一种被动变形模式下土拱效应探究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，是一种新型土拱效应模型试验装置，对探讨土拱效应对锚间墙受力特征的影响规律，确定锚固截面与锚间墙荷载分担比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，其广泛存在于各种岩土工程中，如隧道开挖、基坑支护、边坡支挡等工程。土拱效应是指土体内部应力从屈服区域转移到临近静止区域的现象。

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，因此板桩墙、桩承式路堤、锚拉桩等加固技术都对其展开研究。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。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。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：

本实用新型的目的是为克服现有技术的不足，提供一种新型土拱效应模型试验装置，完善上述现有探究“土拱效应”室内试验，通过利用本实用新型装置进行室内试验，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，本实用新型采用下述技术方案：

一种被动变形模式下土拱效应探究试验装置，包括支架，所述支架上支撑模型盒，所述模型盒上部开口，模型盒底部设置固定在支架上的第一底板和第二底板，所述第一底板和第二底板支撑整个模型盒；第一底板上侧搭接放置第一挡板，第二底板上侧搭接放置第二挡板，第一挡板与第二挡板之间设置变刚度挡板；所述第一挡板和第二挡板底部均固定可转动的压板，压板转动至工作位时，与变刚度挡板接触并支撑住变刚度挡板，用于模拟铰接情况；所述第一挡板、第二挡板和变刚度挡板上均有螺栓孔，刚性连接情况由带有螺栓孔的小钢片进行模拟，上下叠加于第一挡板与变刚度挡板以及第二挡板与变刚度挡板之间，用螺栓进行连接，此时压板转动至非工作位；所述第一挡板与第二挡板下部设置同步加载千斤顶，千斤顶下部设置底座；所述模型盒一侧设置高速摄像机。

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，所述第一底板下表面与第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板的下表面相平齐。

进一步的，所述第二底板下表面与第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板的下表面相平齐。

进一步的，所述支架顶部固定第一底板和第二底板，第一挡板支撑于第一底板上，第二挡板支撑于第二底板上。

进一步的，所述第一底板和第二底板之间的间距大于第一挡板和第二挡板之间的间距；所述第一挡板和第二挡板之间的间距大于变刚度挡板之间的间距。

进一步的，所述变刚度挡板由至少一个基础尺寸挡板拼接而成。

土拱效应探究模型装置为铰接时的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：将第一刚度的挡板放置于第一挡板和第二挡板之间，将压板转动至与第一刚度挡板接触；

步骤2：在模型盒内以设定间隔埋置土压力传感器；在第一刚度挡板下侧设定间隔布置应变片；在同步加载千斤顶与第一挡板以及第二挡板之间设置压力传感器；同步加载千斤顶的底座中间，对准第一刚度挡板设定间隔布置激光测距仪；在模型盒的一侧设置高速摄像机；

步骤3：将透明石英砂按设定压实度分层填筑至模型盒内；

步骤4：启动同步加载千斤顶，每阶段上升0.6mm，在第一挡板和第二挡板的带动下，第一刚度挡板也向上移动，土体内力重新分布，监测土压力变化情况以及第一刚度挡板变形情况，并用高速摄像机进行摄像；

步骤5：更换第一刚度挡板为第二刚度挡板(或更换第一刚度挡板尺寸)，重复进行步骤1―步骤4，完成试验。

土拱效应探究模型装置为刚接时的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：将第一刚度的挡板放置于第一挡板和第二挡板之间，将带有螺栓孔的小钢片上下叠放于第一挡板与第一刚度挡板之间，以及第二挡板与第一刚度挡板之间，使螺栓孔对准孔隙，将螺栓穿入拧紧；

步骤2：在模型盒内以设定间隔埋置土压力传感器；在第一刚度挡板下侧设定间隔布置应变片；在同步加载千斤顶与第一挡板以及第二挡板之间设置压力传感器；同步加载千斤顶的底座中间，对准第一刚度挡板设定间隔布置激光测距仪；在模型盒的一侧设置高速摄像机；

