本發(fā)明屬于“土拱效應(yīng)”探究試驗范疇，涉及一種新型裝置結(jié)構(gòu)及連接形式，具體的說，是一種土拱效應(yīng)模型試驗裝置及試驗方法，對提高邊坡加固作用機理的認識水平，分析樁土之間應(yīng)力傳遞規(guī)律，確定樁土相互作用方式等都具有重要的理論和實踐價值。

背景技術(shù)：

支護結(jié)構(gòu)引起的“土拱效應(yīng)”是地下工程中最關(guān)鍵的問題，其廣泛存在于地下工程中，如隧道開挖、基坑支護等工程。其實質(zhì)是一種應(yīng)力轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。這種應(yīng)力的轉(zhuǎn)移是由于土體受到外力發(fā)生不均勻變形，由剪切強度的發(fā)揮實現(xiàn)的。

現(xiàn)階段，“土拱效應(yīng)”對于土體應(yīng)力傳遞規(guī)律有著不可忽視的作用，因此樁承式路堤、板樁墻、抗滑樁、錨拉樁等加固技術(shù)都對其展開研究。常規(guī)樁承式路堤設(shè)計方法中首先確定路堤填土的土拱效應(yīng)極限能力，然后根據(jù)作用在加筋材料頂面的荷載確定加筋材料需承受的拉力并選定加筋材料。樁板墻背側(cè)由于土拱效應(yīng)的出現(xiàn)，使得樁背側(cè)與擋板背側(cè)所受荷載存在較大差異，土拱效應(yīng)已對樁板墻背側(cè)土壓力傳遞的方式產(chǎn)生了顯著的影響。土拱的存在改變了抗滑樁土體中原有的應(yīng)力狀態(tài)，引起了應(yīng)力重分布，把作用于土拱上的壓力傳遞到周圍穩(wěn)定土層中。錨拉樁樁板結(jié)構(gòu)后的大部分土壓力通過土體不均勻變形而形成的空間土拱直接傳遞到錨頭，剩余部分的土壓力才經(jīng)樁板結(jié)構(gòu)再傳遞到錨頭。充分研究“土拱效應(yīng)”的作用機理、充分利用其應(yīng)力重分布的特點成為了主要的研究方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型土拱效應(yīng)模型試驗裝置及試驗方法，完善上述現(xiàn)有探究“土拱效應(yīng)”室內(nèi)試驗，通過利用本發(fā)明裝置進行室內(nèi)試驗，來探究“土拱效應(yīng)”原理，為工程實踐提供一定的理論基礎(chǔ)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

土拱效應(yīng)模型試驗裝置，包括支架，所述支架上支撐模型盒，所述模型盒上部開口，模型盒底部設(shè)置可移動的第一底板和第二底板，所述第一底板和第二底板支撐于支架上，第一底板和第二底板之間設(shè)置托料板；所述第一底板和第二底板底部均固定可轉(zhuǎn)動的壓板，壓板轉(zhuǎn)動至工作位時，與托料板接觸并支撐住托料板；壓板轉(zhuǎn)動至非工作位時，與托料板脫離，托料板掉落。

所述模型盒還包括與第一底板垂直的第一側(cè)板、第二側(cè)板、第三側(cè)板和第四側(cè)板，所述第一側(cè)板和第二側(cè)板相對，第三側(cè)板和第四側(cè)板相對，第一側(cè)板、第二側(cè)板、第三側(cè)板和第四側(cè)板圍成盒體。

