力分析，第一主应力保持不变，钢板桩二3为被拉伸的钢板桩，根据公式(3)得出钢板桩二3在中主应力方向的拉伸形变量大小为
Figure BDA0002027014160000134
将
Figure BDA0002027014160000135
带入公式(4)中的S2，E取室内土压缩试验得出的土体回弹模量，得出土体单元的中主应力的增量
Figure BDA0002027014160000136
当外环一和外环二均旋转至θ2时，钢板桩二3受到的土压力为
Figure BDA0002027014160000137
将
Figure BDA0002027014160000138
带入公式(5)中的P，将钢板桩二3受到的初始静止土压力为P02带入公式(5)中的P0，得出土体单元的第三主应力的增量
Figure BDA0002027014160000139
同理，当外环一和外环二均旋转至θ2时，对于钢板桩三4，计算得出土体单元的中主应力增量
Figure BDA00020270141600001310
第三主应力的增量
Figure BDA00020270141600001311
对于钢板桩四5，计算得出土体单元的中主应力增量
Figure BDA00020270141600001312
第三主应力的增量
Figure BDA00020270141600001313
依次类推，当外环一和外环二均旋转至θn时，对钢板桩一2在土压力传感器一24处的土体单元进行三维应力分析，第一主应力保持不变，钢板桩一2为被压缩的钢板桩，根据公式(3)得出钢板桩一2在中主应力方向的压缩形变量大小为
Figure BDA00020270141600001314
将
Figure BDA00020270141600001315
带入公式(4)中的S2，E取室内土压缩试验得出的土体压缩模量，得出土体单元的中主应力的增量
Figure BDA00020270141600001316
当外环一和外环二均旋转至θn时，钢板桩一2受到的土压力为
Figure BDA00020270141600001317
将
Figure BDA00020270141600001318
带入公式(5)中的P，将钢板桩一2受到的初始静止土压力为P01带入公式(5)中的P0，得出土体单元的第三主应力的增量
Figure BDA00020270141600001319
当外环一和外环二均旋转至θn时，对钢板桩二3在土压力传感器二25处的土体单元进行三维应力分析，第一主应力保持不变，钢板桩二3为被拉伸的钢板桩，根据公式(3)得出钢板桩二3在中主应力方向的拉伸形变量大小为
Figure BDA00020270141600001320
将
Figure BDA00020270141600001321
带入公式(4)中的S2，E取室内土压缩试验得出的土体回弹模量，得出土体单元的中主应力的增量
Figure BDA00020270141600001322
当外环一和外环二均旋转至θn时，钢板桩二3受到的土压力为
Figure BDA0002027014160000141
将
Figure BDA0002027014160000142
带入公式(5)中的P，将钢板桩二3受到的初始静止土压力为P02带入公式(5)中的P0，得出土体单元的第三主应力的增量
Figure BDA0002027014160000143
同理，当外环一和外环二均旋转至θn时，对于钢板桩三4，计算得出土体单元的中主应力增量
Figure BDA0002027014160000144
第三主应力的增量
Figure BDA0002027014160000145
对于钢板桩四5，计算得出土体单元的中主应力增量
Figure BDA0002027014160000146
第三主应力的增量
Figure BDA0002027014160000147
S5、对于每个钢板桩，绘制旋转盘15旋转至每个角度时，该钢板桩上的土压力传感器所在高程处的土体单元的Δσ2-Δσ3关系曲线。
具体地，对于钢板桩一2，当外环一和外环二均旋转至θ1时，钢板桩一2在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000148
第三主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000149
当外环一和外环二均旋转至θ2时，钢板桩一2在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001410
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001411
依次类推，当外环一和外环二均旋转至θn时，钢板桩一2在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001412
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001413
以第三主应力的增量Δσ3作为横坐标，以中主应力的增量Δσ2作为纵坐标，绘制出钢板桩一2的Δσ2-Δσ3关系曲线；
对于钢板桩二3，当外环一和外环二均旋转至θ1时，钢板桩二3在土压力传感器二25处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001414
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001415
当外环一和外环二均旋转至θ2时，钢板桩二3在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001416
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001417
依次类推，当外环一和外环二均旋转至θn时，钢板桩二3在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001418
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001419
以第三主应力的增量Δσ3作为横坐标，以中主应力的增量Δσ2作为纵坐标，绘制出钢板桩二3的Δσ2-Δσ3关系曲线；
对于钢板桩三4，当外环一和外环二均旋转至θ1时，钢板桩三4在土压力传感器三26处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001420
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001421
当外环一和外环二均旋转至θ2时，钢板桩三4在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001422
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001423
依次类推，当外环一和外环二均旋转至θn时，钢板桩三4在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001424
