擋土結構物土壓力教學實驗裝置的製作方法
2023-09-18 03:10:15
本實用新型涉及一種擋土結構物土壓力教學實驗裝置，具體涉及一種擋土結構物土壓力教學實驗裝置。
背景技術：
在土力學實驗學習過程中，通常圍繞「顆粒分析實驗、液塑限實驗、相對密實度實驗、擊實實驗、滲透實驗、壓縮實驗、直接剪切實驗、三軸壓縮實驗」八個傳統實驗開展，內容圍繞如何獲取土的基本物理、力學特性，對於土體在工程中的性質特點的介紹涉及較少，較為典型的不足是土力學實驗學習內容缺乏與土力學中擋土結構物上的土壓力內容的對接，目前關於這部分內容具體的實驗裝置較少。在本發明之前，中國專利CN 102928296 A、CN101127169CN、CN 104153341 A和103233486 A均公開了關於擋土牆土壓力的試驗裝置，但是都無法同時綜合實驗擋土牆填土受到靜動荷載土體破壞和主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力變化的情況，且不具有適合課堂教學的可視化系統。
這部分實驗內容的缺失，難以深刻理解該內容的基本原理與工程應用，上述不足之處不僅對於土力學的學習較為不利，也難以滿足本領域的技術人員對擋土結構物的土壓力的理論與試驗分析的要求。
技術實現要素：
本實用新型提供一種擋土結構物土壓力教學實驗裝置，可教學演示擋土結構物后土體無載荷和受載荷時靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力的分布情況，以及通過室內實驗，初步測算相應的擋土牆上土壓力大小。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種擋土結構物土壓力教學實驗裝置，包括開口模型槽、擋土牆裝置、加載裝置和可視化裝置，
所述的擋土牆裝置包括運動控制裝置、頂推螺杆、可移動擋板和壓力檢測裝置，可移動擋板布設在開口模型槽內，且其與開口模型槽的底面垂直設置，運動控制裝置安裝在開口模型槽外一側，且其通過頂推螺杆與可移動擋板的一側相連接，在可移動擋板的另一側布設有壓力檢測裝置；
所述的加載裝置布設在開口模型槽的上方，包括支架、加載橫梁、傳力杆、託盤和砝碼，支架安裝在布設運動控制裝置的開口模型槽一側中間位置，加載橫梁布設在開口模型槽的開口上方，其一端與支架連接，另一端連接有託盤，託盤內置有砝碼，在加載橫梁上垂直固定連接有傳力杆，傳力杆的一端與加載橫梁固定，其另一端連接有剛性承壓板或彈性承壓板；
所述的可視化裝置包括摺疊杆、攝像頭和顯示屏，摺疊杆的一端固定在開口模型槽前側頂點處，另一端可移動連接有攝像頭，摺疊杆帶動攝像頭記錄實驗過程，將圖像同步傳送至顯示屏；
作為本實用新型的進一步優選，所述的壓力檢測裝置包括土壓力盒定位板和微型土壓力盒，在土壓力盒定位板表面由上至下開設有四個凹槽，凹槽內置有微型土壓力盒，微型土壓力盒通過引線連接有應變儀；
作為本實用新型的進一步優選，所述的彈性承壓板包括第一承壓板和第二承壓板，第一承壓板的表面與傳力杆固定連接，其底面通過彈簧與第二承壓板連接，且彈簧的個數為至少兩個；
作為本實用新型的進一步優選，所述的運動控制裝置為手輪式啟閉器；
作為本實用新型的進一步優選，加載橫梁的一端通過支點螺栓與支架的一端連接，其另一端通過鉸點螺栓與託盤連接；
作為本實用新型的進一步優選，可移動擋板採用與開口模型槽等寬的鋼板製作而成，其連接有頂推螺杆的一側固定有楔形加勁鋼板，楔形加勁鋼板的厚度與可移動擋板的厚度相同；
作為本實用新型的進一步優選，所述的剛性承壓板為矩形鋼板，矩形鋼板表面中心位置處焊接有螺栓接頭，用於與傳力杆螺栓固定連接，矩形鋼板的底面光滑；
作為本實用新型的進一步優選，所述的開口模型槽是由鋼板連接而成鋼板框架，其中與加載橫梁相平行的兩個側面為透明有機玻璃板，有機玻璃板通過連接螺栓與鋼板框架固定連接，在連接處實用膠水密封，且在邊角連接處焊接加勁角鋼；
作為本實用新型的進一步優選，開口模型槽側面透明有機玻璃板上以底面為零點，向上水平刻有高度標尺。
