一种研究水平土拱的装置的制作方法

1.本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及多支撑深基坑开挖引起墙后水平土拱的研究。


背景技术：

2.土拱效应是指土体发生不均匀位移或土体间发生相对位移时，屈服土体的应力转移到未屈服的土体或周围稳定的介质的一种应力转移现象。现代土力学之父—太沙基教授曾指出，土拱效应是一种广泛存在于岩土工程的力学现象，并通过竖向活动门实验揭示了竖向土拱效应机理，如图1所示。并提出了相应竖向活动门压力计算公式。竖向土拱效应广泛存在于工程中，如挡土墙、桩承式路堤、抗滑桩、桩板墙等都存在竖向土拱效应。
3.然而，在多支撑的深基坑开挖过程中，在围护结构后面的土体也存在土拱效应。lambe和whitman第一次对其机理进行了详细的解释，如图2所示，由于水平支撑力较大，极大限制了最后一道水平支撑的以上部分的墙后土体的水平变形；而处于开挖面以下的土体刚度较小，在不能提供足够的反支撑力的情况下，使得最后一道支撑以下部分的墙后土体向坑内变形，并拖拽上部土体形成相对滑移面和应力转移，增大了上部土体应力，从而形成土拱效应。hashash和whittle、karlsrud和andresen、ng等以及本发明人通过数值模拟或是现场实测进一步证实了这种可以被称之为水平土拱效应的存在。
4.可见，这种水平土拱效应和太沙基竖向活动门揭示的竖向土拱效应在产生原理上存在本质区别，产生过程也不相同。因此，现有的竖向土拱效应的测量方法无法应用于测量或模拟水平土拱效应；也使得竖向活动门装置无法经过改装应用于测量水平土拱效应。
5.此外，现有的对水平土拱效应的研究中，缺少研究挡板的摩擦系数、水平活动门下的卧土层厚度及分层情况、水平活动门运动速度及形状等因素对水平土拱效应的影响，这些因素对揭示水平土拱效应的作用机理和运行过程有重大的作用。同时，这些影响因素也是竖向土拱效应研究中无需考虑的。基于以上原因，同时由于水平土拱效应影响因素众多且开展难度大，现有技术中并没有能够开展上述研究的装置。
6.因此，亟需研发一种能够全面研究水平土拱效应的实验装置，全面地揭示水平土拱发展机理。


技术实现要素：

7.为了揭示水平土拱发展机理，首先，本发明将基坑引起的水平土拱效应进行简化，将水平土拱形变抽象为由上、下固定板和水平活动门组成，如图3所示，其中水平活动门的形状可变。该简化模型可通过改变板后覆土埋深情况，为模拟基坑不同开挖深度下的水平土拱发展规律提供了极大的研究可行性。
8.其次，在此基础上，本发明提供了一种研究水平土拱的装置。本发明采用的技术方案包括：
9.本发明提供一种用于研究水平土拱效应的装置，所述装置包括模型箱和测量系
统，所述模型箱能够承装土体，其特征在于，所述模型箱包括l形板和水平活动门，所述l形板和水平活动门至少组成模型箱的箱体的一个面，所述水平活动门沿水平方向以l形板为支撑做远离和/或靠近模型箱体的运动；在水平活动门运动时所述测量系统能够进行实时测量，该测量系统在水平活动门运动时和/或静止状态下均能进行测量。
10.优选地，所述水平活动门的形状选自以下中的一种或多种：平板形、拱形、锥形、梯形，以同时研究不同方向的土拱效应。
11.优选地，所述在l形板上沿着水平活动门的运动方向上设置有导轨，为水平活动门的运动提供不同的运动速度，从而使装置能用于研究水平活动门的运动速度对土拱效应的影响。
12.优选地，该装置还包括不同等级的摩擦系数贴片，贴于所述l形板和土的接触面和/或贴于所述水平活动门和土的接触面，从而研究摩擦系数对土拱效应的影响。
13.优选地，该装置还包括垫片，所述垫片可调节地安装于模型箱中并能够对垫片上部的土体起支撑作用，所述垫片用于改变模型箱的土体形状，在不改变模型箱的情况下能够自由调节模型箱内土体的形状；所述垫片下方安装多个可单独调节升降的升降装置，以实现垫片在箱体内位置的调节。
14.优选地，所述垫片的表面形状为平面或曲面；所述垫片表面是无漏孔的或是有漏孔的，以研究不同地质形态对水平土拱效应的影响。例如研究渗流情况下或是涌水情况下的水平土拱效应。
15.优选地，所述测量系统包括双目摄像头，用于测量模型箱内土体表面的三维变形，所述双目摄像头采集的参数包括土体水平表面位移和竖向沉降。
