申请/专利权人：山东大学

申请日：2017-12-06

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN107748135B

主分类号：G01N19/00

分类号：G01N19/00;G01N33/24

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2018.03.27#实质审查的生效;2018.03.02#公开

摘要：本发明公开了一种多位移模式下土拱效应探究装置及试验方法，它解决了现有技术中土工效应探究试验装置单一、不能同时检测多种模式下的土拱效应的问题，具有能够实现平动、转动、主动及被动位移模式下的土工效应检测、操作简便、易于安装的效果；其技术方案为：包括容纳砂土的模型箱，所述模型箱上安装有多个可平动或转动的位移加载装置，通过改变位移加载装置的位移量实现多种模式的切换；在模型箱和位移加载装置的内侧设置若干土压力计，土压力计检测到的砂土不均匀位移信息由监测系统监测并记录。

主权项：1.一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，包括容纳砂土的模型箱，所述模型箱上安装有多个可平动或转动的位移加载装置，通过改变位移加载装置的位移量实现多种模式的切换；在模型箱和位移加载装置的内侧设置若干土压力计，土压力计检测到的砂土不均匀位移信息由监测系统监测并记录；所述位移加载装置包括多个设于模型箱侧面或底部开口槽中的挡板和控制挡板运动的驱动装置，挡板的两端分别连接驱动装置，所述驱动装置包括套筒和丝杠，套筒的一端与挡板铰接，另一端与丝杠螺纹连接；多个同步移动的挡板形成活动门结构，挡板的一端通过铰接的方式与套筒的一端连接在一起，铰接得目的是使挡板能够完成绕端部转动的位移模式；所述挡板的外侧靠近其两端位置处设置用于监测挡板两端位移量的电子百分表；所述土压力计以设定间距均匀粘贴在挡板及模型箱的内侧，采用动态信号采集分析系统进行数据收集。

