基于极限平衡理论的土压力模型实验方法与流程

本发明涉及《土力学》课程实验教学，具体是提供一种基于极限平衡理论的土压力模型实验方法。

背景技术

《土力学》课程中墙背土压力计算常采用库仑土压力公式或朗肯土压力公式，它们都是基于极限平衡理论推导出来的经典土压力计算公式。然而，目前很难有一种能在有限的教学课时中对上述理论及公式进行试验的方法。

目前在科研中有一种在模型箱中铺设色砂对土体滑裂面进行观测，并同时测量墙背土压力的试验方法，但该方法用于教学实验存在三个问题：第一，具体实验时，铺色砂过程耗时较长，工作量较大；第二，一组实验完成后，色砂与无色砂混合，模型砂需重新处理才能用于第二次实验，耗时耗材；第三，由于肉眼观测的局限性，只有主动土压力试验的滑裂面易于在实验中观测到；上述问题使得该方法较难用于课堂教学实验中。

技术实现要素：

本发明提供了基于极限平衡理论的土压力模型实验方法，可实现挡墙土压力及墙后土体位移场的自动实时测量，能够从实验结果中较为精准、直观的获得墙后土体达到极限平衡状态过程中的土体位移分布与墙后土压力的相关关系，一组实验的时间可控制在1小时，一个教学实验单元内（2小时）可完成两组实验，完成实验后，学生可通过课外时间进行数据整理，推导理论公式。

本发明为达到上述目的，采用下述技术方案：

基于极限平衡理论的土压力模型实验方法，具体步骤为：

（a）安装教学实验系统，所述教学实验系统包括挡墙模型系统、位移与土压力数据采集系统和同步控制系统；挡墙模型系统包括模型箱装置和电动荷载装置，模型箱装置包括开口模型箱、可控制移动的挡墙和透明挡板，将电动荷载装置由推拉杆连接在可控制移动挡墙上；位移与土压力数据采集系统包括piv图像采集系统、高精度土压力传感器、高精度位移传感器、计算机（处理器），piv图像采集系统包括ccd相机、无影光源；同步控制系统包括同步器和调速器，均与计算机（处理器）相连；

（b）将标定好的高精度土压力传感器、位移传感器布设在可控制移动的挡墙上，传感器均与同步器、计算机（处理器）相连；

（c）将可控制移动的挡墙上固定的电动荷载装置与调速器、同步器相连；

（d）在挡墙模型系统前方布设ccd相机和无影光源，ccd相机与同步器、计算机（处理器）相连；

（e）使用计算机控制同步器，将控制挡墙移动的电动荷载装置启动时间、土压力传感器、位移传感器开始采集的时间以及ccd相机开始拍照的时间设为同一时刻；

（f）调节调速器的初始参数，使在其控制下的电动荷载装置转速与挡墙移动速度满足实验要求；

（g）将土样置入模型箱内分层夯实后开始实验，在计算机上发送同步器开始信号，控制挡墙开始移动的同时，采集墙背土压力数据、土体位移场图片，通过计算机相关软件进行分析，得到墙后土体达到极限平衡状态过程中的土体位移分布与墙后土压力变化规律和相关关系；

（h）学生可根据实验土体产生的滑裂面，按照《土力学》课堂教学中的方法建立土压力计算模型，推导理论公式，并和实际量测的挡墙土压力进行比较，更深入的认识土压力经典理论。

步骤（a）中模型箱装置可控制移动的挡墙固定在其与电动荷载装置连接的推拉杆上，电动荷载装置为电动机，电动机与推拉杆自上而下各布置两个。

步骤（a）中可移动的挡墙由电动机的两个推拉杆控制初始倾角和运动模式，可进行竖直、有倾角挡墙的平动、绕墙顶转动、绕墙脚转动。

步骤（a）中所述的透明挡板材料可为抗弯刚度较强的航空玻璃。

步骤（b）中的位移传感器可沿挡墙垂线布置3~5个，其位置根据试验需要确定，若挡墙平动，可布置在挡墙任意位置，若挡墙绕墙脚转动，应布置在墙脚底部，通过位移确定挡墙转动角度，同理，若挡墙绕墙顶转动，则布置在墙顶顶部。

步骤（d）中的无影光源可采用摄像专用柔光灯。

步骤（g）中土质选用砂性土。

步骤（g）中土体位移场图片采用计算机的geopiv处理软件进行分析。

步骤（g）中极限平衡状态可通过两种方法进行判断：第一，可根据挡墙位移和土压力变化关系判断，当挡墙位移仍在变化，而土压力趋于稳定的状态即为土体达到极限平衡的状态；第二，可通过直接观测土体位移状况进行判断，即土体出现较大位移的状态为土体达到极限平衡的状态；找到对应时刻拍摄的图像进行处理，可得到土体达到极限平衡状态时的土体位移分布图，找出图中土体的滑裂面，建立滑移土体平衡方程，即可推导出极限平衡状态下的墙背土压力计算公式。

