專利名稱：一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種試驗裝置，尤其涉及一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀。
背景技術：
土壓力是進行擋土結構物斷面計算和穩定驗算的重要荷載，許多學者對土壓力的計算理論及方法進行了研究。其中庫侖土壓力計算理論所是在假定滑動面為平面、滑動體為剛性體的前提下建立的。該理論認為當擋墻突然移去時，填土將沿一個平面滑動。若擋墻離開填土發生一個微小位移或向填土擠壓，則在墻背面與水平面間產生不同傾角的破壞面。當確定出破壞面的形狀和位置，則根據滑動土體的靜力平衡條件來確定主動或被動破壞土壓力。
朗肯土壓力理論假設土體是具有水平表面的半無限體，墻背豎直光滑。則墻后土單元體在水平方向和豎直方向為主應力方向，如果墻體向離開填土的方向移動時，隨著位移量的增加，豎向應力&保持不變，水平向應力&逐漸減小，直至單元體達到主動極限平衡狀態；如果墻體向填土方向使土體擠壓時，隨著位移量的增加，豎向應力&保持不變，水平應力氏逐漸增大，并且大小主應力的方向會發生改變，直至達到被動極限平衡狀態。庫侖和朗肯土壓力理論直至今日仍為擋土墻設計中經常采用的重要方法，但由于實際條件與這兩種理論的假定都有一定的出入，應用兩種理論的適用性和誤差就受到關注。在利用這兩種理論解決工程問題前，應對土壓力大小和分布規律的理論情況和實際情況進行對比分析。目前，國內針對土壓力破壞理論開展的的試驗研究相對較少，在本發明之前，中國專利CN101127169公開了一種土體主動和被動破壞演示儀，其不足之處在于
(I) 土體主動和被動破壞演示儀活動擋板傾角固定，為豎直方向，而實際工程中并非都為直立擋墻。故對于有一定傾角的支擋結構后填土的破壞形式，該模型不能演示。(2) 土體主動和被動破壞演示儀活動擋板與動力螺紋為固定連接，試驗中難以改變擋土墻與土接觸一側的粗糙程度，因此不能研究擋土墻的摩擦對破壞形態的影響。(3) 土體主動和被動破壞演示儀不能測定活動擋板不同位置的土壓力，也未考慮對破壞產生時活動擋板所需達到的位移量進行測定，故僅可對主動和被動破壞的形式做一些模擬演示，不能對土壓力破壞理論進行深入分析。為了克服以上發明的不足，本發明設計了一種可改變擋土墻傾角，并且可更換不同摩擦程度的活動擋板的主、被動土壓力破壞分析儀，可模擬多種傾角及摩擦組合的主動和被動土壓力破壞。同時借助土壓力傳感器可測定不同位置的土壓力大小，利用手輪精確控制活動擋板水平位移，對朗肯和庫侖土壓力破壞理論進行驗證
發明內容
本發明的目的是提供一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀。主動和被動土壓力破壞分析儀主體為透明有機玻璃制成的方形模型箱體，可在外部觀察土體破壞形態；模型箱體內設有活動擋板，活動擋板上不同高度處嵌有三個土應力傳感器，可采集試驗整個階段的水平向土壓力大小并記錄在應力采集器中；活動擋板上距底部20cm、21cm、22cm、23cm、25cm、27cm處設置多個螺栓孔，在活動擋板傾角為0°、6°、12°時選用20cm處螺栓孔，當活動擋板傾角在18°至45°內逐漸增大時依次選用22至27cm的螺栓孔，從而可降低活動擋板的高度，活動擋板底部的橡皮條也對阻止擋墻底部產生空隙起到輔助作用，阻隔填土漏出，同時可使活動擋板在平移時阻礙較小；活動擋板與角度控制環外環以螺栓固定，可拆卸更換不同粗糙程度的活動擋板；角度控制環內環與旋轉頂撐采用剛性連接；角度控制環外環和角度控制環內環通過中心的角度控制環轉軸相連，角度控制環外環和角度控制環內環外圍分別有10個和12個同樣大小的孔，內外環可繞轉軸產生相對轉動，當內外環一組圓孔對齊時，可用插銷插入以固定內外環；旋轉頂撐包住螺紋桿頂端圓形扁塊，該部分可在頂撐內部旋轉，螺紋桿在朝向或背離填土方向的位移會通過旋轉頂撐向角度控制環傳遞；螺紋桿由螺紋桿固定套管連接在模型箱體一側，伸出模型 箱體有機玻璃箱外并設置手輪。