16.优选地，所述测量系统还包括以下中的一种或多种：土压力计、lvdt位移计和轴力计，所述测量系统测量的参数包括以下中的一种或多种：水平活动门位移、土体位移、土体压力和轴力；所述装置还包括驱动系统，所述驱动系统为水平活动门的运动提供动力，所述驱动系统包括电机、加载杆，所述加载杆将轴力计、水平活动门和电机连在一起。
17.优选地，模型箱上方开口，模型箱包括一块底板、三块侧板、两块l形板和水平活动门；l形板和水平活动门共同形成模型箱的一个侧面；模型箱的另一个侧面为透明板；
18.优选地，模型箱包括驱动系统，所述驱动系统驱动水平活动门向模型箱外移动。
19.优选地，所述水平活动门通过安装在上部l形板和/或下部l形板的导轨嵌入到模型箱中，从而研究水平门移动速度对水平土拱效应的影响。
20.优选地，所述摄像头包括两种，为双目摄像头和piv摄像头。
21.优选地，模型箱还包括密封条，用于辅助固定垫片的位置。
22.优选地，模型箱的至少一块侧板为透明板。
23.优选地，所述l形板、侧板的材料选自钢、合金、铜、有机玻璃等硬质材料。
24.此外，本发明还提供一种使用上述装置测量土拱效应的方法，该方法包括：
25.步骤一，装填土体于模型箱内，用测量系统采集初始数据；
26.步骤二，电机驱动下，通过加载杆带动水平活动门沿导轨向模型箱外部水平移动，通过水平放置的lvdt位移计所测量位移数据反馈到驱动系统中实现控制移动速度；
27.步骤三，在水平活动门移动过程中，使用双目摄像头、piv摄像头、土压力计、lvdt位移计、轴力计分别采集数据，获得地表土体位移、土体侧向位移、土压力值、地表沉降、轴
力；
28.步骤四，根据式(1)-(3)计算土体应变参数，
29.εx＝δu/|δx|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
30.εy＝δv/|δy|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
31.γxy＝1/2(δv/|δx| δu/|δy|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中：|δx|为相邻两点的水平方向距离，|δy|为相邻两点的竖直方向距离，δu为相邻两点水平方向相对位移，δv为相邻两点竖直方向相对位移，εx为相邻两点间土体的水平方向应变，εy为相邻两点间土体的竖直方向应变，γxy为相邻两点间土体的剪应变；
32.步骤五，改变模型箱内的土体深度，重复步骤一至步骤四；
33.步骤六，改变水平活动门的移动速度，重复步骤一至步骤四；
34.步骤七，在模型箱内内部设置垫片，并改变垫片的倾斜度和高度，重复步骤一至步骤四；
35.步骤八，将垫片打孔，在模型箱内部分别设置多种具有不同孔径的垫片，重复步骤一至步骤四；
36.步骤九，改变l形板和土体接触面的摩擦系数、以及改变水平活动门和土体接触面的摩擦系数，重复步骤一至步骤四；
37.步骤十，改变水平活动门形状分别为平板形、拱形、梯形、锥形，重复步骤一至步骤四；
38.步骤十一，对步骤四至步骤十的结果进行统计学分析。
39.在本发明的实验步骤中，通过模型箱内的土体埋深不同，模拟不同埋深下的水平土拱发展过程，以揭示水平土拱发展机理，此外，改变水平活动门的移动速度，研究移动速度对水平土拱效应的影响；在模型箱内底部放置垫片，降低水平活动门下部土深度，研究其对水平土拱效应的影响；改变升降装置高度，实现水平活动门下卧厚度土层、倾角的模拟；将垫片打孔，实现渗流条件下或是涌水条件下的水平土拱效应模拟；改变上部l形钢侧板、下部l形钢侧板和活动门的摩擦系数，以实现摩擦系数对水平土拱效应的影响研究；改变水平活动门形状，如半圆等，可以实现不同水平活动门形状对水平土拱效应的影响研究。
40.通过本发明的装置，弥补了现有技术中缺少全面研究水平土拱效应的装置的现状，弥补了水平土拱效应的研究中不能模拟土的移动速度、摩擦力、活动门形状、下卧土层厚度、渗流条件等因素对土拱效应的影响。本发明的装置将有助于进一步揭示水平土拱效应，丰富土拱效应在岩土工程中的应用。本发明的装置对理解深基坑开挖时地连墙后方土拱的发展有极大的帮助，可为提出基坑开挖导致围护结构变形精细化控制提供理论基础，实现基坑开挖的周边环境保护。
