一種擋土牆失穩模型試驗裝置及安裝、試驗方法
2023-04-24 16:11:16
一種擋土牆失穩模型試驗裝置及安裝、試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種擋土牆失穩模型試驗裝置及安裝、試驗方法，包括用於擋土的底盤、用於模擬路基縱向的平面應變狀態的擋土板以及用於加載的擋土牆,在底盤上設有兩個與其相連且相互平行的擋土板，在兩個擋土板形成的端部設有一對相對立的懸臂式擋土牆I和擋土牆II；擋土牆I上設有擋土牆轉動裝置，擋土牆II上設有擋土牆沉降裝置；擋土牆II的底部與底盤之間有間隙；在擋土牆轉動裝置和擋土牆沉降裝置上設有用於檢測土壓力和位移的檢測裝置。本發明通過擋土牆失穩模型試驗，可用於研究擋土牆不同失穩工況下的土壓力及位移變化規律。該裝置可應用於多種填料類型及不同頂部荷載下的擋土牆失穩試驗、研究。
【專利說明】一種擋土牆失穩模型試驗裝置及安裝、試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及道路工程、鐵路工程、巖土工程【技術領域】，尤其涉及一種擋土牆失穩模型裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002]擋土牆能夠起到替代高邊坡、節約土地的作用，在公路、鐵路建設及維修加固中使用日益廣泛。近年來，懸臂式擋土牆及錨杆擋土牆多採用鋼筋混凝土面板，因其具有佔地面積小，使用極限高度高的特點而備受關注。然而，輕型擋土牆在長期使用過程中存在潛在多種破壞形式，主要有擋土牆繞底板轉動、擋土牆沉降及錨杆失效等主要失穩形式。擋土牆失穩研究屬於工程破壞性研究，無法在實際工程中開展。擋土牆一旦失穩，易造成重大安全事故。目前實際工程中的研究多停留在擋土牆失穩後的原因分析，尚有能夠對擋土牆失穩過程機理開展系統研究的裝置及試驗方法。模型試驗可以對擋土牆中的主要因素進行獨立控制，相對於現場試驗更安全簡便。目前還沒有相應的試驗裝置及試驗方法。
【發明內容】
[0003]本發明為了解決現有技術存在的上述不足，提供了一種擋土牆失穩模型試驗裝置及試驗方法；通過該裝置能夠任意調整擋土牆的轉動角度及速率，能夠控制擋土牆沉降量，採用水箱堆載模擬不同填土高度，適用於研究不同失穩條件下輕型擋土牆應力、位移及錨杆受力測試。本發明易於加工，安裝、拆卸方便，能夠重複利用，安全性高。
[0004]本發明採用的技術方案如下:
[0005]一種擋土牆失穩模型試驗裝置，包括用於擋土的底盤、用於模擬路基縱向的平面應變狀態的擋土板以及用於加載的擋土牆，其特徵在於:在所述的底盤上設有兩個與其相連且相互平行的擋土板，在兩個擋土板形成的端部設有一對相對立的懸臂式擋土牆I和擋土牆II ;擋土牆I上設有擋土牆轉動裝置，擋土牆II上設有擋土牆沉降裝置；擋土牆II的底部與底盤之間有間隙；在所述的擋土牆轉動裝置和擋土牆沉降裝置上設有用於檢測土壓力和位移的檢測裝置。
[0006]所述的擋土牆I包括通過轉軸相連的擋土牆豎板I和擋土牆底板I，且擋土牆豎板I和擋土牆底板I在擋土牆轉動裝置的驅動下能轉動；所述的擋土牆II包括相連的擋土牆豎板II擋土牆底板II;擋土牆底板II與底盤相連且兩者之間有間隙。
[0007]所述底盤採用Q235鋼板焊接製成，底盤上覆蓋有機玻璃，用於模擬素混凝土基礎。
