柱体结构主被动土压力联合模型实验装置及其试验方法

摘要

本发明涉及岩土工程支护结构研究的技术领域，公开了柱体结构主被动土压力联合模型实验装置，包括实验槽、制动装置、柱体模型、缆绳和压力传感器，所述实验槽内装有充填物，所述柱体模型竖直埋设于所述填充物中，所述压力传感器安装于所述柱体模型的表面且被所述充填物覆盖，所述制动装置通过收拢所述缆绳来牵引所述柱体模型；所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设于所述柱体模型的运动方向上；所述第二压力传感器设于背离所述柱体模型的运动方向上。通过测量柱体模型发生位移时的主被动土压力，能有效模拟并测量支护结构在土体滑动时受到的主被动土压力情况，对实际的支护结构的设计及施工有重要的参考意义。

说明书

技术领域

本发明专利涉及岩土工程支护结构研究的技术领域，具体而言，涉及柱体结构主被动土压力联合模型实验装置及其试验方法。

背景技术

近几年，由于城市地铁工程车站、综合管廊明挖区间、高层建筑等涉及的大量的深、大基坑工程，危险边坡治理工程中的抗滑桩，老旧偏斜建筑物纠偏工程中的卸土孔，码头等变形敏感高强度堆载地区周边布设的卸荷孔等工程均应用了了大量的支护结构。这些支护结构是为保证结构施工或工程周边环境的安全，对侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。而一般的基坑支护多是临时结构、投资太多也易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容之一。

支护结构在土体滑动趋势下，其一侧受到主动土压力作用，另一侧受到被动土压力作用，在支护结构的设计过程中，对支护结构在土体滑动时所受到的主动土压力和被动土压力情况的研究非常有必要，现有技术中缺乏模拟并测量支护结构在土体滑动时其主动土压力和被动土压力的简便装置。

发明内容

本发明的目的在于提供柱体结构主被动土压力联合模型实验装置及其试验方法，旨在解决现有技术中，模拟并测量支护结构在土体滑动时其主动土压力和被动土压力的简便装置的问题。

本发明是这样实现的，柱体结构主被动土压力联合模型实验装置，包括实验槽、制动装置、柱体模型、缆绳和压力传感器，所述实验槽内装有充填物，所述柱体模型竖直埋设于所述填充物中，所述压力传感器安装于所述柱体模型的表面且被所述充填物覆盖，所述制动装置通过收拢所述缆绳来牵引所述柱体模型；所述压力传感器包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设于所述柱体模型的运动方向上，用于测量被动土压力；所述第二压力传感器设于背离所述柱体模型的运动方向上，用于测量主动土压力。

进一步的，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器布置在所述柱体模型外表面的同一高度上。

进一步的，在所述柱体模型外表面的不同高度上布置有多个所述压力传感器，用于测量不同高度的主动土压力和被动土压力。

进一步的，所述制动装置连接有加载控制器，用于控制所述制动装置收放所述缆绳的速度。

进一步的，所述压力传感器连接有数据采集系统，所述压力传感器所测得的压力数据传输至所述数据采集系统。

进一步的，所述缆绳上设有拉力传感器，用于检测所述缆绳的拉力，所述拉力传感器所测得的拉力数据传输至所述数据采集系统。

进一步的，所述制动装置包括刚性框架、电机和滑轮组，所述电机和所述滑轮组设于所述刚性框架上，所述缆绳经由所述滑轮组导引后连接至所述电机，所述滑轮组包括下滑轮和上滑轮，所述上滑轮在所述刚性框架上的高度可调。

进一步的，所述压力传感器为箔式微型压力计。

基于柱体结构主被动土压力联合模型实验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：搭设并调整好实验装置：先将柱体模型放入实验槽中，固定所述柱体模型的底端，在所述柱体模型的外侧表面布置多个压力传感器，将所述压力传感器通过数据传输导线连接至数据采集系统，再向所述实验槽中填土至预设深度；将制动装置与所述柱体模型通过缆绳连接；

S02：启动所述制动装置，由加载控制器控制所述制动装置的电机转动，带动所述柱体模型产生位移，所述压力传感器测得主动土压力和被动土压力数据，并将其传输至所述数据采集系统进行处理。

