一种有限填土条件下的土拱效应模拟装置及其试验方法与流程

本发明涉及岩土工程的测量与设计领域，具体涉及一种有限填土条件下的土拱效应模拟装置及其试验方法。

背景技术：

“有限填土静止土压力系数计算方法研究”，贾宁，岩土工程学报，2012年第7期，该文基于已激发内摩擦角概念,通过莫尔圆分析得到粗粒有限填土静止土压力系数k0的计算方法,并与jaky半无限土体静止土压力系数k0j和有限填土主动土压力系数ka进行了对比。结果表明,当填土与基岩之间的摩擦角r等于填土内摩擦角时,k0接近或小于k0j。当δr小于时,k0不仅与和基岩坡面倾角有关,而且与δr的大小有关,k0可能大于也可能小于k0j。k0和ka均随基岩坡面倾角的增加而减小,且保持基岩坡面粗糙或分台阶开挖是减小有限填土静止土压力的有效措施。给出了有限填土静止土压力计算图。

在上述文献中，实质上是提出了一类问题，如说明书附图图1所示，存在斜边坡下(倾角角度大于)的，挡土结构的土压力如何分布(土拱效应如何发挥影响)。

从上述文献可知，关于有限填土条件下，土压力计算问题已有一定的理论成果，然而，由于没有合适的试验设备，上述理论的合理性还无法进行验证。

同时，对于有限填土条件下的情形，其实际情况是多种多样的，如说明书附图2，边坡是折线型的，其理论、试验均未见有研究；

更为接近实际的问题在于：挡土墙与边坡结构存在一定的距离，如说明书附图3，其理论、试验也均未见有研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种有限填土条件下的土拱效应模拟装置及其试验方法，其能够模拟测量有限填土条件下的挡土结构的静止土压力系数、以及在非极限状态下、极限状态下的主动土压力、被动土压力分布。

本申请的方案如下：

一种有限填土条件下的土拱效应模拟装置，包括：边坡结构板、挡土结构板、底板、前侧有机玻璃面板、后侧有机玻璃面板、边坡结构板控制杆组件、挡土结构板控制杆组件；

前侧有机玻璃面板与后侧有机玻璃面板平行设置，且均与底板固定；

挡土结构板控制杆组件包括：多组平行设置的挡土结构板伸缩杆、第二固定板件；挡土结构板伸缩杆一端与第二固定板件铰接，另一端与挡土结构板铰接；挡土结构板面向边坡结构板的方向沿着高度方向设置有多个土压力计；

土体填筑在前侧有机玻璃面板、后侧有机玻璃面板、边坡结构板、挡土结构板之间；

边坡结构板包括d个通过铰接轴相互铰接的分项板，由下往上依次为：第一分项板～第d分项板；第一分项板的下端与底板通过铰接轴铰接在一起；

边坡结构板控制杆组件包括d组伸缩杆、第一固定板件；d组伸缩杆由下往上依次为：多个平行的第一分项板倾斜控制杆～多个平行的第d分项板倾斜控制杆；

初始状态下，第一分项板～第d分项板均为竖向状态；

按照边坡模拟的要求，通过调整第一分项板～第d分项板不同的倾斜角度，从而能够模拟各种边坡情形。

进一步，还包括控制系统，控制系统与边坡结构板控制杆组件的伸缩杆、挡土结构板控制杆组件的伸缩杆连接。

进一步，挡土结构板的表面设置有摩擦板，以便调节墙-土摩擦角。

进一步，摩擦板采用尼龙板。

进一步，d>3。

一种有限填土条件下的土拱效应模拟装置的试验方法，其包括以下步骤：

第一，首先调整挡土结构板伸缩杆的长度，调整挡土结构板与边坡结构板底部之间的距离；

第二，调整边坡结构板的倾斜角度；

第三，在挡土结构板、边坡结构板、前侧有机玻璃面板、后侧有机玻璃面板之间分层填筑土体。

进一步，边坡结构板的倾斜角度的调整方法：

初始条件下，第一分项板～第d分项板处于竖向，第一分项板倾斜控制杆～第d分项板控制杆在初始条件下平行且处于水平状态，长度相同，均为i0；

第一分项板～第d分项板的高度均为b。

分项板倾斜控制杆与分项板连接的铰接轴与分项板下端的铰接轴的连线，长度为c，且其与分项板之间的夹角为β0。

第一分项板～第d分项板的倾斜角度设定为β1～βd,β1～βd为分项板与竖向板之间的夹角；

上述分项板的方式为：

总共进行d次调整，每次调整仅调整一个分项板的倾斜角度,且依次从第一分项板～第d分项板的顺序进行调整；

第一步，调整第一分项板的转动角度:第一分项板倾斜控制杆～第d分项板控制杆的长度开启进行调整；

第s步，待第s-1分项板的转动速度调整好后，调整第s分项板的转动角度，第一分项板倾斜控制杆～第s-1分项板倾斜控制杆的长度保持不变；第s分项板倾斜控制杆～第d分项板倾斜控制杆的长度开启进行调整；第s+1分项板倾斜控制杆～第d分项板倾斜控制杆的伸缩速率相同；其中，1<s<d；