步骤3：将透明石英砂按设定压实度分层填筑至模型盒内；

步骤4：启动同步加载千斤顶，每阶段上升0.6mm，在第一挡板和第二挡板的带动下，第一刚度挡板也向上移动，土体内力重新分布，监测土压力变化情况以及第一刚度挡板变形情况，并用高速摄像机进行摄像；

步骤5：更换第一刚度挡板为第二刚度挡板(或更换第一刚度挡板尺寸)，重复进行步骤1―步骤4，完成试验。

本实用新型的工作原理为：

可移动的第一挡板和第二挡板移动到指定距离位置后，将与第一挡板和第二挡板间距相对应的变刚度挡板拼接完成，通过松紧螺丝使压板转动至工作位托住变刚度挡板(或用带有螺栓孔的小钢片上下叠放于第一挡板以及第二挡板与变刚度挡板的连接处，并用螺栓连接)，布设好土压力计、应变片、压力传感器、激光测距仪以及高速摄像机，然后将事先准备好的透明石英砂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，启动同步加载千斤顶，推动第一挡板和第二挡板向上移动，并带动变刚度挡板向上移动，土体内部应力重新分布，通过土压力计测试土压力的变化，通过压力传感器测试千斤顶的加压大小，通过应变片测得变刚度挡板的变形，通过激光测距仪测得位移，并通过高速摄像机得到实验图片。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型提出了一种模拟“被动变形模式下锚间墙受力特性活动门试验”的新型装置结构及其使用方法，探究了“土拱效应”对锚间墙受力特性的影响规律，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、本实用新型仅通过移动第一挡板和第二挡板来实现对不同间距的锚间墙“土拱效应”探究，节省材料，同时也易于对模型槽改造。变刚度挡板可设置为由基础尺寸挡板拼接而成，根据需要拼接即可，无需生产每一尺寸的挡板，生产方便，且能重复使用，节省材料。不同刚度挡板可以模拟不同材料锚间墙。

4、本实用新型通过第一挡板和第二挡板对变刚度挡板的带动作用，使得模型盒内部土体应力重新分布，借此来观测土拱形状，分析土拱效应。可改变第一挡板和第二挡板之间的间距，改变变刚度挡板的尺寸，则可模拟不同开口大小对模型盒内土体应力的影响。

5、本实用新型通过压板来模拟铰接情况，通过上下覆盖固定的小钢片来模拟刚接情况，一个模型便可模拟两种固定情况，对被动模式下锚间墙受力产生的“土拱效应”研究更加全面。

6、本实用新型模型盒的第一挡板与第一底板以及第二挡板与第二底板相互搭接，可以移动第一挡板与第二挡板位置，以使二者的间距达到变刚度挡板需求。

7、本实用新型的第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板底部平齐，可以保证模型盒的整体性。

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为本实用新型结构间距25公分底板轴测图；

图3为本实用新型结构间距20公分底板轴测图；

图4为本实用新型结构间距15公分底板轴测图；

图5为本实用新型结构间距10公分底板轴测图；

图6为两个基础尺寸变刚度挡板之间配合示意图；

图7为左侧板示意图；

图8为前侧板示意图；

图9为模拟铰接情况下底板、挡板和压板配合示意图；

图10为模拟刚接情况下挡板与钢片配合示意图；

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厘米挡板，10、定位螺栓孔，11、20厘米挡板12、 15厘米挡板，13、10厘米挡板，14、基础尺寸挡板，15、第一底板，16、第二底板，17、压板，18、连接孔，19、第一挡板，20第二挡板，21、钻孔，22、钢片，23、同步加载千斤顶，24、高速摄像机。

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。

术语解释部分:本实用新型中所述的变刚度挡板是指通过更换不同的挡板，实现变刚度的，例如：实验时，进行更换的第一刚度挡板、第二刚度挡板、第三刚度挡板。

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6所示，一种模拟“被动变形模式下锚间墙受力特性活动门试验”的模型，对“土拱效应”进行探究，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)，基础尺寸挡板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顶部固定第一底板15和第二底板16。角钢7可固定于第一底板15 和第二底板16上。

