本發(fā)明涉及一種教學(xué)演示與模型試驗裝置，尤其涉及一種擋土結(jié)構(gòu)土壓力與位移可視化二維試驗系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

擋土結(jié)構(gòu)土壓力一直都是土力學(xué)研究的熱點問題，朗肯土壓力和庫倫土壓力因其公式簡潔、適應(yīng)性強被廣泛應(yīng)用于實際工程中。目前的土壓力理論認為擋土結(jié)構(gòu)在背離或向著土體方向移動，當(dāng)達到極限平衡狀態(tài)時土體內(nèi)部出現(xiàn)直線型的滑移面，分別稱為主動與被動極限平衡狀態(tài)，可根據(jù)土體單元莫爾-庫倫強度理論或建立楔形體滑面極限平衡方程推導(dǎo)極限平衡狀態(tài)下的擋土墻結(jié)構(gòu)土壓力。

目前的土壓力理論是基于極限平衡條件推導(dǎo)得到的土壓力分布與大小，但工程的支擋結(jié)構(gòu)往往不能達到極限平衡狀態(tài)所需的位移量，尤其是被動極限平衡狀態(tài)所需的較大位移量。

目前的土壓力理論包含了諸如填土水平、墻背垂直光滑或滑面為直線型等假設(shè)條件，在實際的工程不同邊界條件、加載量以及加筋條件下，墻后土壓力與理論存在較大差異。中國專利cn102928296a公開一種支擋結(jié)構(gòu)后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀，該分析儀的優(yōu)勢特征在于可實現(xiàn)不同擋土墻傾角的模擬。存在的不足如下：

1、該分析儀采用方形箱體和砂土材料作為填料，通過方形箱體的透明擋板觀察內(nèi)部填料變形，因此填料不可避免的受到前后擋板的摩擦力及尺寸效應(yīng)影響，尺寸效應(yīng)主要指擋板尺寸較小時在內(nèi)部填料在前后擋板間產(chǎn)生土拱效應(yīng)。

2、該分析儀采用土壓力盒在不同介質(zhì)與相對密度條件下標(biāo)定系數(shù)不斷發(fā)生變化。對于試驗過程中砂土相對密度變化的情況不能有效解決，測試精度有限。

3、該分析儀未涉及填料位移測試與滑裂面的識別以及墻后填土加載的模擬。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明就是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種擋土結(jié)構(gòu)土壓力與位移可視二維試驗系統(tǒng)，可以實現(xiàn)主動與被動模式下的擋土墻土壓力演示實驗，以及純二維條件下加筋擋土結(jié)構(gòu)和加載工況下的土壓力大小、分布以及滑裂面隨變形演化的測試。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的擋土結(jié)構(gòu)土壓力與位移可視化二維試驗系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括外框架，所述外框內(nèi)部設(shè)置有具有多點載荷測試功能的擋土結(jié)構(gòu)測力板，所述擋土結(jié)構(gòu)測力板一側(cè)與外框架之間設(shè)置有擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件，擋土結(jié)構(gòu)測力板另一側(cè)與外框架構(gòu)成矩形填料箱，所述矩形填料箱內(nèi)設(shè)置有具有模擬砂土平面應(yīng)力應(yīng)變特性的異形截面棒模擬砂土，所述矩形填料箱上部設(shè)置有載荷加載組件，所述外框架前還設(shè)置有攝影燈光系統(tǒng)和攝影裝置，為了徹底消除摩擦與尺寸效應(yīng)影響，外框架前后均未設(shè)有擋板；

所述擋土結(jié)構(gòu)測力板用于測試模擬砂土傳遞到擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力；

所述擋土位移控制組件用于控制擋土結(jié)構(gòu)測力板相對于模擬砂土的移動量；

所述載荷加載組件用于對模擬砂土施加上部荷載；

所述攝影燈光系統(tǒng)和攝影裝置用于連續(xù)采集模擬砂土內(nèi)部變化特征。

進一步地，所述擋土結(jié)構(gòu)測力板包括擋板和若干布置在擋板上的條形測力板，所述條形測力板位于擋板與模擬砂土接觸側(cè)，條形測力板之間的間隙小于模擬砂土異形截面棒尺寸以防止異形棒漏入。

更進一步地，所述條形測力板采用精密載荷計制成，可精確的測量異形棒傳遞到擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力，避免采用砂土模擬時采用土壓力盒帶來的測量精度問題。

再進一步地，所述條形測力板設(shè)置有16個，在擋板上從上到下等間距布置，實現(xiàn)通長范圍的壓力測試；

再進一步地，所述擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件包括安裝板、絲桿升降機、滑軌，所述安裝板設(shè)置在外框架內(nèi)壁上，所述擋板中部與絲桿升降機連接，所述絲桿升降機通過支架固定在安裝板上，所述擋板下端通過滑軌連接在安裝板上。安裝板與外框架緊密連接，并與絲桿升降機、擋板形成可靠的系統(tǒng)，剛度足夠支撐絲桿升降機精確的控制擋板產(chǎn)生所需的位移量。

