本實用新型涉及土力學工程領域，具體涉及一種土拱試驗箱。

背景技術：

土拱效應是自然界中十分常見的一種現(xiàn)象。在巖土工程中，土拱的形成是指在外力作用下土體產生不均勻位移，從而發(fā)揮自身強度以抵抗外力作用的結果。樁后土體的土拱效應是分離布置樁中最重要的力學現(xiàn)象，認識樁后土體的土拱效應，對于掌握樁后土體的應力傳遞規(guī)律、樁周土體的塑性區(qū)發(fā)展趨勢、確定合理的樁間距和樁的極限承載力、以及分析樁土相互作用機理并指導抗滑樁設計等方面具有重要的理論和工程意義。

樁間土拱的穩(wěn)定性，直接影響到抗滑樁設計的成敗，對于抗滑樁樁后土體的土拱效應問題，國內外很多學者通過建立理論或數(shù)值模型對其進行了研究并取得了一定的成果。但是，這些模型都有一些前提假設條件，對于界面接觸、邊界條件、收斂等方面還存在著不足，因而目前對于樁間土拱效應的機理及影響因素還沒有形成統(tǒng)一的認識。

土拱效應從概念的提出到理論發(fā)展已經歷了一個多世紀，由于沒有系統(tǒng)成熟的理論方法來指導，因而在實際設計工作中對于布樁的設計參數(shù)還停留于依靠經驗的階段，其中拱腳的存在形式、拱形及拱體的幾何參數(shù)和拱體的微觀特性，以及土體自身性質對其發(fā)育的影響程度還需要進一步系統(tǒng)的進行分析和論證。

目前的土拱試驗箱體大多數(shù)結構復雜，部件繁多而導致使用不便。此外，在進行不同參數(shù)分析，(如：設置不同樁徑、樁距時)需要調整較多部件而耗時過長。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種土拱試驗箱，主要用于分析樁土相互作用機理，進而為抗滑樁設計提供指導。

一種土拱試驗箱，包括箱體，所述箱體內部設有用于填裝土樣的土拱試驗艙，土拱試驗艙的頂壁為豎直活動板，一側壁為水平活動板，設有向豎直活動板施加向下壓力的豎直加壓系統(tǒng)以及向水平活動板施加朝向土拱試驗艙壓力的水平加壓系統(tǒng)；

水平活動板上轉動定位安裝有變徑拱具，所述變徑拱具為水平布置的柱體，且該柱體的橫截面的至少一部分輪廓為螺線。

土拱結構為對稱結構，本實用新型提供的土拱試驗箱依據(jù)土拱的對稱原理做了簡化，僅模擬半個土拱結構，以變徑拱具為樁體，樁體與相對的土拱實驗艙側壁之間形成半個土拱結構，由此降低土拱試驗箱的自重，同時不影響土拱形成的效果。

土拱試驗艙除去活動的頂壁和側壁外，其余艙壁可由箱壁兼做。所述土拱試驗艙的底部可以為開放結構，在使用時，以地面或其他平面作為底板。土樣由土拱試驗艙的頂部途徑變徑拱具進入土拱試驗艙內。

所述豎直活動板沿豎直方向運動，通過豎直加壓系統(tǒng)向土拱試驗艙內的土樣施加向下的壓力。所述水平活動板沿水平方向運動，起到調整樁間距的作用，同時由水平加壓系統(tǒng)施加朝向土拱試驗艙的壓力。

所述豎直加壓系統(tǒng)至少為兩個，豎直加壓系統(tǒng)的施力點均勻分布在豎直活動板上。所述水平加壓系統(tǒng)至少為兩個，水平加壓系統(tǒng)的施力點均勻分布在水平活動板上。所述豎直加壓系統(tǒng)和水平加壓系統(tǒng)均可以采用油壓千斤頂。

作為優(yōu)選，所述箱體內部設有與豎直活動板相配合的豎直導軌，以及貫穿土拱試驗艙且與水平活動板相配合的水平導軌。通過豎直導軌和水平導軌對豎直活動板和水平活動板的運動起到導向作用。

