一种土拱效应模型试验装置及试验方法与流程

本发明属于“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，是一种土拱效应模型试验装置及试验方法，对提高边坡加固作用机理的认识水平，分析桩土之间应力传递规律，确定桩土相互作用方式等都具有重要的理论和实践价值。

背景技术：

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。

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。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种新型土拱效应模型试验装置及试验方法，完善上述现有探究“土拱效应”室内试验，通过利用本发明装置进行室内试验，来探究“土拱效应”原理，为工程实践提供一定的理论基础。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

土拱效应模型试验装置，包括支架，所述支架上支撑模型盒，所述模型盒上部开口，模型盒底部设置可移动的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托料板；所述第一底板和第二底板底部均固定可转动的压板，压板转动至工作位时，与托料板接触并支撑住托料板；压板转动至非工作位时，与托料板脱离，托料板掉落。

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。

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。

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。

所述第一侧板在与第一底板配合处设置多个第一连接孔，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。

所述第一侧板在与第二底板配合处设置多个第三连接孔，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。

所述第二侧板在与第一底板配合处设置多个第五连接孔，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。

所述第二侧板在与第二底板配合处设置多个第七连接孔，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。

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。

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。

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。

所述托料板由至少一个基础尺寸托料板拼接而成。

土拱效应模型试验装置的试验方法，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：将第一底板和第二底板拉开设定距离，将设定尺寸的托料板放置于第一底板和第二底板之间，将压板转动至与托料板接触；

步骤3：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多层填筑至模型盒内；

步骤4：将压板转动至与托料板脱离，托料板掉落，土体内力重新分布，监测土压力变化情况；

步骤5：更换托料板的尺寸，重复进行步骤1-步骤4，完成试验。

本发明的工作原理为：

可移动的第一底板和第二底板移动到指定距离位置后，将与第一底板和第二底板间距相对应的托料板拼接完成，通过松紧螺丝，使压板转动至工作位托住托料板，然后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，松开底部压板上的螺栓，将压板旋转90度后，托料板掉落，土体应力重新分布，通过土压力盒来测试土压力的变化。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出了一种探究“土拱效应”新型装置结构及其使用方法，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、本发明模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

3、本发明仅通过移动底部第一底板和第二底板来实现对不同间距的土体“土拱效应”探究，节省材料，同时也易于对模型槽改造。托料板可设置为由基础尺寸托料板拼接而成，根据需要拼接即可，无需生产每一尺寸的托料板，生产方便，且能重复使用，节省材料。

4、本发明将压板转动至非工作位，托料板掉落，模型盒内部土体应力从新分布，借此来观测土拱形状，分析土拱效应。可改变第一底板和第二底板之间的间距，改变托料板的尺寸，则可模拟不同开口大小对模型盒内土体应力的影响。

5、本发明模型盒的第一底板和第二底板与第一侧板和第二侧板的连接位置均可以进行调整，以使第一底板和第二底板的间距达到需求，且设置长圆孔进行连接，可以进行微调。

6、本发明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

图1为本发明结构的轴测图；

图2为本发明结构间距25公分底板轴测图；

图3为本发明结构间距20公分底板轴测图；

图4为本发明结构间距15公分底板轴测图；

图5为本发明结构间距10公分底板轴测图；

图6为两个基础尺寸托料板之间配合示意图；

图7为左侧板示意图；

图8为前侧板示意图；

图9为底板和压板配合示意图；

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、25厘米托料板，10、定位螺栓孔，11、20厘米托料板，12、15厘米托料板，13、10厘米托料板，14、基础尺寸托料板，15、第一底板，16、第二底板，17、压板，18、连接孔，19、第一顶板，20第二顶板，21、钻孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图6所示，一种“土拱效应”探究模型装置，包括由支架1，底板2，前侧板3(即第一侧板)，左侧板4(即第三侧板)，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(即第四侧板)，基础尺寸托料板14等组成。底板2、前侧板3、左侧板4、后侧板6、右侧板8均可以采用钢板制成。