进一步的，在步骤S01中，先后采用所述柱体模型和平板模型进行主被动土压力及加载拉力的测试，所述平板模型在运动方向上和所述柱体模型具有相同的横截面。

与现有技术相比，本发明提供的柱体结构主被动土压力联合模型实验装置，通过柱体模型模拟支护模型，通过实验槽内的充填物模拟土体，由于物体运动是相对的，力的作用是相互的，参照物发生变化，其运动情况、受力情况具有对应关系，从而通过制动装置拉动柱体模型在充填物中运动可模拟土体滑动时支护结构的受力情况，通过压力传感器测量柱体模型受到的主动土压力和被动土压力来表征土体滑动时支护结构受到的主动土压力和被动土压力情况，结构简便，能有效地模拟并测量支护结构在土体滑动时受到的主动土压力和被动土压力情况，对实际的支护结构的设计及施工有重要的参考意义。

附图说明

图1是本发明提供的柱体结构主被动土压力联合模型实验装置的立体示意图；

图2是本发明提供的柱体结构主被动土压力联合模型实验装置的柱体模型及压力传感器布置的立体示意图；

图3是本发明提供的柱体结构主被动土压力联合模型实验装置的土压力测试示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-3所示，为本发明提供的较佳实施例。

柱体结构主被动土压力联合模型实验装置，包括实验槽10、制动装置30、柱体模型20、缆绳50和压力传感器40，所述实验槽10内装有充填物，所述柱体模型20竖直埋设于所述填充物中，所述压力传感器40安装于所述柱体模型20的表面且被所述充填物覆盖，所述制动装置30通过收拢所述缆绳50来牵引所述柱体模型20；所述压力传感器40包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设于所述柱体模型的运动方向上，用于测量被动土压力；所述第二压力传感器设于背离所述柱体模型的运动方向上，用于测量主动土压力。

本实施例提供的柱体结构主被动土压力联合模型实验装置，通过柱体模型20模拟支护模型，通过实验槽10内的充填物模拟土体，由于物体运动是相对的，力的作用是相互的，参照物发生变化，其运动情况、受力情况具有对应关系，从而通过制动装置30拉动柱体模型20在充填物中运动可模拟土体滑动时支护结构的受力情况，通过压力传感器40测量柱体模型20受到的主动土压力和被动土压力来表征土体滑动时支护结构受到的主动土压力和被动土压力情况，结构简便，能有效地模拟并测量支护结构在土体滑动时受到的主动土压力和被动土压力情况，对实际的支护结构的设计及施工有重要的参考意义。

基坑的支护结构多为轴对称柱体，因此在本实施例中柱体模型20采用刚性圆柱模型，并采用不同直径的刚性圆柱模型来模拟实际当中不同直径的支护结构。在具体实施例中，柱体模型20为圆筒形结构，柱体模型20包括柱体部和设于柱体部上端的牵引部，柱体部与牵引部固定连接，例如螺钉连接、焊接、铆接等。柱体部呈圆筒形，柱体部采用刚性材料制成，例如钢化玻璃、高刚度的塑料、金属等，优选的，柱体部采用刚性透明材料制成，从而在模拟实验中，用户可通过透明的柱体部的内侧观察到柱体模型20在受到牵引时，柱体部外侧的充填物和柱体部之间的相对运动情况。牵引部包括圆筒状盖体和设于圆筒状盖体外侧的牵引头，牵引部采用强度较高的材料制成，例如铝业金、铜合金、铁等，避免牵引部被牵引时，牵引部发生明显形变、撕裂、损坏等。

在具体的实施例中，实验槽10采用工字钢和钢化玻璃制成，由工字钢搭建实验槽10框架，实验槽10的底面和侧面可采用钢化玻璃制成，实验槽10的长度为3m，宽度为1m，装有深度为60cm的天然砂，通过试验测定天然砂容重为18.3kN/m

缆绳50具有较好的强度，例如采用钢绞线。

压力传感器40采用箔式微型压力计，直径16mm，经测试率定，箔式微型压力计输出灵敏度为0.00562mV/kPa/cm

箔式微型压力计通常为电阻式压力传感器，其包含金属箔式电阻应变片，它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。将合金先轧成厚度为0.002mm～0.01mm的箔材，经过热处理后在一面图刷一层0.03～0.05mm厚的树脂胶，再经聚合固化形成基底。在另一面经照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成敏感栅，焊上引线，并涂上与基底相同的树脂胶作为覆盖片。箔式应变计的敏感栅的横截面积为矩形，表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，灵敏度系数较高。箔式应变计比丝式应变计厚度薄，其厚度一般为0.003～0.01mm，由于它的厚度薄，具有较好的可绕性，因此可以根据需要制成任意形状的敏感栅(即应变花)和微型小基长(如基长为0.1mm)，有利于传递变形。