作為優(yōu)選，所述土拱試驗艙的一側壁為透明材質制作的觀察窗，所述觀察窗上設有刻度網格。

向土拱實驗艙內填裝土樣時，可以依據(jù)刻度網格進行分層，相鄰兩層之間利用石膏粉或石灰粉等形成的薄層進行隔離。

作為優(yōu)選，所述變徑拱具為空心結構，變徑拱具的側壁上設有用于穿過數(shù)據(jù)線的穿線孔。

所述土樣中根據(jù)需要預埋若干應變片，應變片的數(shù)據(jù)線通過變徑拱具的側壁延伸出箱體后，與測量儀器連接。

作為優(yōu)選，所述變徑拱具橫截面的螺線的旋轉角度不小于360度。通過變徑拱具的旋轉，可以模擬直徑連續(xù)變化的樁體。

作為優(yōu)選，所述變徑拱具通過自鎖結構固定轉動位置，所述自鎖結構包括：

設置在水平導軌上的棘齒；

固定套設在變徑拱具轉軸上的棘輪；

通過卷簧固定在變徑拱具轉軸上且與棘齒相嚙合的棘爪。

棘爪脫離棘齒后，變徑拱具可以自由轉動，變徑拱具旋轉至合適角度后，棘輪與相應位置處的棘齒嚙合，在卷簧的作用下，棘爪與棘齒嚙合，限制棘輪的進一步轉動。

作為優(yōu)選，所述水平活動板上設有用于容置變徑拱具的預留口，且預留口的邊緣固定有與變徑拱具相接觸以密閉土拱試驗艙的橡膠墊。

土拱試驗艙需要為密閉結構，以防通過加壓系統(tǒng)施加壓力后，土樣在間隙處擠出，干擾土拱試驗的準確性。

作為優(yōu)選，所述土拱試驗艙的頂部設有支撐框架，所述豎直加壓系統(tǒng)安裝在支撐框架內，且頂部抵靠支撐框架以向豎直活動板施加向下壓力。

利用所述的土拱試驗箱測量土拱效應的試驗方法，包括：

步驟1，依據(jù)樁間距調整作為側壁的活動板的位置；

步驟2，依據(jù)樁徑大小設定變徑拱具的旋轉角度；

步驟3，由上至下向土拱試驗艙中分層填裝土樣，各層土樣之間采用異質土樣薄層隔離；

步驟4，通過加壓系統(tǒng)向各活動板施加壓力，觀察以及測量形成的土拱結構。

本實用新型提供的土拱試驗箱，能夠直觀再現(xiàn)不同含水率、樁間距以及不同樁徑下的土拱形成，可直接測量拱高、拱跨，描繪拱形，獲得土拱的各項應力應變參數(shù)，進而獲得載荷和位移的關系，從力學和試驗現(xiàn)象兩方面合理分析土拱的形成機理。

本實用新型提供的土拱試驗箱操作簡單，便于觀察，依據(jù)對稱遠離對裝置結構進行了簡化，有效降低了土拱試驗箱的自重。

附圖說明

圖1為本實用新型土拱試驗箱的示意圖；

圖2為本實用新型土拱試驗箱的箱體俯視圖；

圖3a～3d為本實用新型土拱試驗箱中變徑拱具不同旋轉角度的示意圖；

圖4為本實用新型土拱試驗箱中變徑拱具的橫截面示意圖；

圖5為本實用新型土拱試驗箱中變徑拱具上穿線孔布置的示意圖；

圖6為本實用新型土拱試驗箱中變徑拱具自鎖結構的示意圖。

圖中：1、箱體；2、水平活動板；3、水平加壓系統(tǒng)；4、豎直加壓系統(tǒng)；5、變徑拱具；6、豎直活動板；11、水平加壓艙；12、豎直加壓艙；13、土拱試驗艙；14、角鋼；15、鋼板；16、觀察窗；51、穿線孔；52、數(shù)據(jù)線；53、集線孔；55、棘輪；56、卷簧；57、棘爪；31、棘齒。