再進一步地，所述載荷加載組件包括與模擬砂土接觸的剛性承載板，所述剛性承載板上設(shè)置有可伸縮桿連接桿，所述可伸縮連接桿通過測力環(huán)與千斤頂連接，所述千斤頂設(shè)置在外框架內(nèi)頂面。用于模擬對擋土墻后土體頂部的加載。

再進一步地，為構(gòu)建純二維的實驗條件，所述模擬砂土由3種以上不同尺寸的異形截面棒材混合而成。其中異形截面指截面為非圓形，采用非圓形異形鋼板的優(yōu)點在于考慮了顆粒的形狀因素對強度，即剪脹性的影響，提高了單位顆粒平均接觸點數(shù)量，即配位數(shù)，從而使得堆積體的平面應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)與砂土更為接近；再進一步地，所述模擬砂土采用退火201不銹鋼材料制成，其表面摩擦系數(shù)與石英砂表面摩擦系數(shù)接近。其重度達到砂土材料3~5倍，模型試驗相似比增大3~5倍，提高了模型試驗與實際工程的相似性；

優(yōu)選地，所述模擬砂土分層填筑，層與層之間設(shè)置有由土工材料制成的加筋層，用于以模擬加筋土。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明擋土結(jié)構(gòu)測力板與擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件通過滑軌相連接，在升降機的作用下可以沿著滑軌移動。其中，擋土結(jié)構(gòu)測力板采用精密載荷計制作，解決了土壓力測試精度的問題。擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件中，通過絲桿升降機手輪精確的控制擋土板產(chǎn)生后退、前進。擋土板上通長范圍內(nèi)安裝多塊載荷計及條形承載板組成的條形測力板，可通過連接靜態(tài)應(yīng)變儀精確測試傳遞到擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力。模擬與演示主動、被動極限平衡狀態(tài)的土體滑裂面與土壓力分布，并對擋土結(jié)構(gòu)移動過程中的土壓力分布變化與滑裂面形成與演化過程，通過模型試驗裝置可以捕捉顆粒位移，分析得到滑裂面演化過程。

采用模擬砂土作為填料，該模擬砂土采用不同尺寸的異形鋼棒混合而成，構(gòu)建了純二維的試驗條件。模擬砂土分層填筑，層間可以采用土工材料進行加筋以模擬加筋土。模擬砂土填料頂部可通過載荷加載組件進行加載。

二維模擬砂土的變形與滑裂面形態(tài)通過攝影燈光系統(tǒng)和攝影裝置采集。引入了基于圖像測量的非接觸式位移測試與滑裂面識別技術(shù)，提高了位移捕捉與剪切面識別的精度，將定性研究轉(zhuǎn)化為定量研究?？梢詫士贤翂毫碚撨M行演示試驗，并可以進行不同加載條件的模擬。通過試驗條件的進一步簡化與測試技術(shù)的革新，大大提高了測試精度以及模型試驗的可重復(fù)性。利用絲桿升降機精確的控制擋土結(jié)構(gòu)的位移量，追蹤填料內(nèi)部的變形，對擋土結(jié)構(gòu)位移過程中的土壓力與滑裂面演化過程進行量化分析。

本發(fā)明可靠度高，重復(fù)性強，為土壓力研究提供了一種新的試驗系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種擋土結(jié)構(gòu)土壓力與位移可視化二維試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2位圖1中i-i剖面圖。

圖3是優(yōu)選的3種橢圓鋼棒模擬砂土截面。

圖4是絲桿升降機支架側(cè)視圖。

圖5是底板側(cè)視圖。

圖6是測力板正視圖。

圖7是測力板側(cè)視圖。

圖8是測力板俯視圖。

圖9是滑軌的側(cè)視圖。

圖10是滑塊的側(cè)視圖。

圖中：擋土結(jié)構(gòu)測力板d，擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件k，矩形填料箱t，載荷加載組件z，外框架1，底板2，絲桿升降機支架3，絲桿升降機4，滑軌5，擋板6，條形測力板7，模擬砂土8，千斤頂9，測力環(huán)10，可伸縮連接桿11，剛性承載板12，攝影燈光系統(tǒng)13，攝影裝置14，a、b和c表示模擬砂土鋼棒的型號。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述：