第d步，待第d-1分项板的转动速度调整好后，调整第d分项板的转动角度，第一分项板倾斜控制杆～第d-1分项板倾斜控制杆的长度保持不变；第d分项板倾斜控制杆的长度开启进行调整，直至第d分项板的转动角度调整到位。

ii,s表示第s步第i分项板倾斜控制杆的目标长度；

从第一步到第d步，每步的各个分项板倾斜控制杆的目标长度调整如下：

首次调整：

第s次调整：

第d次调整：

本发明的优点在于：

第一，边坡的形状对于挡土墙土压力的分布有重要的影响；然而，复杂形状的折线型边坡对于挡土墙土压力的分布影响，在现有技术中，不论是理论研究、还是试验计算，均缺乏研究。本发明要解决的技术问题具有新意。

第二，实现复杂形状的折线型边坡，可以采用对比例一的方式，也可以采用实施例一的方式。对比例一(申请人同日申请专利所采用的方法)伸缩杆与上、下中部板之间的铰接轴铰接在一起，伸缩杆与上、下中部板之间的夹角存在限制；也即，其可以适应小角度的情形，但是其无法适应大转角的情形。在其基础上，提出了实施例一的结构设计。

第三，采用实施例一的设计时，其控制方法是难点。本申请提出了以下方式：

首次调整：

第s次调整：

第d次调整：

第四，边坡结构板的分项板的数量越多，其可模拟的边坡复杂性也丰富；d>10时，基本可以满足工程数量需求，即是一种通用的结构设计；在试验完成后，将边坡结构板控制杆组件的伸缩杆的长度恢复至i0，具体方式，与实施例二的倾斜角度的方式相反，即将第d分项板恢复至垂直状态，然后依次将第d-1分项板～第一分项板恢复至垂直状态。

第五，通过本申请的装置，可以查看在复杂形状的边坡条件下的分层土体的滑动趋势，即在复杂形状的边坡条件下的土层变形可视化设计。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1是背景技术所研究的问题。

图2是边坡为折线型的问题。

图3是边坡为折线型、且边坡脚底与挡土结构存在距离的问题。

图4是实施例一的结构设计图。

图5是实施例一的结构设计图(侧立面)。

图6是实施例一的单个分项板的结构设计图

具体实施方式

对比例一：申请人同日申请的“一种模拟复杂位移模式下的挡土墙试验机及其试验方法”，其采用“上、下中部板之间采用铰接轴连接，”然后，第一伸缩杆与上、下中部板之间的铰接轴铰接在一起，其提出了渐进式控制法的方式来控制中部板的倾斜，其优点在于，控制时，伸缩杆的伸缩速率相同，易于控制。但是其存在一个问题：就是伸缩杆与上、下中部板之间的铰接轴铰接在一起，伸缩杆与上、下中部板之间的夹角存在限制；无法适应大转角的情形。

实施例一，一种有限填土条件下的土拱效应模拟装置，包括：边坡结构板1、挡土结构板2、底板3、前侧有机玻璃面板4、后侧有机玻璃面板5、边坡结构板控制杆组件6、挡土结构板控制杆组件7；

所述边坡结构板1包括4个分项板，由下往上依次为：第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4；第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4依次相互铰接连接；

边坡结构板控制杆组件6包括4组伸缩杆、第一固定板件6-5；4组伸缩杆由下往上依次为：多个平行的第一分项板倾斜控制杆6-1、多个平行的第二分项板倾斜控制杆6-2、多个平行的第三分项板倾斜控制杆6-3、多个平行的第四分项板倾斜控制杆6-4；

第一分项板倾斜控制杆6-1的一端与第一固定板件6-5铰接，另一端与第一分项板铰接；

第二分项板倾斜控制杆6-2的一端与第一固定板件6-5铰接，另一端与第二分项板铰接；

第三分项板倾斜控制杆6-3的一端与第一固定板件6-5铰接，另一端与第三分项板铰接；

第四分项板倾斜控制杆6-4的一端与第一固定板件6-5铰接，另一端与第四分项板铰接；

初始状态下，第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第三分项板1-4为竖向状态；

按照边坡模拟的要求，第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4的倾斜角度不同，从而模拟不同的边坡条件。

挡土结构板控制杆组件7包括：多组挡土结构板伸缩杆7-1、第二固定板件7-2；挡土结构板伸缩杆7-1一端与第二固定板件7-2铰接，另一端与挡土结构板2铰接。

通过多组挡土结构板伸缩杆7-1控制挡土结构板2的位置，从而能够模拟说明书附图2-3所示的情形。

实施例一虽然克服了对比例一的问题，但是，其控制方法较难(伸缩杆的速率必然不能相同)。

为此，沿着对比例一的渐进式控制方法，提出以下方法：

第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4的倾斜角度的控制方法如下：

初始条件下，第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4处于竖向，第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4在初始条件下平行且处于水平状态，长度相同，均为i0；

第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4的长度(板的下端的铰接轴距板的上端的铰接轴的距离)均为b。

