一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置及方法

摘要

一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置及方法，所述装置结构包括模型箱（1）、第一螺杆（2）、第二螺杆（9）、第一钢板（21）、第二钢板（23）、支撑（4）、土压力盒、挡墙（22）、反力架系统（7）、T形钢架（17）、爪形支撑（10）、支座托架（12）、转轴（11）、轴承（8）、电机（24）、变频器（13）、动静态应变测试仪和平衡器（20）。所述模型箱内设标准砂填筑室（5）、渗流水储蓄室（3）、挡墙活动室（6），变电供电控制系统（35）、反力架系统（7）、挡墙动力系统、挡墙及土压力测量采集系统、密封防水等附属系统。本发明装置是揭示土压力随稳定渗流和振动荷载下变化发展规律和验证土压力理论的有力工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置及方法，属建筑与土木工程试验测试技术领域。

背景技术

随着我国城市化建设进程的不断推进，大型深基坑工程屡见不鲜，其复杂程度、设计以及施工难度也将变得越来越具有挑战性。基坑工程的显著新特点有“深、大、近、难”，其研究也广泛涉及到岩土工程、结构工程以及渗流和振动等力学领域，渗流和交通荷载对基坑工程的影响越来越受到关注。

目前，基坑临近既有建(构)筑物的诸多工程中，渗流和交通荷载问题的影响越来越引发国内外专家和学者热议的背景下，针对地下水渗流和交通荷载作用下土压力研究工作鲜有涉及，现在从工程实际的角度考虑，开展稳定渗流和振动荷载作用下土压力模型试验研究意义和价值深远，并且可以对类似工程实践和理论提供参考。

模型试验是揭示土压力随稳定渗流和振动荷载下变化发展规律和验证土压力理论的有力工具。为解决上述问题，研制一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置，为类似工程实践和理论提供有益信息十分必要。

发明内容

本发明的目的是，针对土建工程承受土压力的构建物，提供一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置和方法，满足了地下水渗流和交通荷载作用下土压力大小和分布规律以及破裂面形式的研究需要。

本发明实现的技术方案如下，一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置，包括模型箱、钢化玻璃、矩形钢管、土压力盒、挡墙、T形钢架、爪形支撑、支座托架、转轴、轴承、电机、变频器、动静态应变测试仪和平衡器；所述模型箱包括标准砂填筑室、渗流水储蓄室和挡墙活动室，变电供电控制系统、反力架系统、挡墙动力系统、挡墙及土压力测量采集系统和密封防水附属系统；还包括可移动的第一钢板和第一螺杆、第二钢板和第二螺杆。

所述模型箱的外形轮廓呈长方形箱形；模型箱的主体框架由钢材焊制而成，两侧镶嵌钢化玻璃；所述模型箱主体框架内部自左向右分别设置有渗流水储蓄室、标准砂填筑室和挡墙活动室；渗流水储蓄室与标准砂填筑室之间由第一钢板隔离开，第一钢板在支撑和第一螺杆作用下能作水平方向移动；标准砂填筑室与挡墙活动室由第二钢板和挡墙隔离开，第二钢板和挡墙在爪形支撑和第二螺杆的作用下，挡墙随同第二钢板能作水平方向移动或转动；挡墙及土压力测量采集系统设置在标准砂填筑室；变电供电控制系统安装在反力架系统外侧的墙上。

所述渗流水储蓄室是对渗流水进行储蓄、提供稳定渗流条件的场所；所述渗流水储蓄室一端的第一钢板与钢化玻璃两侧部和模型箱底部紧密贴合；所述第一钢板上中部连接有第一螺杆，摇动第一螺杆，即能使第一钢板在水平方向前后运动，进而调节渗流水储蓄室的大小。

所述标准砂填筑室是进行各项土压力试验的场所，在其内部进行标准砂的填筑、彩砂的标注、测压管的埋设以及不同距离的振动电机的安放；在标准砂填筑室和挡墙活动室中间还设有第二钢板，控制渗流水储蓄室第一钢板与第二钢板距离便可调节其大小；所述标准砂填筑室第二钢板是构建压力盒挡墙及土压力测量采集系统的基础平台，安装有试验预制的土压力盒和微型渗压计的挡墙均安装第二钢板上，根据试验需要和人工拆卸的方法实现挡墙的先后更换。