所述第三側(cè)板和第四側(cè)板均與第一側(cè)板固定連接，第三側(cè)板和第四側(cè)板均與第二側(cè)板固定連接。

所述第一側(cè)板和第二側(cè)板底部均通過第一連接件固定于支架上。以防模型盒傾覆。

所述第一側(cè)板在與第一底板配合處設(shè)置多個第一連接孔，所述第一底板上設(shè)置第二連接孔，第一連接孔和第二連接孔通過第二連接件連接。

優(yōu)選的，所述第二連接孔為長圓孔。

所述第一側(cè)板在與第二底板配合處設(shè)置多個第三連接孔，所述第二底板上設(shè)置第四連接孔，第三連接孔和第四連接孔通過第三連接件連接。

優(yōu)選的，所述第四連接孔為長圓孔。

所述第二側(cè)板在與第一底板配合處設(shè)置多個第五連接孔，所述第一底板上設(shè)置第六連接孔，第五連接孔和第六連接孔通過第四連接件連接。

優(yōu)選的，所述第六連接孔為長圓孔。

所述第二側(cè)板在與第二底板配合處設(shè)置多個第七連接孔，所述第二底板上設(shè)置第八連接孔，第七連接孔和第八連接孔通過第五連接件連接。

優(yōu)選的，所述第八連接孔為長圓孔。

所述第一底板上表面與第三側(cè)板下表面相平齊，第一底板下表面與第一側(cè)板和第二側(cè)板的下表面均相平齊。

所述第二底板上表面與第四側(cè)板下表面相平齊，第二底板下表面與第一側(cè)板和第二側(cè)板的下表面均相平齊。

優(yōu)選的，所述支架頂部固定第一頂板和第二頂板，第一底板支撐于第一頂板上，第二底板支撐于第二頂板上。

所述第一頂板和第二頂板之間的間距大于第一底板和第二底板之間的間距。

所述托料板由至少一個基礎(chǔ)尺寸托料板拼接而成。

土拱效應(yīng)模型試驗裝置的試驗方法，包括以下步驟：

步驟1：按照設(shè)定含水率拌合土體，拌合后靜置設(shè)定時間；

步驟2：將第一底板和第二底板拉開設(shè)定距離，將設(shè)定尺寸的托料板放置于第一底板和第二底板之間，將壓板轉(zhuǎn)動至與托料板接觸；

步驟3：在模型盒內(nèi)以設(shè)定間隔埋置土壓力傳感器，將拌合后的土體按設(shè)定壓實度分多層填筑至模型盒內(nèi)；

步驟4：將壓板轉(zhuǎn)動至與托料板脫離，托料板掉落，土體內(nèi)力重新分布，監(jiān)測土壓力變化情況；

步驟5：更換托料板的尺寸，重復(fù)進行步驟1-步驟4，完成試驗。

本發(fā)明的工作原理為：

可移動的第一底板和第二底板移動到指定距離位置后，將與第一底板和第二底板間距相對應(yīng)的托料板拼接完成，通過松緊螺絲，使壓板轉(zhuǎn)動至工作位托住托料板，然后將事先配置好的土樣按照一定的壓實度分3層填筑到模型盒內(nèi)，待試樣填筑完成后，松開底部壓板上的螺栓，將壓板旋轉(zhuǎn)90度后，托料板掉落，土體應(yīng)力重新分布，通過土壓力盒來測試土壓力的變化。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明提出了一種探究“土拱效應(yīng)”新型裝置結(jié)構(gòu)及其使用方法，可用于對不同土體“土拱效應(yīng)”探究，克服了現(xiàn)有“土拱效應(yīng)”室內(nèi)試驗探究的不足，可為“土拱效應(yīng)”探究提供新思路。

2、本發(fā)明模型加工方便，易于拆卸和搬運，可以重復(fù)利用。

3、本發(fā)明僅通過移動底部第一底板和第二底板來實現(xiàn)對不同間距的土體“土拱效應(yīng)”探究，節(jié)省材料，同時也易于對模型槽改造。托料板可設(shè)置為由基礎(chǔ)尺寸托料板拼接而成，根據(jù)需要拼接即可，無需生產(chǎn)每一尺寸的托料板，生產(chǎn)方便，且能重復(fù)使用，節(jié)省材料。

4、本發(fā)明將壓板轉(zhuǎn)動至非工作位，托料板掉落，模型盒內(nèi)部土體應(yīng)力從新分布，借此來觀測土拱形狀，分析土拱效應(yīng)。可改變第一底板和第二底板之間的間距，改變托料板的尺寸，則可模擬不同開口大小對模型盒內(nèi)土體應(yīng)力的影響。

5、本發(fā)明模型盒的第一底板和第二底板與第一側(cè)板和第二側(cè)板的連接位置均可以進行調(diào)整，以使第一底板和第二底板的間距達到需求，且設(shè)置長圓孔進行連接，可以進行微調(diào)。

6、本發(fā)明的第一底板和第二底板上部與第三側(cè)板和第四側(cè)板底部平齊，第一底板和第二底板下部與第一側(cè)板和第二側(cè)板下部平齊，可以保證模型盒的整體性，模型盒內(nèi)的土體不會由底板和側(cè)板的縫隙處掉出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的軸測圖；

圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)間距25公分底板軸測圖；

圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)間距20公分底板軸測圖；

圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)間距15公分底板軸測圖；

圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)間距10公分底板軸測圖；

圖6為兩個基礎(chǔ)尺寸托料板之間配合示意圖；

圖7為左側(cè)板示意圖；

圖8為前側(cè)板示意圖；

圖9為底板和壓板配合示意圖；

圖中，1、支架，2、底板，3、前側(cè)板，4、左側(cè)板，5、螺栓孔，6、后側(cè)板，7、角鋼，8、右側(cè)板，9、25厘米托料板，10、定位螺栓孔，11、20厘米托料板，12、15厘米托料板，13、10厘米托料板，14、基礎(chǔ)尺寸托料板，15、第一底板，16、第二底板，17、壓板，18、連接孔，19、第一頂板，20第二頂板，21、鉆孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

如圖1和圖6所示，一種“土拱效應(yīng)”探究模型裝置，包括由支架1，底板2，前側(cè)板3(即第一側(cè)板)，左側(cè)板4(即第三側(cè)板)，螺栓孔5，后側(cè)板6(即第二側(cè)板)，角鋼7(即第一連接件)，右側(cè)板8(即第四側(cè)板)，基礎(chǔ)尺寸托料板14等組成。底板2、前側(cè)板3、左側(cè)板4、后側(cè)板6、右側(cè)板8均可以采用鋼板制成。

前側(cè)板3、左側(cè)板4、后側(cè)板6、右側(cè)板8均與底板2垂直，前側(cè)板3、左側(cè)板4、后側(cè)板6、右側(cè)板8圍成模型盒盒體。整個試驗?zāi)Ｐ头胖迷谥Ъ?上，模型盒主要是左側(cè)板4、右側(cè)板8、前側(cè)板3、后側(cè)板6等通過螺栓拼接而成。

如圖7和圖8所示，左側(cè)板4、右側(cè)板8側(cè)壁上留有鉆孔，前側(cè)板3、后側(cè)板6上均設(shè)置螺栓孔5，左側(cè)板4、右側(cè)板8均設(shè)置于前側(cè)板3、后側(cè)板6之間，通過在螺栓孔5內(nèi)穿入螺栓將左側(cè)板4、右側(cè)板8與前側(cè)板3、后側(cè)板6固定連接。通過擰緊前側(cè)板3、后側(cè)板6上的螺栓來實現(xiàn)前側(cè)板3、后側(cè)板6與左側(cè)板4、右側(cè)板8的連接。

為防止整個模型傾倒，通過角鋼7將前側(cè)板3、后側(cè)板6卡在支架1上。

支架1頂部固定第一頂板19和第二頂板20，第一底板15支撐于第一頂板19上，第二底板16支撐于第二頂板20上。角鋼7可固定于第一頂板19和第二頂板20上。

第一頂板19和第二頂板20之間的間距大于第一底板15和第二底板16之間的間距。

如圖2-圖8所示，模型裝置底板由底板2，基礎(chǔ)尺寸托料板14等組合而成，模型盒上部開口，模型盒底部的底板2由可移動的第一底板15和第二底板16組成，第一底板15和第二底板16之間設(shè)置可變尺寸的托料板，如25厘米托料板9或20厘米托料板11或15厘米托料板12或10厘米托料板13。第一底板15上表面與左側(cè)板4下表面相平齊，第一底板15下表面與前側(cè)板3、后側(cè)板6的下表面均相平齊。第二底板16上表面與右側(cè)板8下表面相平齊，第二底板16下表面與前側(cè)板3、后側(cè)板6的下表面均相平齊。

后側(cè)板6和前側(cè)板3的結(jié)構(gòu)相同，左側(cè)板4和右側(cè)板8的結(jié)構(gòu)相同。圖8中，前側(cè)板3底部兩側(cè)均設(shè)置連接孔18，同樣的，后側(cè)板6底部兩側(cè)均設(shè)置連接孔18，第一底板15和第二底板16均設(shè)置定位螺栓孔10(即連接孔)，定位螺栓孔10為長圓孔，第一底板15、第二底板16均與前側(cè)板3、后側(cè)板6通過定位螺栓孔10、連接孔18連接，通過不同連接孔18和定位螺栓孔10的連接，或者定位螺栓孔10的不同位置與連接孔18的連接，可以改變第一底板15和第二底板16的位置。