全文数据：一种多位移模式下土拱效应探究装置及试验方法技术领域[0001]本发明涉及土拱效应研究领域，尤其涉及一种多位移模式下土拱效应探究装置及试验方法。背景技术[0002]“土拱效应”是土体产生不均匀变形，使得土体中应力发生迀移，把应力由屈服部分的土体转移到相邻的未屈服的土体或周围稳定的介质中的一种现象，广泛存在于大量实际工程中，如:挡土墙从静止状态向极限主动土压力状态移动时，墙后土楔形体沿着墙体和土体滑裂面幵始滑移，土体颗粒由于不均勾沉降而产生压紧，造成挡土墙后土拱效应;粧承式路堤、抗滑粧、板粧墙由于粧与粧间土的沉降差，粧间的土体会形成类似隧洞顶和桥梁拱圈的作用机理，改变了土体中原有的应力状态，引起了应力重分布，把作用于土拱上的压力传递到周围稳定土层中。鉴于此，充分研究“土拱效应”的作用机理、充分利用其应力重分布的特点成为了主要的研究方向。[0003]现有试验研究均表明，无论是挡土墙填料是砂性土，还是點性土，挡土墙土压力分布均呈现非线性分布，即墙后产生了土拱效应，且受位移模式，位移大小的影响较大，挡土墙位移模式分为平动，绕墙顶或墙顶某处转动，绕墙底或墙底某处转动三种模式，充分研究不同位移模式下土拱效应的产生机理具有重大意义。发明内容[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种多位移模式下土拱效应探究装置及试验方法，其具有能够实现平动、转动、主动及被动位移模式下的土工效应检测、操作简便、易于安装的效果。[0005]本发明采用下述技术方案：[0006]—种多位移模式下土拱效应探究装置，包括容纳砂土的模型箱，所述模型箱上安装有多个可平动或转动的位移加载装置，通过改变位移加载装置的位移量实现多种模式的切换;在模型箱和位移加载装置的内侧设置若干土压力计，土压力计检测到的砂土不均匀位移信息由监测系统监测并记录。[0007]进一步的，所述位移加载装置包括多个设于模型箱侧面或底部开口槽中的挡板和控制挡板运动的驱动装置，挡板的两端分别连接驱动装置;多个同步移动的挡板形成活动门结构。[0008]进一步的，所述驱动装置包括套筒和丝杠，套筒的一端与挡板铰接，使挡板能够完成绕端部转动的位移模式;套筒的另一端与丝杠螺纹连接，通过丝杠的顺时针、逆时针旋转控制挡板的移动方向。[0009]进一步的，所述模型箱的侧面和底部设有用于支撑位移加载装置的框架，所述框架上设置多个用于丝杠穿过的开孔。[0010]进一步的，所述丝杠穿过框架并通过螺母固定。[0011]进一步的，所述挡板的外侧靠近其两端位置处设置用于监测挡板两端位移量的电子百分表。[0012]进一步的，所述土压力计以设定间距均匀粘贴在挡板及模型箱的内侧，所述监测系统采用动态信号采集分析系统，对数据进行收集。[0013]进一步的，所述模型箱的底部由支座支撑。[0014]本发明的工作原理为：[0015]挡板归位后，填筑砂土至试验设计高度并压实，打开监测系统，记录模型箱内的初始土压力分布;扭转丝杠，使底部挡板或侧向挡板产生位移，同步位移的挡板数量由试验设计的活动门宽度决定；由于模型箱体内的砂土在活动门的位移下产生了不均匀位移，箱体内的土压力将重新分布;通过记录土压力计数据，监测土压力变化。[0016]多位移模式下土拱效应探究装置的试验方法，包括以下步骤：[0017]步骤（1在模型箱的侧面及底部布设挡板，选择土压力计和电子百分表的安装位置；[0018]步骤2根据土压力重分布的影响因素选择不同工况的填土高度，砂土按照设定压实度分层填筑进模型箱内至设定填土高度；[0019]步骤3每种工况均通过丝杠控制同步位移的挡板数目改变活动门宽度，电子百分表监测挡板两端的位移量；[0020]步骤4选取一种或多种影响因素的耦合作用，通过动态信号采集分析系统采集土压力数据。[0021]进一步的，所述步骤2中，砂土填筑过程中通过静压法压实，减少压实过程中振动对土压力计的扰动;填筑完成后，整平顶面。[0022]进一步的，所述步骤2中土压力重分布的影响因素包括填土高度、活动门位置、活动门宽度和位移模式，位移模式包括主动、被动、平动和转动位移模式。[0023]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0024]1本发明的模型一次成型，通过控制不同块数挡板的同步位移实现不同宽度的活动门，无需生产每一宽度的活动门，节省原料及成本、操作方便;挡板具有一定的厚度，能有效防止活动门移动过程中砂土从缝隙处掉出；[0025]2本发明能够研究多位移模式下土拱效应，通过控制单块挡板两端的位移量实现平动及转动位移模式，通过丝杠顺时针、逆时针旋转实现主动及被动位移模式;可应用于探究竖向土拱效应和侧向土拱效应的产生模式和机理，克服了现有“土拱效应”室内试验探究的不足，为“土拱效应”探究提供新思路。附图说明[0026]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。[0027]图1为本发明的主视图；[0028]图2为本发明的俯视图；[0029]图3为本发明的侧视图；[0030]图4为本发明的一种侧面活动门及土压力计安装示意图主视图；[0031]图5为本发明的一种侧面活动门及土压力计安装示意图侧视图；[0032]图6为本发明的另一种侧面活动门及土压力计安装示意图主视图；[0033]图7为本发明的另一种侧面活动门及土压力计安装示意图侧视图；[0034]图8为本发明的底部活动门及土压力计安装示意图主视图；[0035]图9为本发明的底部活动门及土压力计安装示意图侧视图；[0036]其中，1、丝杠，2、套筒，3、螺母，4-侧向挡板，4-1、第一侧向挡板，4-2、第二侧向挡板，4-3、第三侧向挡板，4-4、第四侧向挡板，5-底部挡板，5-1、第一底部挡板，5-2、第二底部挡板，5-3、第三底部挡板，5-4、第四底部挡板，6、框架，7、第一侧板，8、底板，9、第二侧板，10、第三侧板，11、第四侧板，12、肋板，13、支架，14、电子百分表，15、土压力计。具体实施方式[0037]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。[0038]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。[0039]正如背景技术所介绍的，现有技术中存在土工效应探究试验装置单一、不能同时检测多种模式下的土拱效应的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多位移模式下土拱效应探究装置及试验方法。[0040]本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图9所示，提供了一种多位移模式下土拱效应探究装置，包括模型箱、支座13和多个位移加载装置，所述模型箱为矩形框架结构，包括焊接在一起的底板8、第一侧板7、第二侧板9、第三侧板10、第四侧板11，第一侧板7和第二侧板9的外侧竖直设置多个肋板12;模型箱的顶部开口；底板8的底部设置支座13,支座13起到支撑模型箱的作用。