挡土结构物土压力教学实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种挡土结构物土压力教学实验装置，具体涉及一种挡土结构物土压力教学实验装置。

背景技术：

在土力学实验学习过程中，通常围绕“颗粒分析实验、液塑限实验、相对密实度实验、击实实验、渗透实验、压缩实验、直接剪切实验、三轴压缩实验”八个传统实验开展，内容围绕如何获取土的基本物理、力学特性，对于土体在工程中的性质特点的介绍涉及较少，较为典型的不足是土力学实验学习内容缺乏与土力学中挡土结构物上的土压力内容的对接，目前关于这部分内容具体的实验装置较少。在本发明之前，中国专利CN 102928296 A、CN101127169CN、CN 104153341 A和103233486 A均公开了关于挡土墙土压力的试验装置，但是都无法同时综合实验挡土墙填土受到静动荷载土体破坏和主动土压力、被动土压力和静止土压力变化的情况，且不具有适合课堂教学的可视化系统。

这部分实验内容的缺失，难以深刻理解该内容的基本原理与工程应用，上述不足之处不仅对于土力学的学习较为不利，也难以满足本领域的技术人员对挡土结构物的土压力的理论与试验分析的要求。

技术实现要素：

本实用新型提供一种挡土结构物土压力教学实验装置，可教学演示挡土结构物后土体无载荷和受载荷时静止土压力、主动土压力和被动土压力的分布情况，以及通过室内实验，初步测算相应的挡土墙上土压力大小。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种挡土结构物土压力教学实验装置，包括开口模型槽、挡土墙装置、加载装置和可视化装置，

所述的挡土墙装置包括运动控制装置、顶推螺杆、可移动挡板和压力检测装置，可移动挡板布设在开口模型槽内，且其与开口模型槽的底面垂直设置，运动控制装置安装在开口模型槽外一侧，且其通过顶推螺杆与可移动挡板的一侧相连接，在可移动挡板的另一侧布设有压力检测装置；

所述的加载装置布设在开口模型槽的上方，包括支架、加载横梁、传力杆、托盘和砝码，支架安装在布设运动控制装置的开口模型槽一侧中间位置，加载横梁布设在开口模型槽的开口上方，其一端与支架连接，另一端连接有托盘，托盘内置有砝码，在加载横梁上垂直固定连接有传力杆，传力杆的一端与加载横梁固定，其另一端连接有刚性承压板或弹性承压板；

所述的可视化装置包括折叠杆、摄像头和显示屏，折叠杆的一端固定在开口模型槽前侧顶点处，另一端可移动连接有摄像头，折叠杆带动摄像头记录实验过程，将图像同步传送至显示屏；

作为本实用新型的进一步优选，所述的压力检测装置包括土压力盒定位板和微型土压力盒，在土压力盒定位板表面由上至下开设有四个凹槽，凹槽内置有微型土压力盒，微型土压力盒通过引线连接有应变仪；

作为本实用新型的进一步优选，所述的弹性承压板包括第一承压板和第二承压板，第一承压板的表面与传力杆固定连接，其底面通过弹簧与第二承压板连接，且弹簧的个数为至少两个；

作为本实用新型的进一步优选，所述的运动控制装置为手轮式启闭器；

作为本实用新型的进一步优选，加载横梁的一端通过支点螺栓与支架的一端连接，其另一端通过铰点螺栓与托盘连接；

作为本实用新型的进一步优选，可移动挡板采用与开口模型槽等宽的钢板制作而成，其连接有顶推螺杆的一侧固定有楔形加劲钢板，楔形加劲钢板的厚度与可移动挡板的厚度相同；

作为本实用新型的进一步优选，所述的刚性承压板为矩形钢板，矩形钢板表面中心位置处焊接有螺栓接头，用于与传力杆螺栓固定连接，矩形钢板的底面光滑；

作为本实用新型的进一步优选，所述的开口模型槽是由钢板连接而成钢板框架，其中与加载横梁相平行的两个侧面为透明有机玻璃板，有机玻璃板通过连接螺栓与钢板框架固定连接，在连接处实用胶水密封，且在边角连接处焊接加劲角钢；