所述挡墙活动室是挡墙实现3种主动变位模式的场所，即绕底部转动的RB模式、平动的T模式和绕顶部转动RT模式；

所述挡墙动力系统位于挡墙活动室，包括第二螺杆、爪形支撑、转轴、支座托架、电机和变频器；通过铰链将爪形支撑的上下两根杆件的一端和挡墙及土压力测量采集系统连接在一起；变频器安装在电机上，变频器与变电供电控制系统中的变电供电箱内电阻元件相连，通过控制旋钮的电子元件控制变频器，进而控制电机转动快慢，最终控制挡墙运动快慢，变频器和电机一同通过螺钉固定在模型箱外部框架的钢材上，然后与反力架系统中的T形钢架相连；支座托架限制第二螺杆的竖向位移，为该系统提供支撑保持稳定。

所述变电供电控制系统包括变电供电箱，所述变电供电控制系统所需的外界输入电压为220V，输入电压降压后通过变电供电箱另一端的输出线路连接至挡墙动力系统；所述变电供电箱设有可自主控制装置，包括电源开关、 挡墙前进后退开关和挡墙运动快慢调节旋钮；变电供电控制系统可实现3种主动变位模式，即RB模式、T模式和RT模式。

所述反力架系统位于安装在整个模型箱的最右端，反力架系统包括T形钢架，T形钢架一端安装在右边的墙面上，一端顶住与和其主体结构由钢材焊制而成； T形钢架17将挡墙动力系统传递过来的力分配出去，并能起到固定电机、维护稳定与安全的作用；变电供电控制系统中变电供电箱的输出线路也是沿着反力架系统外壁与电机连接。

反力架系统与挡墙活动室隔壁相邻；在挡墙活动室和反力架系统中间设有一块薄钢板在挡墙活动室内，可填筑25cm高的标准砂模拟基坑内部，薄钢板上还钻有一排圆孔，可起到增高水位浸润线和实现稳定渗流的作用。

所述挡墙及土压力测量采集系统主要包括土压力盒挡墙、微型渗压计挡墙、标准砂填筑室内的固定钢板、动静态应变测试仪；采用木板制成的挡墙的尺寸高×宽×厚为1350mm×800mm×20mm，表面钻有6个可用螺栓与标准砂填筑室内的固定钢板连接的圆孔，布置土压力盒、微型渗压计，在活动挡墙上共布置了3列21个土压力盒。

所述附属系统包括平衡器、密封防水薄膜以及渗流水管和照明灯；平衡器用于调节模型箱的高低，使其保持水平和稳定，共有4个，分别垫在模型箱的脚座上。

一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）土压力盒和渗流计的标定，试验采用的土压力盒和微型渗压计在出厂前均由厂商进行过标定，分别进行油压和水压标定；再分别对现有的土压力盒和渗压计进行试验现场二次标定；

（2）测量无水无荷载条件下标准砂土作用在挡土墙上3种挡墙主动变位模式的土压力，为测量稳定渗流和振动荷载下土压力试验提供基础；

（3）进行渗流作用下有限宽度砂土主动土压力试验：

1）分别测试静水压力作用下以及稳定渗流作用下有限宽度砂土3种模式下主动水土压力总值和孔隙水压力值；

2）清理整理模型箱内部，调节渗流水储蓄室钢板至规定位置更换成微型渗压计挡墙并连接应变仪，将参数输入采集分析软件内；

3）启动电机，使其开始产生位移模式运动，记录各个渗压计的时程曲线和挡墙位移值，观察土体的破坏过程及最终状态，停止挡墙运动，维持破坏状态30分钟并持续记录，输出图形；

（4）进行振动荷载作用下有限宽度砂土主动土压力试验：

1）清理整理模型箱内部，将土压力盒挡墙安装好，调节渗流水储蓄室钢板；

2）连接应变仪上的通道，输入参数至采集分析软件；

3）做好防水密封措施，在挡墙表面粘满试验用标准砂；将土压力盒传感器调零，采用“人工落砂”法使用彩砂分层铺设标准砂，铺平其表面，土体静置；

4）先测量一段时间的初始土压力值并记录，然后放置振动装置至近距离位置；

5) 启动振动电机，平稳振动一段时间后，开始3种位移模式运动，观察土体的破坏过程及最终状态，停止挡墙运动，维持破坏状态振动一段时间后，输出数据。

本发明的有益效果在于，本发明装置包括3室5系统，即标准砂填筑室、渗流水储蓄室、挡墙活动室，变电供电控制系统、反力架系统、挡墙动力系统、挡墙及土压力测量采集系统、密封防水等附属系统；是揭示土压力随稳定渗流和振动荷载下变化发展规律和验证土压力理论的有力工具。该装置满足了在稳定渗流和振动荷载下土压力分布规律的研究需要，对土压力理论的发展，以及工程技术水平的提高具有重要意义。

