一种多功能土拱仪的制作方法

本发明涉及一种抗滑桩支挡机理及端承桩支挡机理的演示实验仪器，尤其涉及一种多功能土拱仪。

背景技术：

在土力学领域，土拱是用来描述应力转移的一种现象，这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的。土拱作用是指支撑刚度较大而围护结构刚度较小，墙后土压力局部增大的现象，局部土体产生移动，而其余部分保持原来的位置不动，土中的这种相对运动受到土体抗剪强度的阻抗，使移动部分土体的压力减小，而不动部分上的压力增加。

土层中的拱作用的产生与拱结构物不一样，拱结构是把材料制成拱形状，在荷载作用下发挥其承受压力的作用;而土拱有其自身的形成过程:在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相"楔紧"的作用，于是在一定范围土层中产生"拱效应"；由于土拱效应的存在，使得围护结构后的主动土压力产生重分布，土体中除了竖向存在土拱效应外，水平方向同样存在着土拱效应。合理利用竖向及水平向的土拱效应可使土体的应力重分布向对工程有利的方向发展，充分利用土体自身的抗变形能力。

抗滑桩具有自身刚度大，稳定性好、施工方便等优点，在滑坡治理和防护中得到广泛的应用，端承桩在提供路堤承载力方面也有着十分广泛的用途，抗滑桩和端承桩等以离散的修筑来实现连续的支护，再这以离散修筑实现连续支挡的过过程中土拱效应起到了至关重要的作用，土拱效应是此类结构支挡机理的重要内容，但土拱效应主要形成表面以下一定距离，并且需要一定的应力、地质条件和坡度条件，但目前现有技术中无法实现在不同应力条件下、不同条件下和不同坡度条件土拱效应和桩土相互作用的真实再现。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是在不同应力条件下、不同条件下和不同坡度条件下实现土拱效应和桩土相互作用的真实再现土拱仪。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多功能土拱仪，包括基础底座、动力系统、模型桩系统、横向支撑边界、竖向支撑边界以及模型桩盖板，所述模型桩系统置于基础底座上，横向支撑边界置于基础底座上表面的前后两端，竖向支撑边界置于基础底座上表面的左右两端，所述竖向支撑边界和横向支撑边界将模型桩系统围在中间形成一个矩形，所述模型桩系统包括前载荷均布组合、后载荷均布组合、左侧挡板、右侧挡板和模型桩底板，所述前载荷均布组合外侧设有推力器，该推力器的底部抵在基础底座上表面的前侧横向支撑边界内侧上，所述后载荷均布组合外侧设有反力器，该反力器的底部抵在基础底座上表面的后侧横向支撑边界内侧上，所述左侧挡板、右侧挡板位于模型桩底板左右两侧，与前载荷均布组合、后载荷均布组合构成一个矩形容腔，所述模型桩底板是由若干个长条板拼接排列而成，在每个长条板之间留有换板槽，在每个长条板上设有直立向上模型桩和模型桩镶嵌孔，所述左侧挡板和右侧挡板的外侧均设有若干与竖向支撑边界相抵的侧向支撑柱；所述模型桩盖板包括顶部加压板和顶部盖板，所述顶部盖板上横向设有若干镶嵌槽，顶部加压板置于镶嵌槽内，所述模型桩盖板完全覆盖住模型桩系统。

采用此多功能土拱仪，在模型桩系统的矩形容腔内填土，然后用模型桩盖板盖住密封，推力器向容腔内部挤压泥土，反力器作用一个反力均布，前载荷均布组合和后载荷均布组合将推力器作用的力与反力器作用的力分散开，均布在容腔内填埋的土中，然后根据推力器施加的力观察模型桩系统内的土沿着模型桩做出的形变与压力分布，可直观的观察在不同应力条件下、不同条件下和不同坡度条件土拱效应和桩土相互作用现象，左侧挡板和右侧挡板的外侧用侧向支撑柱给予支撑力，防止容腔内的土在推力器的作用下往外顶开左右两侧的挡板，长条板之间留有换板槽的作用是便于随意调节模型桩系统的横向宽度，可将左右侧挡板插在换板槽内调节位置，以观察在不同应力条件下泥土沿着模型桩的形变，可实现单排桩和多排状在多种情况下的土工效应再现，换板槽可使长条板重新组合，实现多组不同的桩距比土拱效应实验，可广泛的模拟大多数工程桩土间距的情况，克服了传统的一组实验装置只能测量一种土拱变化情况，节约了模型实验成本。