第三主应力的增量为
Figure BDA00020270141600001425
以第三主应力的增量Δσ3作为横坐标，以中主应力的增量Δσ2作为纵坐标，绘制出钢板桩三4的Δσ2-Δσ3关系曲线；
对于钢板桩四5，当外环一和外环二均旋转至θ1时，钢板桩四5在土压力传感器四27处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000151
第三主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000152
当外环一和外环二均旋转至θ2时，钢板桩四5在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000153
第三主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000154
依次类推，当外环一和外环二均旋转至θn时，钢板桩四5在土压力传感器一24处的土体单元的中主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000155
第三主应力的增量为
Figure BDA0002027014160000156
以第三主应力的增量Δσ3作为横坐标，以中主应力的增量Δσ2作为纵坐标，绘制出钢板桩四5的Δσ2-Δσ3关系曲线。

Claims (8)

1.考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述土压力测试装置包括钢板桩挡墙、模型槽、角度控制装置和土压力监测采集装置；
钢板桩挡墙包括四个钢板桩、两根可转动细杆和三根固定细杆，每个钢板桩的两个侧面均设有锁扣结构，四个钢板桩分别为钢板桩一、钢板桩二、钢板桩三和钢板桩四，钢板桩一、钢板桩二、钢板桩三和钢板桩四通过所述锁扣结构顺次连接，形成挡土墙，每两个相邻钢板桩的开口朝向相反，钢板桩一和钢板桩四各通过一根固定细杆固定在所述模型槽的侧壁内，位于所述模型槽侧壁内的两根固定细杆的顶部各安装一个角度控制装置，钢板桩一与钢板桩二的锁扣结构扣合后所形成的扣槽内安装有一根可转动细杆，钢板桩二与钢板桩三的锁扣结构扣合后所形成的扣槽内安装有一根固定细杆，钢板桩三与钢板桩四的锁扣结构扣合后所形成的扣槽内安装有一根可转动细杆，每根可转动细杆均与所述模型槽转动连接，每根固定细杆均与所述模型槽固定连接；
角度控制装置包括旋转盘和连接绳，旋转盘转动安装在固定细杆上，连接绳的一端连接在旋转盘的侧壁，另一端连接在距离该固定细杆最近的可转动细杆的顶部；
土压力监测采集装置包括频率计和四个土压力传感器，每个钢板桩的挡土侧各安装一个土压力传感器，土压力传感器位于钢板桩的腹板中心处，四个土压力传感器均与频率计相连。
2.根据权利要求1所述的考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述土压力测试装置还包括至少一组约束装置，每组约束装置均包括两个约束杆，每个约束装置的两个约束杆分别抵压在所述挡土墙的两侧，且每根约束杆的两端固定在所述模型槽的侧壁上。
3.根据权利要求1所述的考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述旋转盘包括外环和内环；
所述固定细杆的顶部依次穿过外环和内环，外环上设有多个对称布置的孔洞，每个孔洞中心至外环中心的距离相等，相邻孔洞中心与外环中心形成的夹角相同；
内环的外径小于外环的外径，外环和内环固定连接，当旋转外环时，外环和内环同时转动，所述连接绳的一端固定在内环的侧壁。
4.根据权利要求3所述的考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述旋转盘还包括插销和旋转手轮，所述模型槽的顶部设有插销孔；
旋转手轮安装在外环上，插销能够依次插入所述孔洞和所述插销孔，对所述外环和所述内环进行定位。
5.根据权利要求1所述的考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述模型槽采用透明有机玻璃制成。
6.根据权利要求3所述的考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述外环上设有8个所述孔洞，相邻所述孔洞中心与所述外环中心形成的夹角为45°。
7.根据权利要求3所述的考虑中主应力影响的钢板桩挡墙土压力测试装置，其特征在于：所述内环与所述外环的外径比为1:3。
8.一种采用权利要求1所述的装置进行土压力测试的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、组装所述土压力测试装置，在所述挡土墙安装了土压力传感器的侧面与所述模型槽形成的空间内填土，使土体与所述模型槽内壁及所述挡土墙充分接触；
S2、用频率计读取所述挡土墙的每个土压力传感器的读数f0'，f0'为土压力传感器的初始频率，将每个土压力传感器的初始频率f0'分别带入公式(1)的fi，分别计算得出每个所述钢板桩受到的土压力P0，P0为钢板桩受到的初始静止土压力；
Figure FDA0002027014150000021
其中，公式(1)中，P为钢板桩受到的土压力，f0为土压力传感器的出厂频率，K为率定系数，fi为频率计读取的土压力传感器的读数；
S3、旋转所述旋转盘分别至θ1、θ2、θ3……θn，根据公式(2)，分别将θ1、θ2、θ3……θn带入公式(2)中的θ，得到所述旋转盘旋转至每个角度时，与所述连接绳连接的可转动细杆顶部的线位移S1，根据公式(3)计算得出钢板桩在中主应力方向的形变量S2，同时，所述旋转盘旋转至每个角度时，所述频率计均读取每个土压力传感器的读数f，并将每个土压力传感器的读数f分别带入公式(1)的fi，如此，计算得出旋转盘旋转至每个角度时，所对应的每个钢板桩受到的土压力P；
Figure FDA0002027014150000022
Figure FDA0002027014150000023
其中，S1为与连接绳连接的可转动细杆顶部的线位移，
Figure FDA0002027014150000024
为所述旋转盘的内环转动角位移对应的内环弧长，θ为所述旋转盘旋转所至的角度，r为所述内环的半径，S2为钢板桩在中主应力方向的形变量；
S4、所述旋转盘旋转至每个角度时，对每个土压力传感器所在高程处的土体单元进行三维应力分析，其中σ1为第一主应力，即土体单元的竖向应力，σ1保持不变，根据公式(4)和公式(3)计算得出所述土体单元的中主应力的增量Δσ2，根据公式(5)计算得出所述土体单元的第三主应力的增量Δσ3；
Δσ2＝E·S2 (4)
Δσ3＝P-P0 (5)
其中，E为土体的弹性模量，对于被压缩的钢板桩所对应的土体单元，E取室内土压缩试验得出的土体压缩模量，对于被拉伸的钢板桩所对应的土体单元，E取室内土压缩试验得出的土体回弹模量，P为钢板桩受到的土压力，P0为钢板桩受到的初始静止土压力；
S5、对于每个所述钢板桩，绘制所述旋转盘旋转至每个角度时，该钢板桩上的土压力传感器所在高程处的土体单元的Δσ2-Δσ3关系曲线。
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