作为本实用新型的进一步优选，开口模型槽侧面透明有机玻璃板上以底面为零点，向上水平刻有高度标尺。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型可教学演示挡土结构物后土体无载荷和受载荷时静止土压力、主动土压力和被动土压力的分布情况，以及通过室内实验，初步测算相应的挡土墙上土压力大小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的优选实施例的整体结构示意图；

图2是本实用新型的优选实施例的不同填筑方式静止土压力分布图；

图3是本实用新型的优选实施例的主动土压分布随可移动挡板位移的影响分布示意图；

图4是本实用新型的优选实施例的被动土压分布随可移动挡板位移的影响分布示意图。

图中：1为手轮，2为顶推螺杆，3为运动控制装置，4为支架，5为支点螺栓，6为加载横梁，7为托盘，8为透明有机玻璃板，9为钢板框架，10为可移动挡板，11为折叠杆，12为摄像头,13为传力杆，14为刚性承压板，15为砝码。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图1所示，包括以下部件：1为手轮，2为顶推螺杆，3为运动控制装置，4为支架，5为支点螺栓，6为加载横梁，7为托盘，8为透明有机玻璃板，9为钢板框架，10为可移动挡板，11为折叠杆，12为摄像头,13为传力杆，14为刚性承压板，15为砝码；本实用新型的一种挡土结构物土压力教学实验装置，包括开口模型槽、挡土墙装置、加载装置和可视化装置，

所述的挡土墙装置包括运动控制装置、顶推螺杆、可移动挡板和压力检测装置，可移动挡板布设在开口模型槽内，且其与开口模型槽的底面垂直设置，运动控制装置安装在开口模型槽外一侧，且其通过顶推螺杆与可移动挡板的一侧相连接，在可移动挡板的另一侧布设有压力检测装置；

所述的加载装置布设在开口模型槽的上方，包括支架、加载横梁、传力杆、托盘和砝码，支架安装在布设运动控制装置的开口模型槽一侧中间位置，加载横梁布设在开口模型槽的开口上方，其一端与支架连接，另一端连接有托盘，托盘内置有砝码，在加载横梁上垂直固定连接有传力杆，传力杆的一端与加载横梁固定，其另一端连接有刚性承压板或弹性承压板；

所述的可视化装置包括折叠杆、摄像头和显示屏，折叠杆的一端固定在开口模型槽前侧顶点处，另一端可移动连接有摄像头，折叠杆带动摄像头记录实验过程，将图像同步传送至显示屏；

作为本实用新型的进一步优选，所述的压力检测装置包括土压力盒定位板和微型土压力盒，在土压力盒定位板表面由上至下开设有四个凹槽，凹槽内置有微型土压力盒，微信土压力盒通过引线连接有应变仪；

作为本实用新型的进一步优选，所述的弹性承压板包括第一承压板和第二承压板，第一承压板的表面与传力杆固定连接，其底面通过弹簧与第二承压板连接，且弹簧的个数为至少两个；

作为本实用新型的进一步优选，所述的运动控制装置为手轮式启闭器；

作为本实用新型的进一步优选，加载横梁的一端通过支点螺栓与支架的一端连接，其另一端通过铰点螺栓与托盘连接；

作为本实用新型的进一步优选，可移动挡板采用与开口模型槽等宽的钢板制作而成，其连接有顶推螺杆的一侧固定有楔形加劲钢板，楔形加劲钢板的厚度与可移动挡板的厚度相同；

作为本实用新型的进一步优选，所述的刚性承压板为矩形钢板，矩形钢板表面中心位置处焊接有螺栓接头，用于与传力杆螺栓固定连接，矩形钢板的底面光滑；

作为本实用新型的进一步优选，所述的开口模型槽是由钢板连接而成钢板框架，其中与加载横梁相平行的两个侧面为透明有机玻璃板，有机玻璃板通过连接螺栓与钢板框架固定连接，在连接处实用胶水密封，且在边角连接处焊接加劲角钢。

