本實用新型涉及一種擋土結(jié)構(gòu)物土壓力教學(xué)實驗裝置，具體涉及一種擋土結(jié)構(gòu)物土壓力教學(xué)實驗裝置。

背景技術(shù)：

在土力學(xué)實驗學(xué)習(xí)過程中，通常圍繞“顆粒分析實驗、液塑限實驗、相對密實度實驗、擊實實驗、滲透實驗、壓縮實驗、直接剪切實驗、三軸壓縮實驗”八個傳統(tǒng)實驗開展，內(nèi)容圍繞如何獲取土的基本物理、力學(xué)特性，對于土體在工程中的性質(zhì)特點的介紹涉及較少，較為典型的不足是土力學(xué)實驗學(xué)習(xí)內(nèi)容缺乏與土力學(xué)中擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力內(nèi)容的對接，目前關(guān)于這部分內(nèi)容具體的實驗裝置較少。在本發(fā)明之前，中國專利CN 102928296 A、CN101127169CN、CN 104153341 A和103233486 A均公開了關(guān)于擋土墻土壓力的試驗裝置，但是都無法同時綜合實驗擋土墻填土受到靜動荷載土體破壞和主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力變化的情況，且不具有適合課堂教學(xué)的可視化系統(tǒng)。

這部分實驗內(nèi)容的缺失，難以深刻理解該內(nèi)容的基本原理與工程應(yīng)用，上述不足之處不僅對于土力學(xué)的學(xué)習(xí)較為不利，也難以滿足本領(lǐng)域的技術(shù)人員對擋土結(jié)構(gòu)物的土壓力的理論與試驗分析的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種擋土結(jié)構(gòu)物土壓力教學(xué)實驗裝置，可教學(xué)演示擋土結(jié)構(gòu)物后土體無載荷和受載荷時靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力的分布情況，以及通過室內(nèi)實驗，初步測算相應(yīng)的擋土墻上土壓力大小。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種擋土結(jié)構(gòu)物土壓力教學(xué)實驗裝置，包括開口模型槽、擋土墻裝置、加載裝置和可視化裝置，

所述的擋土墻裝置包括運動控制裝置、頂推螺桿、可移動擋板和壓力檢測裝置，可移動擋板布設(shè)在開口模型槽內(nèi)，且其與開口模型槽的底面垂直設(shè)置，運動控制裝置安裝在開口模型槽外一側(cè)，且其通過頂推螺桿與可移動擋板的一側(cè)相連接，在可移動擋板的另一側(cè)布設(shè)有壓力檢測裝置；

所述的加載裝置布設(shè)在開口模型槽的上方，包括支架、加載橫梁、傳力桿、托盤和砝碼，支架安裝在布設(shè)運動控制裝置的開口模型槽一側(cè)中間位置，加載橫梁布設(shè)在開口模型槽的開口上方，其一端與支架連接，另一端連接有托盤，托盤內(nèi)置有砝碼，在加載橫梁上垂直固定連接有傳力桿，傳力桿的一端與加載橫梁固定，其另一端連接有剛性承壓板或彈性承壓板；

所述的可視化裝置包括折疊桿、攝像頭和顯示屏，折疊桿的一端固定在開口模型槽前側(cè)頂點處，另一端可移動連接有攝像頭，折疊桿帶動攝像頭記錄實驗過程，將圖像同步傳送至顯示屏；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的壓力檢測裝置包括土壓力盒定位板和微型土壓力盒，在土壓力盒定位板表面由上至下開設(shè)有四個凹槽，凹槽內(nèi)置有微型土壓力盒，微型土壓力盒通過引線連接有應(yīng)變儀；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的彈性承壓板包括第一承壓板和第二承壓板，第一承壓板的表面與傳力桿固定連接，其底面通過彈簧與第二承壓板連接，且彈簧的個數(shù)為至少兩個；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的運動控制裝置為手輪式啟閉器；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，加載橫梁的一端通過支點螺栓與支架的一端連接，其另一端通過鉸點螺栓與托盤連接；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，可移動擋板采用與開口模型槽等寬的鋼板制作而成，其連接有頂推螺桿的一側(cè)固定有楔形加勁鋼板，楔形加勁鋼板的厚度與可移動擋板的厚度相同；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的剛性承壓板為矩形鋼板，矩形鋼板表面中心位置處焊接有螺栓接頭，用于與傳力桿螺栓固定連接，矩形鋼板的底面光滑；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的開口模型槽是由鋼板連接而成鋼板框架，其中與加載橫梁相平行的兩個側(cè)面為透明有機玻璃板，有機玻璃板通過連接螺栓與鋼板框架固定連接，在連接處實用膠水密封，且在邊角連接處焊接加勁角鋼；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，開口模型槽側(cè)面透明有機玻璃板上以底面為零點，向上水平刻有高度標(biāo)尺。

