CN110685304A - 一种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领域，公开了一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法。该装置包括模型箱、面板、柔性垫层、面板移动组件、砂土回填组件、可移动挡板及测试单元；柔性垫层设置于面板朝向可移动挡板的表面；砂土回填组件设置于模型箱上部；可移动挡板可拆卸地连接于模型箱；测试单元邻近模型箱设置；通过改变可移动挡板的安装位置进而改变回填砂土的宽度；面板移动组件用于改变面板的移动距离，继而对不同平动位移的挡土墙进行模拟；砂土回填组件通过丝杠和导向杆实现加砂点的移动。本发明适用于多种柔性垫层减压性能工况的研究分析，能够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。

Description

一种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领域，涉及一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法，更具体地，涉及一种研究平动模式下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。按照挡土墙的可能位移方向和墙后土体所处的状态，土压力分为静止土压力、主动土压力和被动土压力三种类型，且挡土墙的变位模式和位移大小对土压力的分布有很大的影响，其中平动变位模式下的土压力是诸多学者研究的一项重要课题。但很多情况下墙后土体并未达到极限状态，土体从静止状态到极限状态是一个渐变的过程，因此非极限状态的土压力的研究也是十分必要的。

传统的挡土墙多为刚性结构，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。而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，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，目前没有有效的措施对平动变位模式下刚柔复合支挡结构进行试验，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平动模式下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，本发明提供了一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置及方法，其目的在于，基于柔性支挡结构的特点，通过设计填砂空间可调、沙土压力可调的模型试验装置，实现不同工况的模拟，由此解决现有技术缺乏有效的措施对平动变位模式下刚柔复合支挡结构进行试验，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的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，用于研究平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能，包括：模型箱、面板、柔性垫层、面板移动组件、砂土回填组件、可移动挡板及测试单元；

所述柔性垫层设置在所述面板朝向所述可移动挡板的表面上；所述砂土回填组件设置于所述模型箱上部，其用于回填砂土；所述可移动挡板可拆卸地连接于所述模型箱内壁；所述测试单元用于采集及分析试验数据；其中，所述面板的形状尺寸与所述柔性垫层的形状尺寸相一致；

所述面板、所述模型箱及所述可移动挡板之间形成用于收容砂土的容纳空间；通过改变所述可移动挡板在所述模型箱上的安装位置来改变所述面板与所述可移动挡板之间的距离，从而改变所述砂土的宽度，以模拟不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响；

所述面板移动组件用于改变所述面板的移动距离，以模拟不同平动位移的挡土墙；所述砂土回填组件用于砂土的均匀回填。

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，多个所述塑料板、所述柔性垫层及所述可移动挡板形成所述容纳空间；所述面板由一个所述塑料板构成，所述面板上设有第二圆孔与走线槽；所述第二圆孔与所述走线槽共同用于安装土压力传感器及导引线路。

进一步地，所述第二圆孔在所述面板中线位置不同高度处间隔设置，且为盲孔；所述第二圆孔深度依照保证所述土压力传感器的受力面略微高于所述面板表面来确定，以保证所述土压力传感器受力面与所述柔性垫层接触良好，从而确保测得土压力强度的可靠性。

进一步地，所述面板与所述面板移动组件连接，所述面板移动组件包括固定板、第一丝杠、导向杆；所述固定板固定于所述面板外侧的所述不锈钢框架上，所述固定板的形心与所述面板的形心对齐；以所述固定板的形心和所述面板的形心为支撑点安装所述第一丝杠，通过转动所述第一丝杠控制所述面板的平动位移；所述固定板设有套筒，在所述面板外侧与所述套筒对齐处安装导向杆；所述导向杆与所述套筒相匹配。

进一步地，所述模型箱内部设置有多对滑轨，每对所述滑轨相对设置在所述模型箱相对的两个侧壁上；所述可移动挡板的两端分别插入对应的一对所述滑轨中，每对所述滑轨对应于所述可移动挡板的不同安装位置。

