主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验装置的制作方法

本实用新型属于“土拱效应”探究试验范畴，涉及一种新型装置结构及连接形式，具体的说，是一种新型主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验装置，可用于探究锚固挡墙原理及为边坡加固工程提供理论指导。

背景技术：

现阶段，“土拱效应”对于土体应力传递规律有着不可忽视的作用，因此桩承式路堤、板桩墙、抗滑桩、锚拉桩等加固技术都对其展开研究。常规桩承式路堤设计方法中首先确定路堤填土的土拱效应极限能力，然后根据作用在加筋材料顶面的荷载确定加筋材料需承受的拉力并选定加筋材料。桩板墙背侧由于土拱效应的出现，使得桩背侧与挡板背侧所受荷载存在较大差异，土拱效应已对桩板墙背侧土压力传递的方式产生了显著的影响。土拱的存在改变了抗滑桩土体中原有的应力状态，引起了应力重分布，把作用于土拱上的压力传递到周围稳定土层中。锚拉桩桩板结构后的大部分土压力通过土体不均匀变形而形成的空间土拱直接传递到锚头，剩余部分的土压力才经桩板结构再传递到锚头。充分研究“土拱效应”的作用机理、充分利用其应力重分布的特点成为了主要的研究方向。

对于锚拉式挡土墙结构，受锚杆（锚定板）的侧向约束作用，墙身会发生不均匀变形，若锚间距及锚间墙刚度设计合理，则会出现较为明显的土拱效应，并起到荷载分担作用，对结构受力非常有利。但另一方面，土拱效应也会引起墙背土压力的重分布，且具有动态演化特征，显著改变支护结构受力特征，导致传统设计理论难以适用。因此，为充分利用土拱效应，提高结构安全，降低工程费用，有必要以压力分散型挡土墙作为研究对象，深入分析土拱效应发生机理，揭示墙-土相互作用机制，建立土拱效应力学模型，探讨动态变化规律，构建适用土压力分布模型。支护结构引起的“土拱效应”是地下工程中最关键的问题，其广泛存在于地下工程中，如隧道开挖、基坑支护等工程。其实质是一种应力转移的现象。这种应力的转移是由于土体受到外力发生不均匀变形，由剪切强度的发挥实现的。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种土拱效应探究模型装置，基于力学简化，忽略压力分散型挡土墙竖向土拱效应的影响，考虑不同锚间距及锚间墙刚度，结合PFC微观力学分析，设计锚拉墙活动门试验，引入先进数字成像技术探寻土拱应力轨迹线，研究不同位移模式下土拱效应发生条件及存在模式，揭示墙-土相互作用机制，构建土拱效应二维基本力学模型。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验装置，包括两个支架，在其中一个支架上安装模型盒，另一个支架上安装高速摄像机，用于清晰记录土体主动及被动变形模式下的破坏过程以及土颗粒的位移状态；所述的所述模型盒上部开口，模型盒底部固定有第一底板和第二底板，所述第一底板和第二底板支撑于支架上，第一底板和第二底板之间设置刚性挡板；所述刚性挡板的底部安装有模型盒内部的土体施加压力的千斤顶，所述的千斤顶的顶部安装压力传感器，该压力传感器用于检测千斤顶的加载力；所述的千斤顶安装在一个底座上，且所述的底座上还设有与刚性挡板两侧的垂直面重合的激光测距仪，所述的激光测距仪用来记录主动及被动变形位移的大小。

进一步的，所述模型盒还包括与第一底板垂直的第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板，所述第一侧板和第二侧板相对，第三侧板和第四侧板相对，第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板围成盒体。