[0008]所述的擋土板由多個鋼架通過螺栓錨固成一個整體，擋土板內側覆有一層有機玻璃限制填料的側向變形，用於模擬路基縱向的平面應變狀態。
[0009]所述的擋土板通過螺栓與底盤相連。
[0010]所述的擋土牆轉動裝置還包括一個轉軸、油缸和油缸反力牆；轉軸通過轉軸瓦架與轉軸底座相連，轉軸底座與底盤相連；轉軸與擋土牆通過轉軸連接件採用螺栓錨固為一個整體；油缸一端通過螺栓與固定在轉動擋土牆豎板I上的油缸連接件相連；油缸另一端通過螺栓與固定在油缸反力牆上的油缸連接件相連；油缸反力牆下設槽鋼，通過螺栓與底盤連接為一整體；油缸送油及回油通過控制器控制。
[0011]所述的擋土牆沉降裝置還包括兩個雙頭螺栓；沉降擋土牆底板II和底盤之間通過雙頭螺栓連接；通過控制雙頭螺栓上的上、下螺母位置，使擋土牆底板與底座有1cm高度的空隙。
[0012]所述土壓力監測裝置包括豎向埋設於擋土牆牆背上的土壓力盒，以測定土壓力。
[0013]所述的位移監測系統包括百分表，以監測擋土牆的側向位移。
[0014]一種擋土牆失穩模型試驗裝置的試驗方法如下:
[0015]步驟I)安裝擋土板
[0016]將擋土板通過錨栓與底盤連接成為一個整體，擋土板與有機玻璃採用雙面膠連接為一個整體；底盤頂部採用雙面膠上覆一層有機玻璃；
[0017]步驟2)安裝擋土牆轉動系統
[0018]安裝槽鋼、油缸反力牆。連接油缸和油缸反力牆，安裝控制器；採用行吊或吊車進行轉動擋土牆安裝；採用螺栓將連接件與擋土牆連接；連接油缸和擋土牆豎板。
[0019]步驟3)安裝擋土牆沉降系統
[0020]將雙頭螺栓的下側通過螺母與底盤相連；採用行吊或吊車進行沉降擋土牆安裝；採用螺母將雙頭螺栓上側與左側擋土牆連接。
[0021]步驟4)路基填土及壓實
[0022]回填土按照設計要求進行壓實；每層回填土夯實後均需測定壓實度，未達到標準後繼續夯實直至達標；
[0023]步驟5)安裝土壓力盒
[0024]土壓力盒埋設採用反開挖方式進行安裝，即填土高度超過土壓力盒位置20cm後進行反開挖，將壓力盒放入並回填壓實；
[0025]步驟6)水箱堆載
[0026]將設計荷載換算成水位高度，在填土表面均勻布設水箱，並進行注水，以使頂部荷載達到設計荷載。
[0027]擋土牆失穩模型試驗裝置的試驗方法，包括擋土牆轉動失穩試驗和擋土牆沉降失穩試驗；
[0028]所述的擋土牆轉動失穩試驗如下:
[0029]保持沉降擋土牆與底盤的間距不變；通過控制器控制油缸進油和回油，使轉動擋土牆繞軸向內或向外轉動任意角度，測定不同轉動角度下轉動擋土牆側向土壓力變化規律；
[0030]所述的擋土牆沉降失穩試驗如下:
[0031]控制油缸，保持轉動擋土牆豎板豎直不動；在沉降擋土牆外側距底盤0m，0.2m,
0.4m, 0.6m, 0.8m高度處安裝百分表；調節雙頭螺栓上部螺母，使沉降擋土牆向下移動任意距離，測定不同沉降量下沉降擋土牆側向土壓力分布及位移變化規律。
[0032]本發明的有益效果:
[0033](I)能夠調整錨杆支護形式、填料類型、頂部荷載，適用於不同工況下的擋土牆失穩研究。
[0034](2)可以控制擋土牆不均勻沉降量，測定擋土牆不均勻沉降失穩條件下的擋土牆位移、土壓力及錨杆軸力變化規律。
[0035](3)可以控制擋土牆轉動角度，測定擋土牆轉動失穩條件下的擋土牆位移、土壓力及錨杆軸力變化規律。
[0036](4)可以控制錨杆的鬆弛量。測定擋土牆錨杆鬆弛失穩條件下的擋土牆位移、土壓力及錨杆軸力變化規律。
