一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置及方法与流程

本发明属于岩土力学试验技术领域，特别是涉及一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置及方法。

背景技术：

在挡土墙设计过程中，挡土墙与接触土体的界面摩擦角是土压力计算的必备参数，而界面摩擦角的准确程度，也直接关系到土压力计算的准确性以及挡土墙设计的成败。

目前，挡土墙与接触土体的界面摩擦角通常是根据土体类别并结合类似工程给出的经验值，如《建筑边坡工程技术规范》(gb50330-2013)等，导致界面摩擦角的数值具有相当程度的随意性，容易给实际工程带来安全隐患。

为了准确获取界面摩擦角，公开号为cn1699963a的中国专利，其公开了一种非散粒体材料摩擦角测定仪，尽管其能够方便简洁的获取非散粒体材料间的摩擦角，但并不适用于散粒体材料。对于公开号为cn102012220a的中国专利，其公开了一种散粒物料摩擦角或休止角测量装置和测量方法，虽然能够基于斜面仪原理获取散粒物料的摩擦角，但仅能获取散粒物料与仪器间的界面摩擦角，而无法获取两种不同材料间的界面摩擦角，其所获取的界面摩擦角与实际工程中的挡土墙与接触土体的界面摩擦角存在明显差异。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置及方法，非散粒体材料和散粒体材料均适用，所获取的界面摩擦角数值更加贴近真实值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置，包括底座、反力架、滚轴滑道、承力滑台、剪切力施加油缸、载荷力施加油缸、丝杆升降机、丝杆升降机安装架、挡土墙试样剪切盒及接触土体试样剪切盒，所述挡土墙试样剪切盒及接触土体试样剪切盒均采用圆柱筒形结构；所述反力架和滚轴滑道固装在底座上，所述载荷力施加油缸竖直固装在反力架顶端，且载荷力施加油缸的活塞杆朝下设置，在载荷力施加油缸的活塞杆端部安装有第一压力传感器；所述承力滑台位于滚轴滑道上，承力滑台在滚轴滑道上具有直线移动自由度；所述剪切力施加油缸水平固装在底座上，剪切力施加油缸的活塞杆朝向承力滑台，在剪切力施加油缸的塞杆端部安装有第二压力传感器；所述丝杆升降机通过丝杆升降机安装架竖直安装在承力滑台上，所述挡土墙试样剪切盒设置在丝杆升降机安装架顶端，且丝杆升降机的升降托盘位于挡土墙试样剪切盒内，且丝杆升降机的升降托盘与挡土墙试样剪切盒内表面间隙配合；所述接触土体试样剪切盒设置在挡土墙试样剪切盒顶部，且接触土体试样剪切盒位于载荷力施加油缸的活塞杆正下方。

在所述承力滑台与底座之间安装有拔插式的限位销。

在所述载荷力施加油缸的活塞杆与接触土体试样剪切盒之间依次配装有传力垫块及垫片，且垫片的直径等于接触土体试样剪切盒的内径。

所述挡土墙试样剪切盒的顶部筒口配装有可拆卸式的限位盘。

所述接触土体试样剪切盒的内径尺寸小于挡土墙试样剪切盒的内径尺寸。

所述第一压力传感器和第二压力传感器分别连接有第一数显表和第二数显表，通过第一数显表直接读取第一压力传感器采集的载荷力数据，通过第二数显表直接读取第二压力传感器采集的剪切力数据。

一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量方法，采用了所述的挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置，包括如下步骤：

步骤一：制备试样

首先通过取芯钻机获取圆柱状的挡土墙原始芯体，再对挡土墙原始芯体进行切片，进而制得挡土墙试样；同时，通过取土环刀直接制备接触土体试样；

步骤二：安装挡土墙试样

首先将挡土墙试样置于挡土墙试样剪切盒内，并坐落在丝杆升降机的升降托盘上；将限位盘通过螺栓安装到挡土墙试样剪切盒的顶部筒口处，然后启动丝杆升降机，使升降托盘及其上挡土墙试样逐渐抬升，直到挡土墙试样上表面与限位盘下表面紧密贴合，最后将限位盘卸下；

