CN116296817A - 一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置及方法，包括：反力架，反力架顶部设置有荷载施加机构；模型箱，设在荷载施加机构下方，模型箱的底部箱壁具有新建路基区，且新建路基区与底部箱壁的其他部分分体设置，底部箱壁的新建路基区与升降件连接以模拟新建路基的沉降；外侧支挡结构和内侧支挡结构，用于设置在模型箱内部，外侧支挡结构用于设置在新建路基区的一侧以模拟新建支挡结构，内侧支挡结构用于设置在新建路基区另一侧以模拟原有支挡结构；监测组件：用于安装在外侧支挡结构和内侧支挡结构以测量外侧支挡结构和内侧支挡结构的设定参数信息，采用本发明的试验装置实现了支护路堤再利用的研究。

Description

一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置及方法
技术领域
本发明涉及道路试验设备技术领域，具体涉及一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
在众多旧路拓宽实践中，常面临非常规路基(如挡墙支护路堤)，相较非支护路堤，其评价和再利用过程中需充分考虑既有挡墙的影响和价值。既有挡墙的存在使得公路拓宽施工和路基沉降机制更加复杂。一方面挡土墙的存在会对施工作业空间产生影响，旧墙墙背土体往往出现难以压实的问题；另一方面既有挡墙的完全拆除会对旧路基的安全稳定产生影响，增加工程量和施工的不确定性。且实际工程中，挡墙路段在拓宽设计时一般会在外侧设置新墙。旧挡墙作为刚体结构，与周围路基填土存在刚度差异，大大减小了该区域路基荷载传递过渡区面积，因此在该区域容易出现新旧路基突变(差异)沉降，威胁改扩建工程品质和运营安全。
因此，研究既有挡墙的安全拆除高度、新旧路基差异具有重要的参考价值。
模型试验因具有直观性强、易操控、成本低、解决现场试验不可逆性等优势，已经在道路工程的研究中得到了广泛的应用。尽管目前道路工程研究中已经有试验装置可以实现道路工程沉降变形和应力变化的监测，例如专利CN114544347A公开了一种扶壁式挡土墙墙背土压力和位移模拟系统及测量方法，该专利仍存在以下问题：其主要研究的是扶壁式挡墙作为路基支挡结构的受力变形和影响，无法进行公路改扩建情况下对支护路堤(例如挡墙支护路堤)进行研究；也无法对旧挡墙安全拆除高度及新墙-土-旧墙相互作用的影响进行研究，公路改扩建过程中易产生不均匀沉降，目前的试验装置不能模拟其不均匀沉降。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，克服了现有道路工程中试验装置所存在的缺陷，实现了对公路改扩建过程中挡土墙支护路堤再利用的研究，而且能够模拟不均匀沉降。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，包括：
反力架，反力架顶部设置有荷载施加机构；
模型箱，设在荷载施加机构下方，模型箱的底部箱壁具有新建路基区，且新建路基区与底部箱壁的其他部分分体设置，底部箱壁的新建路基区与升降件连接以模拟新建路基的沉降；
外侧支挡结构和内侧支挡结构，用于设置在模型箱内部，外侧支挡结构用于设置在新建路基区的一侧以模拟新建支挡结构，内侧支挡结构用于设置在新建路基区另一侧以模拟原有支挡结构；
监测组件：用于安装在外侧支挡结构和内侧支挡结构以测量外侧支挡结构和内侧支挡结构的设定参数信息。
可选的，所述外侧支挡结构和内侧支挡结构均由多个支挡部沿竖向可拆卸连接构成。
可选的，所述反力架包括反力梁，反力梁底面设有荷载施加机构，反力梁的一端与第一立柱的顶端固定，另一端与第二立柱的顶端固定，第一立柱和第二立柱对反力梁进行支撑。
可选的，所述荷载施加机构包括伺服千斤顶，伺服千斤顶固定在反力架顶部，伺服千斤顶的伸缩部与锥形块的面积较小的端部连接，锥形块面积较大端部与承压板连接，承压板用于与模型箱内的土体接触。
可选的，所述伺服千斤顶的伸缩部与锥形块之间设有压力检测元件。
可选的，所述模型箱沿长度方向的侧部箱壁采用透明材料制成，相应的沿长度方向的侧部箱壁一侧设有图像采集元件。
可选的，图像采集元件的一侧设置有补光灯。
可选的，所述监测组件包括安装在外侧支挡结构外侧面的位移传感器以及安装在外侧支挡结构、内侧支挡结构内侧面的应变检测元件及土压力检测元件。
第二方面，本发明的实施例提供了一种第一方面所述的改扩建路基支挡结构力学模型试验装置的方法，包括以下步骤：