进一步的，所述第一侧板和第二侧板均与第一底板固定连接，第一侧板和第二侧板均与第二底板固定连接。

进一步的，所述第三侧板和第四侧板均与第一侧板固定连接，第三侧板和第四侧板均与第二侧板固定连接。

进一步的，所述第一侧板和第二侧板底部均通过第一连接件固定于支架上。以防模型盒倾覆。

进一步的，所述第一侧板在与第一底板配合处设置第一连接孔，所述第一底板上设置第二连接孔，第一连接孔和第二连接孔通过第二连接件连接。

优选的，所述第二连接孔为长圆孔。

进一步的，所述第一侧板在与第二底板配合处设置第三连接孔，所述第二底板上设置第四连接孔，第三连接孔和第四连接孔通过第三连接件连接。

优选的，所述第四连接孔为长圆孔。

进一步的，所述第二侧板在与第一底板配合处设置第五连接孔，所述第一底板上设置第六连接孔，第五连接孔和第六连接孔通过第四连接件连接。

优选的，所述第六连接孔为长圆孔。

进一步的，所述第二侧板在与第二底板配合处设置第七连接孔，所述第二底板上设置第八连接孔，第七连接孔和第八连接孔通过第五连接件连接。

优选的，所述第八连接孔为长圆孔。

进一步的，所述第一底板上表面与第三侧板下表面相平齐，第一底板下表面与第一侧板和第二侧板的下表面均相平齐。

进一步的，所述第二底板上表面与第四侧板下表面相平齐，第二底板下表面与第一侧板和第二侧板的下表面均相平齐。

优选的，所述支架顶部固定第一顶板和第二顶板，第一底板支撑于第一顶板上，第二底板支撑于第二顶板上。

进一步的，所述第一顶板和第二顶板之间的间距大于第一底板和第二底板之间的间距。

本实用新型提供的主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门模型装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：按照设定含水率拌合土体，拌合后静置设定时间；

步骤2：在模型盒内以设定间隔埋置土压力传感器，将拌合后的土体按设定压实度分3层填筑至模型盒内，每层接触面上进行拉毛处理，以保证土体受力均匀；

步骤3：打开激光测距仪和高速摄像机；

步骤4：通过观察压力传感器读数对千斤顶进行分级加载，以活动门上方土体发生被动破坏结束；

步骤5：千斤顶采用分级卸载的方式，重复进行步骤1-步骤3，通过观察压力传感器读数对千斤顶进行分级卸载，以活动门上方土体发生主动破坏结束。

本实用新型的工作原理为：

将事先配置好的土样按照一定的压实度分3层填筑到模型盒内，待试样填筑完成后，压力传感器的读数用来记录和控制主动及被动土压力的大小，激光测距仪用来记录主动及被动变形位移的大小，通过土压力盒来测试土压力的变化，高速摄像机来记录土体主动及被动变形模式下的破坏过程以及土颗粒的位移状态。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型提出了一种新型主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验装置及试验方法，可用于对不同土体“土拱效应”探究，克服了现有“土拱效应”室内试验探究的不足，可为“土拱效应”探究提供新思路。

2、本实用新型模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

3、本实用新型仅通过一个千斤顶的加载与卸载来实现土体的主动及被动受力模式，节省材料，节省空间，同时也易于控制。

4、本实用新型激光测距仪用来记录主动及被动变形位移的大小，确保了试验的准确性。

5、本实用新型选用透明石英砂作为填料，高速摄像机来拍摄，可以清晰记录土体主动及被动变形模式下的破坏过程以及土颗粒的位移状态。

6、本实用新型的第一底板和第二底板上部与第三侧板和第四侧板底部平齐，第一底板和第二底板下部与第一侧板和第二侧板下部平齐，可以保证模型盒的整体性，模型盒内的土体不会由底板和侧板的缝隙处掉出。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型结构的轴测图；

图2为本实用新型结构底板轴测图；

图3为本实用新型模型盒下部结构轴测图；

图4为左侧板示意图；

图5为前侧板示意图；

图中，1、支架，2、底板，3、前侧板，4、左侧板，5、螺栓孔，6、后侧板，7、角钢，8、右侧板，9、刚性挡板，10、定位螺栓孔，11、底座，12、激光测距仪，13、千斤顶， 14、压力传感器，15、第一底板，16、第二底板，17、高速摄像机，18、连接孔，19、第一顶板，20第二顶板，21、第三顶板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中对于锚拉式挡土墙结构，受锚杆（锚定板）的侧向约束作用，墙身会发生不均匀变形，若锚间距及锚间墙刚度设计合理，则会出现较为明显的土拱效应，并起到荷载分担作用，对结构受力非常有利。但另一方面，土拱效应也会引起墙背土压力的重分布，且具有动态演化特征，显著改变支护结构受力特征，导致传统设计理论难以适用，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种新型主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验装置及试验方法，可用于对不同土体“土拱效应”探究，克服了现有“土拱效应”室内试验探究的不足，可为“土拱效应”探究提供新思路。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1和图2所示，一种新型主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验装置，包括由支架1，底板2，前侧板3（即第一侧板），左侧板4（即第四侧板），螺栓孔5，后侧板6（即第二侧板），角钢7（即第一连接件），右侧板8（即第三侧板），刚性挡板9，底座11等组成。底板2、前侧板3、后侧板6、右侧板8、底座11、支架1均可以采用钢板制成，左侧板4采用透明有机玻璃板制成，以便于高速摄像机的观测。

前侧板3、左侧板4、后侧板6、右侧板8均与底板2垂直，前侧板3、左侧板4、后侧板6、右侧板8围成模型盒盒体。整个试验模型放置在支架1上，模型盒主要是左侧板4、右侧板8、前侧板3、后侧板6等通过螺栓拼接而成。

