一种基于透明土技术的动力土拱模型试验系统及方法与流程

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本发明涉及岩土工程技术领域中的一种模型试验系统及方法，尤其是涉及一种基于透明土技术的动力土拱模型试验系统及方法。

背景技术：

在软土地区，由于土体的压缩性大、强度低，为减小路基总沉降和不均匀，工程中往采用竖向增强体加固软土路基。在路堤填筑和线运营过程中，由于竖向增强体桩间土体的刚度差异，会在路基表面产生不均匀沉降堤填土中剪应力造成桩间土承担的荷载逐步往桩上转移，这一传递规律称为“土拱效应”。路堤填土中完整土拱的形成是消除路面不均匀沉降的关键。因此，也可以说竖向增强体复合地基设计成败因素之一。

随着高速公路、铁路等现代交通线路的飞速发展，路堤中的土拱将承受不同程度高频动力荷载的循环作用，使得原有静力条件下土体中由土拱效应作用形成的力学平衡状态，在动力荷载作用下发生破坏。因此，有必要对动力荷载作用下的土拱效应（动力土拱）的演化规律展开试验研究。

土拱效应的主要室内试验方法是太沙基的“trapdoor”试验^[1]，目前该试验观测面均为模型某外表面，受模型箱的边壁效应影响，表面的观测结果并不能完全真实的体现土体内部“土拱效应”引起的土体变形。透明土的基本原理是用透明颗粒材料和与其具有相同折射率的孔隙液体混合，排出空气得到的透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用透明土技术，可以在透明土中形成散斑场，用相机拍出高精度的图片，结合piv技术得到土体内部变形场及其宏观变化过程。

参考文献

terzaghi,k.(1943).theoreticalsoilmechanics,j.wileyandsons,newyork。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有土拱效应试验技术存在的缺陷，提出一种基于透明土技术的动力土拱模型试验系统及方法，实现在土体中形成单个或多个稳定正、负土拱；实现在土体表面施加循环动力荷载；实现对土体内部变形进行高精度、高速观测，得到土拱的形成和动力破坏规律。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于透明土技术的动力土拱模型试验系统，包括反力架、加载装置、模型槽、模型支架、透明土、固定块、活动块、竖向滑动丝杆、蜗轮箱体、水平连接轴、电动马达、激光发射器、高速相机和测量设备，所述反力架由底座、两个立柱和一个反力梁组成的框架结构，其特征在于：反力架锚固于地面上；模型支架固定于反力架的底座上，模型槽固定于模型支架上，模型槽内配置透明土作为填土材料；加载装置顶部固定于反力架的反力梁底部，其底部与模型槽内的填土材料接触；若干块矩形固定块和矩形活动块相间放置于模型槽底部，其顶面相互齐平与透明土底面接触；竖向滑动丝杆一端连接活动块，另一端连接蜗轮箱体，所述蜗轮箱体穿过水平连接轴，且连接电动马达，通过电动马达、水平连接轴和蜗轮箱体的共同作用牵引活动块作上下活动；激光发射器的出光口对准透明土，激光发射器发射的激光形成一个平面，穿透透明土；高速相机位于透明土前方，其拍摄方向垂直于激光平面的方向；所述测量设备分别连接固定块与活动块。

本发明中，所述加载装置包括加载器、土压力传感器和加载板，加载器可根据需要的荷载特性进行选择；土压力传感器位于加载器与加载板之间，实时监测加载器的输出荷载；加载板尺寸可根据需要进行设计。

本发明中，所述模型槽底部留有一定宽度的横缝，用于竖向滑动丝杆穿过模型槽的槽底与活动块连接。

本发明中，所述活动块包括有机玻璃块和矩形橡胶密封圈，有机玻璃块的四个侧面含有凹槽，矩形橡胶密封圈部分嵌入凹槽内，剩余部分突出；当活动块向下活动时，用于模拟正土拱，当活动块向上活动时，用于模拟负土拱。