[0037](5)採用水箱注水堆載，可以保證頂部荷載為均布荷載。
[0038](6)模型加工方便，易於拆卸和搬運，可以重複利用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1是本發明模型結構總示意圖；
[0040]圖2是擋土板與底盤結構示意圖
[0041]圖3是轉動系統結構示意圖；
[0042]圖4是沉降系統結構示意圖；
[0043]圖中，1-油缸反力牆，2-油缸連接件I，3-油缸，4-油缸連接件II，5_轉軸連接件，6-轉軸瓦架，7-轉軸底座，8-轉動擋土牆豎板I，9-轉動擋土牆底板I，10-轉軸，11-底盤，12-擋土板，13-沉降擋土牆豎板II，14-沉降擋土牆底板II，15-雙頭螺栓，16-槽鋼。
【具體實施方式】
[0044]如圖1、圖2、圖3所示，一種擋土牆失穩模型試驗裝置，包括底盤11、擋土板12、懸臂式擋土牆、擋土牆轉動系統、擋土牆沉降系統及監測系統。
[0045]底盤11採用交錯焊接的Q235鋼板製成，底盤11上覆有一層有機玻璃，用於擋土。擋土板12由多個鋼架通過螺栓錨固成一個整體，擋土板12內側覆有一層有機玻璃，用於擋土。擋土板12通過螺栓與底盤11相連。
[0046]懸臂式擋土牆由沉降擋土牆和轉動擋土牆組成。沉降擋土牆由沉降擋土牆豎板13和沉降擋土牆底板14組成。
[0047]轉動擋土牆由轉動擋土牆豎板8和轉動擋土牆底板9組成。兩個擋土牆的擋土牆豎板和底板均通過焊接連接成為一個整體。轉動擋土牆上設有擋土牆轉動系統。沉降擋土牆上設有擋土牆沉降系統。
[0048]擋土牆轉動系統由轉動擋土牆底板9兩側的轉軸10、油缸3和油缸反力牆I組成。轉軸10通過轉軸瓦架6與轉軸底座7相連，轉軸底座7與底盤11通過錨栓相連。轉軸10與轉動擋土牆通過轉軸連接件5採用螺栓錨固為一個整體。油缸3 —端通過螺栓與固定在轉動擋土牆豎板8上的油缸連接件4相連。油缸3另一端通過螺栓與固定在油缸反力牆I上的油缸連接件2相連。油缸反力牆I下設槽鋼16，通過螺栓與底盤11連接為一整體。油缸送油及回油通過控制器控制。
[0049]所述的擋土牆沉降系統主要由雙頭螺栓15組成。沉降擋土牆底板14和底盤11上設有若干螺栓孔，用雙頭螺栓15連接。通過控制雙頭螺栓15上的上下螺母位置，使擋土牆底板與底座有1cm高度的空隙。
[0050]所述的監測系統包括與土壓力監測裝置及位移監測裝置。
[0051]所述土壓力監測裝置包括豎向埋設於擋土牆牆背上的土壓力盒，以測定土壓力。所述的位移監測系統包括百分表，以監測擋土牆的側向位移。
[0052]下面是本發明的模型製作和具體的兩個具體試驗方法:
[0053]一、擋土牆失穩模型製作
[0054]I)安裝擋土板
[0055]將擋土板通過錨栓與底盤連接成為一個整體。底盤總長2.0m,寬1.0m,擋土板長
2.0m,高0.8m。擋土板與有機玻璃採用雙面膠連接為一個整體。底盤頂部採用雙面膠上覆一層有機玻璃。
[0056]2)安裝擋土牆轉動系統
[0057]3)安裝擋土牆沉降系統
[0058]4)路基填土及壓實
[0059]回填土按照90%的壓實度進行壓實。每層回填土夯實後均需測定壓實度，未達到標準後繼續夯實直至達標。
[0060]5)安裝土壓力盒
[0061]土壓力盒埋設採用反開挖方式進行安裝，即填土高度超過土壓力盒位置20cm後進行反開挖，將壓力盒放入並回填壓實。在左右兩側擋土牆牆背上均安裝土壓力盒，土壓力盒距底盤上有機玻璃的埋設高度分別為0m，0.2m, 0.4m, 0.6m, 0.8m。
