CN207109887U - 变刚度预应力锚拉式挡土墙土拱效应试验模型装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种变刚度预应力锚拉式挡土墙土拱效应试验模型装置，该试验装置可通过改变锚拉装置的布设形式，可使用单锚定板，多锚定板，锚索，来模拟锚定板式挡土墙、压力分散型式挡土墙、悬锚式挡土墙，避免了试验的单一性结果，更加具有说服力。设计了4种挡墙的刚度。具体为：第一种结构为常用的等截面设计，第二种为在第一种结构设计的基础上增加肋柱，第三种为在第二种结构设计的基础上减薄锚间墙的截面尺寸，第四种结构尺寸同第三种，链接方式变成铰接。

Description

变刚度预应力锚拉式挡土墙土拱效应试验模型装置

技术领域

本实用新型属于道路工程领域，具体涉及一种变刚度下预应力锚拉式挡土墙土拱效应试验模型装置，包括三种形式：悬锚式、压力分散型以及锚定板式。

背景技术

近些年，为了响应国家对提高节约用地水平的号召，各地提出了许多诸如低路堤、新型挡土墙、沿线废弃旧材料等各种技术。其中，挡土墙技术由于设置灵活、施工便捷，节约土地效果显著，近年来形成了种类繁多、各具特色的挡墙技术群，如压力分散型、互锚式、砂浆锚杆式等锚拉式挡土结构型式，并在实际工程中取得了良好的工程效果。然而在对这些挡墙结构进行现场试验以及模型试验的过程中发现，挡板上的土压力分布并不符合经典土压力理论，而是发生了显著的重分布现象。通过类比相关文献发现，该现象的发生是由于这些锚拉式挡墙，在锚固点处受侧向约束的作用，在侧向土压力下发生了不均匀变形，墙后形成了明显的土拱效应，进而改变了土压力的分布。土压力的这种空间分布特征及动态演化现象的存在，会给结构设计带来如下问题:(1)按照挡墙传统设计方法，易出现锚固截面配筋量不足，锚间墙与墙身根部配筋量又过大的现象，造成挡墙结构设计既不安全又不经济；(2)按照山东大学张宏博教授提出的分段式土压力计算方法，虽可保证结构安全性，但由于未考虑土拱的荷载分担作用，锚间墙设计过于保守，不经济；(3)以上两种方法均未考虑土压力的动态演化，不能合理确定挡墙最不利受荷状态，造成挡墙结构设计仍存在一定的安全隐患。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术的不足，为更好的推广应用锚拉式挡墙型式，有必要对其受力特征、变形特性及土压力分布规律进行深入研究，揭示墙-土相互作用机制，剖析三维土拱效应发生机理及动态演变规律，构建土压力空间分布模型，优化挡墙设计方法，形成压力分散型挡土墙理论体系；本实用新型提供了一种适用于不同刚度与位移模式下预应力锚拉式挡墙三维土拱效应模型试验装置；该装置可用于模拟基本的锚拉式挡土墙结构，如锚定板式挡土墙、压力分散型式挡土墙、悬锚式挡土墙。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种变刚度下预应力悬锚式挡土墙土拱效应试验模型装置；包括一个框架，在所述的框架内填充有填料；所述的框架的顶部设有反力架，所述的反力架的底部设有千斤顶，所述的千斤顶施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板II，所述的加载板II对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙，所述的挡墙通过一个水平的锚杆连接预埋在填料中的一个锚定板；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

一种变刚度下预应力压力分散型挡墙土拱效应试验模型装置，包括一个框架，在所述的框架内填充有填料；所述的框架的顶部设有反力架，所述的反力架的底部设有千斤顶，所述的千斤顶施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板II，所述的加载板II对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙，所述的挡墙通过一个水平的锚杆直接连接到框架的侧壁上；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

一种变刚度下预应力锚定板式挡墙模型试验装置，包括一个框架，在所述的框架内填充有填料；所述的框架的顶部设有反力架，所述的反力架的底部设有千斤顶，所述的千斤顶施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板II，所述的加载板II对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙，所述的挡墙通过一个水平的锚杆直接连接多个锚定板；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

