一种有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种岩土工程中土压力试验装置，特别是涉及填土宽度变化的有限土体刚性挡墙下的土压力模型试验装置，可用于量测不同变位模式、不同挡墙位移下主动或者被动土压力问题。
【背景技术】
[0002]在土工挡土墙，如基坑围护结构、桥墩基础和粧基承台等实际工程结构中，主动或者被动土压力问题至关重要。经典的库伦或朗肯土压力理论均假定挡墙后土体为半无限体，而实际情况下，经常会有临近的挡墙或者基岩面存在，且挡墙间土体的宽度与深度之比往往较小，主动区或被动区土体不再满足半无限体的假定，此时应考虑土体宽度和相邻挡墙的影响。因此不同填土宽度影响下作用在刚性挡土墙上的土压力问题是迫切需要解决的问题。
[0003]大量试验研究表明土压力沿挡墙深度分布与变位模式和挡墙位移有很大关系。在实际工程中，刚性挡墙的变位模式除了最基本的平动模式外还有绕墙底转动和绕墙顶转动的模式。不同变位模式对土压力的大小和分布有很大的影响。另外实际工程中，往往挡墙位移并未达到极限位移，此时主动土体的土压力比极限状态主动土压力大，被动土体的土压力比极限状态被动土压力小，因此研究非极限状态下的主动或被动土压力尤为重要。这就需要对挡墙变位模式和挡墙位移量的准确控制，需要采要高精度的加载系统和量测系统才能实现。传统的做法采用油压千斤顶控制加载，但是油压千斤顶不易长时间维荷，易在加载中荷载不断减小；且千斤顶的卸载过程难以很好控制，对于精确量测不同变位模式、不同位移下主动土压力较难实现。同时，在试验过程中需要缓慢推动挡墙才能减小挡墙和侧壁之间的摩擦，这就需要一个能精确缓慢控制加载速度的加载系统。
[0004]目前工程中常假定平面应变条件下主、被动土压力的滑裂面为通过墙踵的与水平面呈一定角度的平面，但由于临近挡墙的存在，不同的填土宽度下的滑裂面必然与经典的库伦或朗肯土压力理论的滑裂面不同。传统的土压力试验中采用色纱线确定滑裂面位置，但对于整个土体的位移场的分布却无法得知，且滑裂面需要较大的挡墙位移才可能用肉眼识别，实际工作中，不可能无限制的进行挡墙移动。这就需要一种非肉眼识别且精确地进行整个土体位移场分析的技术。
[0005]同时理论分析均建立在一定的分析模型基础上，若无法得知真实的滑裂面则无法进行正确的理论分析，且现场实测难以获得滑裂面和主、被动土压力，因此需要模型试验来明确不同填土宽度下的主、被动土压力的滑裂面及主、被动土压力与填土宽度、挡墙变位模式和挡墙位移的关系。
【发明内容】
[0006]为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置，解决了有效精确控制挡墙位移、变位模式，及量测各状态下不同深度范围的主动或者被动土压力，并确定土体变形及滑裂面发展规律等问题。
[0007]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:本实用新型有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置，包括模型箱、加载系统、挡土墙和量测系统四个部分；所述模型箱由模型箱底座、模型箱底板、模型箱框架、钢化玻璃、卡位钢块、加载系统反力架和刚性垫块组成；所述模型箱底座由工字钢焊接而成；所述模型箱底板由不锈钢板四周点焊于模型箱底座上；所述模型箱框架由不锈钢条焊接而成，并焊接于模型箱底座和模型箱底板上，在侧面的不锈钢条中开槽；所述钢化玻璃通过硅胶嵌固于侧面的不锈钢条的槽线中；所述卡位钢块焊接于模型箱底板和模型箱框架上；所述加载系统反力架的断面呈梯形，由两块梯形的钢板、三条横向钢条和反力架钢板焊接而成，并焊接于模型箱底座上；所述刚性垫块为槽型垫块，焊接于模型箱底板上，并在其上两侧各焊接一根圆钢条；所述加载系统由上下共两套可独立工作的设备组成，每套设备由三相变频调速电机、减速机、丝杆升降机和变频器组成，丝杆升降机固定于反力架钢板，减速机分别和丝杆升降机、三相变频调速电机固定连接；所述丝杆升降机包含主体和丝杆；所述挡土墙包括移动挡墙和固定边界两块刚性挡墙；所述移动挡墙由移动挡墙加固肋、移动挡墙铝合金板和移动挡墙尼龙板从模型装置左侧至右侧依次固定连接，移动挡墙通过固定铰支座连接至加载系统，移动挡墙的两侧面各自粘贴软毛窗刷条并涂抹凡士林；所述固定边界由固定边界尼龙板、固定边界铝合金板、固定边界加固肋和移动把手从模型装置左侧至右侧依次固定连接，固定边界的固定边界铝合金板刚好紧靠四角处的四个卡位钢块，固定边界的两侧面各自粘贴软毛窗刷条；所述移动挡墙尼龙板、固定边界尼龙板按照微型土压力盒的尺寸预挖孔洞且在与