本发明适用于模拟地下水渗流下土压力试验，也适用于模拟在交通荷载作用下土压力试验。

附图说明

图1是本发明装置的主视图；

图2是本发明装置的俯视图；

图3是活动挡板墙运动装置的立面图；

图4是活动挡板RB（绕底部转动）变位模式图；

图5是活动挡板RT（绕顶部转动）变位模式图；

图6是活动挡板T（平动）变位模式图；

图7是挡墙尺寸及土压力盒分布图；

图8是稳定渗流试验模型图；

图9是振动荷载试验模型图；

图10是RB模式主动土压力随埋置深度分布图；

图11是稳定渗流下RB模式主动水土压力分布图；

图12是土压力盒振动时程曲线图。

图中：1为主体框架，2为第一螺杆，3为渗流水储藏室，4为支撑，5为标准砂储藏室，6为挡墙活动室，7为反力架系统，8为轴承，9为第二螺杆，10为爪形支撑，11为转轴，12为支座托架，13为变频器，14为圆孔，15为系统主板，16为电源开关，17为T型钢架，18为电线，19为钢薄板，20平衡器，21为第一钢板，22为挡墙，23为第二钢板，24为电机，25为运动快慢开关，26为前进后退开关，27为土压力盒，28为自来水，29为未做防渗水处理的挡墙，30为已做防水处理的挡墙，31活动挡墙，32为远距离振动电机，33为中距离振动电机，34为近距离振动电机，35为变电供电箱，36为渗流水通道。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图所示。

本实施例一种模拟稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置，包括模型箱1、钢化玻璃、钢板21、箱形钢材、第一螺杆2、第二螺杆9、第一钢板21、第二钢板23、支撑4、土压力盒27、挡墙22、反力架系统7、变电供电箱35、T形钢架17、爪形支撑10、支座托架12、转轴11、轴承8、电机24、变频器13、动静态应变测试仪、平衡器20等。

本实施例中的模型箱可分成8大核心内容，总的概括为“三室五系统”，其中三室指的是标准砂填筑室5、渗流水储蓄室3、挡墙活动室6，五系统指的是变电供电控制系统35、反力架系统7、挡墙动力系统、挡墙及土压力测量采集系统、密封防水等附属系统。

模型箱如图1和图2所示，模型箱的外形轮廓呈长方形箱形，其外形尺寸长×宽×高为2.5m×1.0m×1.5m。模型箱的主体框架1由10cm宽、1cm厚的矩形钢管焊制而成，两侧镶嵌20mm厚钢化玻璃。

本实施例中的渗流水储蓄室3是对渗流水进行储蓄、提供稳定渗流条件的主要场所，一块8mm厚第一钢板21将渗流水储蓄室3与标准砂填筑室5分隔开，并且与钢化玻璃两侧部和模型箱底部紧密贴合。所述第一钢板中部水平方向垂直于钢板安装有第一螺杆2，旋转此第一螺杆，即可使第一钢板在水平方向上左右运动进而调节渗流水储蓄室的大小。

本实施例中的标准砂填筑室5是进行各项土压力试验的主要场所，可在其内部进行标准砂的填筑、彩砂的标注、测压管的埋设；以及远距离振动电机32、中距离振动电机33、近距离振动电机34的安放，如图9所示。在标准砂填筑室5和挡墙活动室6中间还设有一块15mm厚的第二钢板23，控制渗流水储蓄室第一钢板与此第二钢板距离便可调节其大小。标准砂填筑室的第二钢板23是构建压力盒挡墙以及土压力测量采集系统的基础平台；安装有试验预制的土压力盒和微型渗压计的挡墙贴靠并安装在第二钢板上；根据试验需要和人工拆卸的方法可实现挡墙的更换。

本实施例挡墙活动室6中的挡墙结构如图3所示，由轴承8、第二螺杆9、爪形支撑10、转轴11、支座托架12、挡墙22和第二钢板23构成。挡墙22贴靠并安装在第二钢板23上；爪形支撑10的爪脚安装固定在第二钢板23的上下两端；爪形支撑10中心的螺孔水平安装有第二螺杆9；支座托架12垂直安装在模型箱底板上，第二螺杆9的一端通过轴承8安装在支座托架12上；挡墙底部设置了渗流水通道36。