进一步地，所述砂土回填组件通过支撑框架连接于所述模型箱顶部，所述支撑框架上设有相互平行的第二丝杠和两个纵向导向杆，所述第二丝杠连接一横跨于所述模型箱两侧壁之上的大滑块；所述大滑块在所述第二丝杠驱动下沿所述纵向导向杆滑动。

进一步地，在所述大滑块上沿垂直于所述第二丝杠的方向安装有两横向导向杆，所述横向导向杆上设有小滑块，所述小滑块沿所述横向导向杆滑动；所述小滑块上设有第一圆孔，所述第一圆孔用于放置漏斗；所述砂土回填组件可拆卸地安装于所述模型箱，以在砂土回填完毕后拆卸所述砂土回填组件，便于荷载的施加。

进一步地，所述测试单元包括土压力传感器、便携式计算机和静态应变采集仪，多个所述土压力传感器连接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传感器的数据传输给所述便携式计算机，通过所述便携式计算机对接收到的数据进行分析处理，以得到不同平动位移下设置有柔性垫层挡土墙的土压力分布情况。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种按照如前所述的挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置进行挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验的方法，包括以下步骤：

(1)在所述面板上安装所述土压力传感器及所述柔性垫层，保证所述土压力传感器受力面与所述柔性垫层接触良好，并调整所述面板的初始位置；

(2)根据实验标的挡土墙的尺寸确定所述可移动挡板的安装位置，并将所述可移动挡板插入对应的所述滑轨中；

(3)安装并固定所述砂土回填组件，通过操作所述砂土回填组件，采用砂雨法在所述容纳空间内均匀回填砂土，达到指定高度后整平砂土表面；

(4)所述测试单元实时采集土压力强度数据，待土压力读数稳定后通过所述面板移动组件调节所述面板平动位移，读数再次稳定后继续平动所述面板达到下一指定状态，试验结束后对所采集土压力强度数据进行分析。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.所述模型试验装置能够改变所述面板的平动距离和所述面板与所述可移动挡板之间的距离，适用于多种柔性垫层减压性能工况的研究分析，同时也适用于柔性垫层对静止土压力、极限状态和非极限状态下的主动土压力、被动土压力的减小效果的全面研究；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.所述面板移动组件通过丝杠传动来改变所述面板的平动距离，继而对不同平动位移的挡土墙进行模拟，有利于进行柔性垫层对静止土压力、极限状态和非极限状态下的主动土压力、被动土压力的减小效果的全面研究。

3.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。

4.所述砂土回填组件设置于所述模型箱顶部，通过所述丝杠和所述导向杆调整漏斗位置使其能到达填土范围上方任意一处，所述漏斗底端距填土表面一定高度以实现砂雨法回填。

5.所述砂土回填组件可拆卸，便于填土表面荷载的施加，通过调整施加荷载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平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的侧视图。

图2是图1中的研究平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的俯视图。

图3是图1中的研究平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的正视图。

图4是图1中的研究平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的面板示意图。

图5是图1中的研究平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置的测试单元示意图。

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-面板，2-柔性垫层，3-可移动挡板，4-滑轨，5-不锈钢框架，6-塑料板，7-砂土，8-固定板，9-第一丝杠，10-套筒，11-第一导向杆，12-支撑框架，13-第一螺栓，14-纵向导向杆，15-大滑块，16-横向导向杆，17-小滑块，18-漏斗，19-第二丝杠，20-第一圆孔，21-第二螺栓，22-第二圆孔，23-走线槽，24-静态应变采集仪，25-便携式计算机。

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，本发明提供的研究平动模式下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、面板1、柔性垫层2、面板移动组件、砂土回填组件、可移动挡板3及测试单元，所述面板移动组件设置在所述模型箱前端，其用于改变所述面板1平动位移；所述柔性垫层2设置在所述面板1朝向所述可移动挡板3的表面上；所述砂土回填组件设置于所述模型箱上部，其用于回填砂土；所述可移动挡板3通过连接件可拆卸地连接于所述模型箱，其位于所述模型箱内；所述测试单元邻近所述模型箱设置，其用于采集及分析试验数据；其中，所述面板1的形状及尺寸分别与所述柔性垫层2的形状及尺寸相一致；