[0041]在第一侧板7和底板8的中部位置设有矩形的开口槽，在开口槽中设置多个挡板，不同数量的挡板同步移动形成不同宽度的活动门。[0042]每块挡板由多块板焊接而成，因此具有一定厚度;挡板因具有一定的厚度，其侧面可作为每块挡板上下移动的轨道，同时防止移动过程中模型箱内砂土的漏出；每块挡板两端均开设有连接孔。[0043]所述第一侧板7外侧的上端和下端分别设置框架6,所述框架6为U型，U型框架的两端分别设于第一侧板7上开口槽的两侧;第一侧板7上的框架6垂直于第一侧板7设置。[0044]如图1所示，第一侧板7中心处开口，安置四块等宽度的侧向挡板4,即第一侧向挡板4-1、第二侧向挡板4-2、第三侧向挡板4-3和第四侧向挡板4-4;开口处上下端各安装一个水平位移加载装置，通过顺、逆时针扭转丝杠1控制单块侧向挡板4一端向内或向外的位移；根据不同试验工况活动门宽度的需求以及位移模式的选择，同时控制多根丝杠1。[0045]所述底板8外侧的前端和后端分别设置框架6,所述框架6为U型，U型框架的两端分别设于底板8上开口槽的两侧;底板8上的框架垂直于底板8设置。第一侧板7与底板8上的U型框架结构相同，包括横梁和焊接于横梁两端的支架，横梁设均匀设置若干用于丝杠1穿过的开孔。[0046]所述位移加载装置包括水平位移加载装置和竖向位移加载装置，水平位移加载装置与第一侧板7上的框架6相连，竖向位移加载装置与底板8上的框架6相连;所述水平位移加载装置和竖向位移加载装置的结构相同，包括丝杠1和套筒2。[0047]所述丝杠1穿过U型框架的开孔，设于U型框架外侧的丝杠一1端丝杠头部尺寸大于开口尺寸，丝杠1穿过U型框架后由螺母3紧固；螺母3的尺寸大于开孔尺寸，通过丝杠1与螺母3将丝杠1卡在开孔处，目的是限制丝杠1的位移;丝杠1的另一端伸入套筒2的一端内部，套筒2内部设有与丝杠1相配合的螺纹。[0048]通过控制挡板两端的位移量来实现单块挡板的平动或转动，挡板一端移动、另一端固定为转动模式，挡板两端位移量相同为平动模式，挡板向模型箱内侧移动为被动模式，向模型箱外侧位移为主动模式。[0049]挡板的一端通过铰接的方式与套筒2的一端连接在一起，铰接得目的是使挡板能够完成绕端部转动的位移模式。[0050]通过顺时针或逆时针扭转单根丝杠1，丝杠1将扭矩传递给套筒2,套筒2因与挡板铰接，限制了套筒绕自身的旋转，扭矩转换为反作用力驱动套筒2的位移，连带着与套筒2铰接的挡板实现单块挡板一端的位移。[0051]土压力计使用AB胶以一定的间距均匀粘贴在底板8、第一侧板7以及每块挡板内侦I采用动态信号采集分析系统及应变式采集箱进行数据收集；电子百分表14以一定间距安装在每块挡板两端的外表面，电子百分表14末端与挡板垂直，以监测底部挡板5的纵向位移以及侧向挡板4的水平位移。[0052]固定侧向活动门，移动底部活动门可研究竖向土拱效应;固定底部活动门，移动侧向活动门可研究侧向土拱效应。[0053]研究侧面土拱效应时，移动模型箱侧面的活动门。根据试验工况中，填土高度分为12和1倍模型箱高，如图4-图7所示，分两种方式在第一侧板7及侧向挡板4内表面用AB胶粘贴土压力计15。在侧向挡板4两端的外表面安装电子百分表14,电子百分表14端头垂直接触侧向挡板4外表面，通过电子百分表14读数监测侧向挡板4一端的位移量，通过控制单块侧向挡板4两端的位移量实现平动及转动位移模式。[0054]如图2和图3所示，底板8中心处开口，安置四块等宽度的底部挡板5,即第一底部挡板5-1、第二底部挡板5-2、第三底部挡板5-3和第四底部挡板5-4;开口处前后端各安装一个竖向位移加载装置;研究竖向土拱效应时，移动底部的活动门；操作方式同移动侧面活动门的方式一致，此处不再赘述。[0055]如图8和图9所示，研究竖向土拱效应时，土压力计及电子百分表安装方式与上述方式类似，此处不再赘述。[0056]多位移模式下土拱效应探究装置的试验方法，具体步骤如下：[0057]1旋转各丝杠1使侧向挡板4、底部挡板5处于初始位置，即挡板与模型箱内表面处于平齐状态。[0058]2根据监测方案，将土压力计15粘贴在模型箱内表面指定位置处，并用数据线将每个土压力计15连接在应变式采集箱，应变采集箱数据通过连接电脑上的动态信号采集分析系统记录汇总，埋置好土压力计15后将百分表14通过表座固定在挡板外侧设定位置。[0059]3根据试验工况设计的填土高度，采用分层填筑法进行填筑。共分四层填筑，每层填筑高度为填筑总高度的14,填筑高度用钢尺确定，严格控制每层填筑高度，使压实度满足试验要求；由于土压力计15布设在填土正下方，因此，分层压实过程中，采用橡皮锤及静压方法，以减少压实过程中振动对土压力计15数据的影响;填筑土体至试验设计高度后，待土压力计15读数稳定后，记录相关读数。[0060]4根据试验工况设计中对于活动门方向、宽度及位移模式的不同，同步控制多根丝杠1控制位移量。旋转丝杠1的过程中要求缓慢同步、不使丝杠倾斜，以防对土体产生扰动及施加位移量有偏差。[0061]5在活动门发生位移的过程中，模型箱内土体压力会重新分布；当活动门的位移量达到试验工况的要求后，待电脑显示的数值稳定后，记录相关读数及时间。[0062]6根据实验方案，改变工况，重复上述1-5，完成整个试验操作。[0063]本申请的另一种实施方式中，模型箱框架采用三角钢焊接而成，底板及侧板由钢板制成，厚度为〇.〇2m;模型箱长3m、宽0.6m、高0.8m。在底板及第一侧板中心处开口，开口尺寸分别为〇.4mX0.56m和0.4mX0.78m，在两个开口处分别放置四块等宽度的挡板作为活动门，单块挡板宽〇.Im，厚0.Im，挡板长度与开口处长度尺寸一致。[0064]选用平均粒径为0.25〜0.5mm的砂土作为墙背填筑材料，晒干保证其含水率为0%。试验用砂根据公路土工试验规程JTGE40-2007，通过相关土工试验测试得基本力学参数如表1所示：[0065]表1试验用砂的基本力学性能[0066][0067]旋转丝杠使每块挡板归位至模型箱内表面处于平齐的状态，根据监测方案在模型箱底部及每块挡板上粘贴土压力计，调整每个百分表使端头垂直于接触面。[0068]本实施方式研究竖向土拱效应，根据试验工况设计填土高度为40cm，分4层填筑；根据试验要求密实度80%计算每层填土所需质量，采用橡皮锤静压。填筑完成后，待读数稳定，记录时间及相关电脑上读数。控制第二底部挡板、第三底部挡板对应的丝杠，缓慢同步旋转丝杠使两块挡板同时向下平动5mm，待电脑上读数稳定后，记录时间及相关数据。[0069]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。