进一步的，所述的框架的四个侧壁包括3面钢架及1块有机玻璃板组装而成，其中有一侧钢架预留空洞方便进人试验操作；框架的底部为钢制底座。

进一步的，所述的框架的其中一个侧壁上预留0.5m的孔洞，其他部分与相邻两侧侧壁刚接。

进一步的，所述的有机玻璃板，布置在前面一侧与左侧和右侧钢架刚接。

进一步的，所述的锚索通过锚固螺栓与锚定板连接，外部通过锚具固定。

进一步的，所述的压力传感器通过垫块置放于反力架和千斤顶之间。

进一步的，每个锚固体系上根据挡墙类型确定锚定板个数。

进一步的，所述反力架由工字钢拼装焊接组成，整体呈倒U型，且两端部通过螺栓与反力架固定装置连接。

进一步的，所述挡墙包括墙身和墙底板；具体的形式包括四种：

第一种结构为墙身等截面设计，墙身与墙底板之间焊接；

第二种为在墙身增加肋柱，墙身与墙底板之间焊接；

第三种为减薄墙身的截面尺寸，墙身与墙底板之间焊接；

第四种结构尺寸同第三种，墙身与墙底板之间焊接变成铰接。

所述挡墙由墙身和墙底板、墙肋组成，其中墙身和墙底板位置处连接方式为刚性连接与铰接两种方式，墙底板采用两个挡板模拟，其绝对刚性且上下可移动、宽度可调，用于模拟锚固截面；挡墙墙身采用一个挡板模拟，其刚度、宽度、上下位置均可调，用于模拟锚间墙。

进一步的，土压力计安装在墙身是用来测量墙身收到的土压力的大小；百分表安装在墙身是用来测量墙身的水平位移的大小；应变片粘贴在墙身是用来检测墙身受力后的变形。

本实用新型的具体的试验操作，包括以几个步骤：

1)在模型槽内的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、百分表和应变片，石英砂按设定压实度分多层填筑至模型槽内；

2)当填筑土体高度大于最低处的锚固系统的高度时，反开挖预埋锚索和锚定板，通过螺栓连接锚索、锚定板和挡墙；其他高度的锚固系统也用相同的方法处理；

3)整个模型槽填筑满石英砂时，夯实整平顶面，在顶面依次布设大加载板、应力扩散支架、小加载板、千斤顶、压力传感器、反力架；

4)选用一种挡墙结构形式，选用一种加载方式，监测土压力变化情况、石英砂颗粒位移情况和挡墙位移情况。

5)设计4种不同挡墙结构形式以模拟挡墙刚度的变化，加载方式包括无预应力状态下的竖向加载、有(含低、中、高)预应力状态下的竖向加载、预应力与竖向荷载的比例加载等三种方式，用于模拟不同应力路径对土压力重分布的影响；

6)改变挡墙结构形式和加载方式重复步骤1-5，完成实验操作；

本实用新型有益效果为：

1)本实用新型提出了一种探究“三维土拱效应”的新型装置结构及其使用方法，克服了现有“三维土拱效应”室内试验探究的不足。

2)该试验装置可通过改变锚拉装置的布设形式，如图，可使用单锚定板，多锚定板，锚索，来模拟锚定板式挡土墙、压力分散型式挡土墙、悬锚式挡土墙，避免了试验的单一性结果，更加具有说服力。

3)本实用新型模型的一侧使用有机玻璃板，填料采用透明石英砂，有机玻璃板一侧使用高速摄像机监测。

4)本实用新型模型通过组合挡板与肋柱的方式巧妙的设计了4种挡墙的刚度。具体为：第一种结构为常用的等截面设计，第二种为在第一种结构设计的基础上增加肋柱，第三种为在第二种结构设计的基础上减薄锚间墙的截面尺寸，第四种结构尺寸同第三种，链接方式变成铰接。

5)本实用新型模型的加载方式是通过在模型箱上部架设反力梁的方式施加上部荷载，加载方式包括无预应力状态下的竖向加载、有(含低、中、高)预应力状态下的竖向加载、预应力与竖向荷载的比例加载等三种方式。如图所示，挡板上布设有土压力计及应变片，以便随时监测在上部荷载的作用下土压力的变化，配合高速摄像机拍摄出的透明石英砂的位移来揭示三维土拱效应的发生机理及存在模式。

