一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱的制作方法

本发明主要涉及基坑或边坡支护、滑坡治理等技术领域，具体涉及一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱。

背景技术：

悬臂抗滑桩作为一种以横向受力为主的支挡结构因其抗滑能力强、对周边地质体扰动相对较小、施工便捷等优点，被广泛应用于土木、交通、水利等工程领域中的岩土开挖及回填等加固工程。但由于问题本身的复杂性，对于悬臂抗滑桩的理论研究方面要滞后于工程实践，导致目前悬臂桩的设计理论和计算方法还很不完善，相关规范对这方面也没有作出明确的说明，设计过程中很多参数的确定依托于设计人员的工程经验，而由此引发的工程事故也屡见不鲜。这一问题已引起工程界及学术界的广泛关注，急需开展相关试验为理论研究提供数据支持，对实际工程进行现场监测、进行室内缩尺模型试验是目前获取研究数据最主要的两个手段，现场监测由于受环境因素影响较大且成本较高而不能广泛开展，在此基础上，进行一定数量的模型试验是十分必要的。

近年来，以抗滑桩为主体的新型复合支挡结构体系也开始在基坑、边坡支护工程中得到应用，例如：h型、门型刚架抗滑桩、预应力锚索抗滑桩、桩板式挡墙等，这些新型复合支挡结构体系的可靠性还需要通过更多的工程实例或模型试验来检验。

上述问题本质上都可以归结为桩土相互作用问题，对于静荷载作用下桩土稳定性问题已开展了较多的研究，但实际工程中桩或土体不仅承受静荷载，还会承受荷载大小及作用位置随时间和空间变化的动荷载，例如：地震或滑坡时抗滑悬臂桩或桩板墙后侧土体所承受的荷载为动力荷载，抗滑桩加固的路堑边坡或桥基岸坡在列车振动荷载作用下也会发生桩土动力相互作用。将荷载全部简化为静荷载为开展研究提供了很大方便，但会导致与实际偏差较大。对于动荷载作用下桩土动力响应问题近年来已经通过理论分析、数值模拟、现场监测、模型试验等方式开展了一些研究，但由于试验器材的限制、缩尺模型相似比不好控制等问题导致开展的模型试验研究还非常少，既有试验设备存在器材昂贵、试验费用高、边界条件与实际差别较大、可视性差、功能单一的不足。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱。

本发明的技术方案是：一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱，包括牢固侧板的试验箱框架，所述侧板下端设置有底板，所述底板上设置有固定复合支挡结构的嵌固槽，所述嵌固槽与侧板前内壁之间设置有前盖板，所述嵌固槽与侧板后内壁之间设置有后盖板，所述后盖板上端设置有往复移动的L型推土板，所述推土板侧壁由激振器驱动。

所述后盖板顶面前端通过螺栓固定有防落土板固定架，所述防落土板固定架通过螺栓固定有防落土板，所述防落土板为薄钢板，所述防落土板搭接在L型推土板的水平段上端面。

所述后盖板顶面呈阵列状固定有定滑轮，所述推土板水平段下端面设置有与定滑轮相对应的滑道。

所述激振器顶杆与传力板相连，所述传力板另一侧通过弹簧与推土板的竖直段外侧壁相连。

所述侧板包括两块由钢化玻璃制成的侧板A和两块由木板制成的侧板B，所述侧板A位于底板左右两侧，所述侧板B位于底板前后两侧，所述侧板B高于侧板A，所述试验箱框架包括主框架和焊接在主框架四周的角钢框架，所述角钢框架由三根横置角钢和两根纵置角钢焊接而成，轮廓呈横置且偏心的日字形。

所述嵌固槽包括钢管框架、限位杆、销钉和安装在钢管框架前后侧面的两块腹板，所述钢管框架上形成多排通孔，所述限位杆两端各有一个通孔并由销钉固定于钢管框架的不同位置上。

所述前盖板和后盖板均由木板制成，所述前盖板的前后两端、后盖板的前后两端均形成便于安装的方形缺口，所述底板上设置有支撑架，所述支撑架上表面紧贴后盖板下表面。

所述角钢框架后端与稳定板相连，所述前盖板上还设置有备用桩前挡土板，所述备用桩前挡土板、推土板的宽度一致，且均适应于试验箱内部宽度。

所述侧板A之间设置有锚固板，所述锚固板两端固定于两块侧板A的预留孔中，所述锚固板中间带有圆端矩形开槽，开槽上安装有若干个带孔螺栓，所述带孔螺栓的螺杆上部含径向通孔，所述堵孔塞尺寸与侧板A预留孔尺寸相适应。