通過以上技術方案，相對於現有技術，本實用新型具有以下有益效果：
本實用新型可教學演示擋土結構物后土體無載荷和受載荷時靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力的分布情況，以及通過室內實驗，初步測算相應的擋土牆上土壓力大小。
附圖說明
下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是本實用新型的優選實施例的整體結構示意圖；
圖2是本實用新型的優選實施例的不同填築方式靜止土壓力分布圖；
圖3是本實用新型的優選實施例的主動土壓分布隨可移動擋板位移的影響分布示意圖；
圖4是本實用新型的優選實施例的被動土壓分布隨可移動擋板位移的影響分布示意圖。
圖中：1為手輪，2為頂推螺杆，3為運動控制裝置，4為支架，5為支點螺栓，6為加載橫梁，7為託盤，8為透明有機玻璃板，9為鋼板框架，10為可移動擋板，11為摺疊杆，12為攝像頭,13為傳力杆，14為剛性承壓板，15為砝碼。
具體實施方式
現在結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本實用新型的基本結構，因此其僅顯示與本實用新型有關的構成。
如圖1所示，包括以下部件：1為手輪，2為頂推螺杆，3為運動控制裝置，4為支架，5為支點螺栓，6為加載橫梁，7為託盤，8為透明有機玻璃板，9為鋼板框架，10為可移動擋板，11為摺疊杆，12為攝像頭,13為傳力杆，14為剛性承壓板，15為砝碼；本實用新型的一種擋土結構物土壓力教學實驗裝置，包括開口模型槽、擋土牆裝置、加載裝置和可視化裝置，
所述的擋土牆裝置包括運動控制裝置、頂推螺杆、可移動擋板和壓力檢測裝置，可移動擋板布設在開口模型槽內，且其與開口模型槽的底面垂直設置，運動控制裝置安裝在開口模型槽外一側，且其通過頂推螺杆與可移動擋板的一側相連接，在可移動擋板的另一側布設有壓力檢測裝置；
所述的加載裝置布設在開口模型槽的上方，包括支架、加載橫梁、傳力杆、託盤和砝碼，支架安裝在布設運動控制裝置的開口模型槽一側中間位置，加載橫梁布設在開口模型槽的開口上方，其一端與支架連接，另一端連接有託盤，託盤內置有砝碼，在加載橫梁上垂直固定連接有傳力杆，傳力杆的一端與加載橫梁固定，其另一端連接有剛性承壓板或彈性承壓板；
所述的可視化裝置包括摺疊杆、攝像頭和顯示屏，摺疊杆的一端固定在開口模型槽前側頂點處，另一端可移動連接有攝像頭，摺疊杆帶動攝像頭記錄實驗過程，將圖像同步傳送至顯示屏；
作為本實用新型的進一步優選，所述的壓力檢測裝置包括土壓力盒定位板和微型土壓力盒，在土壓力盒定位板表面由上至下開設有四個凹槽，凹槽內置有微型土壓力盒，微信土壓力盒通過引線連接有應變儀；
作為本實用新型的進一步優選，所述的彈性承壓板包括第一承壓板和第二承壓板，第一承壓板的表面與傳力杆固定連接，其底面通過彈簧與第二承壓板連接，且彈簧的個數為至少兩個；
作為本實用新型的進一步優選，所述的運動控制裝置為手輪式啟閉器；
作為本實用新型的進一步優選，加載橫梁的一端通過支點螺栓與支架的一端連接，其另一端通過鉸點螺栓與託盤連接；
作為本實用新型的進一步優選，可移動擋板採用與開口模型槽等寬的鋼板製作而成，其連接有頂推螺杆的一側固定有楔形加勁鋼板，楔形加勁鋼板的厚度與可移動擋板的厚度相同；
作為本實用新型的進一步優選，所述的剛性承壓板為矩形鋼板，矩形鋼板表面中心位置處焊接有螺栓接頭，用於與傳力杆螺栓固定連接，矩形鋼板的底面光滑；
作為本實用新型的進一步優選，所述的開口模型槽是由鋼板連接而成鋼板框架，其中與加載橫梁相平行的兩個側面為透明有機玻璃板，有機玻璃板通過連接螺栓與鋼板框架固定連接，在連接處實用膠水密封，且在邊角連接處焊接加勁角鋼。
作為本實用新型的進一步優選，開口模型槽側面透明有機玻璃板上以底面為零點，向上水平刻有高度標尺；
運用上述實驗裝置以下實驗：
1、進行填土上加靜載的方法包括以下步驟：
步驟一：傳力杆連接剛性承壓板，剛性承壓板放置在填土表面；