如图2-图8所示，模型装置底板由底板2，基础尺寸挡板14等组合而成，模型盒上部开口，模型盒底部的底板2由第一底板15和第二底板16组成，第一底板15和第二底板16之间设置第一挡板19与第二挡板20，第一挡板19与第二挡板20之间设置可变尺寸的变刚度挡板，如25厘米挡板9或20厘米挡板11 或15厘米挡板12或10厘米挡板13。第一底板15上表面与左侧板4、前侧板3、后侧板6的下表面相平齐，第二底板16上表面与右侧板8、前侧板3、后侧板6 的下表面相平齐。

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。

如图9所示，第一挡板19和第二挡板20底部均固定可转动的压板17，压板17转动至工作位时，与变刚度挡板接触并支撑住挡板；压板17转动至非工作位时，与变刚度挡板脱离。4个压板17通过小螺栓固定在第一挡板19以及第二挡板20上，通过松紧螺栓来实现压板17的转动，用来模拟铰接状态。当压板 17转动至与前侧板3平行时，可以支撑不同尺寸的变刚度挡板，通过同步加载千斤顶对第一挡板和第二挡板加载，使得第一挡板和第二挡板产生向上的位移，通过铰接压板的连接，变刚度挡板在第一挡板和第二挡板的带动下，也产生向上位移，此时内部土体应力重新分布，借此来观测土拱形状，分析铰接状态下的土拱效应。

如图10所示，用螺栓穿过第一挡板19、第二挡板20、变刚度挡板以及小钢片22上的螺栓孔5，以固定第一挡板19与变刚度挡板以及第二挡板20与变刚度挡板，用来模拟刚接情况。通过同步加载千斤顶对第一挡板和第二挡板加载，使得第一挡板和第二挡板产生向上的位移，通过刚接小钢片的连接，变刚度挡板在第一挡板和第二挡板的带动下，也产生向上位移，此时内部土体应力重新分布，借此来观测土拱形状，分析刚接状态下的土拱效应。

第一挡板19和第二挡板20的最小间距为10公分，此时将10厘米变刚度挡板13用压板17固定在第一挡板19和第二挡板20之间，完成间距为10厘米的铰接试验模型装置拼接；将第一挡板19和第二挡板20分别向外侧移动2.5厘米，此时第一挡板19和第二挡板20间距为15公分，再将15厘米变刚度挡板12通过压板17卡在第一挡板19和第二挡板20之间即可完成间距为15厘米的铰接试验模型装置拼接。依次类推完成间距为20厘米和间距为25厘米的铰接试验装置拼接。

第一挡板19和第二挡板20的最小间距为10公分，将10厘米变刚度挡板 13用小钢片22及螺栓固定在第一挡板19和第二挡板20之间，完成间距为10 厘米的刚接试验模型装置拼接；将第一挡板19和第二挡板20分别向外侧移动 2.5厘米，此时第一挡板19和第二挡板20间距为15公分，再将15厘米变刚度挡板12通过小钢片22及螺栓固定在第一挡板19和第二挡板20之间即可完成间距为15厘米的刚接试验模型装置拼接。依次类推完成间距为20厘米和间距为 25厘米的刚接试验装置拼接。

如图3-图6所示，不同尺寸的变刚度挡板由至少一个基础尺寸变刚度挡板 14拼接而成，为保证其整体性，基础尺寸变刚度挡板侧壁留有钻孔21，通过一根螺栓来实现两块基础尺寸变刚度挡板14的对接。本实施例中设置两种尺寸的基础尺寸变刚度挡板14，图6中左侧为5cm基础尺寸变刚度挡板14，右侧为10cm 基础尺寸变刚度挡板14，其上左右两边的中间位置均设置螺栓孔5，以实现刚接情况。为保证其整体性，在拼接处采用内置螺丝连接。

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

“土拱效应”探究铰接试验方法，具体步骤如下：

1)松开压板17和第一挡板19、第二挡板20连接的螺栓，将压板17旋转到与前侧板3平行，拧紧螺栓，再将10厘米的第一刚度挡板13放置于第一挡板 19和第二挡板20间隙处；