[0062]6)水箱堆載
[0063]將設計荷載換算成水位高度1.0m,在填土表面均勻布設水箱，並進行注水至水位1.0m 處。
[0064]二、試驗方法，本發明中列舉兩個具體的試驗方法。
[0065]實施例1
[0066](I)模型安裝。填料採用砂土，控制壓實度為90%，水位高度1.0m
[0067](2)採用可攜式測頻儀讀取轉動擋土牆側向土壓力盒初始頻率。
[0068](3)沉降擋土牆與底盤的間距保持不變。通過控制器控制油缸回油，使右側擋土牆繞軸向外轉動5 。
[0069](4)採用可攜式測頻儀讀取轉動擋土牆側向土壓力盒頻率，並轉換為土壓力，分析擋土牆外傾時的側向土壓力變化。
[0070](5)通過控制油缸回油，使轉動擋土牆繞軸向外轉動角度分別為10 M5 °，20。，重複步驟(4)，研究不同轉動角度下，擋土牆的側向土壓力變化。
[0071]實施例2
[0072](I)模型安裝。填料採用粉土，控制壓實度為85%，水位高度1.5m
[0073](2)採用可攜式測頻儀讀取轉動擋土牆側向土壓力盒初始頻率。
[0074](3)控制油缸，保持轉動擋土牆豎板豎直不動。在沉降擋土牆外側距底盤Om, 0.2m, 0.4m, 0.6m, 0.8m高度處安裝百分表，並讀取初始讀數。
[0075](4)將雙頭螺栓上部螺母向下旋緊，使沉降擋土牆向下移動5cm。
[0076](5)採用可攜式測頻儀讀取沉降側擋土牆側向土壓力盒頻率，並轉換為土壓力，分析擋土牆外傾時的側向土壓力變化。讀取百分表讀數，分析擋土牆側向位移變化。
[0077](6)調節雙頭螺栓上部螺母，使沉降擋土牆繞向下分別移動7cm，10cm, 13cm,重複步驟(4)、(5)，研究不同沉降量下，擋土牆的側向土壓力變化和側向位移變化。
[0078]本裝置水位高度，填料類型，壓實度等均可進行調整，其他參照實施例1，在此不再贅述。
[0079]本申請受國家自然科學基金(51208284)、山東省科技發展計劃(2013GSF11603)資助。
[0080]上述雖然結合附圖對發明的【具體實施方式】進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。
【權利要求】
1.一種擋土牆失穩模型試驗裝置，包括底盤、擋土牆及用於模擬路基縱向的平面應變狀態的擋土板，其特徵在於:在所述的底盤上設有兩個與其相連且相互平行的擋土板，在兩個擋土板形成的端部設有一對相對立的懸臂式擋土牆I和擋土牆II ;擋土牆I上設有擋土牆轉動裝置，擋土牆II上設有擋土牆沉降裝置；擋土牆II的底部與底盤之間有間隙；且在所述的擋土牆轉動裝置和擋土牆沉降裝置上設有用於檢測土壓力和位移的檢測裝置。
2.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述的擋土牆I包括通過轉軸相連的擋土牆豎板I和擋土牆底板I，且擋土牆豎板I和擋土牆底板I在擋土牆轉動裝置的驅動下能轉動；所述的擋土牆II包括相連的擋土牆豎板II擋土牆底板II ;擋土牆底板II與底盤相連且兩者之間有間隙。
3.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述底盤採用Q235鋼板焊接製成，底盤上覆蓋有用於擋土的有機玻璃。