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为本实用新型的预应力悬锚式挡土墙模型试验装置正视图；

图2为本实用新型的预应力压力分散型挡墙模型试验装置正视图；

图3为本实用新型的预应力锚定板式挡墙模型试验装置正视图；

图4为本实用新型的预应力锚拉式挡土墙模型试验装置侧视图；

图5为本实用新型的挡墙截面刚度变化与连接方式(前3种为刚接，第四种为铰接)；

图6为本实用新型的挡墙土压力及应变监测布置图；

图中：1压力传感器，2反力架，3加载板，4锚定板，5锚杆，6挡墙，7锚具，8应力扩散支架，9锚头，10挡墙墙肋，11千斤顶，12框架，13钢板。

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，现有技术中存在土压力的空间分布特征及动态演化现象的存在，会给结构设计带来如下问题:(1)按照挡墙传统设计方法，易出现锚固截面配筋量不足，锚间墙与墙身根部配筋量又过大的现象，造成挡墙结构设计既不安全又不经济；(2)按照山东大学张宏博教授提出的分段式土压力计算方法，虽可保证结构安全性，但由于未考虑土拱的荷载分担作用，锚间墙设计过于保守，不经济；(3)以上两种方法均未考虑土压力的动态演化，不能合理确定挡墙最不利受荷状态，造成挡墙结构设计仍存在一定的安全隐患，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用于不同刚度与位移模式下预应力锚拉式挡墙三维土拱效应模型试验装置。

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行进一步的说明：

如图1所示，变刚度下预应力锚拉式挡土墙试验模型装置，包括压力传感器1，反力架2，加载板3，锚定板4，锚杆5挡墙6，锚具7，应力扩散支架8，锚头9，挡墙墙肋10，千斤顶11，框架12和钢板13；

加载板3采用钢架板，不需要螺栓加固，直接安置在指定位置，应力扩散支架8用螺栓将其固定在上下两个加载板3中间，通过加载板3和应力扩散支架8来实现在土体上施加均布荷载的效果；

在所述的框架内设置有挡墙，挡墙通过一个水平的锚杆连接预埋在填料中的一个锚定板；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

如图2所示，变刚度下预应力锚定板式挡墙模型试验装置，包括一个框架12，在所述的框架12内填充有填料；所述的框架12的顶部设有反力架2，所述的反力架2的底部设有千斤顶11，所述的千斤顶11施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板3，所述的加载板3对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙6，所述的挡墙6通过一个水平的锚杆直接连接到框架12的侧壁上；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

如图3所示，变刚度下预应力锚定板式挡墙模型试验装置，包括一个框架12，在所述的框架12内填充有填料；所述的框架12的顶部设有反力架2，所述的反力架2的底部设有千斤顶11，所述的千斤顶11施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板3，所述的加载板3对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙6，所述的挡墙6通过一个水平的锚杆直接连接多个锚定板4；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。每个锚固体系上根据挡墙类型确定锚定板4个数。

如图5所示，通过改变墙身和墙肋的截面来实现挡墙刚度的变化，对比分析不同刚度下挡墙的受力特性、变形特性。

如图6所示，监测设备包括应力计14，应变片15，应力计14用AB胶固定在挡墙墙身上，用来监测挡墙的受力特性，应变片贴在墙身上，用来监测挡墙的变形特性。

如图5所示，所述挡墙包括墙身和墙底板；具体的形式包括四种：

第一种结构为墙身等截面设计，墙身与墙底板之间焊接；

第二种为在墙身增加肋柱，墙身与墙底板之间焊接；

第三种为减薄墙身的截面尺寸，墙身与墙底板之间焊接；

第四种结构尺寸同第三种，墙身与墙底板之间焊接变成铰接。

挡墙墙身和墙底板位置处连接方式为刚性连接与铰接两种方式：墙底板采用两个挡板模拟，其绝对刚性且上下可移动、宽度可调，用于模拟锚固截面；挡墙墙身采用一个挡板模拟，其刚度、宽度、上下位置均可调，用于模拟锚间墙。