所述推土板由两块钢化玻璃采用环氧树脂粘结制成。

本发明的有益效果如下：

1.本发明的左右侧板和推土板采用透明玻璃钢制作，能直观地观测桩土动力响应模型试验过程中土体及桩的运动状况，有利于发现动荷载作用下桩土之间的动力响应规律；同时，通过在土体、土桩之间、桩身布置传感器、土压力计、应变片等测量装置，配合相应的数据采集设备，可精确测试桩土动力响应过程的相关数据并掌握其变化趋势。

2.本试验装置可进行多种关于水平动荷载作用下桩土动力响应的模型试验，例如：抗滑悬臂桩后侧土体在水平动荷载作用下桩-土动力响应试验、桩板式挡土墙（简称桩板墙）后侧土体在水平动荷载作用下的桩-土动力响应试验、预应力锚索抗滑桩后侧土体在水平动荷载作用下的桩土动力响应试验等；进一步地，将试验装置中的激振器改为千斤顶后可进行相应的静力试验，通用性强。

3.本试验装置操作简单、使用方便，且制作成本较低，相对于现场监测更容易实现，可重复性强。

附图说明

图1是本发明实施例1的纵剖面图；

图2是图1中的A-A剖面图；

图3是本发明实施例2的纵剖面图；

图4是本发明实施例3的纵剖面图；

图5是本发明中主框架和角钢框架的立体图；

图6是本发明中后盖板的立体图；

图7是本发明中后盖板的立体图；

图8是本发明中锚固板的立体图；

图9是本发明中带孔螺栓的立体图；

其中：

1 试验箱框架 2 底板

3 侧板 4 嵌固槽

5 前盖板 6 后盖板

7 支撑架 8 推土板

9 弹簧 10 传力板

11 定滑轮 12 滑道

13 防落土板 14 防落土板固定架

15 备用桩前挡土板 16 稳定板

17 锚固板 18 带孔螺栓

19 堵孔塞 20 填料

21 模型桩 22 模型板

23 模型锚索 24 激振器

25 应变片 26 无线加速度传感器

27 土压力计

1-1 主框架 1-2 角钢框架

3-1 侧板A 3-2 侧板B

4-1 钢管框架 4-2 限位杆

4-3 销钉 4-4 腹板。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~9所示，一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱，由试验箱框架1、底板2、侧板3构成外部结构，由嵌固槽4、前盖板5、后盖板6、支撑架7构成试验平台，由推土板8、弹簧9、传力板10、定滑轮11、滑道12、防落土板13、防落土板固定架14构成推土装置。

所述传力板10通过弹簧9安装于推土板8后侧，所述弹簧9具有很大刚度，所述传力板10后侧可连接激振器24顶杆。通过传力板10和弹簧9将激振力传至推土板8上，可增大激振力作用面积，避免推土板8局部受力集中，同时，可使推土板8持续作往复运动，不会与激振器24顶杆脱离。

所述定滑轮11共有六个，安装在后盖板6顶面上，所述滑道12共有三个，安装在推土板8底面上。推土板8底面上安装的滑道12和后盖板6顶面上安装的定滑轮11可避免推土板8与后盖板6的直接接触，从而显著减小了激振器24作用下推土装置运动过程中的摩擦力，减少了因摩擦而引起的对动能的消耗。

所述推土板8由两块透明玻璃钢采用环氧树脂粘结制成，推土板8呈L形。

所述防落土板13由薄钢板制成，通过螺栓安装于防落土板固定架14上，防落土板固定架14通过螺栓安装于后盖板6顶面前端。防落土板13后端搭接在推土板8前端上表面。

防落土板13防止推土板8往复运动过程中模型桩21后的土体从推土板8与模型桩21之间漏至后盖板6上堆积后影响推土板8运动。

所述试验箱框架1包括主框架1-1和焊接在主框架1-1四周的角钢框架1-2；所述侧板3包括两块由钢化玻璃制成的侧板A3-1和两块由木板制成的侧板B3-2，所述侧板A3-1与所述侧板B3-2高度不同。