步驟二：在加託盤中加砝碼，託盤中的砝碼質量為mf；
步驟三：測量加載橫梁質量m0,加載橫梁長度l0，傳力杆與支點螺栓距離lc，傳力杆質量為mc，剛性承壓板質量為mg，剛性承壓板面積為Sg，根據槓桿定理，靜荷載
2、填土上加豎向動載的方法包括以下步驟：
步驟一：在開口模型槽內加入填土，傳力杆連接彈性承壓板，第二承壓板下表面放置在填土表面，測量此時第一承壓板、第二承壓板之間彈簧的長度x0；
步驟二：在託盤中加砝碼，託盤中砝碼質量為mf；
步驟三：測量在砝碼和加載橫梁的作用下第一承壓板和第二承壓板之間的彈簧的長度為x1；
步驟四：撤去砝碼，使彈簧帶動加載橫梁振動，彈簧對土體的反力即為土體表面受到的動荷載；
步驟五：測量加載橫梁質量m0,加載橫梁長度l0，傳力杆與支點螺栓距離lc，傳力杆質量為mc，彈性承壓板質量為mT，第一承壓板質量為mTS，彈性承壓板面積為ST，根據槓桿定理和彈簧簡諧振動原理，填土所受動荷載為
其中t為時間。
3、擋土結構物土壓力試驗方法包括靜止土壓力測試，主動土壓力測試和被動土壓力測試
其中，靜止土壓力試驗方法包括以下步驟：
步驟一：在開口模型槽內分層填築土體；
步驟二：依次讀取各個土壓力盒相應的應力值，以及每個土壓力盒至開口模型槽底面的高度(即深度)，繪製靜止土壓力沿擋牆深度的變化曲線；
主動土壓力試驗方法包括以下步驟：
步驟一：在可移動擋板連接頂推螺杆的一側固定百分表，指針調零；
步驟二：向開口模型槽內分層填築土體，在每層填完壓實之後，在開口模型槽的有機玻璃側邊撒少許黑砂，再填築上面一層，黑砂線用於觀測破壞線的位置與形狀；
步驟三：同樣將填築好的土體靜置半個小時，測量可移動擋板位移為零時的土壓力盒應變值；緩慢轉動手輪，將可移動擋板向著填土的反方向移動，位移為Δs時停止，Δs取值範圍0.1～0.4mm，待應變儀讀數基本不發生變化時，讀取土壓力盒的應力值，觀察黑砂線與有機玻璃上刻度線的位置關係的變化情況；再移動Δs，待應變儀讀數基本不發生變化時，讀取土壓力盒的應力值，觀察黑砂線位置變化；重複當前操作，黑砂線斷裂或土體出現破壞時停止實驗；
步驟四：根據土壓力盒對應的應力值，繪製主動土壓力隨深度變化的關係曲線。
被動土壓力試驗方法包括以下步驟：
步驟一：在可移動擋板連接頂推螺杆的一側固定百分表，將指針調到Kmm處(K的取值範圍為8～10mm)；
步驟二：向開口模型槽分層填築土體，填築方式與上述主動土壓力試驗方法步驟二相同；
步驟三：靜置半小時之後記錄可移動擋板位移為零時的土壓力盒應力值，緩慢轉動手輪，將剛性可移動擋板向著填土的方向移動，單次移動K/3mm，待應變儀讀數基本不發生變化時，記錄各應力值，並觀察預先分層埋設的黑砂線與有機玻璃上畫的線的位置關係；當移動三次後百分表指針指向0mm，待應變儀讀數基本不發生變化後，重新安裝百分表，使其指針指向Kmm處，重複操作，每次移動K/3mm應變儀讀數基本不發生變化後記錄應力值，黑砂線斷裂或土體出現破壞時停止實驗；
步驟四：根據土壓力盒對應的應力值，繪製被動土壓力隨深度的變化曲線。
具體加載實施例如下
填土上加靜載的方法包括以下步驟：
步驟一：傳力杆連接剛性承壓板，剛性承壓板放置在填土表面；
步驟二：在加載盒中加砝碼，加載盒中砝碼質量為mf；
步驟三：測量加載橫梁質量m0,加載橫梁長度l0，傳力杆與支點螺栓距離lc，傳力杆質量為mc，剛性承壓板質量為mg，剛性承壓板面積為Sg，根據槓桿定理，靜荷載
填土上加豎向動載的方法包括以下步驟：
步驟一：傳力杆連接彈性承壓板，彈性承壓板下板下表面放置在填土表面，測量此時彈簧的長度x0；
步驟二：在加載盒中加砝碼，加載盒中砝碼質量為mf；
步驟三：測量在砝碼和加載橫梁的作用下彈性承壓板上下板之間的彈簧的長度為x1；
步驟四：撤去砝碼，使彈簧帶動加載橫梁振動，彈簧對土體的反力即為土體表面受到的動荷載。
步驟五：測量加載橫梁質量m0,加載橫梁長度l0，傳力杆與支點螺栓距離lc，傳力杆質量為mc，彈性承壓板質量為mT，第一承壓板質量為mTS，彈性承壓板面積為ST，根據槓桿定理和彈簧簡諧振動原理，填土所受動荷載為