2)在第一挡板19、第二挡板20、10厘米第一刚度挡板13上以设定间隔埋置土压力传感器；在10厘米第一刚度挡板13下侧设定间隔布置应变片；在同步加载千斤顶23与第一挡板19以及第二挡板20之间设置压力传感器；同步加载千斤顶23的底座中间，对准10厘米第一刚度挡板13设定间隔布置激光测距仪；在模型盒的一侧设置高速摄像机24；

3)将透明石英砂按设定压实度分层填筑至模型盒内；

4)启动同步加载千斤顶23，每阶段上升0.6mm，在第一挡板19和第二挡板20的带动下，10厘米第一刚度挡板13在铰接情况下也向上移动，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，并用高速摄像机24进行摄像；

5)将土体从模型箱内取出，将第一挡板19、第二挡板20向外移动2.5厘米，将10厘米基础尺寸变刚度挡板14与5厘米基础尺寸变刚度挡板14拼接后形成 15厘米第一刚度挡板12，(或更换10厘米基础尺寸第二刚度挡板14)再将15 厘米第一刚度挡板12(或10厘米基础尺寸第二刚度挡板14)放在第一挡板19、第二挡板20之间，重复步骤1、3、4等步骤，完成15cm间隙时(或第二刚度挡板)的铰接试验过程。

6)与步骤5相同，依次完成20厘米间隙(或第三刚度挡板)、25厘米间隙 (或第四刚度挡板)的铰接试验；可以模拟不同开口大小对土体应力的影响。

7)整理和处理数据。

“土拱效应”探究刚接试验方法，具体步骤如下：

1)松开压板17和第一挡板19、第二挡板20连接的螺栓，将压板17旋转到与前侧板3垂直，拧紧螺栓，然后将10厘米的第一刚度挡板13放置于第一挡板19和第二挡板20间隙处，再将小钢片22叠放在10厘米第一刚度挡板13与第一挡板19、第二挡板20上，并用螺栓连接；

2)在第一挡板19、第二挡板20、10厘米第一刚度挡板13上以设定间隔埋置土压力传感器；在10厘米第一刚度挡板13下侧设定间隔布置应变片；在同步加载千斤顶23与第一挡板19以及第二挡板20之间设置压力传感器；同步加载千斤顶23的底座中间，对准10厘米第一刚度挡板13设定间隔布置激光测距仪；在模型盒的一侧设置高速摄像机24；

3)将透明石英砂按设定压实度分层填筑至模型盒内；

4)启动同步加载千斤顶23，每阶段上升0.6mm，在第一挡板19和第二挡板20的带动下，10厘米第一刚度挡板13在刚接情况下也向上移动，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，并用高速摄像机24进行摄像；

5)将土体从模型箱内取出，将第一挡板19、第二挡板20向外移动2.5厘米，将10厘米基础尺寸变刚度挡板14与5厘米基础尺寸变刚度挡板14拼接后形成 15厘米第一刚度挡板12，(或更换10厘米基础尺寸第二刚度挡板14)再将15 厘米第一刚度挡板12(或10厘米基础尺寸第二刚度挡板14)放在第一挡板19、第二挡板20之间，重复步骤1、3、4等步骤，完成15cm间隙时(或第二刚度挡板)的刚接试验过程。

6)与步骤5相同，依次完成20厘米间隙(或第三刚度挡板)、25厘米间隙 (或第四刚度挡板)的刚接试验；可以模拟不同开口大小对土体应力的影响。

7)整理和处理数据。

实施例：

将第一挡板和第二挡板间距调整到20厘米，再将2个10厘米第一刚度挡板用螺丝拼接完成，用压板将其卡在第一挡板和第二挡板之间；分3层填筑透明石英砂；填筑完成之后，启动同步加载千斤顶，使得第一挡板、第二挡板以及变刚度挡板缓慢上升，同步加载千斤顶每上升0.6mm，读取土压力计、应变片、压力传感器、激光测距仪上的数据。

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。