CN112177064B - 一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，所述剪切盒装置包括设置在水平布置的支撑平台上的剪切盒，所述剪切盒包括下剪切盒和位于所述下剪切盒上，并与所述下剪切盒接触连接的上剪切盒，所述上剪切盒与所述支撑平台在水平方向上左右滑动连接，所述支撑平台与所述下剪切盒之间具有调节所述下剪切盒位置的位置调整装置。剪切盒的盖板右侧安装有交通荷载模拟装置。本发明可实现基坑墙土界面处力学性能指标的测量，并且通过位置调节装置模拟基坑墙土界面处挡土墙不同的转动模式，通过交通荷载模拟装置模拟交通荷载对于墙土界面处的影响，从而可直接得出基坑挡土墙不同转动模式及交通荷载影响下墙土界面处的力学性能指标。

Description

一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置

技术领域

本发明涉及基坑工程技术领域，具体而言是一种基坑墙土界面模拟装置，尤其涉及一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置。

背景技术

在基坑工程中,实际土压力一般处于非极限土压力状态,随着基坑支护结构位移模式以及位移量的变化，非极限土压力状态也随之变化,精确判断土压力所处的非极限状态十分困难,因而对于基坑不同位移模式下的墙土界面处的力学性能的研究就显得极为重要。在城市建设中,基坑周边往往还作用有行驶的车辆等附加荷载，在保证基坑正常施工的同时,还要保证道路正常通行,这为地下工程安全施工带来了困难。因此研究车辆荷载作用下基坑支护结构墙土界面处的力学性能对工程建设有十分重要的理论意义和实用价值。

然而目前对于基坑墙土界面处的相关试验研究仅限于桩土界面摩擦研究或者纯粹的土体剪切研究，桩土界面相关试验研究中用于模拟桩体的试块均为静态放置，无法模拟挡土墙结构的转动及位移状况，且尚未有考虑基坑周边交通荷载影响的相关试验研究。因此，开发一种能准确测量挡土墙不同位移模式及交通荷载影响下墙土界面处相关力学性能的试验模拟装置，对于基坑工程相关理论研究和工程建设都具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有剪切装置的不足，本发明提供一种模拟并测量不同挡土墙位移状态及交通荷载影响下挡土墙与墙后土体力学性能的基坑墙土界面模拟剪切盒装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，所述剪切盒装置包括设置在水平布置的支撑平台上的剪切盒，所述剪切盒包括下剪切盒和位于所述下剪切盒上，并与所述下剪切盒接触连接的上剪切盒，所述上剪切盒与所述支撑平台在水平方向上左右滑动连接，所述支撑平台与所述下剪切盒之间具有调节所述下剪切盒位置的位置调整装置；

所述剪切盒的顶部盖板上固定有上接触块，所述上接触块用于与为所述剪切盒装置提供竖直荷载的竖向荷载压头接触；

所述上剪切盒的左侧固定有侧接触板，所述侧接触板用于与为所述剪切盒装置提供水平剪切力的水平荷载传递压头接触。

进一步地，所述盖板的右侧安装有交通荷载模拟装置，所述交通荷载模拟装置包括模型车轨道，且所述模型车轨道上具有与所述模型车轨道相配合的变频式激震模型车。

进一步地，所述模型车轨道的延伸方向为前后延伸。模型车轨道和变频式激震模型车用于模拟交通荷载，为基坑墙土界面模拟试验提供模拟交通荷载，通过调节变频式激震模型车的激震频率，且变频式激震模型车在模型车轨道上进行往复运动以模拟不同位置的交通荷载；

进一步地，所述上剪切盒与所述下剪切盒之间具有固定在所述上剪切盒底部四周的透明柔性连接带，当上剪切盒和下剪切盒之间处于非平行状态时，透明柔性连接带能够实现上剪切盒与下剪切盒之间的非刚性接触，且能够密封整个剪切盒，所述透明柔性连接带可选取表面光滑且具有一定弹性的透明柔性材料制作。

进一步地，所述位置调整装置包括调整机构和固定机构，所述调整机构包括分别固定在所述下剪切盒左右两侧且水平设置的支撑板，所述支撑板的前后两端分别安装有调节螺栓，所述调节螺栓的尾部竖直穿过位于所述支撑板上的锁紧螺母Ⅰ和所述支撑板后与所述支撑平台相抵。