本发明通过墙背土压力和墙后土体精确位移场的同步捕捉与分析，可直观的观测到墙后土体在达到极限平衡状态时的位移分布场，根据土体产生的滑裂面，按照《土力学》课堂教学中的方法建立土压力计算模型，推导理论公式，使学生更直观、深入地了解经典土压力理论。

本发明具有如下优点：第一，实现了快速对土压力经典理论进行实验教学的方法；第二，通过piv系统可直观观测土体位移场的变化情况；第三，建立了各系统的同步关系，使学生能够观测到从初始状态到极限平衡状态过程中的土压力与土体位移变化情况；第四，能够实现设备自动控制，操作方便，在有限的实践教学课时内，可多次重复实验，省时间省材料，提高实验效率；第五，可进行多种挡墙墙背形式、位移模式下的实验；第六，本发明的设备系统具有灵活性，可用于学生自主设计试验；第七，本发明除用在教学实验外，还可用做科学研究。

附图说明

图1是本发明的教学实验系统整体布置图；

图2是图1中挡墙模型系统的结构示意图；

图3是图1中piv图像采集系统结构及布置方式示意图。

具体实施方式

基于极限平衡理论的土压力模型实验方法，具体步骤为：

（a）安装教学实验系统（见图1），所述教学实验系统包括挡墙模型系统1、位移与土压力数据采集系统2和同步控制系统3；挡墙模型系统1包括模型箱装置1-1和电动荷载装置1-2，模型箱装置1-1包括开口模型箱①、可控制移动的挡墙②和透明挡板③，将电动荷载装置1-2由推拉杆④连接在可控制移动挡墙②上；位移与土压力数据采集系统2包括piv图像采集系统2-1、高精度土压力传感器2-2、高精度位移传感器2-3、计算机（处理器）2-4，piv图像采集系统2-1包括ccd相机⑤、无影光源⑥；同步控制系统3包括同步器3-1和调速器3-2，均与计算机（处理器）2-4相连；

（b）将标定好的高精度土压力传感器2-2、位移传感器2-3布设在可控制移动的挡墙②上，传感器均与同步器3-1、计算机（处理器）2-4相连；

（c）将可控制移动的挡墙②上固定的电动荷载装置1-2与调速器3-2、同步器3-1相连；

（d）在挡墙模型系统1-1前方布设ccd相机⑤和无影光源⑥，ccd相机⑤与同步器3-1、计算机（处理器）2-4相连；

（e）使用计算机2-4控制同步器3-1，将控制挡墙移动的电动荷载装置1-2启动时间、土压力传感器2-2、位移传感器2-3开始采集的时间以及ccd相机⑤开始拍照的时间设为同一时刻；

（f）调节调速器3-2的初始参数，使在其控制下的电动荷载装置1-2转速与挡墙移动速度满足实验要求；

（g）将土样置入模型箱内分层夯实后开始实验，在计算机2-4上发送同步器3-1开始信号，控制挡墙②开始移动的同时，采集墙背土压力数据、土体位移场图片，通过计算机相关软件进行分析，得到墙后土体达到极限平衡状态过程中的土体位移分布与墙后土压力变化规律和相关关系；

（h）学生可根据实验土体产生的滑裂面，按照《土力学》课堂教学中的方法建立土压力计算模型，推导理论公式，并和实际量测的挡墙土压力进行比较，更深入的认识土压力经典理论。

步骤（a）中模型箱装置可控制移动的挡墙固定在其与电动荷载装置连接的推拉杆上，电动荷载装置1-2为电动机，电动机与推拉杆自上而下各布置两个。

步骤（a）中可移动的挡墙由电动机的两个推拉杆控制初始倾角和运动模式，可进行竖直、有倾角挡墙的平动、绕墙顶转动、绕墙脚转动。

步骤（a）中所述的透明挡板③材料可为抗弯刚度较强的航空玻璃。

步骤（b）中的位移传感器2-3可沿挡墙垂线布置3~5个，其位置根据试验需要确定，若挡墙平动，可布置在挡墙任意位置，若挡墙绕墙脚转动，应布置在墙脚底部，通过位移确定挡墙转动角度，同理，若挡墙绕墙顶转动，则布置在墙顶顶部。

步骤（d）中的无影光源⑥可采用摄像专用柔光灯。

步骤（g）中土质选用砂性土。

步骤（g）中土体位移场图片采用计算机的geopiv处理软件进行分析。

步骤（g）中极限平衡状态可通过两种方法进行判断：第一，可根据挡墙位移和土压力变化关系判断，当挡墙位移仍在变化，而土压力趋于稳定的状态即为土体达到极限平衡的状态；第二，可通过直接观测土体位移状况进行判断，即土体出现较大位移的状态为土体达到极限平衡的状态；找到对应时刻拍摄的图像进行处理，可得到土体达到极限平衡状态时的土体位移分布图，找出图中土体的滑裂面，建立滑移土体平衡方程，即可推导出极限平衡状态下的墙背土压力计算公式。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。