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7和图8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之间的间距大于第一底板15和第二底板16之间的间距。

如图2-图8所示，模型装置底板由底板2，基础尺寸托料板14等组合而成，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之间设置可变尺寸的托料板，如25厘米托料板9或20厘米托料板11或15厘米托料板12或10厘米托料板13。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。图8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。

如图9所示，第一底板15和第二底板16底部均固定可转动的压板17，压板17转动至工作位时，与托料板接触并支撑住托料板；压板17转动至非工作位时，与托料板脱离，托料板掉落。4个压板17通过小螺栓固定在2个底板2上，通过松紧螺栓来实现压板17的转动，当压板17转动的与前侧板3平行时，可以支撑不同尺寸的托料板，当压板17转动到与前侧板3垂直时，托料板掉下，内部土体应力从新分布，借此来观测土拱形状，分析土拱效应。

第一底板15和第二底板16的最小间距为10公分，此时将10厘米托料板13用压板17固定在第一底板15和第二底板16之间，完成间距为10厘米的试验模型装置拼接；将定位螺栓孔10上螺栓松开，将第一底板15和第二底板16分别向外侧移动2.5厘米，拧紧螺栓，此时第一底板15和第二底板16间距为15公分，再将15厘米托料板12通过压板17卡在第一底板15和第二底板16之间即可完成间距为15厘米的试验模型装置拼接。依次类推完成间距为20厘米和间距为25厘米试验装置拼接。

如图3-图6所示，不同尺寸的托料板由至少一个基础尺寸托料板14拼接而成，为保证其整体性，托料板侧壁留有钻孔21，通过一根螺栓来实现两块基础尺寸托料板14的对接。本实施例中设置两种尺寸的基础尺寸托料板14，图6中左侧为5cm基础尺寸托料板14，右侧为10cm基础尺寸托料板14。为保证其整体性，在拼接处采用内置螺丝连接。

15厘米托料板12由10厘米基础尺寸托料板14和5厘米基础尺寸托料板14对接完成；20厘米托料板11由2个10厘米基础尺寸托料板14对接完成；25厘米托料板9由2个10厘米基础尺寸托料板14和1个5厘米基础尺寸托料板14对接完成。托料板通过1块5厘米、2块10厘米基础尺寸托料板14拼接实现10厘米、15厘米、20厘米、25厘米等4个托料板安装，节省材料。

“土拱效应”探究试验方法，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)松开压板17和第一底板15、第二底板16连接的螺栓，将压板17旋转到与前侧板3平行，拧紧螺栓，在将10厘米托料板13放置在第一底板15、第二底板16间隙处；

3)在底板2上以一定的间隔埋置土压力盒；

4)将拌合好的土体分3层填入模型盒内，在每层接触面上进行拉毛处置，以保证土体受力均匀；

5)将压板17螺栓松开，旋转90度，此时托料板掉下，土体内力重新分布，观测电脑上应变值变化；观测间隙之间的土体是否有拱效应，完成10cm间隙时的试验过程。

6)将土体从模型箱内取出，松开前侧板3、后侧板6与第一底板15、第二底板16的螺栓，将第一底板15、第二底板16向外移动2.5厘米，将10厘米基础尺寸托料板14与5厘米基础尺寸托料板14拼接后形成15厘米托料板12，再将15厘米托料板12放在第一底板15、第二底板16之间，重复步骤1、3、4、5等步骤；完成15cm间隙时的试验过程。

7)与步骤6相同，依次完成20厘米间隙、25厘米间隙试验；可以模拟不同开口大小对土体应力的影响。

8)整理和处理数据。

实施例：

将黏土过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18.1％土体，在放置到密封桶里静置1天；将第一底板和第二底板间距调整到20厘米，再将2个10厘米托料板用螺丝拼接完成，用压板将其卡在第一底板和第二底板之间；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，松开压板上的螺栓，拖住托料板使其缓慢掉落，待土压力盒示数稳定后，读取土压力盒上的数值。

上述虽然结合附图对本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。