上述图1、2、3中，框架侧壁由3面钢架(其中有一侧钢架预留空洞方便进人试验操作)及1块有机玻璃板组装而成，底部为钢制底座；

所述的装置侧壁3面钢架，左侧和后面是完整钢板刚接，右侧钢架预留0.5m的孔洞，其他部分与相邻两侧侧壁刚接。

有机玻璃板，布置在前面一侧与左侧和右侧钢架刚接。

锚索通过锚固螺栓与锚定板连接，外部通过锚具固定。

压力传感器通过垫块置放于反力架和千斤顶之间。

本实用新型的变刚度下预应力锚拉式挡土墙试验模型装置施工方法，具体包括以下几个步骤：

1.按照设定含水率拌和透明石英砂，静置1天；

2.实验人员从预留孔洞进入，安装挡墙，在挡墙墙身以设定间隔埋置土压力计，将土压力计的线都连接到土压力箱上，土压力箱和电脑连接，然后将高速摄像机安放在模型槽透明玻璃一侧，安置完毕后即打开以及时记录土体颗粒位移变化；

3.将石英砂分三次填筑模型槽，每次填筑都用夯击设备夯到设定压实度，在第二次填筑完毕后，先反开挖把锚定板和锚索埋置在预留位置上，用螺栓固定锚定板、锚索和挡墙，然后填土夯实，进行第三次填筑，填满时夯实整平；

4.在整平的石英砂面上先放置一块覆盖整个土体顶面的加载板，然后在加载板上固定应力扩散支架，之后在应力扩散支架上放置一块覆盖其的加载板，找两个相同量程的千斤顶对称地放置在加载板上，在千斤顶上放置垫块，以保证压力传感器能够一直在千斤顶中心，然后在压力传感器上也放置垫块用于连接反力架，也是为了保证加载过程中能够不偏心受力。安装完毕后就可以通过对锚索张拉实现预应力的加载，通过千斤顶实现竖向加载。其中加载板采用钢制板，反力架是倒U型的工字钢拼装焊接钢架；

5.改变挡墙截面类型、改变加载方式来实现多种工况的试验，重复1-4的步骤；

6.整理和分析数据。

如图1所示的悬锚式挡土墙实施例：

将透明石英砂拌和均匀放置在密封桶里，静置1天后，将桶中配置为最佳含水率18.1％土体，人工完成挡墙墙身和墙肋的组装，用强力胶粘贴应力计和应变片并通过数据线连接到电脑上，打开高速摄像机和电脑，分别用于观测土颗粒的位移变化情况和墙身土压力变化情况，之后开始填筑，为保证填筑质量，采用分层填筑的方式，采用电动夯机进行夯实，为了防止夯击中对埋设仪器的扰动，在靠近挡墙20cm范围内采用人工夯实，先进行第一层的填筑，填筑高度为30cm，用夯机来回夯2遍，夯完进行第二层的填筑，填筑30cm后反开挖20cm，用以埋置锚定板、锚杆，埋置好后整平夯实，最后直接填筑满模型槽，用夯机夯实整平，放上加载板、应力扩散支架、千斤顶、应力传感器和反力架设备。实验人员分工合作，一人来加载竖向应力，一人来加载锚杆预应力，一人来读取相关数据并记录，最后根据不同工况对数据进行整理分析。

如图2所示的压力分散型挡土墙实施例

将透明石英砂拌和均匀放置在密封桶里，静置1天后，将桶中配置为最佳含水率18.1％土体，人工完成挡墙墙身和墙肋的组装，用强力胶粘贴应力计和应变片并通过数据线连接到电脑上，打开高速摄像机和电脑，分别用于观测土颗粒的位移变化情况和墙身土压力变化情况，之后开始填筑，为保证填筑质量，采用分层填筑的方式，采用电动夯机进行夯实，为了防止夯击中对埋设仪器的扰动，在靠近挡墙20cm范围内采用人工夯实，先进行第一层的填筑，填筑高度为30cm，用夯机来回夯2遍，夯完进行第二层的填筑，填筑30cm后反开挖20cm，用以埋置锚杆，埋置好后，用螺丝将锚杆固定于两侧的墙身，之后整平夯实，最后直接填筑满模型槽，用夯机夯实整平，放上加载板、应力扩散支架、千斤顶、应力传感器和反力架设备。实验人员分工合作，一人来加载竖向应力，一人来加载锚杆预应力，一人来读取相关数据并记录，最后根据不同工况对数据进行整理分析。