权利要求：1.一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，包括容纳砂土的模型箱，所述模型箱上安装有多个可平动或转动的位移加载装置，通过改变位移加载装置的位移量实现多种模式的切换;在模型箱和位移加载装置的内侧设置若干土压力计，土压力计检测到的砂土不均匀位移信息由监测系统监测并记录。2.根据权利要求1所述的一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，所述位移加载装置包括多个设于模型箱侧面或底部开口槽中的挡板和控制挡板运动的驱动装置，挡板的两端分别连接驱动装置;多个同步移动的挡板形成活动门结构。3.根据权利要求2所述的一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，所述驱动装置包括套筒和丝杠，套筒的一端与挡板铰接，另一端与丝杠螺纹连接。4.根据权利要求3所述的一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，所述模型箱的侧面和底部设有用于支撑位移加载装置的框架。5.根据权利要求4所述的一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，所述丝杠穿过框架并通过螺母固定。6.根据权利要求3所述的一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，所述挡板的外侧靠近其两端位置处设置用于监测挡板两端位移量的电子百分表。7.根据权利要求1所述的一种多位移模式下土拱效应探究装置，其特征在于，所述土压力计以设定间距均匀粘贴在挡板及模型箱的内侧，采用动态信号采集分析系统进行数据收集。8.根据权利要求1-7任一所述的多位移模式下土拱效应探究装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤⑴在模型箱的侧面及底部布设挡板，选择土压力计和电子百分表的安装位置；步骤（2根据土压力重分布的影响因素选择不同工况的填土高度，砂土按照设定压实度分层填筑进模型箱内至设定填土高度；步骤3每种工况均通过丝杠控制同步位移的挡板数目改变活动门宽度，电子百分表监测挡板两端的位移量；步骤4选取一种或多种影响因素的耦合作用，通过动态信号采集分析系统采集土压力数据。9.根据权利要求8所述的多位移模式下土拱效应探究装置的试验方法，其特征在于，所述步骤2中，砂土填筑过程中通过静压法压实，减少压实过程中振动对土压力计的扰动；填筑完成后，整平顶面。10.根据权利要求8所述的多位移模式下土拱效应探究装置的试验方法，其特征在于，所述步骤⑵中土压力重分布的影响因素包括填土高度、活动门位置、活动门宽度和位移模式。

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