步骤三：安装接触土体试样

首先将接触土体试样剪切盒放置到挡土墙试样剪切盒顶部，再将取土环刀内的接触土体试样移至接触土体试样剪切盒内，并坐落在挡土墙试样上；

步骤四：在接触土体试样上表面依次放置垫片和传力垫块；

步骤五：启动载荷力施加油缸，控制载荷力施加油缸的活塞杆下伸，对接触土体试样匀速施加载荷力，通过第一压力传感器实时采集载荷力数值，并通过第一数显表实时监视载荷力数值变化，直至载荷力达到设定值；

步骤六：拔下承力滑台与底座之间的限位销，然后启动剪切力施加油缸，控制剪切力施加油缸的活塞杆伸出，依次通过承力滑台、丝杆升降机安装架、挡土墙试样剪切盒及挡土墙试样对接触土体试样匀速施加剪切力，通过第二压力传感器实时采集剪切力数值，并通过第二数显表实时监视剪切力数值变化，直到接触土体试样发生剪切破坏，并记录下此时的剪切力数值；

步骤七：重复进行若干组的接触土体试样剪切破坏试验，并在后续几组的接触土体试样剪切破坏试验中，载荷力的设定值需逐渐增大，且各组剪切破坏试验内的载荷力设定值的差值相等，并记录下每组剪切破坏试验中的剪切力数值；

步骤八：由若干组剪切破坏试验中获得的接触土体试样发生剪切破坏时的剪切力与其对应下的载荷力设定值进行直线拟合，在拟合直线的坐标系中，剪切力为纵坐标，载荷力为横坐标，而拟合直线的倾角就是挡土墙与接触土体的界面摩擦角。

本发明的有益效果：

本发明的挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置，直接通过取土环刀制备接触土体试样，无论是非散粒体材料和散粒体材料均适用，即实际工程中常遇见的黏性土和非黏性土。

当进行室内试验时，剪切力施加油缸、载荷力施加油缸和丝杆升降机均可选用自动式，当进行野外实地试验时，剪切力施加油缸、载荷力施加油缸和丝杆升降机均可选用手动式，提高了本发明的灵活性和适用范围。

本发明是基于库伦剪切定律进行设计的，保证了剪切试验中获得的界面摩擦角数值更加贴近真实值。

附图说明

图1为本发明的一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置(挡土墙试样安装阶段)结构示意图；

图2为本发明的一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置(载荷力及剪切力施加阶段)结构示意图；

图中，1—底座，2—反力架，3—滚轴滑道，4—承力滑台，5—剪切力施加油缸，6—载荷力施加油缸，7—丝杆升降机，8—丝杆升降机安装架，9—挡土墙试样剪切盒，10—接触土体试样剪切盒，11—第一压力传感器，12—第二压力传感器，13—限位销，14—传力垫块，15—垫片，16—限位盘，17—挡土墙试样，18—接触土体试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、2所示，一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置，包括底座1、反力架2、滚轴滑道3、承力滑台4、剪切力施加油缸5、载荷力施加油缸6、丝杆升降机7、丝杆升降机安装架8、挡土墙试样剪切盒9及接触土体试样剪切盒10，所述挡土墙试样剪切盒9及接触土体试样剪切盒10均采用圆柱筒形结构；所述反力架2和滚轴滑道3固装在底座1上，所述载荷力施加油缸6竖直固装在反力架2顶端，且载荷力施加油缸6的活塞杆朝下设置，在载荷力施加油缸6的活塞杆端部安装有第一压力传感器11；所述承力滑台4位于滚轴滑道3上，承力滑台4在滚轴滑道3上具有直线移动自由度；所述剪切力施加油缸5水平固装在底座1上，剪切力施加油缸5的活塞杆朝向承力滑台4，在剪切力施加油缸5的塞杆端部安装有第二压力传感器12；所述丝杆升降机7通过丝杆升降机安装架8竖直安装在承力滑台4上，所述挡土墙试样剪切盒9设置在丝杆升降机安装架8顶端，且丝杆升降机7的升降托盘位于挡土墙试样剪切盒9内，且丝杆升降机7的升降托盘与挡土墙试样剪切盒9内表面间隙配合；所述接触土体试样剪切盒10设置在挡土墙试样剪切盒9顶部，且接触土体试样剪切盒10位于载荷力施加油缸6的活塞杆正下方。