所述固定机构包括多个分别固定在所述支撑平台上，且竖直设置在所述下剪切盒四周的固定板，所述固定板上设有固定螺栓，所述固定螺栓的尾部水平穿过位于所述固定板外侧的锁紧螺母Ⅱ和所述固定板后与所述下剪切盒的外壁相抵。通过旋转调节螺栓，实现下剪切盒与支撑平台之间位置关系的调整，进一步实现下剪切盒与上剪切盒之间相对位置的调整。通过固定螺栓的旋转实现固定螺栓的尾部紧紧的抵住下剪切盒，防止下剪切盒发生位移。

进一步地，所述上剪切盒通过滑动机构与所述支撑平台滑动连接，所述滑动机构包括分别设置在所述下剪切盒前后两侧且左右延伸的滑轨支撑板，所述滑轨支撑板上固定有滑轨，所述上剪切盒的前后两侧分别固定有水平设置的翼板，且所述翼板的底部固定有与所述滑轨滑动连接的上剪切盒滑块。

进一步地，所述上剪切盒和所述下剪切盒的前侧壁和/或后侧壁上设有有机玻璃视窗，用于观察盒内情况。

进一步地，所述下剪切盒的右端上部固定有水平设置的延伸挡板，其用于防止剪切过程中上剪切盒中的试验材料发生泄漏；

进一步地，所述竖向荷载压头的底部固定有水平设置且左右延伸的压头滑轨，且所述压头滑轨与所述上接触块滑动配合。当推动上剪切盒滑动时，上接触块能够与竖向荷载压头实现水平位移。

进一步地，所述透明柔性连接带与下剪切盒之间涂有润滑油，压头滑轨与所述上接触块之间涂有润滑油，所述上剪切盒滑块与所述滑轨之间涂有润滑油，减小摩擦阻力。

使用状态下：将挡墙模拟试件放入下剪切盒中，将试验所需土样放入上剪切盒中，在试验土样上表面依次放置滤纸和透水石，在透水石上放置所述盖板；施加竖向荷载，基坑墙土界面模拟试验所需的竖向荷载由万能压缩试验机等试验机的竖向荷载压头提供，通过竖向荷载传递系统对剪切盒装置施加竖向荷载；通过调节所述调节螺栓使下剪切盒达到所需变位模式，调节螺栓的调节高度的测量可通过千分表等测量仪器测量，之后同周向固定装置将下剪切盒固定；施加模拟交通荷载，通过交通荷载模拟装置为基坑墙土界面模拟试验提供模拟交通荷载，模拟交通荷载对剪切盒装置中材料的影响程度可由振动加速度传感器等传感器进行检测，所述的交通荷载模拟装置为可拆卸式，可控制交通荷载变量的有无；施加水平剪切力，基坑墙土界面模拟试验所需的水平剪切力由水平剪切试验机等试验机的水平荷载传递压头提供，通过水平荷载传递压头对剪切盒装置施加水平剪切力；在试验过程中，可通过有机玻璃视窗观察挡土墙模拟试件与试验土样界面处土体的变化情况；待水平剪切力数值趋于平稳时即表示挡土墙模拟试件与试验土样界面处发生完全剪切破坏，记录水平剪切力与水平剪切位移，试验结束。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明可实现基坑墙土界面处力学性能指标的测量，并且通过位置调节装置模拟基坑墙土界面处挡土墙不同的转动模式，从而可直接得出基坑挡土墙不同转动模式下墙土界面处的力学性能指标；本发明设计的交通荷载模拟装置可模拟实际工程中交通荷载对基坑墙土界面的影响，通过测量施加模拟交通荷载后基坑墙土界面处的力学性能指标可精确分析实际工程中交通荷载对基坑墙土界面的影响；本发明设计的剪切盒装置相较于现有剪切装置中剪切盒尺寸增大，减小了试验中由于尺寸效应带来的误差；本发明设计的剪切盒装置还设置有有机玻璃视窗，可用于观察试验过程中墙土界面处的变化过程；本发明设计的水平滑动上剪切盒通过滑轨可以保证上剪切盒水平滑动，也避免了传统剪切试验中上、下剪切盒在竖向压力作用下产生的摩擦力；本发明设计的竖向荷载传递系统可以保证在剪切过程中剪切盒盖板始终保持水平，进一步提高了试验精度。

