[发明专利]一种土拱效应模拟试验装置及试验方法

说明书

本发明涉及一种土拱效应模拟试验装置，包括试验箱和升降装置，试验箱箱底设置沉降单元板和非沉降单元板；升降装置包括升降动力装置、顶管平台板、顶管；顶管平台板由升降动力装置升起或降落；顶管用于升起和降落沉降单元板。与现有技术相比，本发明能够模拟多种工况下的结构物回填土的土拱效应，可以模拟结构物基础在大变形下的土拱效应。

技术领域

本发明涉及岩土工程试验装置领域，具体涉及一种通用型土拱效应模拟试验装置及其使用方法。

背景技术

土拱效应的研究是近年来的一个热点，其在挡土墙、路基、管涵、隧道等诸多领域均有重要的作用，土拱效应相关理论也得到了发展。

在土拱效应的研究中，自1913年Marston提出开创了涵管土压力计算理论的先河后，土拱效应理论的建立程序基本一致：如“钢筋混凝土箱涵竖向土压力理论研究——梯形沟谷设涵(陈保国等，岩土力学)”，“考虑土拱效应的黏性填土挡土墙主动土压力研究(涂兵雄等，岩石力学与工程学报)”，考虑土拱效应的挡土墙空间土压力研究(林庆涛等，岩石力学与工程学报)所给出的方法流程：首先假定土体的变形趋势，然后通过微分层析法建立土压力计算模型。因此，土拱效应的研究中，对于土体变形的分析至关重要。而土体变形的实际情况只能通过试验来确定。因此，土拱试验中可以直观的查看土体变形的研究来建立相关求解理论，二是通过模拟试验可以研究土压力变化趋势。

关于土拱效应的试验研究，CN1975807A公开了一种土拱效应演示仪。在有机玻璃箱底部中心部位装有半圆柱形橡胶气袋，在半圆柱形橡胶气袋的外侧装有弹性橡皮膜，两者用螺栓固定在有机玻璃箱的底部；有机玻璃箱内从下至上依次相间填装黄色砂土和黑色砂土；半圆柱形橡胶气袋用管子与有机玻璃箱外的充气囊相连；充气囊管子上接有放气阀和前单向阀，充气囊上还接有后单向阀。通过送气和放气的简单操作可非常直观地观察到土体中的土拱现象，通过这一现象，可以较为形象的理解土体中土颗粒间的相互作用。该设备无法模拟周边土体下移时的土拱效应。

此外，CN101504334A公开了一种土拱试验仪，旨在实现土拱直接再现，并可通过拱前土压力测试验证土拱。它包括箱体、拱脚模型柱和加压装置和测力装置，箱体具有上端口和下端口，两个拱脚模型柱间隔设置在箱体的下端口处，加压装置设置在箱体上端口的上方，箱体下端口的下方具有拱前土下落空间。其可实现土拱的直接再现，可直接量测拱高、拱跨，描绘拱形，经计算处理得出拱轴线；可通过测量拱前土压力的分布确定土拱的存在及其影响因素，并确定拱跨；结构简单，能方便地进行各种土的土拱试验。该设备主要还是针对路基桩基土拱效应的研究，路基土拱效应主要是被动拱效应，并不能研究如管涵或者箱涵的主动拱效应。

另外，CN102914632A公开了一种采用摄影测量技术的多功能土工模型试验箱装置。该装置由模型试验箱箱体、加载与测试部分、活动桩挡板与下移控制部分，以及位移测试系统等部件组成，利用摄像测量技术测得全场位移。可实现20种不同桩距比的土拱效应演示、桩承式路堤填料颗粒土拱效应以及刚性基础下复合地基垫层效应模拟试验。同时还可利用该试验箱进行地埋管受力与变形模拟、边坡变形、基坑开挖与围护结构受力与变形等模拟的土工模型试验装置。另外，国外学者如《Geotexiles and Geomembranes》发表的“Visualization of soil arching on reinforced embankment with rigid pilefoundation using X-ray CT”也公开了一种土拱模拟试验装置，它主要用于模拟路基桩基的土拱效应。上述两个文献主要也是针对路基桩基土拱效应的研究。但是，研究时体现了土拱效应的研究重点：位移。文献中均是将桩设置为非移动装置，而土体则通过其下面设置的移动板来实现桩-土之间的位移。上述文献的思想较好，但是其也不能研究管涵或者箱涵的土拱效应。此外，桩间土在不同桩号处的位移并不相同，上述两个文献在进行试验时并没有考虑上述因素，因此还不能研究不同桩间土位移下的土拱效应。