本实施例中的挡墙活动室6是挡墙实现3种主动变位模式的运动场所。RB模式是挡墙下端不动，在第二螺杆的作用下，挡墙绕底部转动的模式，如图4所示；RT模式是挡墙上端不动，在第二螺杆的作用下，挡墙绕顶部转动的模式，如图5所示；T模式是挡墙在第二螺杆的作用下，挡墙沿水平方向整体移动的模式，如图6所示。

本实施例中的挡墙动力系统位于挡墙活动室中，反力架系统7与该隔室相邻。在挡墙活动室6和反力架7中间设有一块5mm厚50cm高90cm长的薄钢板14，在挡墙活动室内可填筑25cm高的标准砂模拟基坑内部，薄钢板上还钻有一排圆孔14，可起到增高水位浸润线和实现稳定渗流的作用。

本实施例中的变电供电控制系统主要由变电供电箱35构成，该控制系统所需的外界输入电压为220V，输入电压降压后通过电箱另一端的输出线路连接至挡墙动力系统。其中，变电供电箱设有可自主控制装置，包括电源开关16、 挡墙前进后退开关26和挡墙运动快慢调节旋钮25。变电供电控制系统可实现3种主动变位模式，即RB模式、RT模式和T模式。

本实施例中的反力架系统位于整个模型箱的最右端，主体结构由1.5cm厚矩形钢管焊制而成。由螺钉固定的T形钢架将挡墙动力系统传递过来的力分配出去，并能起到固定电机、维护稳定与安全的作用。变电供电控制系统中变电供电箱的输出线路也是沿着反力架外壁与电机连接，可避免试验过程的妨碍，起到简洁美观的效果。

本实施例中的挡墙动力系统是整个试验模型箱的关键部分之一，其位于挡墙活动室内部，核心构件包括爪形支撑10、支座托架12、第二螺杆9、转轴11、电机24以及变频器13等。其中，通过铰链将爪形支撑10的上下两根杆件的一端和挡墙及土压力测量采集系统连接在一起。变频器13安装在电机24上，变频器13与变电供电控制系统中的变电供电箱内电阻元件相连，通过控制旋钮的电子元件控制变频器，进而控制电机转动快慢，最终控制挡墙运动快慢，变频器13和电机24一同通过螺钉固定在模型箱外部框架的钢材上，然后与反力架系统中的T形钢架17相连。支座托架12限制第二螺杆的竖向位移，为该系统提供支撑保持稳定。

所述的挡墙及土压力测量采集系统主要包括土压力盒挡墙、微型渗压计挡墙、标准砂填筑室内的固定钢板、动静态应变测试仪。采用木板制成的挡墙如图7所示，挡墙的尺寸 高×宽×厚 为1350mm×800mm×20mm，表面钻有6个可用螺栓与标准砂填筑室内的固定钢板连接的圆孔14，布置土压力盒27、微型渗压计，在活动挡墙上共布置了3列21个土压力盒27。

所述的附属系统包括平衡器20、密封防水薄膜以及渗流水管和照明灯等。平衡器20可用于调节模型箱的高低，使其保持水平和稳定，共有4个，分别垫在模型箱的脚座上。

本实施例一种实现稳定渗流和振动荷载下土压力试验装置的操作过程如下：

实施例1：三种变位模式下标准砂主动土压力试验。

试验分别测试了宽65cm、高130cm(有限土体)和宽80cm、高130cm(半无限土体)土体3种挡墙变位模式下主动土压力值，共计6组试验，见表1所示。

由于这6组试验的步骤较为相似，现以宽80cm、高130cm土体的RB模式下主动土压力试验为例进行阐述。

清理整理模型箱内部，将之前制作好的土压力盒挡墙，如图7所示；用6根螺钉固定在标准砂填筑室钢板上，引出土压力盒27的外接应变仪的电缆线；如图8所示，调节渗流水储蓄室钢板至规定位置，使标准砂填筑室内土体体积长×宽×高为80cm×80cm×130cm；