基于上述理由本发明可在基坑工程等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置立体图。

图2为本发明具体实施方式中一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置俯视图。

图3为本发明具体实施方式中一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置左视图。

图4为本发明具体实施方式中一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置另一视角下的立体图。

图中：1、剪切盒；11、下剪切盒；12、上剪切盒；13、盖板；14、上接触块；15、侧接触板；16、透明柔性连接带；17、有机玻璃视窗；18、延伸挡板；2、支撑平台；3、位置调整装置；31、支撑板；32、调节螺栓；33、锁紧螺母Ⅰ；34、固定板；35、固定螺栓；36、锁紧螺母Ⅱ；4、竖向荷载压头；41、压头滑轨；5、水平荷载传递压头；6、交通荷载模拟装置；61、模型车轨道；62、变频式激震模型车；7、滑动机构；71、滑轨支撑板；72、滑轨；73、翼板；74、上剪切盒滑块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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发明的示例性实施方式。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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，所述剪切盒装置包括设置在水平布置的支撑平台2上的剪切盒1，所述剪切盒1包括下剪切盒11和位于所述下剪切盒上11，并与所述下剪切盒11接触连接的上剪切盒12，所述上剪切盒12与所述支撑平台2在水平方向上左右滑动连接，所述支撑平台2与所述下剪切盒11之间具有调节所述下剪切盒11位置的位置调整装置3；

所述剪切盒1的顶部盖板13上固定有上接触块14，所述上接触块14用于与为所述剪切盒装置提供竖直荷载的竖向荷载压头4接触；

所述上剪切盒12的左侧固定有侧接触板15，所述侧接触板15用于与为所述剪切盒装置提供水平剪切力的水平荷载传递压头5接触。

进一步地，所述盖板13的右侧安装有交通荷载模拟装置6，所述交通荷载模拟装置包括模型车轨道61，且所述模型车轨道61上具有与所述模型车轨道61相配合的变频式激震模型车62。

进一步地，所述模型车轨道61的延伸方向为前后延伸。

进一步地，所述上剪切盒12与所述下剪切盒11之间具有固定在所述上剪切盒12底部四周的透明柔性连接带16，当上剪切盒12和下剪切盒11之间处于非平行状态时，透明柔性连接带16能够实现上剪切盒12与下剪切盒11之间的非刚性接触，且能够密封整个剪切盒1，所述透明柔性连接带16可选取表面光滑且具有一定弹性的透明柔性材料制作，本实施例采用的材料为中空的透明橡胶。

进一步地，所述位置调整装置3包括调整机构和固定机构，所述调整机构包括分别固定在所述下剪切盒11左右两侧且水平设置的支撑板31，所述支撑板31的前后两端分别安装有调节螺栓32，所述调节螺栓32的尾部竖直穿过位于所述支撑板31上的锁紧螺母Ⅰ33和所述支撑板31后与所述支撑平台2相抵。

所述固定机构包括多个分别固定在所述支撑平台2上，且竖直设置在所述下剪切盒11四周的固定板34，所述固定板34上设有固定螺栓35，所述固定螺栓35的尾部水平穿过位于所述固定板34外侧的锁紧螺母Ⅱ36和所述固定板后34与所述下剪切盒11的外壁相抵。通过旋转调节螺栓32，实现下剪切盒11与支撑平台2之间的位置关系，可以实现下剪切盒11与上剪切盒12之间的相对位置发生调整。通过固定螺栓35的旋转实现固定螺栓35的尾部紧紧的抵住下剪切盒11，防止下剪切盒11发生位移。

进一步地，所述上剪切盒12通过滑动机构7与所述支撑平台2滑动连接，所述滑动机构7包括分别设置在所述下剪切盒11前后两侧且左右延伸的滑轨支撑板71，所述滑轨支撑板71上固定有滑轨72，所述上剪切盒12的前后两侧分别固定有水平设置的翼板73，且所述翼板73的底部固定有与所述滑轨72滑动连接的上剪切盒滑块74。

进一步地，所述上剪切盒12和所述下剪切盒11的前侧壁和/或后侧壁上设有有机玻璃视窗17，用于观察盒内情况。

进一步地，所述下剪切盒11的右端上部固定有水平设置的延伸挡板18，其用于挡住上剪切盒12中的土落下。

进一步地，所述竖向荷载压头4的底部固定有水平设置且左右延伸的压头滑轨41，且所述压头滑轨41与所述上接触块14滑动配合。当推动上剪切盒12滑动时，上接触块14能够与竖向荷载压头4实现水平位移。

进一步地，所述透明柔性连接带16与下剪切盒11之间涂有润滑油，压头滑轨41与所述上接触块12之间涂有润滑油，所述上剪切盒滑块74与所述滑轨72之间涂有润滑油，减小摩擦阻力。

一种采用上述技术方案的基坑墙土界面模拟剪切盒装置进行基坑墙土界面模拟试验的具体方法包括以下步骤：

1、制备基坑挡土墙模拟试件，可采用混凝土、钢材等模拟挡土墙，本实施例采用混凝土浇筑挡土墙模拟试件，本实施例采用的试件尺寸为：长＝200mm、宽＝200mm、高＝60mm，在试块浇筑过程中可通过控制混凝土中粗骨料粒径的大小使试件表面呈现不同的粗糙程度，从而模拟不同粗糙度的挡土墙；切取试验所需土样，本实施例采用的土样尺寸为：长＝200mm、宽＝200mm、高＝50mm；