在模型箱内填筑底部土体；
在填筑好的底部土体上方放置安装有监测组件的外侧支挡结构和内侧支挡结构，其中外侧支挡结构位于新建路基区的一侧，内侧支挡结构位于新建路基区的另一侧；
在内侧支挡结构远离外侧支挡结构的一侧填筑土体以模拟原有路基，在内侧支挡结构和外侧支挡结构之间填筑土体以模拟新建路基；
载荷施加机构对填筑的土体施加荷载，获取监测组件采集的设定参数信息。
可选的，升降件带动模型箱中新建路基区对应的底部箱壁部分下降以模拟新建路基的沉降，沉降过程中获取监测组件采集的设定参数信息。
本发明的有益效果如下：
1.本发明的试验装置及方法，通过设置内侧支挡结构和外侧支挡结构，能够模拟路基改扩建工程中支挡结构的应用，通过监测组件实现外侧支挡结构和内侧支挡结构相关参数的采集，实现了路基改扩建工程中的支护路堤再利用的研究。
2.本发明的试验装置及方法，内侧支挡结构和外侧支挡结构沿竖向均由多个支挡部可拆卸连接构成，因此内侧支挡结构的高度能够调节，进而模拟不同高度的原有支挡结构，进而实现对新建支挡结构、土体和不同高度原有支挡结构之间相互作用情况的研究。
3.本发明的试验装置及方法，模型箱的底部箱壁具有新建路基区，新建路基区对应的底部箱壁部分与升降件连接，能够模拟新建路基的沉降，进而实现了改扩建路基新建部分不均匀沉降情况下对支挡结构的研究。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例1整体结构示意图；
图2是本发明实施例1外侧挡土墙主视图；
图3是本发明实施例1外侧挡土墙侧视图；
图4是本发明实施例1应变片分布示意图；
其中，1.反力梁，2.立柱，3.模型箱，4.伺服千斤顶，5.压力传感器，6.锥形块，7.承压板，8.外侧挡土墙，9.内侧挡土墙，10.土压力盒，11.千斤顶，12.土体，13.LVDT位移传感器，14.固定螺栓，15.应变片。
具体实施方式
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
本实施例提供了一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，如图1所示，包括反力架、模型箱、第一支挡结构、第二支挡结构及相应的监测组件。
所述反力架包括反力梁1，反力梁1的两端利用立柱2进行支撑，反力梁1的一端与第一立柱的顶端固定，反力梁1的另一端与第二立柱的顶端固定，第一立柱和第二立柱对反力梁1进行支撑，第一立柱和第二立柱的底端用于固定在地面基础上。
所述反力梁1的底面设置有荷载施加机构，用于对模型箱内的土体施加压力荷载。
所述荷载施加机构包括伺服千斤顶4，伺服千斤顶4通过螺栓固定在反力梁的底面，伺服千斤顶4与控制系统连接，由控制系统控制其工作，伺服千斤顶4的伸缩部端部与锥形块6连接，锥形块6面积较小的端部与伺服千斤顶4的伸缩部连接，锥形块6面积较大的端部与承压板7连接，承压板7面积与模型箱3内用于填筑的土体的面积相匹配，伺服千斤顶4通过承压板7向土体施加压力荷载，保证了压力的均匀性。
所述伺服千斤顶4的伸缩部与锥形块6之间设有压力检测元件，压力检测元件采用压力传感器5，用于检测伺服千斤顶4对土体施加的压力荷载大小，使得伺服千斤顶4对土体施加的压力满足实验要求，所述压力传感器5与控制系统连接，能够将采集的压力数据传递给控制系统。
所述模型箱3采用顶部敞口设置的长方体结构，用于填筑土体。
本实施例中，所述模型箱3包括框架，所述框架由多个钢梁焊接构成，形成的长方体框架结构，框架的钢梁之间固定有模型箱的箱壁。
其中，沿长度方向的模型箱3的箱壁采用透明材料制成，优选的采用透明玻璃制成，便于观察第一支挡结构、第二支挡结构的变形情况和模型箱内土体的位移情况。透明玻璃与框架粘结固定。
沿宽度方向的模型箱3的箱壁和底部的模型箱箱壁采用钢板制成，钢板与框架焊接固定。
所述模型箱3的底部箱壁设置有新建路基区，用于承载模拟新建路基的土体，新建路基区对应的底部箱壁部分与底部箱壁的其他部分分体式设置，且新建路基区对应的底部箱壁部分与其下方的升降件连接，升降件能够带动新建路基区对应的底部箱壁部分做升降运动以模拟新建路基的沉降。
本实施例中，所述升降件采用千斤顶11，千斤顶11的固定部分固定在地面基础上，千斤顶11的伸缩部分与新建路基区对应的底部箱壁部分固定。
所述第一支挡结构采用外侧挡土墙8，第二支挡结构采用内侧挡土墙9，外侧挡土墙和内侧挡土墙均为重力式挡土墙，其竖向截面为直角梯形，本实施例中，定义内侧挡土墙9和外侧挡土墙8的竖直墙面为外侧面，与竖直方向呈设定锐角的墙面为内侧面。