具體實施方式

下面結合附圖，對本實用新型土拱試驗箱以及土拱試驗方法做詳細描述。

實施例1

如圖1所示，一種土拱試驗箱，包括箱體1、設置在箱體1內的土拱試驗艙13、變徑拱具5、水平加壓系統(tǒng)3以及豎直加壓系統(tǒng)4。

箱體1為下端開口的棱柱體，本實施例中箱體1為長1000mm、寬300mm、高1500mm的長方體。箱體1側壁采用鋼板15，相連兩塊鋼板15通過等邊角鋼14以及螺栓固定連接。各鋼板15之間的連接關系如圖2所示，每塊等邊角鋼14的兩邊分別貼靠相鄰的兩塊鋼板15，通過貫穿角鋼14和鋼板15的螺栓固定連接二者，在兩塊鋼板15的連接處利用工程膠進行密封。

箱體1的各側壁設有與地面相貼靠的外翻邊，通過貫穿外翻邊的地錨螺栓將箱體1固定在地面上。箱體1內部空間劃分為處于右下角的土拱試驗艙13，處于土拱試驗艙13左側的水平加壓艙11以及處于土拱試驗艙13上方的豎直加壓艙12。水平加壓系統(tǒng)3位于水平加壓艙11內，豎直加壓系統(tǒng)4位于豎直加壓艙12內。

土拱試驗艙13為長方體結構，土拱試驗艙13的頂壁為豎直活動壓板，左側壁為水平活動壓板，其余側壁由箱體1兼做，土拱試驗艙13的底部為開放結構。

箱體1內設置有用于導向豎直活動壓板移動的豎直導軌，以及用于導向水平活動壓板移動的水平導軌。水平導軌貫穿土拱試驗艙13，且兩端分別延伸至與箱體1側壁接觸，水平導軌的兩端分別通過錨固螺栓與箱體1側壁固定。

土拱試驗艙13與水平活動壓板相鄰的一側壁為透明有機玻璃制作的觀察窗16，觀察窗16上繪有刻度網格，根據(jù)刻度網格進行填料分層填筑，通過控制每層填料重量的方式控制填料孔隙率，相鄰兩層填料之間通過薄層白色石膏粉或石灰粉進行隔離，以方便觀察。

水平活動壓板上沿豎直方向依次設置兩個水平加載位置，其中一個水平加載位置處于箱體11/3高度處，另一個水平加載位置處于箱體12/3高度處，在每個水平加載位置處焊接一根長度為25cm的等邊角鋼，每根等邊角鋼沿水平方向且垂直于箱體1側壁的方向延伸，形成懸臂支撐結構，等邊角鋼的開口向上，且其中一邊處于水平面上。

水平加壓系統(tǒng)3向水平活動壓板施加朝向土拱試驗艙13的壓力，水平加壓系統(tǒng)3包括兩個數(shù)顯自動油壓千斤頂，每個水平加載位置處的等邊角鋼上放置一個數(shù)顯自動油壓千斤頂，利用數(shù)顯自動油壓千斤頂推動水平活動壓板沿水平導軌前進，以模擬不同的樁間距。數(shù)顯自動油壓千斤頂能夠對箱體1內的土樣進行連續(xù)穩(wěn)定加壓，有效地避免壓力回縮造成的土樣中應力回彈。

土拱試驗艙13的頂部設有支撐框架，支撐框架內部形成豎直加壓艙12，豎直加壓系統(tǒng)4安裝在支撐框架內部，豎直加壓系統(tǒng)4向豎直活動壓板施加向下的壓力。支撐框架的相對水平兩側為不設置側壁的開口結構，開口面積為600mm×400mm，以便放置豎直加壓系統(tǒng)4以及向土拱試驗艙13內進行填料。

豎直導軌為四根，分別貫穿豎直活動板6的四個角。豎直加壓系統(tǒng)4包括兩臺數(shù)顯自動油壓千斤頂，支撐框架的頂部設有頂板，液壓千斤頂?shù)挚宽敯鍙亩蜇Q直活動板6施加壓力。

豎直加壓系統(tǒng)4中兩臺油壓千斤頂?shù)奈恢靡罁?jù)水平活動板2的位置進行調整，兩臺油壓千斤頂?shù)氖┝c沿垂直于水平活動板2的直線排布，該直線將豎直活動板6平均分為兩份。施力點所處的直線由土拱試驗艙13的相對兩側壁截取出一線段，施力點將該線段劃分為等長的三段。