其中t為時間。
其中設定的數值分別為：
剛性承壓板面積Sg(m2)：0.0225，剛性承壓板質量mg(kg)：0.5，
彈性承壓板面積ST(m2)：0.0225，彈性承壓板質量mT(kg)：1.0，
第一承壓板質量mTS(kg)：0.5，
加載橫梁質量m0(kg)：7.4，加載橫梁長度l0(m)：1.3，
傳力杆質量mc(kg)：1.0，傳力杆與支點螺栓的距離lc(m)：0.76，
不加砝碼時彈簧長度x0：0.20m，加40kg砝碼彈簧長度x1：0.15m，
則彈簧的彈性係數k(N/m)7840
土壓力實驗實施例
擋土結構物土壓力試驗方法包括靜止土壓力測試，主動土壓力測試和被動土壓力測試
靜止土壓力試驗方法以下步驟：
步驟一：向開口模型槽內分層填築土體，第一種填築方式為不壓實；第二種填築方式為分層壓實填築，即每填築5cm後將砂土表面抹平，將30cm×15cm的鋼板放在砂土層表面，用重5kg的重錘從5cm的高度自由下落砸向鋼板，連續三下，然後將鋼板移位，長度方向與上一砸痕搭接20％，重複擊實操作，直至該層遍擊，再填築第二層，再擊實，直至填土表面與剛性擋板上邊持平，再擊實；第三種填築方式同樣要求分層壓實填築，重錘抬升高度為10cm，單點擊數為5下，其他過程不變。
步驟二：依次讀取各個土壓力盒相應的應力值，繪製靜止土壓力沿擋牆深度的變化曲線，圖2所示；
主動土壓力試驗方法以下步驟：
步驟一：在可移動擋板連接頂推螺杆的一側固定百分表，指針調零；
步驟二：向開口模型槽內分層填築土體，填築方式與靜止土壓力步驟一一致，僅在每層填完之後，在開口模型槽的有機玻璃側邊撒少許黑砂，再填築上面一層，黑砂線用於觀測破壞線的位置與形狀；
步驟三：同樣將填築好的土體靜置半個小時，測量可移動擋板位移為零時的土壓力盒應變值；緩慢轉動手輪，將可移動擋板向著填土的反方向移動，位移為0.3mm時停止，待應變儀讀數基本不發生變化時，讀取土壓力盒的應力值，觀察黑砂線與有機玻璃上刻度線的位置關係的變化情況；再移動0.3mm待應變儀讀數基本不發生變化時，讀取土壓力盒的應力值，觀察黑砂線位置變化；重複當前操作，黑砂線斷裂或土體出現破壞時停止實驗；
步驟四：根據土壓力盒對應的應力值，繪製主動土壓力隨深度變化的關係曲線，圖3所示。
被動土壓力試驗方法包括以下步驟：
步驟一：在可移動擋板連接頂推螺杆的一側固定百分表，將指針調到9mm處；
步驟二：向開口模型槽內分層填築土體，填築方式與上述主動土壓力試驗方法步驟二相同；
步驟三：靜置半小時之後記錄可移動擋板位移為零時的土壓力盒應力值，緩慢轉動手輪，將剛性可移動擋板向著填土的方向移動，單次移動3mm，待應變儀讀數基本不發生變化時，記錄各應力值，並觀察預先分層埋設的黑砂線與有機玻璃上畫的線的位置關係；當移動三次後百分表指針指向0mm，待應變儀讀數基本不發生變化後，重新安裝百分表，使其指針指向9mm處，重複操作，每次移動3mm應變儀讀數基本不發生變化後記錄應力值，黑砂線斷裂或土體出現破壞時停止實驗。
步驟四：根據土壓力盒對應的應力值，繪製被動土壓力隨深度的變化曲線，圖4所示；
若需要實驗土體受荷載情況下的土壓力情況，則填築完成後按加載方法對實驗土體施加荷載，再讀取土壓力盒對應的應力值。
本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本申請所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
本申請中所述的「和/或」的含義指的是各自單獨存在或兩者同時存在的情況均包括在內。
本申請中所述的「連接」的含義可以是部件之間的直接連接也可以是部件間通過其它部件的間接連接。
以上述依據本實用新型的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項實用新型技術思想的範圍內，進行多樣的變更以及修改。本項實用新型的技術性範圍並不局限於說明書上的內容，必須要根據權利要求範圍來確定其技術性範圍。