如图3所示的锚定板式挡土墙实施例

将透明石英砂拌和均匀放置在密封桶里，静置1天后，将桶中配置为最佳含水率18.1％土体，人工完成挡墙墙身和墙肋的组装，用强力胶粘贴应力计和应变片并通过数据线连接到电脑上，打开高速摄像机和电脑，分别用于观测土颗粒的位移变化情况和墙身土压力变化情况，之后开始填筑，为保证填筑质量，采用分层填筑的方式，采用电动夯机进行夯实，为了防止夯击中对埋设仪器的扰动，在靠近挡墙20cm范围内采用人工夯实，先进行第一层的填筑，填筑高度为30cm，用夯机来回夯2遍，夯完进行第二层的填筑，填筑30cm后反开挖20cm，在预留位置均匀布置锚定板，锚定板个数可以根据要求确定，锚定板固定在锚杆上，锚杆通过螺栓固定在两侧墙身，安放好锚杆和锚定板后回填砂土，整平夯实第二层填土，最后直接填筑满模型槽，用夯机夯实整平，放上加载板、应力扩散支架、千斤顶、应力传感器和反力架设备。实验人员分工合作，一人来加载竖向应力，一人来加载锚杆预应力，一人来读取相关数据并记录，最后根据不同工况对数据进行整理分析。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种变刚度预应力悬锚式挡土墙模型试验装置；其特征在于，包括一个框架，在所述的框架内填充有填料；所述的框架的顶部设有反力架，所述的反力架的底部设有千斤顶，所述的千斤顶施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板，所述的加载板对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙，所述的挡墙通过一个水平的锚杆连接预埋在填料中的一个锚定板；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

2.一种变刚度预应力压力分散型挡墙模型试验装置，其特征在于，包括一个框架，在所述的框架内填充有填料；所述的框架的顶部设有反力架，所述的反力架的底部设有千斤顶，所述的千斤顶施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板II，所述的加载板II对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙，所述的挡墙通过一个水平的锚杆直接连接到框架的侧壁上；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

3.一种变刚度预应力锚定板式挡墙模型试验装置，其特征在于，包括一个框架，在所述的框架内填充有填料；所述的框架的顶部设有反力架，所述的反力架的底部设有千斤顶，所述的千斤顶施加的竖向力通过一个应力扩散支架均布到加载板II，所述的加载板II对框架内的填料实施力；在所述的框架内设置有挡墙，所述的挡墙通过一个水平的锚杆直接连接多个锚定板；在框架外设有高速摄像机拍摄加载过程中填料的位移情况；在所述的挡墙墙面以设定间隔埋置土压力计、应变片、百分表；在千斤顶与反力架之间设置压力传感器。

4.如权利要求1-3任一所述的挡墙模型试验装置，其特征在于，所述的框架的四个侧壁包括3面钢架及1块有机玻璃板组装而成，其中有一侧钢架预留空洞方便进人试验操作；框架的底部为钢制底座。

5.如权利要求4任一所述的挡墙模型试验装置，其特征在于，所述的有机玻璃板，布置在前面一侧与左侧和右侧钢架刚接。

6.如权利要求1-3任一所述的挡墙模型试验装置，其特征在于，所述挡墙包括墙身和墙底板；具体的形式包括四种：

第一种结构为墙身等截面设计，墙身与墙底板之间焊接；

第二种为在墙身增加肋柱，墙身与墙底板之间焊接；

第三种为减薄墙身的截面尺寸，墙身与墙底板之间焊接；

第四种结构尺寸同第三种，墙身与墙底板之间焊接变成铰接。

7.如权利要求3所述的挡墙模型试验装置，其特征在于，每个锚固体系上根据挡墙类型确定锚定板个数。

8.如权利要求1-3任一所述的挡墙模型试验装置，其特征在于，所述反力架由工字钢拼装焊接组成，整体呈倒U型，且两端部通过螺栓与反力架固定装置连接。

9.如权利要求1-3任一所述的挡墙模型试验装置，其特征在于，土压力计安装在墙身是用来测量墙身收到的土压力的大小；百分表安装在墙身是用来测量墙身的水平位移的大小；应变片粘贴在墙身是用来检测墙身受力后的变形。