在柱体模型20外表面的同一高度上布置有多个压力传感器40，其中在柱体模型20的运动方向上设有第一压力传感器40，用于测量被动土压力；在背离柱体模型20的运动方向上设有第二压力传感器40，用于测量主动土压力。

在柱体模型20外表面的不同高度上布置有多个压力传感器40，用于测量不同高度的主动土压力和被动土压力。

压力传感器40连接有数据采集系统80，压力传感器40所测得的压力数据传输至数据采集系统80。例如，压力传感器40通过数据传输导线70与数据采集系统80连接。压力传感器40被布置在柱体模型20的外侧，例如压力传感器40通过双面胶、胶水等粘贴在柱体模型20的外侧表面，数据传输导线70也布置在柱体模型20的外侧表面，数据传输导线70将压力传感器40所测得的数据传输给数据采集系统80，如计算机。用户可根据需要将多个压力传感器40布置在柱体模型20外侧表面的任何位置，比较方便。

或者，在柱体模型20上，压力传感器40所要的布置的位置钻设有小孔，数据传输导线70穿设于小孔，数据传输导线70从柱体模型20的内侧走线，避免数据传输导线70在柱体模型20外侧表面的布置可能对土体的流动有影响，而影响土压力测量的准确度。在小孔处，数据传输导线70套设有橡胶密封圈，避免作为充填物的天然砂从小孔处泄漏。

箔式微型压力计在刚性柱体模型20上的布置如图2-3所示，箔式微型压力计按照图中所示顺序进行编号，箔式微型压力计沿深度方向从上到下布置四列，依次编号为1、2、3、4，每列的垂直间隔距离如图中d所示为12cm，如图2俯视图所示沿环向均匀布置五列，依次编号为A、B、C、D、E，其中试验中刚性圆柱模型沿EA方向运动，因此A为被动土压力侧，E为主动土压力侧，以AE为对称轴另一侧土压力分布情况与布置箔式微型压力计一侧相同，因此不再布置压力计。每个箔式微型压力计的编号可由环向和深度方向编号的组合表示，如被动侧填土表面下12cm、24cm、36cm、48cm处箔式微型压力计编号分别为A1、A2、A3、A4，依同样方式可知其他箔式微型压力计编号，如B1、B2、B3、B4。

制动装置30连接有加载控制器，用于控制制动装置30收放钢绞线的速度。

本次试验采取恒定速度的加载方式，加载速度采用100mm/min，或者以更慢的加载速度牵引。

制动装置30包括刚性框架、电机和滑轮组，电机和滑轮组设于刚性框架上，钢绞线经由滑轮组导引后连接至电机。刚性框架牢固地固定在地板上，电机转动，收拢钢绞线，从而带动柱体模型20运动。刚性框架可采用工字钢等刚性材料制成。

滑轮组至少包括一个下滑轮31和一个上滑轮32，下滑轮31的转动轴固定在刚性框架的底部框架上，电机设于刚性框架的底部，电机驱动线轮转动，线轮用于收纳钢绞线，线轮的位置与下滑轮的位置基本平齐，便于收拢钢绞线。

滑轮组包括下滑轮和上滑轮，刚性框架包括左立柱和右立柱，在刚性框架的左立柱和右立柱之间设有横梁，上滑轮32设于横梁上；横梁的高度可调。例如，上滑轮32的转动轴固定在横梁上，横梁的两端分别与左立柱和右立柱固定连接，左立柱和右立柱上在竖直方向每隔一定距离设有固定孔，横梁的两端分别通过螺钉固定在左立柱和右立柱的固定孔位置，通过调整横梁在左立柱和右立柱上的固定位置，使得横梁处于不同的高度，从而上滑轮32处于不同的高度，实现了滑轮组高度可调。在试验中调节上滑轮32的高度，使钢绞线基本水平，柱体模型20的牵引部受到水平方向的牵引力。

或者，在刚性框架的左立柱和右立柱之间设有横梁，上滑轮32的转动轴固定在横梁上，横梁的两端设有强磁体，分别与左立柱和右立柱磁性连接，从而横梁的高度可随意调节，不受固定孔或者卡位等限制。在左立柱和右立柱上，与横梁贴近的表面上，设有锯齿状的连续台阶，锯齿状的连续台阶每隔0.5cm具有一个水平台阶面和一个倾斜面，相邻水平台阶面之间以倾斜面连接；而横梁的两端相应地设置有与连续台阶相匹配的锯齿部，两者相互配合，使得横梁磁吸附在左立柱和右立柱上，但由于锯齿状连续台阶的作用不会有竖直方向的滑动。

