一种动循环荷载挡土墙模型试验装置及试验方法与流程

本发明涉及道路工程、铁路工程、岩土工程技术领域，尤其是一种挡土墙

模型试验装置及试验方法。

背景技术：

近年来，挡土墙技术在公路，铁路，水利，电力工程等领域应用日趋广泛。挡土墙的结构形式也不断发展，挡土墙的极限设计高度也不断提高。目前的实际工程中主要考虑土压力静荷载，预应力荷载对挡土墙受力的影响。而动荷载因素因难以进行准确计算而被忽略。挡土墙的耐久稳定性是挡土墙安全运营的关键性能指标，动荷载对挡土墙的影响尤其重要。目前，主要的动荷载来自地震荷载，车辆动循环荷载及浸水区域的波浪动荷载。由于挡土墙动荷载多作用于挡土墙运营期，在设计阶段很难准确预测。而模型试验可以实现对挡土墙施加不同动荷载的功能，可用于指导技术人员在设计及施工阶段合理考虑动荷载对挡土墙稳定性的影响。目前，还没有相应的试验装置及试验方法。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种对挡土墙施加动荷载的试验装置及试验方法，使得技术人员可以在设计施工阶段可以考虑到动荷载对挡土墙稳定性这个影响因素。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种动循环荷载挡土墙模型试验装置，包括与地面固定连接的、由四块竖直的钢板围绕焊接而成模型槽，模型槽内部设置有用土体填充的挡土墙，所述挡土墙包括对立设置的两块挡土墙竖板和设置在两块挡土墙竖板下端的挡土墙底板，所述挡土墙底部设置有地震动荷载加载设备，所述挡土墙的顶部固定设置有车辆动循环荷载装置，地震动荷载加载设备和车辆动循环荷载装置由控制器控制，挡土墙内设置有用于测定土体所受压力的土压力监测装置和监测挡土墙的水平位移的位移监测装置。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述地震动荷载加载设备由液压千斤顶和地震加载平台组成，液压千斤顶由设置在地震加载平台底部的竖向千斤顶和设置在地震加载平台两侧的水平千斤顶组成，竖向千斤顶底部固定在地面上，竖向千斤顶顶部与地震加载平台底面相对，水平千斤顶底部固定连接在模型槽的侧壁上，水平千斤顶顶部与地震加载平台侧面相对，竖向千斤顶和水平千斤顶通过控制器控制。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述地震加载平台由钢筋混凝土制成，其混凝土强度等级不低于C60。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述地震加载平台与挡土墙底板之间设置有碎石垫层。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述车辆动循环荷载加载设备由加载车、滑轨、牵引电机组成，滑轨设置于挡土墙内填充的土体表面上，牵引电机控制加载车在滑轨上运动，牵引电机由控制器控制。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述竖向千斤顶设置有四个，四个竖向千斤顶均布在地震加载平台底部，所述水平千斤顶设置有四个，水平千斤顶对称地固定在模型槽相对的两个侧壁上。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述土压力监测装置为土压力盒，所述位移监测装置为百分表。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述模型槽、挡土墙竖板和挡土墙底板材料为Q235钢板。

一种动循环荷载挡土墙模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

①安装模型槽：焊接四块钢板，在焊接处预留穿线孔，将模型槽（8）通过锚栓与地面连接成一个整体；

②安装地震动荷载加载设备：安装竖向千斤顶（1）、水平千斤顶（2），竖向千斤顶（1）底部通过锚栓与地面相连，水平千斤顶（2）底部通过锚栓与模型槽（8）的钢板相连，将千斤顶的液压引线穿过穿线孔与控制器（6）相连，水平放置钢筋混凝土地震加载平台（11）；

③安装挡土墙：在地震加载平台（11）上铺设碎石垫层并压实，将挡土墙放置于碎石垫层上；

④填土及压实：在挡土墙内填土并分层压实；

⑤安装土压力盒：土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装；

⑥安装车辆动循环荷载加载设备：将滑轨（4）放置于挡土墙内填充的土体上表面的中心位置，将加载车（7）放置于滑轨（4）上，加载车（7）前后各连接一个牵引线，牵引线与牵引电机（5）活动连接；

⑦安装位移监测装置：在挡土墙侧壁上安装百分表；

⑧读取转动挡土墙侧向土压力盒初始压力及百分表初始位移；

⑨通过控制器控制液压千斤顶的压力和加载车的速度，测定挡土墙的土压力和位移。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤⑤中填土高度超过土压力盒位置设定高度后进行反开挖，将土压力盒放入并回填压实。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明提供了一种挡土墙动荷载模型试验装置及试验方法，通过本发明的装置能够实现任意调整挡土墙的地震荷载速率、不同车辆荷载轴重及车辆速度，用于研究不同动荷载条件下不同挡土墙应力、位移，同时，本发明易于加工，安装、拆卸方便，能够重复利用，安全性高。