在所述承力滑台4与底座1之间安装有拔插式的限位销13。

在所述载荷力施加油缸6的活塞杆与接触土体试样剪切盒10之间依次配装有传力垫块14及垫片15，且垫片15的直径等于接触土体试样剪切盒10的内径。

所述挡土墙试样剪切盒9的顶部筒口配装有可拆卸式的限位盘16。

所述接触土体试样剪切盒10的内径尺寸小于挡土墙试样剪切盒9的内径尺寸，从而保证界面摩擦角测量过程中接触土体试样18的剪切面积恒定，避免因剪切面积变化给界面摩擦角测量结果代理不利影响。

所述第一压力传感器11和第二压力传感器12分别连接有第一数显表和第二数显表，通过第一数显表直接读取第一压力传感器11采集的载荷力数据，通过第二数显表直接读取第二压力传感器12采集的剪切力数据。

一种挡土墙与接触土体界面摩擦角测量方法，采用了所述的挡土墙与接触土体界面摩擦角测量装置，包括如下步骤：

步骤一：制备试样

首先通过取芯钻机获取圆柱状的挡土墙原始芯体，再对挡土墙原始芯体进行切片，进而制得挡土墙试样17；本实施例中，挡土墙试样17只准备一片，切片厚度为20mm；

通过取土环刀直接制备接触土体试样18；本实施例中，接触土体试样18准备四份，且每份接触土体试样18的厚度均为20mm；

步骤二：安装挡土墙试样17

首先将挡土墙试样17置于挡土墙试样剪切盒9内，并坐落在丝杆升降机7的升降托盘上；将限位盘16通过螺栓安装到挡土墙试样剪切盒9的顶部筒口处，然后启动丝杆升降机7，使升降托盘及其上挡土墙试样17逐渐抬升，直到挡土墙试样17上表面与限位盘16下表面紧密贴合，最后将限位盘16卸下；

步骤三：安装接触土体试样18

首先将接触土体试样剪切盒10放置到挡土墙试样剪切盒9顶部，再将取土环刀内的接触土体试样18移至接触土体试样剪切盒10内，并坐落在挡土墙试样17上；

步骤四：在接触土体试样18上表面依次放置垫片15和传力垫块14；

步骤五：启动载荷力施加油缸6，控制载荷力施加油缸6的活塞杆下伸，对接触土体试样18匀速施加载荷力，通过第一压力传感器11实时采集载荷力数值，并通过第一数显表实时监视载荷力数值变化，直至载荷力达到设定值；

步骤六：拔下承力滑台4与底座1之间的限位销13，然后启动剪切力施加油缸5，控制剪切力施加油缸5的活塞杆伸出，依次通过承力滑台4、丝杆升降机安装架8、挡土墙试样剪切盒9及挡土墙试样17对接触土体试样18匀速施加剪切力，通过第二压力传感器12实时采集剪切力数值，并通过第二数显表实时监视剪切力数值变化，直到接触土体试样18发生剪切破坏，并记录下此时的剪切力数值；

步骤七：重复进行若干组的接触土体试样18剪切破坏试验，并在后续几组的接触土体试样18剪切破坏试验中，载荷力的设定值需逐渐增大，且各组剪切破坏试验内的载荷力设定值的差值相等，并记录下每组剪切破坏试验中的剪切力数值；本实施例中，利用四份接触土体试样18进行四组剪切破坏试验，各组剪切破坏试验内的载荷力设定值依次为100kpa、200kpa、300kpa及400kpa；

步骤八：由若干组剪切破坏试验中获得的接触土体试样18发生剪切破坏时的剪切力与其对应下的载荷力设定值进行直线拟合，在拟合直线的坐标系中，剪切力为纵坐标，载荷力为横坐标，而拟合直线的倾角就是挡土墙与接触土体的界面摩擦角。为了进一步提高界面摩擦角的测量真实性，可以进行多次的平行试验，再将平行试验中获得的多个界面摩擦角进行求取平均值，该平均值对应的界面摩擦角会更加贴近真实值。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。