如圖所示的擋土結(jié)構(gòu)土壓力與位移可視化二維試驗系統(tǒng)，包括外框架1，所述外框架1內(nèi)部設(shè)置有具有多點載荷檢測功能的擋土結(jié)構(gòu)測力板d，所述擋土結(jié)構(gòu)測力板d一側(cè)與外框架1之間設(shè)置有擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件k，擋土結(jié)構(gòu)測力板d另一側(cè)與外框架1構(gòu)成矩形填料箱t，所述矩形填料箱t內(nèi)設(shè)置有具有模擬砂土宏觀平面應(yīng)力應(yīng)變特性功能的模擬砂土8，所述矩形填料箱t上部設(shè)置有載荷加載組件z，所述外框架1前還設(shè)置有攝影燈光系統(tǒng)13和攝影裝置14，為了徹底消除摩擦與尺寸效應(yīng)影響，外框架前后均未設(shè)有擋板。攝影裝置14可采用數(shù)碼單反相機。

其中，擋土結(jié)構(gòu)測力板d包括擋板6和若干布置在擋板上的條形測力板7，所述條形測力板7位于擋板6與模擬砂土8接觸側(cè)。條形測力板7采用精密載荷計制成。條形測力板7設(shè)置有16個，在擋板6上從上到下等間距布置。

擋土結(jié)構(gòu)位移控制組件k包括安裝板2、絲桿升降機4、滑軌5，所述安裝板2設(shè)置在外框架1內(nèi)壁上，所述擋板6中部與絲桿升降機4連接，所述絲桿升降機4通過支架3固定在安裝板2上，所述擋板6下端通過滑軌5連接在安裝板2上。

載荷加載組件z包括與模擬砂土8接觸的剛性承載板12，所述剛性承載板12上設(shè)置有可伸縮桿連接桿11，所述可伸縮連接桿11通過測力環(huán)10與千斤頂9連接，所述千斤頂9設(shè)置在外框架1內(nèi)頂面。

采用模擬砂土8作為填料，該模擬砂土8采用3中以上不同尺寸的異形鋼棒混合而成，構(gòu)建了純二維的試驗條件。模擬砂土分層填筑，層間可以采用土工材料進行加筋層以模擬加筋土。模擬砂土8一般采用退火201不銹鋼材料制成。本實施方案中，模擬砂土8選取3種不同斷面尺寸的退火201不銹鋼橢圓形鋼棒混合體。三種不同斷面尺寸的鋼棒的短軸×長軸分別為3mm×6mm、4mm×8mm、5mm×10mm的a型、b型和c型。通過雙軸試驗對比，圍壓100kpa下測得的峰值摩擦角提高到φp=34°，剪脹角ψm=5°，較好的反映了密實砂土的平面強度。

本發(fā)明的具體工作過程如下：

根據(jù)試驗需求裝填模擬砂土8至一定高度，千斤頂9通過剛性承載板12將集中荷載轉(zhuǎn)換成均布荷載并傳遞給模擬砂土8，通過測力環(huán)10和讀出施加荷載的大??；順時針或逆時針搖動絲桿升降機4的手輪推動擋板6在滑軌5上滑動，前進或后退直至達到被動或主動極限狀態(tài)，通過條形測力板7中的精密荷載計原件測試傳遞到擋板上的土壓力；條形測力板7每移動一定位移如0.25mm，攝影燈光系統(tǒng)13和數(shù)碼單反相機14采集模擬砂土8圖像，將整個過程得到的照片序列通過粒子圖像測速piv技術(shù)獲取顆粒位移，采用圖形分析軟件處理獲取顆粒轉(zhuǎn)角、密度分布以及滑裂面形態(tài)，行主動、被動模式下的擋土結(jié)構(gòu)位移過程的滑裂面演化分析。

模擬砂土8優(yōu)選結(jié)構(gòu)為3種不同截面的退火201號橢圓棒材，在工作時每0.3m²按短軸×長軸分別為3mm×6mm、4mm×8mm、5mm×10mm的三種鋼棒各594根、334根、214根混合均勻，利用混合后的模擬砂土進行填分層填筑，其中，三種鋼棒質(zhì)量比大約1:1:1。

其中，絲桿升降機4的轉(zhuǎn)盤順時針或逆時針轉(zhuǎn)動一圈，絲桿作用在測力板上水平位移前進或退讓0.25mm，絲桿最大退讓或前進長度為75mm。

本發(fā)明可以同時測量同一豎直截面的多個測點的土壓力的大小和分布情況，采用二維模擬砂土作為填料可以準(zhǔn)確消除側(cè)面摩擦的作用，直觀的展現(xiàn)出滑裂面的位置。本發(fā)明可靠度高，重復(fù)性強，為土壓力研究提供了一種新的試驗系統(tǒng)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不對本發(fā)明做任何形式上的限制，任何熟悉本發(fā)明的技術(shù)人員在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同變化和改進等，均應(yīng)該包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。