如图4和图5所示，左侧板4、右侧板8侧壁上留有钻孔，前侧板3、后侧板6上均设置螺栓孔5，左侧板4、右侧板8均设置于前侧板3、后侧板6之间，通过在螺栓孔5内穿入螺栓将左侧板4、右侧板8与前侧板3、后侧板6固定连接。通过拧紧前侧板3、后侧板6上的螺栓来实现前侧板3、后侧板6与左侧板4、右侧板8的连接。

为防止整个模型倾倒，通过角钢7将前侧板3、后侧板6卡在支架1上。

支架1顶部固定第一顶板19和第二顶板20，第一底板15支撑于第一顶板19上，第二底板16支撑于第二顶板20上。角钢7可固定于第一顶板19和第二顶板20上。

第一顶板19和第二顶板20之间的间距大于等于第一底板15和第二底板16之间的间距。

如图2-图5所示，模型装置底板由底板2，刚性挡板9组合而成，模型盒上部开口，模型盒底部的底板2由可移动的第一底板15和第二底板16组成，第一底板15和第二底板16之间设置刚性挡板9。第一底板15上表面与左侧板4下表面相平齐，第一底板15下表面与前侧板3、后侧板6的下表面均相平齐。第二底板16上表面与右侧板8下表面相平齐，第二底板16下表面与前侧板3、后侧板6的下表面均相平齐。

后侧板6和前侧板3的结构相同，左侧板4和右侧板8的结构相同但材料不同。图5中，前侧板3底部两侧均设置连接孔18，同样的，后侧板6底部两侧均设置连接孔18，第一底板15和第二底板16均设置定位螺栓孔10（即连接孔），定位螺栓孔10为长圆孔，第一底板15、第二底板16均与前侧板3、后侧板6通过定位螺栓孔10、连接孔18连接，通过不同连接孔18和定位螺栓孔10的连接，或者定位螺栓孔10的不同位置与连接孔18的连接，可以改变第一底板15和第二底板16的位置。

激光测距仪12安置于底座11上，与刚性挡板两侧位于同一垂直面上来记录刚性挡板9的位移。高速摄像机安置于支架1上，调试保证可以拍摄到完整的填料位移状态。

如图5所示，顶板19、顶板20的距离大于等于刚性挡板9的宽度，以便于千斤顶和激光测距仪的使用。

主动及被动变形模式下锚固挡墙活动门试验方法，具体步骤如下：

1）按照一定的含水率将土体拌和，拌和完成后，放置在桶里静止1天；

2）在模型盒内以设定间隔埋置土压力传感器，将拌合后的土体按设定压实度分3层填筑至模型盒内，每层接触面上进行拉毛处理，以保证土体受力均匀；

3）打开激光测距仪和高速摄像机；

4）通过观察压力传感器读数对千斤顶进行分级加载，以活动门上方土体发生被动破坏结束；

5）千斤顶采用分级卸载的方式，重复进行步骤1-步骤3，通过观察压力传感器读数对千斤顶进行分级卸载，以活动门上方土体发生主动破坏结束；

6）记录不同荷载并结合高速摄像机的录像整理和分析数据。

实施例：

将透明石英砂过5mm筛孔后，拌和均匀放置在密封桶里，静置1天后，将桶中配置为最佳含水率10.1%土体，在放置到密封桶里静置1天；调整装置，使千斤顶、压力传感器、刚性挡板接触，并使刚性挡板卡在第一、第二底板之间；按照预设尺寸布置土压力盒于第一、第二底板、刚性挡板上表面；按照80%分3层填筑，各接触面间要进行“拉毛”处置；填筑完成之后，启动高速摄像机和激光测距仪；千斤顶分级加载，分级记录土压力盒数据以及刚性挡板位移，直到土体破坏；根据录像以及记录的数据进行土体被动位移模式下破坏的分析。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

本实用新型模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

本实用新型仅通过一个千斤顶的加载与卸载来实现土体的主动及被动受力模式，节省材料，节省空间，同时也易于控制。

本实用新型激光测距仪用来记录主动及被动变形位移的大小，确保了试验的准确性。

本实用新型选用透明石英砂作为填料，高速摄像机来拍摄，可以清晰记录土体主动及被动变形模式下的破坏过程以及土颗粒的位移状态。

本实用新型的第一底板和第二底板上部与第三侧板和第四侧板底部平齐，第一底板和第二底板下部与第一侧板和第二侧板下部平齐，可以保证模型盒的整体性，模型盒内的土体不会由底板和侧板的缝隙处掉出。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。