所述面板1、所述模型箱及所述可移动挡板3之间形成容纳空间，所述容纳空间用于收容砂土7；通过改变所述可移动挡板3于所述模型箱上的安装位置来改变所述面板1与所述可移动挡板3之间的距离，进而改变所述回填砂土7的宽度，以模拟不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响；所述面板移动组件通过丝杠9传动来改变所述面板1的移动距离，继而对不同平动位移的挡土墙进行模拟；所述砂土回填组件通过丝杠19、纵向导向杆14及横向导向杆16实现加砂点的移动，从而实现砂土7的均匀回填。

所述模型箱包括不锈钢框架5及设置在所述不锈钢框架5内的塑料板6，多个所述塑料板6分别作为所述不锈钢框架5的底板及侧板。本实施方式中，所述模型箱为矩形箱，其长为500毫米，宽为400毫米，高为600毫米，回填砂土至高度500毫米处。

请参阅图4，所述面板1同样为塑料板6，并于其上留有圆孔22与走线槽23；所述圆孔22与所述走线槽23共同用于安装土压力传感器及导引线路，以使所述土压力传感器测量不同高度处的土压力强度。此外，所述圆孔22在所述面板1中线不同高度处间隔设置，且并未贯穿所述面板1；所述圆孔22深度依照保证所述土压力传感器的受力面略微高于所述面板1表面来确定，以保证所述土压力传感器受力面与所述柔性垫层2接触良好，从而确保测得土压力强度的可靠性。本实施方式中，分别在所述面板1中线上高度为50毫米、150毫米、250毫米、350毫米及450毫米处设置5个直径为28毫米、深4毫米的圆孔22；所述走线槽宽度设置为5毫米；可以理解，在其他实施方式中，所述圆孔22的尺寸和数量均可调整。

所述面板1与所述面板移动组件连接，所述面板移动组件包括固定板8、丝杠9、导向杆11；所述固定板8通过螺栓21固定于所述面板1外侧不锈钢框架5上，其形心与所述面板1形心对齐；以所述固定板8形心和所述面板1形心为支撑点安装丝杠9，通过转动所述丝杠9控制所述面板1的平动位移；所述固定板8四角各开有一圆孔并延伸出一定长度的套筒10，在所述面板1外侧与套筒10对齐处安装共四根导向杆11；所述导向杆11与所述套筒10相匹配，其用于保证所述面板1移动时为完全平动而不会出现任何方向的倾斜。本实施方式中，所述丝杠9转动一圈带动所述面板1平动1毫米。

所述模型箱的侧壁上设置有多对滑轨4，每对所述滑轨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即为所述连接件，所述可移动挡板3的两端分别插入对应的所述滑轨4中，由此所述可移动挡板3连接于所述模型箱。

所述砂土回填组件通过支撑框架12连接于所述模型箱顶部，所述支撑框架12通过螺栓13固定于所述模型箱，且与所述模型箱顶部尺寸完全相符，所述支撑框架12两长边即为所述模型箱两侧壁顶部；选取所述支撑框架12两短边中点作为支撑点安装丝杠19，所述丝杠19连接一横跨于所述模型箱两侧壁之上的大滑块15；所述大滑块15通过两纵向导向杆14连接于所述支撑框架12，并通过转动所述丝杠19把手进行传动，从而实现所述大滑块15沿所述支撑框架12长边方向的移动。

在所述大滑块15上沿所述支撑框架12短边方向安装有两横向导向杆16，手动控制所述小滑块17在所述横向导向杆16上滑动；所述小滑块17上钻有圆孔20，所述圆孔20用于放置漏斗18；所述砂土回填组件即是通过所述丝杠19、所述纵向导向杆14及所述横向导向杆16改变所述漏斗18的位置，从而实现砂土的均匀回填；所述砂土回填组件可拆卸于所述模型箱，砂土回填完毕后即可拆卸所述砂土回填组件，便于荷载的施加。