通過以上技術(shù)方案，相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型可教學(xué)演示擋土結(jié)構(gòu)物后土體無載荷和受載荷時靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力的分布情況，以及通過室內(nèi)實驗，初步測算相應(yīng)的擋土墻上土壓力大小。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的優(yōu)選實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型的優(yōu)選實施例的不同填筑方式靜止土壓力分布圖；

圖3是本實用新型的優(yōu)選實施例的主動土壓分布隨可移動擋板位移的影響分布示意圖；

圖4是本實用新型的優(yōu)選實施例的被動土壓分布隨可移動擋板位移的影響分布示意圖。

圖中：1為手輪，2為頂推螺桿，3為運動控制裝置，4為支架，5為支點螺栓，6為加載橫梁，7為托盤，8為透明有機玻璃板，9為鋼板框架，10為可移動擋板，11為折疊桿，12為攝像頭,13為傳力桿，14為剛性承壓板，15為砝碼。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本實用新型有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1所示，包括以下部件：1為手輪，2為頂推螺桿，3為運動控制裝置，4為支架，5為支點螺栓，6為加載橫梁，7為托盤，8為透明有機玻璃板，9為鋼板框架，10為可移動擋板，11為折疊桿，12為攝像頭,13為傳力桿，14為剛性承壓板，15為砝碼；本實用新型的一種擋土結(jié)構(gòu)物土壓力教學(xué)實驗裝置，包括開口模型槽、擋土墻裝置、加載裝置和可視化裝置，

所述的擋土墻裝置包括運動控制裝置、頂推螺桿、可移動擋板和壓力檢測裝置，可移動擋板布設(shè)在開口模型槽內(nèi)，且其與開口模型槽的底面垂直設(shè)置，運動控制裝置安裝在開口模型槽外一側(cè)，且其通過頂推螺桿與可移動擋板的一側(cè)相連接，在可移動擋板的另一側(cè)布設(shè)有壓力檢測裝置；

所述的加載裝置布設(shè)在開口模型槽的上方，包括支架、加載橫梁、傳力桿、托盤和砝碼，支架安裝在布設(shè)運動控制裝置的開口模型槽一側(cè)中間位置，加載橫梁布設(shè)在開口模型槽的開口上方，其一端與支架連接，另一端連接有托盤，托盤內(nèi)置有砝碼，在加載橫梁上垂直固定連接有傳力桿，傳力桿的一端與加載橫梁固定，其另一端連接有剛性承壓板或彈性承壓板；