作为本实用新型的进一步优选，开口模型槽侧面透明有机玻璃板上以底面为零点，向上水平刻有高度标尺；

运用上述实验装置以下实验：

1、进行填土上加静载的方法包括以下步骤：

步骤一：传力杆连接刚性承压板，刚性承压板放置在填土表面；

步骤二：在加托盘中加砝码，托盘中的砝码质量为m_f；

步骤三：测量加载横梁质量m₀,加载横梁长度l₀，传力杆与支点螺栓距离l_c，传力杆质量为m_c，刚性承压板质量为m_g，刚性承压板面积为S_g，根据杠杆定理，静荷载

2、填土上加竖向动载的方法包括以下步骤：

步骤一：在开口模型槽内加入填土，传力杆连接弹性承压板，第二承压板下表面放置在填土表面，测量此时第一承压板、第二承压板之间弹簧的长度x₀；

步骤二：在托盘中加砝码，托盘中砝码质量为m_f；

步骤三：测量在砝码和加载横梁的作用下第一承压板和第二承压板之间的弹簧的长度为x₁；

步骤四：撤去砝码，使弹簧带动加载横梁振动，弹簧对土体的反力即为土体表面受到的动荷载；

步骤五：测量加载横梁质量m₀,加载横梁长度l₀，传力杆与支点螺栓距离l_c，传力杆质量为m_c，弹性承压板质量为m_T，第一承压板质量为m_TS，弹性承压板面积为S_T，根据杠杆定理和弹簧简谐振动原理，填土所受动荷载为

其中t为时间。

3、挡土结构物土压力试验方法包括静止土压力测试，主动土压力测试和被动土压力测试

其中，静止土压力试验方法包括以下步骤：

步骤一：在开口模型槽内分层填筑土体；

步骤二：依次读取各个土压力盒相应的应力值，以及每个土压力盒至开口模型槽底面的高度(即深度)，绘制静止土压力沿挡墙深度的变化曲线；

主动土压力试验方法包括以下步骤：

步骤一：在可移动挡板连接顶推螺杆的一侧固定百分表，指针调零；

步骤二：向开口模型槽内分层填筑土体，在每层填完压实之后，在开口模型槽的有机玻璃侧边撒少许黑砂，再填筑上面一层，黑砂线用于观测破坏线的位置与形状；

步骤三：同样将填筑好的土体静置半个小时，测量可移动挡板位移为零时的土压力盒应变值；缓慢转动手轮，将可移动挡板向着填土的反方向移动，位移为Δs时停止，Δs取值范围0.1～0.4mm，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线与有机玻璃上刻度线的位置关系的变化情况；再移动Δs，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线位置变化；重复当前操作，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；

步骤四：根据土压力盒对应的应力值，绘制主动土压力随深度变化的关系曲线。

被动土压力试验方法包括以下步骤：

步骤一：在可移动挡板连接顶推螺杆的一侧固定百分表，将指针调到Kmm处(K的取值范围为8～10mm)；

步骤二：向开口模型槽分层填筑土体，填筑方式与上述主动土压力试验方法步骤二相同；

步骤三：静置半小时之后记录可移动挡板位移为零时的土压力盒应力值，缓慢转动手轮，将刚性可移动挡板向着填土的方向移动，单次移动K/3mm，待应变仪读数基本不发生变化时，记录各应力值，并观察预先分层埋设的黑砂线与有机玻璃上画的线的位置关系；当移动三次后百分表指针指向0mm，待应变仪读数基本不发生变化后，重新安装百分表，使其指针指向Kmm处，重复操作，每次移动K/3mm应变仪读数基本不发生变化后记录应力值，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；

步骤四：根据土压力盒对应的应力值，绘制被动土压力随深度的变化曲线。

具体加载实施例如下

填土上加静载的方法包括以下步骤：

步骤一：传力杆连接刚性承压板，刚性承压板放置在填土表面；

步骤二：在加载盒中加砝码，加载盒中砝码质量为m_f；

步骤三：测量加载横梁质量m₀,加载横梁长度l₀，传力杆与支点螺栓距离l_c，传力杆质量为m_c，刚性承压板质量为m_g，刚性承压板面积为S_g，根据杠杆定理，静荷载