豎直活動板6將壓力均勻施加在土樣上，豎直加壓系統(tǒng)4可以對土拱試驗艙13內的土樣進行連續(xù)穩(wěn)定加壓，有效避免壓力回縮造成的土樣中應力回彈。

土拱結構為對稱結構，取圓形樁的一半作為土拱試驗的對象，采用變徑拱具5模擬圓形樁的一半，通過變徑拱具5與相對的土樣試驗艙側壁之間的土樣狀態(tài)來研究土拱結構。

如圖3a～3d所示，變徑拱具5為水平布置的空心柱體，變徑拱具5的截面形狀如圖4所示，截面形狀的其中一部輪廓為螺線，其余部分為連接螺線兩端的線段，線段所在直線通過變徑拱具5的軸線，即螺線環(huán)繞角度為360度。

變徑拱具5上，螺線所對應的側壁上設有用于貫穿數(shù)據(jù)線52的穿線孔51，線段所對應的側壁上設有用于貫穿數(shù)據(jù)線52的集線孔53。數(shù)據(jù)線52的一端連接置入土樣中的應變片，另一端依次貫穿穿線孔51和集線孔53后與測試儀器連接。

如圖5所示，穿線孔51為平行布置的兩圈。如圖4所示，每圈以變徑拱具5的轉軸為中心，每旋轉15度，在螺線對應的側壁上設置穿線孔51。

變徑拱具5不同旋轉角度下的示意圖如圖3a～圖3d所示，變徑拱具5旋轉至不同角度，與土樣相接觸的一半側壁對應不同直徑的樁體，由此可以連續(xù)模擬不同直徑的樁體，實現(xiàn)樁體樁徑的自由變化。

水平活動板2上設有容置變徑拱具5的預留口，變徑拱具5位于預留口處且變徑拱具5的轉軸兩端通過螺紋轉動安裝在水平活動板2上。

變徑拱具5旋轉至某一角度后由自鎖結構限制變徑拱具5的轉動，自鎖結構的示意圖如圖6所示，水平導軌上設置棘齒31，變徑拱具5的轉軸上固定套設與棘齒31相配合的棘輪55，變徑拱具5的轉軸上還通過卷簧56固定有與棘齒31相嚙合的棘爪57。

棘爪57脫離棘齒31后，變徑拱具5可以自由轉動，變徑拱具5旋轉至合適角度后，棘輪55與相應位置處的棘齒31嚙合，在卷簧56的作用下，棘爪57與棘齒31嚙合，限制棘輪55的進一步轉動。

水平導軌貼靠箱體1側壁設置，水平活動板2的邊緣與箱體1內壁相貼合并設有避讓水平導軌的凹槽。水平活動板2的邊緣與箱體1內壁相貼合以形成密封的土拱試驗艙13。

預留口邊緣粘貼有橡膠墊，橡膠墊與變徑拱具5的相接觸，變徑拱具5旋轉任意角度時，橡膠墊能夠填補變徑拱具5與預留口邊緣的間隙，以保證土拱試驗艙13的密閉性。

土樣自上而下進入土拱試驗艙13中，并途徑變徑拱具5，通過水平加壓系統(tǒng)3以及豎直加壓系統(tǒng)4施加壓力以模擬土拱的形成。

本實施例提供的土拱試驗箱測量土拱效應的試驗方法，包括：

步驟1，依據(jù)樁間距調整水平活動板2的位置。即通過水平加壓系統(tǒng)3推動水平活動板2沿水平導軌移動至合適位置，以得到不同的樁間距。

步驟2，依據(jù)樁徑大小設定變徑拱具5的旋轉角度。通過變徑拱具5不同的旋轉角度，變形拱具朝向土樣的一側具有不同的樁徑大小。

步驟3，由上至下向土拱試驗艙13中分層填裝土樣，各層土樣之間采用異質土樣薄層隔離。通過異質土樣薄層的的紋路來反應土拱結構的形貌。

步驟4，通過加壓系統(tǒng)向各活動板施加壓力，觀察以及測量形成的土拱結構。通過水平加壓系統(tǒng)3和豎直加壓系統(tǒng)4向土樣施加不同的作用力，觀察形成的土拱結構。

以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征及本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。