所述的可視化裝置包括折疊桿、攝像頭和顯示屏，折疊桿的一端固定在開口模型槽前側(cè)頂點處，另一端可移動連接有攝像頭，折疊桿帶動攝像頭記錄實驗過程，將圖像同步傳送至顯示屏；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的壓力檢測裝置包括土壓力盒定位板和微型土壓力盒，在土壓力盒定位板表面由上至下開設(shè)有四個凹槽，凹槽內(nèi)置有微型土壓力盒，微信土壓力盒通過引線連接有應(yīng)變儀；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的彈性承壓板包括第一承壓板和第二承壓板，第一承壓板的表面與傳力桿固定連接，其底面通過彈簧與第二承壓板連接，且彈簧的個數(shù)為至少兩個；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的運動控制裝置為手輪式啟閉器；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，加載橫梁的一端通過支點螺栓與支架的一端連接，其另一端通過鉸點螺栓與托盤連接；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，可移動擋板采用與開口模型槽等寬的鋼板制作而成，其連接有頂推螺桿的一側(cè)固定有楔形加勁鋼板，楔形加勁鋼板的厚度與可移動擋板的厚度相同；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的剛性承壓板為矩形鋼板，矩形鋼板表面中心位置處焊接有螺栓接頭，用于與傳力桿螺栓固定連接，矩形鋼板的底面光滑；

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，所述的開口模型槽是由鋼板連接而成鋼板框架，其中與加載橫梁相平行的兩個側(cè)面為透明有機玻璃板，有機玻璃板通過連接螺栓與鋼板框架固定連接，在連接處實用膠水密封，且在邊角連接處焊接加勁角鋼。

作為本實用新型的進一步優(yōu)選，開口模型槽側(cè)面透明有機玻璃板上以底面為零點，向上水平刻有高度標(biāo)尺；

運用上述實驗裝置以下實驗：

1、進行填土上加靜載的方法包括以下步驟：

步驟一：傳力桿連接剛性承壓板，剛性承壓板放置在填土表面；

步驟二：在加托盤中加砝碼，托盤中的砝碼質(zhì)量為m_f；

步驟三：測量加載橫梁質(zhì)量m₀,加載橫梁長度l₀，傳力桿與支點螺栓距離l_c，傳力桿質(zhì)量為m_c，剛性承壓板質(zhì)量為m_g，剛性承壓板面積為S_g，根據(jù)杠桿定理，靜荷載

2、填土上加豎向動載的方法包括以下步驟：

步驟一：在開口模型槽內(nèi)加入填土，傳力桿連接彈性承壓板，第二承壓板下表面放置在填土表面，測量此時第一承壓板、第二承壓板之間彈簧的長度x₀；

步驟二：在托盤中加砝碼，托盤中砝碼質(zhì)量為m_f；

步驟三：測量在砝碼和加載橫梁的作用下第一承壓板和第二承壓板之間的彈簧的長度為x₁；

步驟四：撤去砝碼，使彈簧帶動加載橫梁振動，彈簧對土體的反力即為土體表面受到的動荷載；

步驟五：測量加載橫梁質(zhì)量m₀,加載橫梁長度l₀，傳力桿與支點螺栓距離l_c，傳力桿質(zhì)量為m_c，彈性承壓板質(zhì)量為m_T，第一承壓板質(zhì)量為m_TS，彈性承壓板面積為S_T，根據(jù)杠桿定理和彈簧簡諧振動原理，填土所受動荷載為

其中t為時間。

3、擋土結(jié)構(gòu)物土壓力試驗方法包括靜止土壓力測試，主動土壓力測試和被動土壓力測試

其中，靜止土壓力試驗方法包括以下步驟：

步驟一：在開口模型槽內(nèi)分層填筑土體；

步驟二：依次讀取各個土壓力盒相應(yīng)的應(yīng)力值，以及每個土壓力盒至開口模型槽底面的高度(即深度)，繪制靜止土壓力沿?fù)鯄ι疃鹊淖兓€；

主動土壓力試驗方法包括以下步驟：

步驟一：在可移動擋板連接頂推螺桿的一側(cè)固定百分表，指針調(diào)零；

步驟二：向開口模型槽內(nèi)分層填筑土體，在每層填完壓實之后，在開口模型槽的有機玻璃側(cè)邊撒少許黑砂，再填筑上面一層，黑砂線用于觀測破壞線的位置與形狀；