请参阅图5，所述测试单元包括多个土压力传感器、便携式计算机25和静态应变采集仪24，所述土压力传感器连接于所述静态应变采集仪24，所述静态应变采集仪24将采集到的来自所述土压力传感器的数据传输给所述便携式计算机25，通过所述便携式计算机25对接收到的数据进行分析处理，以得到不同平动位移下设置有柔性垫层挡土墙的土压力分布情况，从而得到平动模式下挡土墙后柔性垫层2减压性能。

本发明还提供了采用了如上所述研究平动模式下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：

(1)使用玻璃胶将已编号的土压力传感器牢固粘贴于所述面板1上的圆孔22内，线路固定于所述走线槽23中，将线路从所述模型箱上端引出连接于所述测试单元。使用玻璃胶将所述柔性垫层2固定于所述面板1的内侧。通过转动所述丝杠9调整好所述面板1及所述柔性垫层2的初始位置。

(2)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。

(3)通过所述支撑框架12上的螺栓13将所述砂土回填组件固定于所述模型箱顶端，采用砂雨法回填砂土。初始将所述大滑块15移至所述纵向导向杆14的一端，将所述小滑块17移至所述横向导向杆16的一端；往所述漏斗18中加砂土，同时先保持所述小滑块17不动，匀速转动所述丝杠19使所述大滑块15在所述纵向导向杆14上匀速移动至另一端，随后挪动所述小滑块17的位置，再使所述大滑块15匀速移至另一端……如此循环往复，直至砂土回填至高度500毫米处，用刷子轻轻整平所述回填砂土7表面。

(4)在分层回填砂土之前开启所述静态应变采集仪24及所述便携式计算机25，并设置数据采集频率和绘图显示的输出参数，实时采集、记录填砂及稳定后的土压力强度。

将所述丝杠9转动一圈使所述面板1向外平动1毫米，待所述便携式计算机25上显示土压力读数稳定后，再将所述面板1继续向外平动1毫米，稳定后继续平动所述面板1，直至土压力强度读数再无明显变化。如此便可得到静止土压力、极限状态和非极限状态下的主动土压力。若要研究被动土压力，改变所述面板1平动方向即可。试验结束后，对所采集的土压力强度数据进行分析。

本发明提供的研究平动模式下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，且所述面板可平动，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平动模式下的挡土墙，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)

1.一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，用于研究平动模式下挡土墙后柔性垫层减压性能，其特征在于，包括：模型箱、面板(1)、柔性垫层(2)、面板移动组件、砂土回填组件、可移动挡板(3)及测试单元；

所述柔性垫层(2)设置在所述面板(1)朝向所述可移动挡板(3)的表面上；所述砂土回填组件设置于所述模型箱上部，其用于回填砂土；所述可移动挡板(3)可拆卸地连接于所述模型箱内壁；所述测试单元用于采集及分析试验数据；其中，所述面板(1)的形状尺寸与所述柔性垫层(2)的形状尺寸相一致；

所述面板(1)、所述模型箱及所述可移动挡板(3)之间形成用于收容砂土(7)的容纳空间；通过改变所述可移动挡板(3)在所述模型箱上的安装位置来改变所述面板(1)与所述可移动挡板(3)之间的距离，从而改变所述砂土(7)的宽度，以模拟不同墙后填土宽度对挡土墙后土压力分布的影响；

所述面板移动组件用于改变所述面板的移动距离，以模拟不同平动位移的挡土墙；所述砂土回填组件用于砂土(7)的均匀回填。

2.如权利要求1所述的一种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(5)及设置在所述不锈钢框架(5)内的塑料板(6)，多个所述塑料板(6)分别作为所述不锈钢框架(5)的底板及侧板。