本发明中，所述活动块与固定块的尺寸和数量可以根据研究需要进行调整，既可以进行单拱一活动门的土拱分析，也可以进行多活动门的群拱分析。

本发明中，所述测量设备包括土压力盒、位移计与数据采集仪，监测固定块与活动块上土压力的分布情况和活动块的活动量。

本发明中，所述模型槽采用钢化玻璃模型槽。

本发明中，所述蜗轮箱体由蜗轮、蜗杆和箱体组成，竖向滑动丝杆穿过蜗杆，蜗轮穿过水平连接轴，蜗杆与蜗轮相啮合，蜗轮和蜗杆位于箱体内。

本发明提出的一种利用上述基于透明土技术的动力土拱模型试验系统的试验方法，包括如下步骤：

步骤1：设计固定块与活动块的尺寸，确定透明填土的高度；

步骤2：清洗钢化玻璃模型槽、固定块与活动块，并用干毛巾擦净；

步骤3：将固定块按照设计位置在模型槽底部布置好，并用密封胶进行固定和密封；

步骤4：将矩形密封圈嵌入活动块，活动块与滑动丝杆连接，放入模型槽固定块之间；

步骤5：安装蜗轮箱体、水平连接杆与电动马达，与竖向滑动丝杆连接，使电动马达可以牵引活动块上下活动；

步骤6：布置土压力盒，缓慢配置透明土至设计路堤高度；

步骤7：布置激光发射器，使激光发射器发射的激光可以形成平面穿透透明土；

步骤8：布置并调试相机，相机拍摄方向垂直于激光平面，使相机保持自动拍照模式，拍照速度根据加载频率设置；

步骤9：打开电动马达，牵引活动块向下(上)移动，观测固定块与活动块上土压力变化，当二者土压力达到稳定，关闭电动马达，活动块固定；

步骤10：打开加载装置，进行预设方案加载；

步骤1001：控制加载装置进行静力加载，至既有土拱破坏(固定块与活动块上土压力相等，土体中的土拱效应消失)，记录对应的极限静力荷载；

步骤1002：根据极限静力荷载设置动力加载的荷载幅值，进行动力加载至预设动力循环次数；

步骤11：保存图片，关闭激光、加载装置，整理实验装置；

步骤12：用piv技术处理实验数据。

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种基于透明土技术的动力土拱模型试验系统及方法可以实现土体内部变形分布的连续、高速、高精度实时测量；可以在模型槽内进行不同活动块和固定块尺寸及数量的布置，模拟不同土拱工况；活动块可上下活动分别模拟负、正土拱的情况；可以通过土压力盒实时监测固定块与活动块上土压力的变化规律，实时观测土拱的演化情况，并以此控制试验进度，提高试验效率；可以进行静力加载和动力加载，用静力加载获得土拱破坏的极限静力荷载，以此控制动力荷载的大小，获得动力荷载对土拱的影响规律。

附图说明

图1为本发明的设备布置图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明加载装置示意图；

图4为本发明的模型槽结构示意图；

图5为本发明活动块细部结构示意图；

图6为本发明蜗轮箱体内部结构示意图；其中：(ａ)为蜗轮箱体内部侧视图，（ｂ）为蜗轮箱体内部俯视图；

图7为本发明模拟单拱方法示意图；

图8为本发明模拟多拱方法示意图。

图中标号：1—反力架、2—加载装置、2.1—加载器、2.2—土压力传感器、2.3—加载板、3—模型槽、3.1—模型槽壁、3.2—横缝、4—模型支架、5—透明土、6—固定块、7—活动块、7.1—有机玻璃块、7.2—密封槽、7.3—矩形橡胶密封圈、8—竖向滑动丝杆、9—电动马达、10—水平连接轴、11—蜗轮箱体、11.1—蜗轮、11.2—蜗杆、12—激光发射器、13—高速相机、14—激光发射器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例１：参阅图1—图8，一种基于透明土技术的动力土拱试验系统，由加载装置2、模型槽3、透明土5、固定块6、活动块7、蜗轮箱体11、激光发射器12和高速相机13等部分组成。反力架1的底座在底面锚固；模型支架4放置于底座中心并固定；反力梁调整至合适高度，用螺将反力梁两端固定于立柱1.2上；将加载装置2固定在反力梁中心；模型槽3放置到模型支架4上，采用透明有机玻璃制作四个相同的矩形固定块6和三个相同的矩形活动块7，活动块7长度为固定块6的两倍，宽度等于模型槽3的内部宽度，固定块6高度比活动块7高，高出部分为预留的活动块7允许活动高度；将制作好的固定块6放入模型槽3中，每两个固定块6中间预留一个活动块7的宽度距离，在固定块6与模型槽壁7.1接触部位涂抹密封胶固定并密封；在活动块7侧面挖出一条密封槽7.1，在密封槽7.1内涂抹上强力胶剂，将矩形橡胶密封圈7.2嵌入密封槽7.1中固定，活动块7底部连接竖向滑动丝杆8；将制作好的活动块7连同竖向滑动丝杆8一起放入模型槽3预留位置，并保持活动块7与固定块6的顶面水平；竖向滑动丝杆8从模型槽3的横缝3.2中穿出，每根竖向滑动丝杆8分别与一个蜗轮箱体6中的蜗杆6.2连接，连接调整后将箱体6.3放置在模型支架4上并固定；水平连接轴10穿过三个蜗轮箱体11与其中的涡轮11.1连接，在水平连接轴10的一端连接电动马达9；清洁模型槽壁3.1、固定块6与活动块7的表面，风干；在固定块和活动块上分别放置土压力盒，在活动块底部安装位移计，将土压力盒与位移计连接到数据采集仪；以固定块6和活动块7的顶面为透明土填土的起始面，在模型槽3中填筑透明土5至设计填土高度；在模型槽3两侧一定距离处分别安置一个激光发射器12，并保持两个激光发射器12的激光面重合，确保在透明土5中能形成稳定的激光散斑场14；将高速相机13布置在激光散斑场的中轴线上。试验时，将电动马达9打开，使活动块7向下运动，当固定块6与活动块7上土压力盒数据趋于稳定，透明土5中形成稳定土拱，关闭电动马达9；启动加载装置2，将加载板移动至透明填土顶部中心，进行加载。

活动块的活动数量根据研究需要进行调整，电动马达9通过水平连接轴10连接三个蜗轮箱体11时，可以牵引三个活动块7同时向下运动，模拟群拱情况；电动马达9放置在其中一个活动块7下，水平连接轴连接该活动块7对应的蜗轮箱体11，牵引单个活动块7向下运动，模拟单拱情况。

一种利用上述基于透明土技术的动力土拱模型试验系统的试验方法，包括如下步骤：