进一步限定，所述顶部盖板为有机透明玻璃，在有机透明玻璃外周固定有一层固定框架，所述固定框架与模型桩系统的顶部相配合，所述有机透明玻璃表面上绘制有刻度网格。有机透明玻璃的顶部盖板强度高，不易破碎裂开，可以实时观察土拱的形成和发育的全过程，刻度网格可以作为在模拟土体山均匀设置石灰线的依据方便直接观察泥土的位移变化。

进一步限定，所述换板槽位于两个模型桩中间，换板槽的宽度与左侧挡板、右侧挡板的厚度相同。便于长条板的随意组合，长条板可以插进换板槽内改变模型桩容腔的横向距离，以便于推力器作用不同的压力；长条板的材料为钢板，左右侧挡板的高度与模型桩受载荷力段的高度相同，且长条板的长度与左右侧挡板的长度相同。

进一步限定，所述侧向支撑柱至少为3根，分别均布在竖向支撑边界的前、中、后三个位置，均匀支撑左右侧挡板，分散作用力防止左右侧挡板内泥土的挤压而倒下。

进一步限定，所述侧向支撑柱采用原木或者封闭钢筒，防止在推力器的作用下被泥土挤压变形，影响土拱效应的形成与发育。

进一步限定，所述基础底座由混凝土制作而成，在基础底座的四周设置四个地基锚固杆，所述基础底座和地基锚固杆埋入土体部分不少于整体高度的1/3了，混凝土基础底座宽度与上部模型桩系统的宽度相同，基础底座地面以上部分的高度与模型桩系统的凌空部分长度相同。

进一步限定，该土拱仪还包括模型转动系统，在基础底座和模型桩系统之间设有一层抬起模型桩系统的转动板，所述模型转动系统包括转动轴、转动支架、外部框架和吊机葫芦，所述转动支架位于模型桩系统的底部左右两侧，转动轴穿过基础底座的前边沿连接在转动支架上，所述外部框架置于模型桩系统的外周，所述吊机葫芦通过滚动轴竖直吊在模型桩系统的上方，该滚动轴的两端架在外部框架顶部两横杆上，保证吊机葫芦可以在外部框架的横杆上滑动来调节位置，以此来调节模型桩系统的悬挂角度，模型桩系统可以被吊机葫芦吊起绕着转动支架转动，与基础底座形成一定角度，来模拟不同坡度地形的土拱效应的形成。

进一步限定，所述推力器为液压千斤顶，反力器上设有反力弹簧，在液压千斤顶与前载荷均布组合之间设有测力环；反力器为能提供稳定荷载的反力加载器，反力器的具体荷载要求根据所进行的试验要求确定，测力环的设计可以进行加压和压力的检测。

进一步限定，所述前载荷均布组合和后载荷均布组合主要由载荷均布板、均布单元和载荷分担板组成，所述载荷均布板与左侧挡板、右侧挡板垂直放置，若干均布单元垂直于载荷均布板均匀布置，所述载荷分担板与载荷均布板平行放置将均布单元夹在中间，所述推力器抵在前载荷均布组合的载荷分担板上，所述反力器抵在后载荷均布组合的载荷分担板上。