步驟三：同樣將填筑好的土體靜置半個小時，測量可移動擋板位移為零時的土壓力盒應(yīng)變值；緩慢轉(zhuǎn)動手輪，將可移動擋板向著填土的反方向移動，位移為Δs時停止，Δs取值范圍0.1～0.4mm，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化時，讀取土壓力盒的應(yīng)力值，觀察黑砂線與有機玻璃上刻度線的位置關(guān)系的變化情況；再移動Δs，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化時，讀取土壓力盒的應(yīng)力值，觀察黑砂線位置變化；重復(fù)當(dāng)前操作，黑砂線斷裂或土體出現(xiàn)破壞時停止實驗；

步驟四：根據(jù)土壓力盒對應(yīng)的應(yīng)力值，繪制主動土壓力隨深度變化的關(guān)系曲線。

被動土壓力試驗方法包括以下步驟：

步驟一：在可移動擋板連接頂推螺桿的一側(cè)固定百分表，將指針調(diào)到Kmm處(K的取值范圍為8～10mm)；

步驟二：向開口模型槽分層填筑土體，填筑方式與上述主動土壓力試驗方法步驟二相同；

步驟三：靜置半小時之后記錄可移動擋板位移為零時的土壓力盒應(yīng)力值，緩慢轉(zhuǎn)動手輪，將剛性可移動擋板向著填土的方向移動，單次移動K/3mm，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化時，記錄各應(yīng)力值，并觀察預(yù)先分層埋設(shè)的黑砂線與有機玻璃上畫的線的位置關(guān)系；當(dāng)移動三次后百分表指針指向0mm，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化后，重新安裝百分表，使其指針指向Kmm處，重復(fù)操作，每次移動K/3mm應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化后記錄應(yīng)力值，黑砂線斷裂或土體出現(xiàn)破壞時停止實驗；

步驟四：根據(jù)土壓力盒對應(yīng)的應(yīng)力值，繪制被動土壓力隨深度的變化曲線。

具體加載實施例如下

填土上加靜載的方法包括以下步驟：

步驟一：傳力桿連接剛性承壓板，剛性承壓板放置在填土表面；

步驟二：在加載盒中加砝碼，加載盒中砝碼質(zhì)量為m_f；

步驟三：測量加載橫梁質(zhì)量m₀,加載橫梁長度l₀，傳力桿與支點螺栓距離l_c，傳力桿質(zhì)量為m_c，剛性承壓板質(zhì)量為m_g，剛性承壓板面積為S_g，根據(jù)杠桿定理，靜荷載

填土上加豎向動載的方法包括以下步驟：

步驟一：傳力桿連接彈性承壓板，彈性承壓板下板下表面放置在填土表面，測量此時彈簧的長度x₀；

步驟二：在加載盒中加砝碼，加載盒中砝碼質(zhì)量為m_f；

步驟三：測量在砝碼和加載橫梁的作用下彈性承壓板上下板之間的彈簧的長度為x₁；

步驟四：撤去砝碼，使彈簧帶動加載橫梁振動，彈簧對土體的反力即為土體表面受到的動荷載。

步驟五：測量加載橫梁質(zhì)量m₀,加載橫梁長度l₀，傳力桿與支點螺栓距離l_c，傳力桿質(zhì)量為m_c，彈性承壓板質(zhì)量為m_T，第一承壓板質(zhì)量為m_TS，彈性承壓板面積為S_T，根據(jù)杠桿定理和彈簧簡諧振動原理，填土所受動荷載為