3.如权利要求2所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：多个所述塑料板(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；所述面板(1)由一个所述塑料板(6)构成，所述面板(1)上设有第二圆孔(22)与走线槽(23)；所述第二圆孔(22)与所述走线槽(23)共同用于安装土压力传感器及导引线路。

4.如权利要求3所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述第二圆孔(22)在所述面板(1)中线位置不同高度处间隔设置，且为盲孔；所述第二圆孔(22)深度依照保证所述土压力传感器的受力面略微高于所述面板表面来确定，以保证所述土压力传感器受力面与所述柔性垫层(2)接触良好，从而确保测得土压力强度的可靠性。

5.如权利要求4所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述面板(1)与所述面板移动组件连接，所述面板移动组件包括固定板(8)、第一丝杠(9)、导向杆(11)；所述固定板(8)固定于所述面板(1)外侧的所述不锈钢框架(5)上，所述固定板(8)的形心与所述面板(1)的形心对齐；以所述固定板(8)的形心和所述面板(1)的形心为支撑点安装所述第一丝杠(9)，通过转动所述第一丝杠(9)控制所述面板(1)的平动位移；所述固定板(8)设有套筒(10)，在所述面板(1)外侧与所述套筒(10)对齐处安装导向杆(11)；所述导向杆(11)与所述套筒(10)相匹配。

6.如权利要求1所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述模型箱内部设置有多对滑轨(4)，每对所述滑轨(4)相对设置在所述模型箱相对的两个侧壁上；所述可移动挡板(3)的两端分别插入对应的一对所述滑轨(4)中，每对所述滑轨(4)对应于所述可移动挡板(3)的不同安装位置。

7.如权利要求1所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述砂土回填组件通过支撑框架(12)连接于所述模型箱顶部，所述支撑框架(12)上设有相互平行的第二丝杠(19)和两个纵向导向杆(14)，所述第二丝杠(19)连接一横跨于所述模型箱两侧壁之上的大滑块(15)；所述大滑块(15)在所述第二丝杠(19)驱动下沿所述纵向导向杆(14)滑动。

8.如权利要求7所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：在所述大滑块(15)上沿垂直于所述第二丝杠(19)的方向安装有两横向导向杆(16)，所述横向导向杆(16)上设有小滑块(17)，所述小滑块(17)沿所述横向导向杆(16)滑动；所述小滑块(17)上设有第一圆孔(20)，所述第一圆孔(20)用于放置漏斗(18)；所述砂土回填组件可拆卸地安装于所述模型箱，以在砂土回填完毕后拆卸所述砂土回填组件，便于荷载的施加。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置，其特征在于：所述测试单元包括土压力传感器(25)、便携式计算机和静态应变采集仪(24)，多个所述土压力传感器连接所述静态应变采集仪(24)，所述静态应变采集仪将采集到的来自所述土压力传感器的数据传输给所述便携式计算机(24)，通过所述便携式计算机(24)对接收到的数据进行分析处理，以得到不同平动位移下设置有柔性垫层挡土墙的土压力分布情况。

10.按照如权利要求1-9任一项所述的挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验装置进行挡土墙后柔性垫层减压性能的模型试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在所述面板(1)上安装所述土压力传感器及所述柔性垫层(2)，保证所述土压力传感器受力面与所述柔性垫层(2)接触良好，并调整所述面板(1)的初始位置；

(2)根据实验标的挡土墙的尺寸确定所述可移动挡板(3)的安装位置，并将所述可移动挡板(3)插入对应的所述滑轨(4)中；

(3)安装并固定所述砂土回填组件，通过操作所述砂土回填组件，采用砂雨法在所述容纳空间内均匀回填砂土，达到指定高度后整平砂土表面；

(4)所述测试单元实时采集土压力强度数据，待土压力读数稳定后通过所述面板移动组件调节所述面板平动位移，读数再次稳定后继续平动所述面板达到下一指定状态，试验结束后对所采集土压力强度数据进行分析。

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