本发明中在地震加载平台上设置的液压千斤顶由竖向千斤顶和水平千斤顶组成，在试验模型外边有控制液压千斤顶油缸进油和回油使得产生水平动荷载和竖向动荷载的控制器，控制器可以控制液相千斤顶给油和回油速率，以控制、模拟产生不同的水平地震波及竖向地震波，即研究挡土墙在地震荷载作用下的土压力及位移变化；同时，水平千斤顶和竖向千斤顶各设置有四个，两两一组，水平千斤顶底部的固定端设置在模型槽的侧壁上，顶部的活动端对应地设置地震加载平台的侧面，竖向千斤顶底部的固定端设置在地面上，顶部的活动端接触在地震加载平台上，水平千斤顶和竖向千斤顶都受控制器的控制，使得地震加载平台在竖向、水平两个方向上的自由度，维持地震动荷载加载设备的平稳状态。

本发明中的控制器可以控制前、后牵引电机，使其产生不同的牵引速率，产生车辆动循环荷载，模拟出在现实状态下不同的车速对挡土墙稳定性的影响；同时，所述的试验装置中的加载车上可以加载不同的铁块来模拟出不同轴重的车辆，从而可以控制模拟出不同的车速及车辆轴载，产生不同的车辆动循环荷载。

本发明中在两个挡土墙竖板的内侧土体上固定设有土压力监测装置和百分表，可以测得荷载作用下土体所受压力并监测挡土墙的水平向位移规律，实现水平位移的监测。

本发明中地震加载平台与挡土墙底板中间设有碎石垫层，通常挡土墙底部设置碎石垫层是为了模拟实际挡土墙施工时，减少模型在动循环荷载下的不均匀沉降，同时，碎石垫层可以起到传递地震荷载的作用，使地震荷载不会直接施加于挡土墙底部，而是通过垫层传递，这与实际中地震荷载从地基内通过碎石垫层传到挡土墙底部相符，更符合实际效果。

本发明中地震加载平台是由钢筋混凝土制成，具有较好的整体性、良好的抗震、抗爆和抗振动的性能，与钢结构相比具有较好的耐火性；同时，易于就地取材，钢筋混凝土结构所用比重较大的砂、石材料易于就地取材，且可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废渣有利于保护环境，钢筋混凝土结构还具有很好的耐久性，正常使用条件下不需要经常性的保养和维修。

本发明中的模型槽、挡土墙竖板和挡土墙底板材料都采用的是Q235钢板，Q235钢板屈服强度低，成型容易，易卷制。本发明中的挡土墙竖板的长度与模型槽的长度相同，使其模型槽钢板充当挡土墙的作用。

附图说明

图1是本发明试验装置示意图；

图2是本发明地震加载设备示意图；

图3是本发明车辆动循环荷载加载设备示意图；

图4是本发明挡土墙示意图；

其中，1、竖向千斤顶，2、水平千斤顶，3、挡土墙竖板，4、滑轨，5、牵引电机，6、控制器，7、加载车，8、模型槽，9、挡土墙底板，10、地震动荷载加载设备，11、地震加载平台。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1中所示，一种动循环荷载挡土墙模型试验装置，包括通过锚栓与地面相连的模型槽8，所述模型槽8采用四块竖直的Q235钢板围绕焊接制成，模型槽8的底部上设置有地震动荷载加载设备10，地震动荷载加载设备10由液压千斤顶和地震加载平台11组成，液压千斤顶由设置在地震加载平台11底部的竖向千斤顶1和设置在地震加载平台11两侧的水平千斤顶2组成，地震加载平台11与挡土墙底板9之间设置有20cm厚的碎石垫层；如图4所示，挡土墙包括对立设置的挡土墙竖板3和挡土墙底板9，挡土墙竖板3固定连接在挡土墙底板9上，每个挡土墙竖板3和挡土墙底板9采用Q235钢板焊接制成，两个挡土墙之间用土体填充空间。

地震加载平台（11）由钢筋混凝土制成，其混凝土强度等级不低于C60。使其具有较好的整体性、良好的抗震、抗爆和抗振动的性能；同时，易于就地取材，钢筋混凝土结构所用比重较大的砂、石材料易于就地取材，且可有效利用矿渣、粉煤灰等工业废渣有利于保护环境，钢筋混凝土结构还具有很好的耐久性，正常使用条件下不需要经常性的保养和维修。

控制器6控制千斤顶油缸进油和回油，如图2 所示，水平千斤顶和竖向千斤顶各设置有四个，两两一组，竖向千斤顶1底部固定在地面上，竖向千斤顶1顶部与地震加载平台11底面相对，水平千斤顶2底部固定连接在模型槽8的侧壁上，水平千斤顶2顶部与地震加载平台11侧面相对，竖向千斤顶1和水平千斤顶2通过控制器6控制实现加压和减压，使竖向千斤顶1同时往复进油和回油，产生竖向地震波。水平千斤顶2往复进油和回油，即左侧水平千斤顶2进油时，右侧水平千斤顶2同时回油，右侧水平千斤顶2进油时，左侧水平千斤顶2回油，产生水平地震波，并通过土压力盒及百分表测定挡土墙侧向土压力及位移变化。

