[发明专利]一种离心模型挡土墙试验设备

说明书

技术领域

本发明是专门用于在离心机上进行土压力离心模型试验，研究土压力问题的试验设备，主要技术领域是土压力离心模型试验研究技术领域。

背景技术

挡土类结构物是土木建筑、水利水电、公路、铁道交通等工程建设中广泛应用的一种结构物，其用途是支撑土体使其保持稳定。土压力的评价是挡土类结构物结构设计和稳定分析中的一个基本项目，直接相关工程设计的安全可靠及经济合理。土压力理论和应用研究已成为土力学和岩土工程领域的一个基本课题。土工离心模型试验在缩小土工构筑物的尺寸的同时，加大了模型的重力加速度，可以保持模型中土的应力状态与实际情况一致，因此在模拟边坡、土压力问题等方面具有一定优势。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和揭示土压力形成的物理机制的重要手段之一。离心模型挡土墙试验设备是进行土压力离心模型试验不可缺少的重要技术手段。

现有的离心模型挡土墙试验设备较少，报道的文献不多。根据《无粘性土中刚性挡土墙离心模型试验研究》(期刊：重庆交通学院学报；作者：唐志成，彭胤宗，宋教吾；发表时间：1988(2)：48-58)报道，唐志成等通过离心模型试验研究了刚性挡墙在墙后填土为砂土时的主动土压力大小及分布，并与库仑理论进行了对比，但其仅测量了主动状态时的土压力分布。该试验采用的离心模型挡土墙试验设备无法控制挡墙的位移量，因此无法研究不同挡墙位移量时的土压力大小及分布。根据《压实粘性填土挡土墙土压力离心模型试验》(期刊：岩土工程学报；作者：岳祖润，彭胤宗，张师德；发表时间：1992，114(6)：90-96)报道，岳祖润等研制了一套自制的位移控制液压装置，针对墙后填土为压实粘性土，刚性挡土墙在组合位移模式下的情况进行了离心模型试验，分析研究了土压力大小、分布及其与墙体位移的关系等问题。该设备采用位移控制液压装置来调节挡墙位移的变化。在离心加速度增大到要求的模型率N后稳定转速，打开一次电磁阀，使油缸排油。油压减小，则填土压力迫使墙体推着柱塞后移一段微小位移。该方法假定液压油具有不可压缩性，忽略了油的压缩性对于位移控制的影响，不能在离心加速度增大的过程中控制挡墙保持静止状态，并且不能精确控制挡墙的位移模式。因此试验中挡墙的位移模式和开始运动的初始状态较为复杂，无法控制。根据《各向异性粒状材料破坏规律与强度准则及应用》(博士学位论文，张连卫，时间：2007)报道，张连卫等针对由椭圆形金属棒堆积成的二维理想粒状材料，研制了一套主动土压力离心模型试验设备与相应的测试技术。该设备用气缸活塞控制模型挡墙水平方向的运动，但是不能在离心加速度增大的过程中控制挡墙保持静止状态，并且不能控制挡墙连续均匀地向主动一侧位移，且仅适用于理想粒状材料，无法进行砂土的试验。

通过对现有设备的调研可知，现有设备多采用气缸或者油缸作为挡墙运动的驱动装置，忽略了气和油的压缩性对于位移控制的影响。土压力离心模型试验难度较大，主要技术难点如下：随着离心加速度的增大，墙后填土对挡墙的侧压力的增大会导致挡墙向主动侧位移，不能保持静止状态；挡墙在从静止状态到主动状态的运动过程中较难缓慢均匀连续地运动；挡墙的运动形式较难控制，很难保持平动。

发明内容

本发明的目的是提供一种离心模型挡土墙试验设备，使其能够控制模型挡墙在离心加速度增大的过程中保持静止状态，能够控制模型挡墙连续均匀缓慢地向主动一侧位移，能够控制模型挡墙在运动过程中保持平动的位移模式。

本发明的技术方案如下：

一种离心模型挡土墙试验设备，包括驱动系统，模型挡墙结构和测量系统，所述的模型挡墙结构含有模型挡墙和固定装置；所述的测量系统含有第一位移传感器和土压力盒，所述的离心模型挡土墙试验设备还包括模型挡墙位移自动控制系统，该系统含有用于监测离心加速度增大过程中模型挡墙位移的第二位移传感器、单片机、用于记录模型挡墙初始位置和设定阈值的数码管以及执行机构，所述的执行机构包括三极管和继电器；所述的第二位移传感器采集的位移信号经放大器放大后进入单片机；所述的数码管通过限流电阻与单片机连接；所述的单片机通过限流电阻与三极管相连接；单片机发送指令，通过继电器的通、断电来控制挡墙位移量的变化；所述的第二位移传感器采用量程为毫米量级，精度高于1‰。

上述技术方案中，所述的固定装置包括梯形导向架、导向轴、两个L形支架和底部钢板；所述的梯形导向架和两个L型支架固定在底部钢板上，所述的导向轴采用四根，且对称布置，并固定在两个L型支架上；模型挡墙通过固定在该挡墙上的滑套沿导向轴滑动；在所述模型挡墙的顶端设有T形杆，所述的第二位移传感器设置在T形杆的上部。