2、将混凝土试件放入下剪切盒11内，将切取的土样放入上剪切盒12，在试验土样上表面依次放置滤纸和透水石，在透水石上放置盖板13；

3、施加竖向荷载，本实施例采用万能压缩试验机提供试验所需竖向荷载，将竖向荷载压头4与万能压缩试验机连接，对剪切盒装置施加竖向荷载；

4、调整变位模式，通过调节所述调节螺栓32使下剪切盒11达到所需的变位模式，从而模拟挡土墙平动、绕墙底转动、绕墙顶转动和组合转动等位移状态，本实施例采用千分表来测量变位的具体位移程度，待变位模式调节结束后通过固定螺栓35可变位调节下剪切盒11固定；

5、施加模拟交通荷载，通过交通荷载模拟装置为基坑墙土界面模拟试验提供模拟交通荷载，模拟交通荷载的变化通过调节变频式激震模型车62的激震频率控制，变频式激震模型车62可在模型车轨道61上进行往复运动以模拟不同位置的交通荷载，本实施例采用振动加速度传感器进行检测模拟交通荷载对剪切盒装置中材料的影响程度；

6、施加水平剪切力，本实施例采用水平剪切试验机提供试验所需水平剪切力，将水平荷载传递压头5与水平剪切试验机连接从而对剪切盒装置施加水平剪切力；在试验过程中，本实施例采用高速摄像机通过有机玻璃视窗9观察混凝土试件与试验土样界面处土体的变化情况；待水平剪切力数值趋于平稳时即代表混凝土试件与试验土样界面处发生完全剪切破坏，记录水平剪切力与水平剪切位移，试验结束；

7、通过本实施例可得到不同挡土墙位移状态及交通荷载影响下墙土界面处的抗剪强度、墙土界面摩擦角、墙土界面粘聚力等力学性能指标。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述剪切盒装置包括设置在水平布置的支撑平台上的剪切盒，所述剪切盒包括下剪切盒和位于所述下剪切盒上，并与所述下剪切盒接触连接的上剪切盒，所述上剪切盒与所述支撑平台在水平方向上左右滑动连接，所述支撑平台与所述下剪切盒之间具有调节所述下剪切盒位置的位置调整装置；

所述剪切盒的顶部盖板上固定有上接触块，所述上接触块用于与为所述剪切盒装置提供竖直荷载的竖向荷载压头接触；

所述上剪切盒的左侧固定有侧接触板，所述侧接触板用于与为所述剪切盒装置提供水平剪切力的水平荷载传递压头接触；

所述盖板的右侧安装有交通荷载模拟装置，所述交通荷载模拟装置包括模型车轨道，且所述模型车轨道上具有与所述模型车轨道相配合的变频式激震模型车。

2.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述模型车轨道的延伸方向为前后延伸。

3.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述上剪切盒与所述下剪切盒之间具有固定在所述上剪切盒底部四周的透明柔性连接带。

4.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述位置调整装置包括调整机构和固定机构，所述调整机构包括分别固定在所述下剪切盒左右两侧且水平设置的支撑板，所述支撑板的前后两端分别安装有调节螺栓，所述调节螺栓的尾部竖直穿过位于所述支撑板上的锁紧螺母Ⅰ和所述支撑板后与所述支撑平台相抵；

所述固定机构包括多个分别固定在所述支撑平台上，且竖直设置在所述下剪切盒四周的固定板，所述固定板上设有固定螺栓，所述固定螺栓的尾部水平穿过位于所述固定板外侧的锁紧螺母Ⅱ和所述固定板后与所述下剪切盒的外壁相抵。

5.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述上剪切盒通过滑动机构与所述支撑平台滑动连接，所述滑动机构包括分别设置在所述下剪切盒前后两侧且左右延伸的滑轨支撑板，所述滑轨支撑板上固定有滑轨，所述上剪切盒的前后两侧分别固定有水平设置的翼板，且所述翼板的底部固定有与所述滑轨滑动连接的上剪切盒滑块。

6.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述上剪切盒和下剪切盒的前侧壁和/或后侧壁上设有有机玻璃视窗。

7.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述下剪切盒的右端上部固定有水平设置的延伸挡板。

8.根据权利要求1所述的一种基坑墙土界面模拟剪切盒装置，其特征在于，所述竖向荷载压头的底部固定有水平设置且左右延伸的压头滑轨，且所述压头滑轨与所述上接触块滑动配合。

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