試驗時自有機玻璃箱中正上方處向有機玻璃箱中分層撒入待演示的土體和有色砂層。順時針或逆時針轉動手輪，則可以控制擋土墻朝向或背離土體方向運動，隨著擋板上土壓力增大或減小到一定程度，墻后土體將達到極限狀態，部分土體及有色砂層滑落或隆起，土體產生不同形態及角度的裂縫，滑動面形成，土體產生主動或被動破壞。此時，若滑動面為平面可以用量角器量出滑動破壞面與水平面的夾角，若破壞面為曲面可繪制或記錄裂縫形態；同時根據裂縫出現時的手輪旋轉圈數，以及螺旋桿螺距，可計算主動或被動破壞產生所需達到的應變。而整個試驗過程中測定的土壓力記錄在應力采集器中。本發明具有的有益效果
本發明可借助手輪的旋轉，控制擋墻產生朝向或遠離土體的水平位移，使土體產生主動和被動土壓力破壞。螺旋桿朝向土體的位移可連續變化，可模擬土體從靜止狀態到極限狀態的漸變過程。特別是設計了角度控制環，可按照6°的步幅旋轉擋墻并使擋墻固定成不同傾角。并且活動擋板設計為可拆卸部件，制作了不同粗糙程度的擋墻以供使用。結合擋土墻光滑程度的選擇和傾角的控制，可以分別滿足朗肯和庫侖土壓力理論的假設條件。試驗中將土體分層染色，試驗中可以更清楚的觀察其受力變形狀態及最終的破壞形式。通過測量裂縫角度，觀察裂縫的形態，測定擋墻不同位置處的土壓力大小，記錄產生破壞所需的位移量，可對比兩種土壓力理論計算值與實際值的吻合度。
圖I是本發明的整體結構正立面 圖2是本發明的主體結構的俯視 圖3 (a) (b) (c)分別是本發明的整體結構的左視圖、A-A剖面圖及活動擋板平面圖； 圖4是本發明的旋轉頂撐的平面圖及側視 圖5 (a) (b)是本發明的擋土墻傾角為0°和6°時的角度控制環內外環相對位置的示意圖；圖6 (a) (b) (c)擋土墻傾角變動，以及插銷位置示意 圖中模型箱體I、旋轉頂撐2、手輪3、螺紋桿4、螺紋桿固定套管5、插銷6、角度控制環外環7、角度控制環內環8、活動擋板9、角度控制環轉軸10、橡皮條11、螺栓12、螺栓孔13、土應力傳感器14、應力采集器15。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。如圖1、2所示，一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀，主體為透明有機玻璃制成的方形模型箱體1，從而在外部可直接觀察土體破壞形態。模型箱體I內設有活動擋板9，其高度略高于模型箱體I高度，在活動擋板不同高度處嵌有三個應力傳感器14，測量不同高度處的土壓力并收集到應力采集器15中。如圖3所示，在活動擋板9上距底部20cm、21cm、22cm、23cm、25cm、27cm處設置多 個螺栓孔13，可在擋墻傾角不同時選擇對應的螺栓孔，用以調節活動擋板9高度。活動擋板9與角度控制環外環7以螺栓12固定。如圖5所示，角度控制環內環外圍有10個圓孔，外環外圍有12個圓孔，內外環均由鐵板切割加工得到角度控制環內、外環通過轉軸10相連，未插入插銷6時，內外環可繞轉軸10產生相對轉動，并帶動活動擋板的傾角改變。在內外環一組孔對齊時通過插入插銷6的方式阻止內外環的相對位移。角度控制環內環8與旋轉頂撐2采用焊接的方式剛性連接。如圖4所示，旋轉頂撐包住螺紋桿4頂端圓形扁塊部分；螺紋桿4穿過螺紋桿固定套管5，伸出有機玻璃箱外并設置手輪3。本發明使用時
(I)旋轉頂撐2與角度控制內環8在部件制作時可用焊接剛性連接。螺紋管4頂端制作成的圓形扁塊形狀，部件制作時將該圓形扁塊部分包裹在旋轉頂撐2內腔中，再將旋轉頂撐封口，即可使得旋轉頂撐只傳遞螺紋桿沿軸線方向的位移。(2)固定套管5安裝在有機玻璃箱I有預留孔洞的一側側壁上，套管中有與螺紋桿4等螺距的內螺紋，將螺紋管4旋入套管5，伸出模型箱體1，伸出模型箱體I的螺紋管一頭安裝手輪3。由于固定套管4固定在側壁上，旋轉手輪3時，螺紋桿將沿軸線方向產生位移。(3)將角度控制內環8和外環7圓心對準，用角度控制轉軸10插入，使得內外環可繞轉軸轉動。(4)角度控制環拼裝完畢后旋轉角度控制外環7，使其傾角為0°、6°、12°等大小，并用插銷6插入角度控制內環8和外環7對齊的一組圓孔，阻止內外環相對轉動。