[发明专利]基于极限平衡理论的土压力模型实验方法

权利要求书

1.基于极限平衡理论的土压力模型的实验方法，具体步骤为：

（a）安装教学实验系统，所述教学实验系统包括挡墙模型系统、位移与土压力数据采集系统和同步控制系统；挡墙模型系统包括模型箱装置和电动荷载装置，模型箱装置包括开口模型箱、可控制移动的挡墙和透明挡板，将电动荷载装置由推拉杆连接在可控制移动挡墙上；位移与土压力数据采集系统包括PIV图像采集系统、高精度土压力传感器、高精度位移传感器、计算机（处理器），PIV图像采集系统包括CCD相机、无影光源；同步控制系统包括同步器和调速器，均与计算机（处理器）相连；

（b）将标定好的高精度土压力传感器、位移传感器布设在可控制移动的挡墙上，传感器均与同步器、计算机（处理器）相连；

（c）将可控制移动的挡墙上固定的电动荷载装置与调速器、同步器相连；

（d）在挡墙模型系统前方布设CCD相机和无影光源，CCD相机与同步器、计算机（处理器）相连；

（e）使用计算机控制同步器，将控制挡墙移动的电动荷载装置启动时间、土压力传感器、位移传感器开始采集的时间以及CCD相机开始拍照的时间设为同一时刻；

（f）调节调速器的初始参数，使在其控制下的电动荷载装置转速与挡墙移动速度满足实验要求；

（g）将土样置入模型箱内分层夯实后开始实验，在计算机上发送同步器开始信号，控制挡墙开始移动的同时，采集墙背土压力数据、土体位移场图片，通过计算机相关软件进行分析，得到墙后土体达到极限平衡状态过程中的土体位移分布与墙后土压力变化规律和相关关系；

（h）学生可根据实验土体产生的滑裂面，按照《土力学》课堂教学中的方法建立土压力计算模型，推导理论公式，并和实际量测的挡墙土压力进行比较，更深入的认识土压力经典理论。

2.步骤（a）中模型箱装置可控制移动的挡墙固定在其与电动荷载装置连接的推拉杆上，电动荷载装置为电动机，电动机与推拉杆自上而下各布置两个。

3.步骤（a）中可移动的挡墙由电动机的两个推拉杆控制初始倾角和运动模式，可进行竖直、有倾角挡墙的平动、绕墙顶转动、绕墙脚转动。

4.步骤（a）中所述的透明挡板材料可为抗弯刚度较强的航空玻璃。

5.步骤（b）中的位移传感器可沿挡墙垂线布置3~5个，其位置根据试验需要确定，若挡墙平动，可布置在挡墙任意位置，若挡墙绕墙脚转动，应布置在墙脚底部，通过位移确定挡墙转动角度，同理，若挡墙绕墙顶转动，则布置在墙顶顶部。

6.步骤（d）中的无影光源可采用摄像专用柔光灯。

7.步骤（g）中土质选用砂性土。

8.步骤（g）中土体位移场图片采用计算机的GEOPIV处理软件进行分析。

9.步骤（g）中极限平衡状态可通过两种方法进行判断：第一，可根据挡墙位移和土压力变化关系判断，当挡墙位移仍在变化，而土压力趋于稳定的状态即为土体达到极限平衡的状态；第二，可通过直接观测土体位移状况进行判断，即土体出现较大位移的状态为土体达到极限平衡的状态；找到对应时刻拍摄的图像进行处理，可得到土体达到极限平衡状态时的土体位移分布图，找出图中土体的滑裂面，建立滑移土体平衡方程， 即可推导出极限平衡状态下的墙背土压力计算公式。

10.本发明通过墙背土压力和墙后土体精确位移场的同步捕捉与分析，可直观的观测到墙后土体在达到极限平衡状态时的位移分布场，根据土体产生的滑裂面，按照《土力学》课堂教学中的方法建立土压力计算模型，推导理论公式，使学生更直观、深入地了解经典土压力理论。