所述侧板B3-2共两块，分别是位于填土侧的后侧板B3-2和位于临空侧的前侧板B3-2。

所述角钢框架1-2由三根横置角钢和两根纵置角钢焊接而成，轮廓呈横置且偏心的“日”字形。角钢框架1-2为侧板3提供侧向约束，尤其是当推土板向前运动致使土体被压缩而产生的侧向膨胀力作用于侧板A3-1时，角钢框架1-2可保证侧板A3-1不产生过大变形；角钢框架1-2还为安装稳定板16提供了位置，为以石块或混凝土块固定试验箱提供了空间。

所述嵌固槽4由钢管框架4-1、限位杆4-2、销钉4-3和安装在钢管框架4-1前后侧面的两块腹板4-4组合而成，所述钢管框架4-1上有多排通孔，所述限位杆4-2两端各有一个通孔并可由销钉4-3固定于钢管框架4-1的不同位置上。可根据试验目的，调整模型桩21的固定位置或两排模型桩21之间的排距。

所述腹板4-4共两块，分别是位于填土侧的后腹板4-4和位于临空侧的前腹板4-4。所述腹板4-4为前盖板5、后盖板6的放置提供了条件，还可防止填料进入前盖板5、后盖板6下侧，减小填料用量。

所述前盖板5和后盖板6均由木板制成，所述前盖板5的前端、后端带有方形缺口，可使前盖板5嵌固于前侧板B3-2和前腹板4-4之间，所述后盖板6的前端、后端也带有方形缺口，可使后盖板6嵌固于后侧板B3-2和后腹板4-4之间。前盖板5、后盖板6一方面用于固定嵌固槽4；另一方面，后盖板6上可放置推土板8，特殊地，将前盖板5上部空间填充填料后可进行全埋式抗滑桩桩土动力响应试验。

所述支撑架7放置于所述底板2上，支撑架7上表面紧贴后盖板6下表面，对后盖板6起支撑作用，防止后盖板6因填料的重力作用或填料被压缩过程中产生的侧向膨胀力作用而产生下挠。

本试验箱还包括安装于角钢框架1-2后端的稳定板16。将稳定板16紧靠墙壁并用混凝土块或石块挤压住角钢框架1-2后端的横置角钢后可减少因激振器24工作而引起的试验箱振动，使激振器24提供的动能主要用于推动推土板8运动，保证试验精度，还可延长该试验箱的使用寿命。

本试验箱还包括放置于所述前盖板5上的备用桩前挡土板15，所述备用桩前挡土板15、推土板8的宽度一致，且均适应于试验箱内部宽度。

将备用桩前挡土板15固定于模型桩21前侧，可对填料20进行压实以达到试验要求的密实度，同时可防止装料的过程中发生漏料或填料滑塌;特殊地，若需进行全埋式抗滑桩的桩土动力响应试验，可将备用桩前挡土板15固定于角钢框架1-2的前端，为桩前临空侧填土创造了条件。

本试验箱还包括安装于两侧板A3-1之间的一块锚固板17和两个堵孔塞19，所述锚固板17两端固定于两块侧板A3-1的预留孔中、中间带有圆端矩形开孔，开孔上安装有若干个带孔螺栓18，所述带孔螺栓18的螺杆上部含径向通孔，所述堵孔塞19尺寸与侧板A3-1预留孔尺寸相适应。若需进行预应力锚索抗滑桩在侧向动荷载作用下的桩土动力响应试验，可将模型锚索23一端锚固于模型桩21桩身，另一端用带孔锚固螺栓18和螺母固定于锚固板17上；进行无锚索抗滑桩桩土动力响应试验时，可将锚固板17取下，用堵孔塞19将侧板A3-1上的预留孔封堵防止漏料。

操作步骤如下：

1.依次将支撑架7、嵌固槽4按由后至前（规定试验箱填土侧为后侧）的顺序放置在试验箱底板2上，其中支撑架7紧贴后侧板B3-2、嵌固槽4紧贴支撑架7，然后将后盖板6放置在支撑架7上，将前盖板5放置在嵌固槽4与前侧板B3-2之间，使前盖板5的两端分别搭接在嵌固槽4的前腹板4-4和前侧板B3-2上。

2.根据试验目的确定模拟悬臂抗滑桩的模型桩21所采用的材料以及结构型式（常用的有门式刚架桩、h型桩、排架桩，本实施例以h型桩为例进行说明），确定模型桩的高度、断面型式，模型桩的根数、横向桩间距等，将制作好的模型桩21放入嵌固槽4中，调整好位置后在模型桩21前后侧安装限位杆4-2，限位杆4-2的通孔须与钢管框架4-1上的通孔对齐，通过销钉4-3将限位杆4-2固定在钢管框架4-1上。