如图3所示，挡土墙的顶部固定设置有车辆动循环荷载装置，车辆动循环荷载加载设备由加载车7、滑轨4、牵引电机5组成，滑轨4设置于挡土墙内填充土体表面上，牵引电机5控制加载车7在滑轨4上运动，控制器6控制牵引电机5的牵引速率。通过在加载车7上放置加载钢块，产生不同的车辆竖向荷载，通过控制器6控制前后牵引电机5，使其产生不同的牵引速率，用于模拟不同的车速，当前方牵引电机5工作时，后方牵引电机5不工作，当加载车7到达滑轨末端时，后方牵引电机5开始工作，前方牵引电机5不工作，往复运行，产生车辆动循环荷载，并通过土压力盒及百分表测定挡土墙侧向土压力和位移变化。

一种动循环荷载挡土墙模型的试验方法，包括以下步骤：

①安装模型槽：

焊接四块Q235钢板，在焊接处预留穿线孔，将模型槽8通过锚栓与地面连接成一个整体；

②安装地震动荷载加载设备：

安装竖向千斤顶1、水平千斤顶2，竖向千斤顶1底部通过锚栓与地面相连，水平千斤顶2底部通过锚栓与模型槽8的钢板相连，将千斤顶的液压引线穿过穿线孔与控制器6相连，水平放置钢筋混凝土地震加载平台11；

③安装挡土墙：

在地震加载平台11上铺设20cm厚的碎石垫层并用电动冲击夯实，采用行吊或吊车将挡土墙吊装于碎石垫层上，将挡土墙底板9与挡土墙竖板3用螺栓固定，形成固定框架；

④填土及压实：填土并分层压实；

⑤安装土压力盒：土压力盒埋设采用反开挖方式进行安装，填土高度超过土压力盒埋设高度20cm后进行反开挖，将土压力盒放入并回填压实；

⑥安装车辆动循环荷载加载设备：填土压平后，在挡土墙内填充的土体上表面的中心位置安装滑轨4，并固定滑轨4的承压板，将加载车7放置于滑轨4上，加载车7前后两侧各连接一个牵引线，牵引线与牵引电机5活动连接；

⑦安装水平位移监测器：在挡土墙竖板3上安装百分表；

⑧读取转动挡土墙侧向土压力盒初始压力及百分表初始位移；

⑨通过控制器控制液压千斤顶的压力和加载车的速度，测定挡土墙的土压力和位移。

关于本发明的具体试验方法中列举以下三个实施例。

实施例1

（1）模型安装：填料采用砂土，控制压实度为85%；

（2）读取转动挡土墙侧向土压力盒初始压力及百分表初始位移；

（3）通过控制器6控制竖向千斤顶，使其加压时间为3s,减压时间为3s,往复加压与减压，加减压五分钟后停止。以五分钟停止时刻为起点，每一分钟测定土压力及位移，分析地竖向地震波结束后不同时段内挡土墙的土压力及位移变化；

（4）在步骤（3）中，若地震加载平台破碎，需重新更换加载平台。

实施例2

（1）模型安装：填料采用粉土，控制压实度为90%；

（2）读取转动挡土墙侧向土压力盒初始压力及百分表初始位移；

（3）保持竖向千斤顶压力恒定，通过控制器6控制水平千斤顶，左侧加压3s的同时，右侧减压3s，然后左侧减压3s,右侧加压3s, 往复加压与减压，加减压五分钟后停止。以五分钟停止时刻为起点，每一分钟测定土压力及位移，分析地水平地震波结束后不同时段内挡土墙的土压力及位移变化；

（4）步骤（3）中，若地震加载平台破碎，需重新更换加载平台。

实施例3

（1）模型安装：填料采用砂土，控制压实度为90%；

（2）读取转动挡土墙侧向土压力盒初始压力及百分表初始位移；

（3）保持竖向千斤顶与水平千斤顶压力恒定，加载车初始位置位于模型槽一端，加载车上覆钢块，使其换算后的车辆轴载为100KN，通过控制器6控制牵引电机速率，使加载车产生40Km/h 的运行速度。并根据滑轨长度确定电机运行时间为0.18s，当前端牵引电机运行0.18s过程中，后端牵引电机不工作，随后后端牵引电机工作0.18s，前端牵引电机不工作，反复运行1000次，测定挡土墙的土压力及位移变化；

（4）在步骤（3）的过程中，分别改变车辆循环加载次数为5000次，1万次，10万次，100万次，测定挡土墙的土压力及位移变化。

本实施例用于测定不同车辆动循环次数下挡土墙的受力及位移变化规律。

本装置千斤顶加压、减压频率，填料类型，挡土墙型式，压实度，车速，车辆轴载，车辆数量等均可进行调整，其他参照上述实施例，在此不再赘述。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明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发明的保护范围以内。