如圖9所示，第一底板15和第二底板16底部均固定可轉(zhuǎn)動的壓板17，壓板17轉(zhuǎn)動至工作位時，與托料板接觸并支撐住托料板；壓板17轉(zhuǎn)動至非工作位時，與托料板脫離，托料板掉落。4個壓板17通過小螺栓固定在2個底板2上，通過松緊螺栓來實現(xiàn)壓板17的轉(zhuǎn)動，當(dāng)壓板17轉(zhuǎn)動的與前側(cè)板3平行時，可以支撐不同尺寸的托料板，當(dāng)壓板17轉(zhuǎn)動到與前側(cè)板3垂直時，托料板掉下，內(nèi)部土體應(yīng)力從新分布，借此來觀測土拱形狀，分析土拱效應(yīng)。

第一底板15和第二底板16的最小間距為10公分，此時將10厘米托料板13用壓板17固定在第一底板15和第二底板16之間，完成間距為10厘米的試驗?zāi)Ｐ脱b置拼接；將定位螺栓孔10上螺栓松開，將第一底板15和第二底板16分別向外側(cè)移動2.5厘米，擰緊螺栓，此時第一底板15和第二底板16間距為15公分，再將15厘米托料板12通過壓板17卡在第一底板15和第二底板16之間即可完成間距為15厘米的試驗?zāi)Ｐ脱b置拼接。依次類推完成間距為20厘米和間距為25厘米試驗裝置拼接。

如圖3-圖6所示，不同尺寸的托料板由至少一個基礎(chǔ)尺寸托料板14拼接而成，為保證其整體性，托料板側(cè)壁留有鉆孔21，通過一根螺栓來實現(xiàn)兩塊基礎(chǔ)尺寸托料板14的對接。本實施例中設(shè)置兩種尺寸的基礎(chǔ)尺寸托料板14，圖6中左側(cè)為5cm基礎(chǔ)尺寸托料板14，右側(cè)為10cm基礎(chǔ)尺寸托料板14。為保證其整體性，在拼接處采用內(nèi)置螺絲連接。

15厘米托料板12由10厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14和5厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14對接完成；20厘米托料板11由2個10厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14對接完成；25厘米托料板9由2個10厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14和1個5厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14對接完成。托料板通過1塊5厘米、2塊10厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14拼接實現(xiàn)10厘米、15厘米、20厘米、25厘米等4個托料板安裝，節(jié)省材料。

“土拱效應(yīng)”探究試驗方法，具體步驟如下：

1)按照一定的含水率將土體拌和，拌和完成后，放置在桶里靜止1天；

2)松開壓板17和第一底板15、第二底板16連接的螺栓，將壓板17旋轉(zhuǎn)到與前側(cè)板3平行，擰緊螺栓，在將10厘米托料板13放置在第一底板15、第二底板16間隙處；

3)在底板2上以一定的間隔埋置土壓力盒；

4)將拌合好的土體分3層填入模型盒內(nèi)，在每層接觸面上進行拉毛處置，以保證土體受力均勻；

5)將壓板17螺栓松開，旋轉(zhuǎn)90度，此時托料板掉下，土體內(nèi)力重新分布，觀測電腦上應(yīng)變值變化；觀測間隙之間的土體是否有拱效應(yīng)，完成10cm間隙時的試驗過程。

6)將土體從模型箱內(nèi)取出，松開前側(cè)板3、后側(cè)板6與第一底板15、第二底板16的螺栓，將第一底板15、第二底板16向外移動2.5厘米，將10厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14與5厘米基礎(chǔ)尺寸托料板14拼接后形成15厘米托料板12，再將15厘米托料板12放在第一底板15、第二底板16之間，重復(fù)步驟1、3、4、5等步驟；完成15cm間隙時的試驗過程。

7)與步驟6相同，依次完成20厘米間隙、25厘米間隙試驗；可以模擬不同開口大小對土體應(yīng)力的影響。

8)整理和處理數(shù)據(jù)。

實施例：

將黏土過5mm篩孔后，拌和均勻放置在密封桶里，靜置1天后，將桶中配置為最佳含水率18.1％土體，在放置到密封桶里靜置1天；將第一底板和第二底板間距調(diào)整到20厘米，再將2個10厘米托料板用螺絲拼接完成，用壓板將其卡在第一底板和第二底板之間；按照80％分3層填筑，各接觸面間要進行“拉毛”處置；填筑完成之后，松開壓板上的螺栓，拖住托料板使其緩慢掉落，待土壓力盒示數(shù)穩(wěn)定后，讀取土壓力盒上的數(shù)值。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。