41.本发明具有的有益效果包括：
42.1)本发明的装置中，模型箱包括垫片，用于支撑垫片的升降装置可以被单独控制升降，能够根据实际地形对模型箱体内部的空间进行模拟设计，在不更改模型箱体形状的情况下通过调节垫片的位置和高度和倾斜度模拟水平门下不同地形的土层厚度对土拱效应的影响，同时还可节约实验资源和材料，简化实验程序。
43.例如，使升降装置高低不同，改变垫片的倾斜角度，从而模拟山地地形对土拱效应的影响。同时可以将垫片打细孔，以实现渗流条件下或是涌水条件下的土运动状态模拟。使
得平面垫片表面形状变为曲面垫片，模拟不规则地形对水平土拱效应的影响。
44.2)水平活动门形状可以是平面，也可以是其他形状，如拱形，半圆形等，可以实现由于不同水平活动门形状对土压力的不同从而产生的对土拱效应的影响研究，同时可研究不同相对位置处水平土拱效应的差异。
45.3)本发明利用导轨和驱动系统使得同一个装置能够研究不同水平活动门移动速度对水平土拱效应的影响，而无需更换装置，且解决了装置功能单一的问题。
46.4)l形板和土接触面的摩擦系数、以及活动门和土接触面的摩擦系数可调，以研究摩擦系数对水平土拱效应的影响。
47.5)通过lvdt位移计、轴力计、土压力计、piv摄像头和双目摄像头等量测手段，获得水平土拱发展过程引起的土体位移、应力转移和应变变化，系统地、全面地揭示水平土拱效应发展机理。通过布置三排土压力计，可以进一步为探究模型箱侧壁对水平土拱效应影响提供有效支撑数据。
48.6)本发明采用的双目摄像头进行模型箱内泥土表面位移监测，可测得整个地表面上的三维变形情况，包括土体水平面内位移和竖向沉降，比现有竖向土拱装置采用单点测量地表沉降，能获得更全面的地表变形数据。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1是竖向土拱的活动门示意图；
51.图2是基坑开挖引起的坑外水平土拱示意图；
52.图3是本发明的基坑外水平土拱简化模型图；
53.图4是本发明的立体结构示意图；
54.图5是本发明的土压力布置图；
55.图6是本发明的加载杆与轴力计连接图；
56.图7是本发明装置带有垫片的另一立体结构示意图；
57.图8是本发明装置中水平活动门和l形板的任一竖直截面形状的示意图，其中水平活动门为拱形。
58.图9是本发明装置中水平活动门和l形板的任一竖直截面形状的示意图，其中水平活动门为梯形。
59.图10是本发明装置中水平活动门和l形板的任一竖直截面形状的示意图，其中水平活动门为锥形。
60.1-双目摄像头；2-薄纸板；3-上部l形钢侧板；4-土压力计；5-lvdt位移计；6-轴力计；7-电机；8-加载杆；9-导轨；10-下部l形钢侧板；11-水平活动门；12-钢底板；13-高强有机玻璃；14-piv摄像头；15-钢侧板；16-垫片；17-升降装置；18-密封条。
具体实施方式
61.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
62.实施例1
63.如图4所示，本发明包括模型箱、测量系统和伺服驱动系统。模型箱包括两块方形钢侧板15、一块高强有机玻璃13、一块钢底板12、上部l形钢侧板3、下部l形钢侧板10和水平活动门11；
64.测量系统包括双目摄像头1、piv摄像头14、土压力计4、lvdt位移计5、轴力计6；
65.伺服驱动系统包括电机7、加载杆8和测量系统中的lvdt位移计5、轴力计6；
66.模型箱的钢侧板15、一块高强有机玻璃13、一块钢底板12、上部l形钢侧板3、下部l形钢侧板10通过螺栓拼接而成；水平活动门11通过上部l形钢侧板3、下部l形钢侧板10的导轨9嵌入到模型箱中。在导轨9的限制作用下，可以保证水平活动门11稳定、光滑地移动，从而研究水平门移动速度对水平土拱效应的影响。
67.测量系统中的双目摄像头1、piv摄像头14和lvdt位移计5均通过卡钳固定在外部钢架；双目摄像头1拍摄地表土变形后，分析反算获得地表位移情况，并与模型箱上部lvdt位移计5对结果进行校正；piv摄像头14透过高强有机玻璃13拍摄侧向土体变形，分析获得侧向土体位移情况；