在其他一些实施例中，外侧挡土墙8和内侧挡土墙9可采用扶壁式挡土墙或悬臂式挡土墙。
外侧挡土墙8和内侧挡土墙9均采用有机玻璃制成，外侧挡土墙8用于模拟新建路基的挡墙，内侧挡土墙9用于模拟原有路基的挡墙。
所述外侧挡土墙8和内侧挡土墙9结构相同，沿竖向均由多个支挡部可拆卸连接构成。
本实施例中，以外侧挡土墙为例进行说明：
如图2-图3所示，外侧挡土墙8由三个支挡部构成，分别为下支挡部、中支挡部和上支挡部，其中下支挡部高度为整个外侧挡土墙高度的二分之一。
下支挡部的顶面开始有多个第一螺纹孔，中支挡部开设有多个与第一螺纹孔相匹配的第二螺纹孔，第二螺纹孔底端延伸至中支挡部的底面，第二螺纹孔的顶端与沉孔同轴连通，沉孔延伸至中支挡部的顶面且沉孔的深度与固定螺栓14的头部的厚度相同，固定螺栓14通过第二螺纹孔和第一螺纹孔分别与下支挡部、中支挡部螺纹固定，固定螺栓的头部位于沉孔中，实现了下支挡部与中支挡部的可拆卸固定连接。
相应的，所述上支挡部开设有多个与第二螺纹孔相匹配的第三螺纹孔，第三螺纹孔底端延伸至上支挡部的底面，顶端与沉孔同轴连通，沉孔延伸至上支挡部的顶面，沉孔深度与固定螺栓14的头部厚度相同，固定螺栓14依次穿过第三螺纹孔、第二螺纹孔并伸入第一螺纹孔中，实现了将下支挡部、中支挡部和上支挡部可拆卸固定连接。
内侧挡土墙9的结构与外侧挡土墙8的结构相同，在此不进行重复叙述。
由于两个挡土墙的高度均能够调节，因此，能够模拟不同高度的原有挡土墙，进而实现对新建挡土墙、土体和不同高度原有挡土墙之间相互作用情况的研究。
所述监测组件包括位移传感器、应变检测元件和土压力检测元件。
位移传感器设置多个，用于固定在外侧挡土墙的外侧面以用于检测外侧挡土墙的位移，本实施例中，所述位移传感器采用LVDT位移传感器13。LVDT位移传感器13通过采集仪与控制系统连接，能够将采集的位移信息传递给控制系统。
如图4所示，所述应变检测元件设置多个，用于检测外侧挡土墙和内侧挡土墙的应变，所述应变检测元件采用应变片15，应变片粘贴固定在外侧挡土墙8和内侧挡土墙9的内侧面上。
外侧挡土墙8和内侧挡土墙9均设置两组应变片15，同一组的多个应变片15沿挡土墙的竖向分布，应变片距离挡土墙中心线的距离为10cm，应变片通过采集仪与控制系统里连接，能够将采集的外侧挡土墙8和内侧挡土墙9的应变信息传递给控制系统。
本实施例中，应变片为易损坏部件，如果同一高度处的两个应变片均可用，则取其平均值，能够减小环境误差，保证测量的准确性；若同一个高度处的其中一个应变片不可用，则以另一个应变片的测量读数为准。
所述土压力检测元件设置多个，土压力检测元件采用土压力盒10，内侧挡土墙9和外侧挡土墙8的内侧面上设置有多个凹槽，凹槽内安装有土压力盒10，土压力盒10安装在凹槽内后利用结构胶填充土压力盒与凹槽之间的缝隙。
土压力盒10通过采集仪与控制系统连接，能够将采集的土压力信息传递给控制系统。
本实施例的试验装置还包括图像采集元件和补光灯，图像采集元件采用数码相机，数码相机和补光灯设置在模型箱中透明玻璃的一侧，数码相机像素不小于2000万，利用数码相机，通过粒子图像测速法处理加载过程中的照片，获得整个观测窗范围内路基土的位移和应变等数据。
实施例2
本实施例提供了一种实施例1所述的改扩建路基支挡结构力学模型试验装置的方法，包括以下步骤：
步骤1：安装模型箱3，在外侧挡土墙8和内侧挡土墙9的凹槽位置安装土压力盒10，并利用结构胶填充缝隙，在外侧挡土墙8和内侧挡土墙9的设定位置粘贴应变片15，在外侧挡土墙的外侧面安装LVDT位移传感器13。
步骤2：箱模型箱内填筑土体12，形成底部土体，并压实；
步骤3：在填筑好的底部土体上放置外侧挡土墙8和内侧挡土墙9，在内侧挡土墙9内侧面一侧填筑土体12至设计高度并压实，用于模拟原有路基，在内侧挡土墙9和外侧挡土墙8之间填筑土体12至设计高度并压实，用于模拟新建路基。
步骤4：安装数码相机和补光灯，并调整数码相机和补光灯的位置，调节数码相机的焦距，调节补光灯的补光强度，将土压力盒、应变片和LVDT位移传感器与采集仪连接，采集仪连接至控制系统。
步骤5：启动伺服千斤顶4，伺服千斤顶4通过承压板7对模型箱3内填筑的土体12施加荷载，在此期间记录位移传感器、土压力盒10和应变片采集的数据，以监测两个挡土墙的位移和内部应力变化数据。