进一步限定，所述模型桩为混凝土桩或钢板桩，模型桩和模型桩镶嵌孔截面为矩形、方形或者圆形。

附图说明

图1为一种多功能土拱仪立体结构意图；

图2为模型桩转动系统的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1、图2所示的一种多功能土拱仪，包括基础底座1、动力系统、模型桩系统、横向支撑边界2、竖向支撑边界3以及模型桩盖板4，所述模型桩系统置于基础底座1上，横向支撑边界2置于基础底座1上表面的前后两端，竖向支撑边界3置于基础底座1上表面的左右两端，所述竖向支撑边界3和横向支撑边界2将模型桩系统围在中间形成一个矩形，所述模型桩系统包括前载荷均布组合5、后载荷均布组合6、左侧挡板7、右侧挡板8和模型桩底板9，所述前载荷均布组合5外侧设有推力器10，该推力器10的底部抵在基础底座1上表面的前侧横向支撑边界2内侧上，所述后载荷均布组合6外侧设有反力器11，该反力器11的底部抵在基础底座1上表面的后侧横向支撑边界2内侧上，所述左侧挡板7、右侧挡板8位于模型桩底板9左右两侧，与前载荷均布组合5、后载荷均布组合6构成一个矩形容腔，所述模型桩底板9是由4个长条板91拼接排列而成，在每个长条板91之间留有换板槽92，在每个长条板91上设有直立向上模型桩12和模型桩镶嵌孔13，所述左侧挡板7和右侧挡板8的外侧均设有与竖向支撑边界3相抵的侧向支撑柱14，所述侧向支撑柱14为3根，分别均布在竖向支撑边界3的前、中、后三个位置；所述模型桩盖板4包括顶部加压板42和顶部盖板41，所述顶部盖板41上横向设有若干镶嵌槽，顶部加压板42置于镶嵌槽内，所述模型桩盖板4完全覆盖住模型桩系统。

所述顶部盖板41为有机透明玻璃，在有机透明玻璃外周固定有一层固定框架，所述固定框架与模型桩系统的顶部相配合，所述有机透明玻璃表面上绘制有刻度网格43。

所述换板槽92位于两个模型桩12中间，换板槽92的宽度与左侧挡板7、右侧挡板8的厚度相同。

所述侧向支撑柱14采用原木或者封闭钢筒。

所述基础底座1由混凝土制作而成，在基础底座1的四周设置四个地基锚固杆15，所述基础底座1和地基锚固杆15埋入土体部分为整体高度的1/3。

该土拱仪还包括模型转动系统，在基础底座1和模型桩系统之间设有一层抬起模型桩系统的转动板，所述模型转动系统包括转动轴16、转动支架17、外部框架18和吊机葫芦19，所述转动支架17位于模型桩系统的底部左右两侧，转动轴16穿过基础底座1的前边沿连接在转动支架17上，所述外部框架18置于模型桩系统的外周，所述吊机葫芦19通过滚动轴20竖直吊在模型桩系统的上方，该滚动轴20的两端架在外部框架18顶部两支架上。

所述推力器10为液压千斤顶，反力器11上设有反力弹簧，在液压千斤顶与前载荷均布组合5之间设有测力环。

所述前载荷均布组合5和后载荷均布组合6主要由载荷均布板55、均布单元56和载荷分担板57组成，所述载荷均布板55与左侧挡板7、右侧挡板8垂直放置，若干均布单元56垂直于载荷均布板55均匀布置，所述载荷分担板57与载荷均布板55平行放置将均布单元56夹在中间，所述推力器10抵在前载荷均布组合5的载荷分担板57上，所述反力器11抵在后载荷均布组合6的载荷分担板57上。

所述模型桩12为混凝土桩或钢板桩，模型桩12和模型桩镶嵌孔13截面为矩形。

本发明的土拱仪具体操作步骤为：根据野外实测资料或初始实验设计方案确定实验的模型桩系统的具体尺寸参数、模型桩12间距、模型桩系统内的填充土体材料；接下来，根据实验设计要求,放置已经制定好的模型桩12，如果采用单排桩进行实验时，另一排模型桩镶嵌孔13需要进行提前覆盖，以免土体材料进行进入模型桩镶嵌孔13，影响后期使用；然后确定前载荷均布组合5和后载荷均布组合6的位置，并进行前期位置固定，放置推力器10和反力器11；再接着填筑岩土体材料，采用分层建筑，进行主体部分压实，保证填筑土体高于左侧挡板7和右侧挡板8，并且在土体实验时的规定位置放置传感器；最后放置顶部盖板41和顶部加压板42，在顶部盖板41上放置固定重物来生成达到设计要求的初试应力，带稳定后采用螺栓固定顶部加压板42，完成初步模型的建立，通过模型转动系统的吊机葫芦19将模型桩系统提升到制定的角度，启动推力器10和反力器11，就可以开始进行实验了，完成时验后放平模型桩系统，进行清理和保养。

以上对本发明提供的一种多功能土拱仪进行了详细介绍，具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。