68.模型箱上部的lvdt位移计5的测探抵触至薄纸板2，以测量土体表面沉降；水平放置的lvdt位移计5的测探通过水平活动门11上预留的螺栓孔拧紧固定在水平活动板上，用于测量水平活动门11的水平移动位移，为伺服驱动系统提供位移反馈数据；
69.土压力计4通过预留的孔洞嵌入安装到上部l形钢侧板3、下部l形钢侧板10和水平活动门11内侧面，如图5所示，用于测试在实验过程中土压力变化；
70.轴力计6通过螺孔拧紧到加载杆8中，如图6所示，用于测试实验过程中轴力变化。电机7安装在外部固定支架上，通过加载杆8螺孔拧紧在水平活动门11中，为实验提供驱动力。加载杆将轴力计、水平活动门和电机串联连接在一起。
71.实验过程如下：
72.实验前，对测量系统涉及的传感设备进行标定，安装传感设备于装置对应位置，并在高强有机玻璃13中设置多个固定标记点；将土按实验要求填筑至模型箱内，使得土体上端超过水平活动门的上端，用测量系统采集初始数据。
73.实验时，电机7驱动下，通过加载杆8带动水平活动门11沿导轨9向模型箱外部水平移动，通过水平放置的lvdt位移计5所测量位移数据反馈到驱动系统中实现控制移动速度。在移动过程中，双目摄像头1、piv摄像头14、土压力计4、模型箱上部的lvdt位移计5、轴力计6分别采集数据，获得地表土体位移、土体侧向位移、土压力值、地表沉降、轴力等数据。
74.通过土体侧向位移计算土体应变情况，计算公式如下：
75.ε
x
＝δu/|δx|
ꢀꢀꢀ
(1)
76.εy＝δv/|δy|
ꢀꢀꢀ
(2)
77.γ
xy
＝1/2(δv/|δx| δu/|δy|)
ꢀꢀꢀ
(3)
78.其中：|δx|为相邻两点的水平方向距离，|δy|为相邻两点的竖直方向距离，δu为相邻两点水平方向相对位移，δv为相邻两点竖直方向相对位移，ε
x
为相邻两点间土体的水平方向应变，εy为相邻两点间土体的竖直方向应变，γ
xy
为相邻两点间土体的剪应变。
79.改变模型箱内的土体深度，使土体上边缘处于水平活动门3/4、1/2位置处，重复上述实验步骤，得到土体应变数值进行分析。通过模型箱内的土体埋深不同，模拟不同埋深下的水平土拱发展过程，以揭示水平土拱发展机理。
80.实施例2
81.本实施例包括实施例1的内容，在实施例1的基础上，如图7所示，在模型箱内放置垫片16，使垫片16由多个液压缸(未示出)支撑，四周通过密封条(未示出)进行密封。
82.分别选择平面垫片组和曲面垫片组两大组实验，每大组分别包括水平放置的无漏孔的垫片、水平放置的有漏孔的垫片、倾斜放置的无漏孔的垫片、倾斜放置的有漏孔的垫片作为四组平行实验，重复实施例1中的实验步骤，得到土体应变数值进行分析。其中垫片的高度可根据实验中对土体厚度的需要进行调整。本实施例通过改变升降装置高度，实现水平活动门下卧厚度土层、倾角的模拟；将垫片打孔，实现渗流条件下或是涌水条件下的水平土拱效应模拟。
83.实施例3
84.本实施例包括实施例1的内容，本实施例在实施例1的基础上，改变水平活动门的移动速度，将水平活动门的移动速度分为三个等级：a m/s、0.5a m/s、0.25a m/s，其中a的数值根据实验要求进行设定，分别计算土体应变，分析对比实验结果，本实施例通过改变水平活动门的移动速度，研究移动速度对水平土拱效应的影响。
85.实施例4
86.本实施例包括实施例1的内容，本实施例在实施例1的基础上，使用3种不同等级的摩擦系数贴片，摩擦系数分别为f、0.5f、0.25f，分别贴于上下l形板和土的接触面，以及贴于水平活动门和土的接触面，即设置3组平行实验，其中f的数值根据实验要求进行设定，分别计算土体应变，分析对比实验结果。本实施例通过改变上部l形钢侧板、下部l形钢侧板和活动门三者和土接触面的摩擦系数，以研究摩擦系数对水平土拱效应的影响。
87.实施例5
88.本实施例包括实施例1的内容，本实施例在实施例1的基础上，水平活动门和l形板的竖直截面形状如图8-10所示，改变水平活动门形状，包括拱形、梯形、锥形，并设置平行实验，其中在拱形的水平活动门的三个不同位置处、梯形水平活动门的三个面上、锥形水平活动门的两个面上以及拐点处，分别设置测量点。分别计算土体应变，分析对比实验结果，通过本实施例实现不同水平活动门形状对水平土拱效应的影响研究。
89.上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。