(5)選擇特定粗糙程度的活動擋板9與角度控制外環7用螺栓12固定。在在傾角為O。、6°、12°時選用20cm處螺栓孔13，當活動擋板9傾角增大時對應選用距底部21cm、22cm、23cm、25cm、27cm處螺栓孔13,保證活動擋板9下部沒有空隙。由于計算精度可能產生的較小的孔隙則利用橡皮條11填補，同時橡皮條11可使活動擋板在平移時阻礙較小。(6)在擋土墻9右側分層撒入待演示的土體和有色砂層。(7)旋轉手輪3控制擋土墻朝向或遠離土體水平位移，設計時采用螺紋桿螺距為O. 2mm，故手輪旋轉一圈時活動擋板位移量為O. 2mm。理論上，手輪向外旋轉3至兩4圈土體產生主動破壞，向內旋進15圈以上發生被動破壞，試驗時慢慢旋轉手輪，并觀察土體是否破壞。可以記模擬出土體從靜止狀態到極限狀態的漸變過程。
(8)在填土出現裂縫時，停止旋轉手輪3，記錄手輪旋轉圈數，并測量破壞角，觀察裂縫形態。根據理論計算位移、土壓力等值，與實測值相比較。
權利要求
1.一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀，其特征在于主體為透明有機玻璃制成的方形模型箱體(I)，可在外部觀察土體破壞形態；模型箱體(I)內設有活動擋板(9)，活動擋板(9)上不同高度處嵌有三個土應力傳感器(14)，可采集試驗整個階段的水平向土壓力大小并記錄在應力采集器(15)中；活動擋板(9)上距底部20cm、21cm、22cm、23cm、25cm、27cm處設置多個螺栓孔(13)，在活動擋板傾角為0°、6。、12。時選用20cm處螺栓孔(13)，當活動擋板(9)傾角在18°至45°內逐漸增大時依次選用22至27cm的螺栓孔(13)，從而可降低活動擋板(9)的高度，活動擋板(9)底部的橡皮條(11)用較強力的膠粘貼；活動擋板(9)與角度控制環外環(7)以螺栓(12)固定，；角度控制環內環(8)與旋轉頂撐(2)采用剛性連接；角度控制環外環(7)和角度控制環內環(8)通過中心的角度控制環轉軸(10)相連，角度控制環外環(7)和角度控制環內環(8)外圍分別有10個和12個同樣大小的孔，內環孔間夾角為30°，外環為36°，內外環可繞轉軸產生相對轉動，當內外環一組圓孔對齊時，用插銷(6)插入以固定內外環；旋轉頂撐(2)包住螺紋桿(4)頂端圓形扁塊，該部分可在頂撐內部旋轉，(4)在傳遞螺紋桿(4)朝向或背離填土方向的位移；螺紋桿(4)由螺紋桿固定套管(5 )連接在模型箱體(I) 一側，伸出模型箱體(I)外并設置手輪。
2.根據權利要求I所述的一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀，其特征在于活動擋板(9)各具有不同的粗糙程度。
3.據權利要求I所述的一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀，其特征在于螺旋桿(4)的螺距為O. 2mm。
全文摘要
本發明公開了一種支擋結構后土體主、被動土壓力破壞模擬分析儀。其外形為方形箱體，螺紋桿穿過固定套管并安裝手輪，通過旋轉頂撐傳遞軸向位移。角度控制環與活動擋板以螺栓連接，易于更換。由于內外環孔間夾角不同，借助插銷固定，可按6°的步幅調節擋板傾角。試驗時向箱中分層撒入待試驗土體和有色砂。順時針或逆時針轉動手輪，引起擋板后填土變形，達到極限狀態后土層滑落或隆起，產生主動或被動破壞。通過改變擋板傾角及摩擦程度，可滿足庫侖及朗肯土壓力理論的假定。擋板位移量可由手輪旋轉圈數換算得到，土壓力大小和分布狀況由嵌在擋板上的應力傳感器采集。故該裝置可對以上兩種土壓力理論進行試驗驗證，分析其理論合理性和工程適用性。
文檔編號G01N3/08GK102928296SQ201210478968
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者沈揚, 葛冬冬, 陶明安, 勵彥德, 徐海東 申請人:河海大學