分项板倾斜控制杆与分项板连接的铰接轴与分项板下端的铰接轴的连线，长度为c，且其与分项板之间的夹角为β0。

第一分项板1-1、第二分项板1-2、第三分项板1-3、第四分项板1-4的倾斜角度设定为β1、β2、β3、β4；β1、β2、β3、β4为分项板与竖向板之间的夹角；

上述分项板的方式为：

第一步，调整第一分项板1-1的转动角度:第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4的长度开启进行调整，其中，第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4的伸缩速率相同；

第二步，待第一分项板1-1的转动速度调整好后，调整第二分项板1-2的转动角度，第一分项板倾斜控制杆6-1的长度保持不变；第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4的长度开启进行调整；第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4两者的伸缩速率相同；

第三步，待第二分项板1-2的转动速度调整好后，调整第三分项板1-3的转动角度，第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2的长度保持不变；第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4的长度开启进行调整；

第四步，待第三分项板1-3的转动速度调整好后，调整第四分项板1-4的转动角度，第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3的长度保持不变；第四分项板倾斜控制杆6-4的长度开启进行调整，直至第四分项板1-4的转动角度调整到位。

i1,1、i2,1、i3,1、i4,1分别表示第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4在首次调整的长度；

i1,2、i2,2、i3,2、i4,2分别表示第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4在第二次调整的长度；

i1,3、i2,3、i3,3、i4,3分别表示第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4在第三次调整的长度；

i1,4、i2,4、i3,4、i4,4分别表示第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4在第四次调整的长度；

上述步骤中第一分项板倾斜控制杆6-1、第二分项板倾斜控制杆6-2、第三分项板倾斜控制杆6-3、第四分项板倾斜控制杆6-4在每次长度调整的关系如下式所示：

首次调整：

第二次调整：

第三次调整：

第四次调整：

实施例二，为了使得实施例一的结构更具有通用性，边坡结构板1包括所述边坡结构板1包括d个分项板，由下往上依次为：第一分项板～第d分项板；第一分项板～第d分项板依次相互铰接连接；

边坡结构板控制杆组件6包括d组伸缩杆、第一固定板件；d组伸缩杆由下往上依次为：多个平行的第一分项板倾斜控制杆～多个平行的第d分项板倾斜控制杆；

每个分项板倾斜控制杆的一端与第一固定板件6-5铰接，另一端与对应的分项板铰接；

初始状态下，第一分项板～第d分项板均为竖向状态；

按照边坡模拟的要求，通过调整第一分项板～第d分项板不同的倾斜角度，从而能够模拟各种边坡情形。

实施例二的工作方法：

第一，首先调整挡土结构板伸缩杆的长度，调整挡土结构板与边坡结构板1底部之间的距离；

第二，调整边坡结构板1的倾斜角度。

具体而言，边坡结构板1的倾斜角度的调整方法：

初始条件下，第一分项板～第d分项板处于竖向，第一分项板倾斜控制杆～第d分项板控制杆在初始条件下平行且处于水平状态，长度相同，均为i0；

第一分项板～第d分项板的高度(板的下端的铰接轴距板的上端的铰接轴的距离)均为b。

分项板倾斜控制杆与分项板连接的铰接轴与分项板下端的铰接轴的连线，长度为c，且其与分项板之间的夹角为β0。

第一分项板～第d分项板的倾斜角度设定为β1～βd,β1～βd为分项板与竖向板之间的夹角(以顺时针为正)；

上述分项板的方式为：

总共进行d次调整，每次调整仅调整一个分项板的倾斜角度,且依次从第一分项板～第d分项板的顺序进行调整；

第一步，调整第一分项板的转动角度:第一分项板倾斜控制杆～第d分项板控制杆的长度开启进行调整，其中，第三分项板倾斜控制杆～第d分项板控制杆的伸缩速率相同；

第s步，待第s-1分项板的转动速度调整好后，调整第s分项板的转动角度，第一分项板倾斜控制杆～第s-1分项板倾斜控制杆的长度保持不变；第s分项板倾斜控制杆～第d分项板倾斜控制杆的长度开启进行调整；第s+1分项板倾斜控制杆～第d分项板倾斜控制杆的伸缩速率相同；

第d步，待第d-1分项板的转动速度调整好后，调整第d分项板的转动角度，第一分项板倾斜控制杆～第d-1分项板倾斜控制杆的长度保持不变；第d分项板倾斜控制杆的长度开启进行调整，直至第d分项板的转动角度调整到位。

ii,s表示第s步第i分项板倾斜控制杆的目标长度；其中，1<s<d；

从第一步到第d步，每步的各个分项板倾斜控制杆的目标长度调整如下：

首次调整：

第s次调整：

第d次调整：

试验时，首先调整挡土结构板的位置，然后调整边坡结构板的角度，待挡土结构板、边坡结构板的位置调整完成后，在边坡结构板与挡土结构板之间填充土体。

挡土结构板面向边坡结构板的方向沿着高度方向设置有多个土压力计；

试验过程中，通过控制挡土结构板的位移关系，从而得到非极限状态下的挡土结构板的土压力。

对于主动土压力、被动土压力而言，只需要通过挡土结构板向边坡结构板后退/前进即可实现。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。