填土上加竖向动载的方法包括以下步骤：

步骤一：传力杆连接弹性承压板，弹性承压板下板下表面放置在填土表面，测量此时弹簧的长度x₀；

步骤二：在加载盒中加砝码，加载盒中砝码质量为m_f；

步骤三：测量在砝码和加载横梁的作用下弹性承压板上下板之间的弹簧的长度为x₁；

步骤四：撤去砝码，使弹簧带动加载横梁振动，弹簧对土体的反力即为土体表面受到的动荷载。

步骤五：测量加载横梁质量m₀,加载横梁长度l₀，传力杆与支点螺栓距离l_c，传力杆质量为m_c，弹性承压板质量为m_T，第一承压板质量为m_TS，弹性承压板面积为S_T，根据杠杆定理和弹簧简谐振动原理，填土所受动荷载为

其中t为时间。

其中设定的数值分别为：

刚性承压板面积S_g(m2)：0.0225，刚性承压板质量m_g(kg)：0.5，

弹性承压板面积S_T(m2)：0.0225，弹性承压板质量m_T(kg)：1.0，

第一承压板质量m_TS(kg)：0.5，

加载横梁质量m₀(kg)：7.4，加载横梁长度l₀(m)：1.3，

传力杆质量m_c(kg)：1.0，传力杆与支点螺栓的距离l_c(m)：0.76，

不加砝码时弹簧长度x₀：0.20m，加40kg砝码弹簧长度x₁：0.15m，

则弹簧的弹性系数k(N/m)7840

土压力实验实施例

挡土结构物土压力试验方法包括静止土压力测试，主动土压力测试和被动土压力测试

静止土压力试验方法以下步骤：

步骤一：向开口模型槽内分层填筑土体，第一种填筑方式为不压实；第二种填筑方式为分层压实填筑，即每填筑5cm后将砂土表面抹平，将30cm×15cm的钢板放在砂土层表面，用重5kg的重锤从5cm的高度自由下落砸向钢板，连续三下，然后将钢板移位，长度方向与上一砸痕搭接20％，重复击实操作，直至该层遍击，再填筑第二层，再击实，直至填土表面与刚性挡板上边持平，再击实；第三种填筑方式同样要求分层压实填筑，重锤抬升高度为10cm，单点击数为5下，其他过程不变。

步骤二：依次读取各个土压力盒相应的应力值，绘制静止土压力沿挡墙深度的变化曲线，图2所示；

主动土压力试验方法以下步骤：

步骤一：在可移动挡板连接顶推螺杆的一侧固定百分表，指针调零；

步骤二：向开口模型槽内分层填筑土体，填筑方式与静止土压力步骤一一致，仅在每层填完之后，在开口模型槽的有机玻璃侧边撒少许黑砂，再填筑上面一层，黑砂线用于观测破坏线的位置与形状；

步骤三：同样将填筑好的土体静置半个小时，测量可移动挡板位移为零时的土压力盒应变值；缓慢转动手轮，将可移动挡板向着填土的反方向移动，位移为0.3mm时停止，待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线与有机玻璃上刻度线的位置关系的变化情况；再移动0.3mm待应变仪读数基本不发生变化时，读取土压力盒的应力值，观察黑砂线位置变化；重复当前操作，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验；

步骤四：根据土压力盒对应的应力值，绘制主动土压力随深度变化的关系曲线，图3所示。

被动土压力试验方法包括以下步骤：

步骤一：在可移动挡板连接顶推螺杆的一侧固定百分表，将指针调到9mm处；

步骤二：向开口模型槽内分层填筑土体，填筑方式与上述主动土压力试验方法步骤二相同；

步骤三：静置半小时之后记录可移动挡板位移为零时的土压力盒应力值，缓慢转动手轮，将刚性可移动挡板向着填土的方向移动，单次移动3mm，待应变仪读数基本不发生变化时，记录各应力值，并观察预先分层埋设的黑砂线与有机玻璃上画的线的位置关系；当移动三次后百分表指针指向0mm，待应变仪读数基本不发生变化后，重新安装百分表，使其指针指向9mm处，重复操作，每次移动3mm应变仪读数基本不发生变化后记录应力值，黑砂线断裂或土体出现破坏时停止实验。

步骤四：根据土压力盒对应的应力值，绘制被动土压力随深度的变化曲线，图4所示；

若需要实验土体受荷载情况下的土压力情况，则填筑完成后按加载方法对实验土体施加荷载，再读取土压力盒对应的应力值。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。