钢绞线上设有拉力传感器51，用于检测钢绞线的拉力。拉力传感器51所测得的拉力数据也通过数据传输导线70传输至数据采集系统80，便于后续的数据处理、比较。

在实验槽10的底部在钢绞线牵引柱体模型20的一侧设有挡块，用于阻挡柱体模型20的底端前移。当钢绞线牵引柱体模型20向前运动时，由于挡块的作用，使得柱体模型20的底端不能前移，而柱体模型20的顶端在钢绞线的牵引下向前运动，从而柱体模型20的运动类似于以底端为中心的转动。

在试验中，主动土压力的产生仅需产生很小的位移，钢绞线的加载速度较缓慢，柱体模型20的顶端缓慢前移，模拟现实支有效护结构附近土体的滑动。

柱体结构主被动土压力联合模型实验装置的试验方法，包括以下步骤：

S01：搭设并调整好实验装置：先将柱体模型20放入实验槽10中，固定所述柱体模型20的底端，在所述柱体模型20的外侧表面布置多个压力传感器40，将压力传感器40通过数据传输导线70连接至数据采集系统80，向所述实验槽10中填土至预设深度；将制动装置30与所述柱体模型20通过缆绳50连接；

S02：启动制动装置30，由加载控制器控制制动装置30的电机转动，带动所述柱体模型20产生位移，所述压力传感器40测得主动土压力和被动土压力数据，并将其传输至所述数据采集系统80进行处理。

在步骤S01中，在柱体模型20外表面的同一高度上布置有多个压力传感器40，其中在柱体模型20的运动方向上设有第一压力传感器40，用于测量被动土压力；在背离柱体模型20的运动方向上设有第二压力传感器40，用于测量主动土压力。在柱体模型20外表面的不同高度上布置有多个压力传感器40，用于测量不同高度的主动土压力和被动土压力。

在步骤S01中，第一压力传感器40处于A位置，第二压力传感器40处于E位置，调整位置使柱体模型20的AE面和制动装置30、导向轮在同一平面，确保柱体模型20产生位移后仍位于该平面而不产生平面外运动，然后向实验槽10中填土至预设深度60cm。

在步骤S01中，制动装置30的电机驱动缆绳50的收放，缆绳50通过滑轮组连接至柱体模型20顶端的牵引部，调整滑轮组的上滑轮32的高度，使得缆绳50在水平方向上牵引柱体模型20。

在步骤S01中，在缆绳50上靠近柱体模型20的位置设置有拉力传感器51，拉力传感器51呈水平布置，其所测得的拉力数据通过数据传输导线70传输至数据采集系统80。

在步骤S01中，柱体模型20采用不同直径的刚性圆柱模型，作为对比，采用平板模型，对比在运动方向具有相同横截面的圆柱模型和平板模型的土压力及加载拉力的差异。

在步骤S02中，加载控制器控制制动装置30采取恒定速度方式加载，加载速度为100mm/min。

在步骤S02中，加载开始后，由于柱体模型20右侧产生离开填土方向的移动，主动土压力值开始缓慢减小，然后主动土压力值产生了突然的减小，是由于该时刻柱体模型20后填土处于极限平衡状态。

试验结果如下：

针对直径为50cm的圆柱模型和宽度为50cm的平板模型以相同的加载速度进行拉力测试，两者垂直于运动方向的截面积相同，但两次测量得到的拉力有差异，表明圆柱模型和平面模型的土压力存在差异。

针对三个不同直径的圆柱模型以相同的加载速度进行拉力测试，经过测试和比较，随着圆柱模型直径的减小，垂直于运动方向的截面积变小，而所测得的拉力也变小。

另外，主动土压力的产生仅需产生很小的位移，而距填土表面12cm处和24cm处测点由于静止土压力本身较小，在较小位移下土压力测试结果规律不明显；而距填土表面36cm处和48cm处测点，所测得的主动土压力有明显变化，加载开始后由于圆柱模型右侧产生离开填土方向的移动，土压力值开始缓慢减小，然后三个不同直径圆柱模型均产生了突然的减小，是由于该时刻圆柱模型后填土处于极限平衡状态，在极限平衡状态之后的主动土压力有明显减小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。