3.将防落土板13插入防落土板固定架14的槽中并用螺丝固定。

4.将推土板8放置在后盖板6上，且使推土板8下表面的滑道12恰好放置在后盖板6上表面的定滑轮11上，使推土板8能前后滑动，由于推土板8侧壁与侧板A3-1的内壁紧贴，防落土板13的下表面与推土板8前端的上表面紧贴，故需在推土板8的侧壁、防落土板13的下表面涂抹黄油以减小摩擦。

5.找一堵表面平整的墙，将试验箱的稳定板16贴紧墙壁，找几块形状规则、尺寸合适的石块或混凝土块放入角钢框架1-2中且紧贴角钢框架1-2最后端的一根横置角钢，并使其总高度能达到放置激振器24的要求，作为固定激振器的平台。

6.将激振器24固定在石块或混凝土块平台上，将激振器24顶杆前端与传力板10连接在一起。

7.将备用桩前挡土板15用钢丝或用一根支撑杆（支撑杆可支撑于角钢框架与备用桩前挡土板之间）固定在模型桩21的前侧。

8.装料过程中，在模型桩21桩身悬臂段黏贴应变片25、安装无线加速度传感器26，在填料间及填料与桩身之间布设土压力计27，在填料中布设无线加速度传感器26。其中，应变片25、无线加速度传感器26、土压力计27等测量装置均采用配套采集设备及软件采集、记录数据。

9.装料完成并压实达到试验要求的高度和密实度后，根据试验方案，设定激振器24的频率和振幅，同时打开数据采集设备，开始试验。试验过程中全程观察模型桩21变形、土体位移、桩前土坍塌等状况，必要时可用数码相机摄像以记录试验现象，试验结束后与采集到的数据进行对比，总结桩土动力响应规律。

实施例2

一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱，当其用于进行“桩板墙后侧土体在水平动荷载作用下的桩-土动力响应试验”时，试验装置与实施例1的试验装置相同。

本实施例操作步骤与实施例1基本相同，不同的是，将模型桩21按试验要求固定好后，在相邻两根模型桩21之间需要安装模型板22，将模型板22的两端搭接在相邻的两根模型桩21上，并用钢丝将其与模型桩21固定在一起，同时需要在模型板22与填料20之间布设土压力计27，在模型板22上黏贴应变片25、布设无线加速度传感器26。其它操作步骤同实施例1.

实施例3

一种侧向加载桩土动力响应模型试验箱，当其用于进行“预应力锚索抗滑桩后侧土体在水平动荷载作用下的桩-土动力响应试验”时，试验装置与实施例1的试验装置基本相同，不同的是，本实施例的试验装置不包括堵孔塞19而包括锚固板17和带孔螺栓18。

本实施例的操作步骤与实施例1基本相同，不同的是，在实施例1的步骤2安装好模型桩21后，取下两块侧板A3-1上的堵孔塞19，将锚固板17端部从试验箱外侧穿过侧板A3-1上的预留孔后从另一块侧板A穿出，使锚固板17放置在试验箱上。

将模型锚索23的一端锚固在模型桩21桩身的预定位置上，将模型锚索23的另一端穿过锚固板17上的带孔螺栓18的径向通孔后接入测力计，测力计可测出模型锚索23的拉力大小，向后拉测力计至测力计读数与试验方案预定模型锚索23预应力大小相等时在模型锚索23入孔处做标记，取下测力计，用钳子张拉模型锚索23并通过标记位置判定出模型锚索23张拉至试验设计预应力大小后将模型锚索23缠绕在带孔螺栓18的螺杆上，保持钳子的张拉力不变，用螺母将带孔螺栓18在锚固板17上固定并确保模型锚索23被挤压在带孔螺栓18与锚固板17之间且不会产生回缩后，即可将钳子的力撤去。按上述过程依次将各模型桩21的模型锚索23张拉完成后，即可进行实施例1中的第三个步骤，后续操作步骤与实施例1相同。

上述实施例只是为了更清楚地描述本发明而对本发明部分功能的举例，事实上，本发明的用途并不限于以上三种。这些实施例也不能构成对本发明的限制。