其中t為時間。

其中設(shè)定的數(shù)值分別為：

剛性承壓板面積S_g(m2)：0.0225，剛性承壓板質(zhì)量m_g(kg)：0.5，

彈性承壓板面積S_T(m2)：0.0225，彈性承壓板質(zhì)量m_T(kg)：1.0，

第一承壓板質(zhì)量m_TS(kg)：0.5，

加載橫梁質(zhì)量m₀(kg)：7.4，加載橫梁長度l₀(m)：1.3，

傳力桿質(zhì)量m_c(kg)：1.0，傳力桿與支點螺栓的距離l_c(m)：0.76，

不加砝碼時彈簧長度x₀：0.20m，加40kg砝碼彈簧長度x₁：0.15m，

則彈簧的彈性系數(shù)k(N/m)7840

土壓力實驗實施例

擋土結(jié)構(gòu)物土壓力試驗方法包括靜止土壓力測試，主動土壓力測試和被動土壓力測試

靜止土壓力試驗方法以下步驟：

步驟一：向開口模型槽內(nèi)分層填筑土體，第一種填筑方式為不壓實；第二種填筑方式為分層壓實填筑，即每填筑5cm后將砂土表面抹平，將30cm×15cm的鋼板放在砂土層表面，用重5kg的重錘從5cm的高度自由下落砸向鋼板，連續(xù)三下，然后將鋼板移位，長度方向與上一砸痕搭接20％，重復(fù)擊實操作，直至該層遍擊，再填筑第二層，再擊實，直至填土表面與剛性擋板上邊持平，再擊實；第三種填筑方式同樣要求分層壓實填筑，重錘抬升高度為10cm，單點擊數(shù)為5下，其他過程不變。

步驟二：依次讀取各個土壓力盒相應(yīng)的應(yīng)力值，繪制靜止土壓力沿?fù)鯄ι疃鹊淖兓€，圖2所示；

主動土壓力試驗方法以下步驟：

步驟一：在可移動擋板連接頂推螺桿的一側(cè)固定百分表，指針調(diào)零；

步驟二：向開口模型槽內(nèi)分層填筑土體，填筑方式與靜止土壓力步驟一一致，僅在每層填完之后，在開口模型槽的有機玻璃側(cè)邊撒少許黑砂，再填筑上面一層，黑砂線用于觀測破壞線的位置與形狀；

步驟三：同樣將填筑好的土體靜置半個小時，測量可移動擋板位移為零時的土壓力盒應(yīng)變值；緩慢轉(zhuǎn)動手輪，將可移動擋板向著填土的反方向移動，位移為0.3mm時停止，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化時，讀取土壓力盒的應(yīng)力值，觀察黑砂線與有機玻璃上刻度線的位置關(guān)系的變化情況；再移動0.3mm待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化時，讀取土壓力盒的應(yīng)力值，觀察黑砂線位置變化；重復(fù)當(dāng)前操作，黑砂線斷裂或土體出現(xiàn)破壞時停止實驗；

步驟四：根據(jù)土壓力盒對應(yīng)的應(yīng)力值，繪制主動土壓力隨深度變化的關(guān)系曲線，圖3所示。

被動土壓力試驗方法包括以下步驟：

步驟一：在可移動擋板連接頂推螺桿的一側(cè)固定百分表，將指針調(diào)到9mm處；

步驟二：向開口模型槽內(nèi)分層填筑土體，填筑方式與上述主動土壓力試驗方法步驟二相同；

步驟三：靜置半小時之后記錄可移動擋板位移為零時的土壓力盒應(yīng)力值，緩慢轉(zhuǎn)動手輪，將剛性可移動擋板向著填土的方向移動，單次移動3mm，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化時，記錄各應(yīng)力值，并觀察預(yù)先分層埋設(shè)的黑砂線與有機玻璃上畫的線的位置關(guān)系；當(dāng)移動三次后百分表指針指向0mm，待應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化后，重新安裝百分表，使其指針指向9mm處，重復(fù)操作，每次移動3mm應(yīng)變儀讀數(shù)基本不發(fā)生變化后記錄應(yīng)力值，黑砂線斷裂或土體出現(xiàn)破壞時停止實驗。

步驟四：根據(jù)土壓力盒對應(yīng)的應(yīng)力值，繪制被動土壓力隨深度的變化曲線，圖4所示；

若需要實驗土體受荷載情況下的土壓力情況，則填筑完成后按加載方法對實驗土體施加荷載，再讀取土壓力盒對應(yīng)的應(yīng)力值。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本申請所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

本申請中所述的“和/或”的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內(nèi)。

本申請中所述的“連接”的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。

以上述依據(jù)本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項實用新型技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。