移动挡墙铝合金板、固定边界铝合金板接触面侧挖槽；所述固定铰支座由铰支座底座、铰支座转动铰、铰支座插销和钢套筒组成；所述铰支座底座由一块底部水平钢板和两块竖向钢板焊接而成，两块竖向钢板之间能刚好放置铰支座转动铰，且通过挖孔形成铰支座插销所需的孔洞；所述的铰支座转动铰顶部圆环形、底部螺纹形；所述铰支座插销为内部攻丝、外部抛光的钢筒，通过弹簧钢螺丝将其固定于铰支座插销的预留孔洞中；所述钢套筒为内部攻丝的圆钢筒，将丝杆和铰支座转动铰组装连接；所述量测系统包括微型土压力盒、百分表和数码照相机；所述微型土压力盒总共十六个，分为两组，分别沿着移动挡墙和固定边界的中线埋设于挡土墙上预留的孔洞中以量测各深度范围内的土压力值，微型土压力盒信号传输线通过移动挡墙尼龙板、固定边界尼龙板上的槽线引出；所述百分表利用百分表磁性表座固定，百分表的伸缩杆顶在移动挡墙上，百分表用于移动挡墙位移的量测，一共设置三个测点，均布置在与丝杆的中心同一水平面上，其中两个布置在下侧的丝杆的左右侧；所述的百分表磁性表座为轴接式磁力表座，可通过磁化及退磁开关控制表座的磁性，表座上各轴可在任意位置锁紧；所述数码照相机放置于模型箱侧面正前方并对土体进行定时拍摄，利用拍摄的照片对土体进行颗粒图像测速技术(PIV)分析，从而得出土体的位移场。
[0008]进一步地，所述卡位钢块总共设置八组，将挡墙间距分为八道，分别为0.2,0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0 和 2.5 倍填土高度。
[0009]进一步地，所述加载系统采用变频器控制三相变频调速电机的转速，并通过减速机降低转速，可控制丝杆的升降速度为0.026-0.125mm/So
[0010]进一步地，所述三相变频调速电机可通过变频器调节其转速和正转/反转；所述减速机的速比为1:100 ;所述丝杆升降机的丝杆的有效行程200mm，丝杆只能在水平面内平动而不能转动，同时将丝杆的端头处理成螺纹形，与固定铰支座连接。
[0011]进一步地，所述移动挡墙能沿着刚性垫块上的两根细圆小钢条能顺畅移动，且不发生竖向位移而仅能在竖直平面内转动。
[0012]进一步地，所述移动挡墙尼龙板和固定边界尼龙板的表面可以通过不同处理实现不同墙土接触面粗糙程度的模拟，通过表面均匀地涂抹凡士林并覆盖塑料薄膜以模拟光滑的墙体表面，通过表面粘贴透明胶带以模拟半粗糙的墙体表面，通过表面粘贴粗砂纸以模拟粗糙的墙体表面。
[0013]进一步地，所述微型土压力盒的厚度与移动挡墙尼龙板、固定边界尼龙板的厚度相等，其信号传输线通过挡土墙内的线槽引出，连接到数据采集仪和微型土压力盒供电装置上。
[0014]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0015]1、本实用新型中在移动挡墙外侧布置两套由三相变频调速电机、减速机和丝杆升降机组成的加载装置以实现水平加载，并分别由两个变频器控制调速电机的速度以实现不同的加载速度，其范围为0.026-0.125mm/s，从而能有效控制挡墙的加载速度和变位模式。且该加载装置能通过变频器调节调速电机的转动方向进而控制丝杠的升降，控制挡墙的后退或者前进，从而实现主被动土压力问题。这就解决了利用千斤顶加载时，不易长时间维荷、易在加载中荷载不断减小、卸载过程难以很好控制和位移的精度等问题。
[0016]2、本实用新型中将土压力盒埋设于尼龙板(板厚与土压力盒厚度一致)内，同时将土压力盒信号传输线也埋设于尼龙板背面的槽线中，再将尼龙塑料板用螺丝固定于铝合金板上。这样处理一是可以保证挡墙的表面平整，避免表面不平整而出现的应力集中现象；二是可以保证土压力盒背面的绝对刚性；三是较传统使用的混凝土墙体来说，同样刚度下厚度可以减小，利于试验模型的缩小，且挡墙表面为尼龙板便于粘贴砂纸、透明胶带等以处理成不同的粗糙度。
[0017]3、本实用新型在固定边界(临近挡墙)上也同样埋设土压力盒，用于量测不同变位模式、不同挡墙位移下临近挡墙上的土压力大小和分布，从而对于之后理论分析模型提供帮助。
【附图说明】
[0018]图1为有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置侧视图；
[0019]图2为有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置俯视图；
[0020]图3中(a)为移动挡墙上挡墙结构图，(b)为移动挡墙背部加固图，(C)为移动挡墙土压力盒埋设图；
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