② 将21个土压力盒连接至应变仪上对应的通道，打开电源16，将应变仪和电脑连接，打开DHDAS动态信号采集分析软件，新建好工程文件，输入之前标定好的参数；

③ 将塑料薄膜间粘贴双面胶并涂抹凡士林后，铺设在土压力盒挡墙与试验槽两侧钢化玻璃间的缝隙上，在缝隙间粘贴适量橡皮泥，并做好防水密封措施；

④ 在土压力盒挡墙上涂抹润滑油后，在其墙面粘满试验用标准砂，保证挡墙表面的粗糙度与土体一致，减小试验误差；

⑤ 转到DHDAS动态信号采集分析软件，将土压力盒传感器调零；

⑥ 采用“人工落砂”法分层铺设标准砂，每层标准砂的厚度为15cm，每层之间填筑了一层薄薄的彩砂，填筑至规定高度后铺平其表面，需将土体静置48h；

⑦ 静置到规定时间后，可准备开始测量，注意先测量一段时间的初始土压力值并做好记录；

⑧ 按实现RB位移模式的方法控制挡墙绕墙底转动，调控好挡墙运动速度，同时记录各个土压力盒的压力时程曲线和挡墙位移值，观察土体破坏过程及最终状态，做好停止电机运动的准备；

⑨ 停止挡墙运动，记录挡墙的运动距离，测量并记录破裂面的位置，维持破坏状态30分钟并持续记录；

⑩ 试验完成后，输出挡墙运动位移-时间曲线、土压力值-埋深曲线，和破裂面(彩砂位置)图形，如图10所示是RB模式主动土压力随埋置深度分布图。

实施例2：稳定渗流作用下有限宽度砂土主动土压力试验。

试验分别测试了静水压力作用下以及稳定渗流作用下有限宽度砂土RB模式下主动水土压力总值和孔隙水压力值，共计4组试验，见表2所示。

这4组试验的步骤相似，仅水流动条件不同，并且与实例1相辅相成，现以稳定渗流条件下测量孔隙水压力值为例进行阐述。

清理整理模型箱内部，调节渗流水储蓄室钢板至规定位置，使标准砂填筑室内土体体积长×宽×高为60cm×80cm×100cm；更换成微型渗压计挡墙并连接应变仪，将参数输入采集分析软件内。

② 做好防水密封措施，在其墙面粘满试验用标准砂；将土压力盒传感器调零，分层铺设标准砂，将土体静置48h；先测量一段时间的初始孔隙水压力值，加水并达到稳定渗流，记录渗流过程和稳定渗流的时程曲线。

③ 发动电机开始产生RB位移模式运动，记录各个渗压计的时程曲线和挡墙位移值，观察土体的破坏过程及最终状态，停止挡墙运动，维持破坏状态30分钟并持续记录，输出图形。图11所示为稳定渗流下RB模式主动水土压力分布图。

实施例3：振动荷载作用下有限宽度砂土主动土压力试验。

为了模拟基坑边存在振动荷载的情况，分析振动荷载距离基坑边的位置对基坑以及主动土压力和破裂面的影响，试验时电机将平放在标准砂填筑室内，并根据电机至埋置土压力盒的活动挡墙的距离设置了“近距离34”、“中距离33”和“远距离32”3种不同位置，同样的，分别设置了宽度为65cm、高度为130cm(有限土体)和宽度为80cm、高度为130cm(半无限土体)2种宽度土体进行RB模式(变位模式实现方法参见实例1)下主动土压力试验。

振动荷载作用下有限宽度砂土主动土压力试验分成6个阶段性试验，试验仍以标准砂为研究对象，分别进行土体宽度65cm电机位置“近距离振动电机34”、“中距离振动电机33”和“远距离振动电机32”RB模式下主动土压力试验，土体宽度80cm电机位置“近距离振动电机”34、“中距离振动电机33”和“远距离振动电机32”RB模式下主动土压力试验。砂土的铺设依然采用“人工落砂法”，铺好的土样静置48小时，试验更换成埋置土压力盒的挡墙。

如表3所示，列举出了振动荷载作用下有限宽度砂土主动土压力试验的6个阶段性试验。

这6组试验的步骤相似，仅土体宽度和振动荷载位置两个条件不同，且与三种变位模式下标准砂主动土压力试验相承接，现以宽度为80cm近距离条件的试验为例阐述。

① 清理整理模型箱内部，将土压力盒挡墙安装好，调节渗流水储蓄室钢板；

② 连接应变仪上的通道，输入参数至采集分析软件；

③ 做好防水密封措施，在挡墙表面粘满试验用标准砂；将土压力盒传感器调零，采用“人工落砂”法使用彩砂分层铺设标准砂，铺平其表面，土体静置48h；

④ 先测量一段时间的初始土压力值并记录，然后放置振动装置至近距离位置；

⑤ 启动振动电机，平稳振动一段时间后，开始RB位移模式运动，观察土体的破坏过程及最终状态，停止挡墙运动，维持破坏状态振动一段时间后，输出数据。图12所示是土压力盒振动时程曲线图。