4.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述的擋土板由多個鋼架通過螺栓錨固成一個整體；擋土板內側覆有一層限制填料的側向變形的有機玻璃。
5.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述的擋土牆轉動裝置包括一個轉軸、油缸和油缸反力牆；轉軸通過轉軸瓦架與轉軸底座相連，轉軸底座與底盤相連；轉軸與擋土牆I通過轉軸連接件採用螺栓錨固為一個整體；油缸一端與固定在轉動擋土牆豎板I上的油缸連接件相連；油缸另一端與固定在油缸反力牆上的油缸連接件相連；油缸反力牆下設槽鋼且槽鋼與底盤連接為一整體；所述的油缸通過控制器控制。
6.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述的擋土牆沉降裝置包括兩個雙頭螺栓；沉降擋土牆底板II和底盤之間通過雙頭螺栓連接且通過控制雙頭螺栓上的上、下螺母位置，使擋土牆底板與底座有空隙。
7.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述土壓力監測裝置包括豎向埋設於擋土牆牆背上的土壓力盒。
8.如權利要求1所述的擋土牆失穩模型試驗裝置，其特徵在於:所述的位移監測系統包括監測擋土牆的側向位移的百分表。
9.如權利要求1-8任一所述的擋土牆失穩模型試驗裝置的安裝方法，其特徵在於，如下: 步驟I)安裝擋土板 將擋土板通過錨栓與底盤連接成為一個整體，擋土板與有機玻璃採用雙面膠連接為一個整體；底盤頂部採用雙面膠上覆一層有機玻璃； 步驟2)安裝擋土牆轉動系統 安裝槽鋼、油缸反力牆。連接油缸和油缸反力牆，安裝控制器；採用行吊或吊車進行轉動擋土牆安裝；採用螺栓將連接件與擋土牆連接；連接油缸和擋土牆豎板。 步驟3)安裝擋土牆沉降系統 將雙頭螺栓的下側通過螺母與底盤相連；採用行吊或吊車進行沉降擋土牆安裝；採用螺母將雙頭螺栓上側與左側擋土牆連接。 步驟4)路基填土及壓實 回填土按照設計要求進行壓實；每層回填土夯實後均需測定壓實度，未達到標準後繼續夯實直至達標； 步驟5)安裝土壓力盒 土壓力盒埋設採用反開挖方式進行安裝，即填土高度超過土壓力盒位置設定距離後進行反開挖，將壓力盒放入並回填壓實； 步驟6)水箱堆載 將設計荷載換算成水位高度，在填土表面均勻布設水箱，並進行注水，以使頂部荷載達到設計荷載。
10.如權利要求1-8任一所述的擋土牆失穩模型試驗裝置的試驗方法，其特徵在於，包括擋土牆轉動失穩試驗和擋土牆沉降失穩試驗； 所述的擋土牆轉動失穩試驗如下: 保持沉降擋土牆與底盤的間距不變；通過控制器控制油缸進油和回油，使轉動擋土牆繞軸向內或向外轉動任意角度，測定不同轉動角度下轉動擋土牆側向土壓力變化規律； 所述的擋土牆沉降失穩試驗如下: 控制油缸，保持轉動擋土牆豎板豎直不動；在沉降擋土牆外側距底盤的不同高度處安裝百分表；調節雙頭螺栓上部螺母，使沉降擋土牆向下移動任意距離，測定不同沉降量下沉降擋土牆側向土壓力分布及位移變化規律。
【文檔編號】E02D29/02GK104196064SQ201410445377
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2014年9月3日
【發明者】張宏博, 吳建清, 李英勇, 宋修廣, 毛洪錄, 嶽紅亞, 王新君, 孟慶宇, 於一凡 申請人:山東大學