当模拟新建路基的不均匀沉降，则利用千斤顶11带动模型箱3底部箱壁中新建路基区对应的部分下降，使其达到设计或需求沉降量，在此期间，监测两个挡土墙的位移和内部应力数据变化。
上述对土体的加载过程中，利用数码相机采集模型箱3内土体12的图像，采用P IV软件处理采集照片，获取加载过程中路基土的位移和应变变化。
使用本实施例的试验装置，能够模拟路基改扩建工程中挡土墙的应用，通过监测组件实现外侧挡土墙和内侧挡土墙相关参数的采集，实现了路基改扩建工程中的支护路堤再利用的研究。
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)

1.一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，包括：
反力架，反力架顶部设置有荷载施加机构；
模型箱，设在荷载施加机构下方，模型箱的底部箱壁具有新建路基区，且新建路基区与底部箱壁的其他部分分体设置，底部箱壁的新建路基区与升降件连接以模拟新建路基的沉降；
外侧支挡结构和内侧支挡结构，用于设置在模型箱内部，外侧支挡结构用于设置在新建路基区的一侧以模拟新建支挡结构，内侧支挡结构用于设置在新建路基区另一侧以模拟原有支挡结构；
监测组件：用于安装在外侧支挡结构和内侧支挡结构以测量外侧支挡结构和内侧支挡结构的设定参数信息。
2.如权利要求1所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，所述外侧支挡结构和内侧支挡结构均由多个支挡部沿竖向可拆卸连接构成。
3.如权利要求1所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，所述反力架包括反力梁，反力梁底面设有荷载施加机构，反力梁的一端与第一立柱的顶端固定，另一端与第二立柱的顶端固定，第一立柱和第二立柱对反力梁进行支撑。
4.如权利要求1所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，所述荷载施加机构包括伺服千斤顶，伺服千斤顶固定在反力架顶部，伺服千斤顶的伸缩部与锥形块的面积较小的端部连接，锥形块面积较大端部与承压板连接，承压板用于与模型箱内的土体接触。
5.如权利要求4所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，所述伺服千斤顶的伸缩部与锥形块之间设有压力检测元件。
6.如权利要求1所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，所述模型箱沿长度方向的侧部箱壁采用透明材料制成，相应的沿长度方向的侧部箱壁一侧设有图像采集元件。
7.如权利要求6所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，图像采集元件的一侧设置有补光灯。
8.如权利要求1所述的一种改扩建路基支挡结构力学模型试验装置，其特征在于，所述监测组件包括安装在外侧支挡结构外侧面的位移传感器以及安装在外侧支挡结构、内侧支挡结构内侧面的应变检测元件及土压力检测元件。
9.一种权利要求1-8任一项所述的改扩建路基支挡结构力学模型试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在模型箱内填筑底部土体；
在填筑好的底部土体上方放置安装有监测组件的外侧支挡结构和内侧支挡结构，其中外侧支挡结构位于新建路基区的一侧，内侧支挡结构位于新建路基区的另一侧；
在内侧支挡结构远离外侧支挡结构的一侧填筑土体以模拟原有路基，在内侧支挡结构和外侧支挡结构之间填筑土体以模拟新建路基；
载荷施加机构对填筑的土体施加荷载，获取监测组件采集的设定参数信息。
10.如权利要求9所述的改扩建路基支挡结构力学模型试验装置的方法，其特征在于，升降件带动模型箱中新建路基区对应的底部箱壁部分下降以模拟新建路基的沉降，沉降过程中获取监测组件采集的设定参数信息。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114544347A (zh) * 2022-02-24 2022-05-27 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 一种扶壁式挡土墙墙背土压力和位移模拟系统及测量方法

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