静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置及其试验方法。

背景技术

土拱效应是岩土工程领域常见的现象，是由土体和相邻结构之间的相对位移引起的。土拱效应造成了土中应力重分布，影响了结构-土的荷载分配，从而影响结构的承载能力和变形。到目前为止，国内外诸多学者在理论、试验、数值分析等领域开展了大量的研究工作，揭示了土拱效应在重力场的发展演化规律，并提出了较为系统的计算理论。然而，土拱效应不可避免地受到荷载(如：均布荷载，交通荷载等)的影响，土拱效应在荷载作用下会发生退化甚至破坏。因此，开展表面荷载作用下土拱稳定性的相关研究，对于工程实践有着重要意义。

专利CN 106908587 A公开了一种土拱效应模型试验装置及试验方法，包括支架、模型盒，模型盒底部设置第一底板、第二底板、托料板和压板，在压板的控制下托料板可掉落，形成土拱，分析土拱效应，且托料板的尺寸可改变。该装置可在模拟重力场作用下的土拱效应，并未考虑活动门位移对土拱效应发挥的影响。

专利CN 107748135 A公开了一种多位移模式下土拱效应探究装置及试验方法，其技术方案是容纳砂土的模型箱，模型箱底部安装有多个可平动或转动的位移加载机构。该发明可以实现平动、转动、主动及被动位移模式下的土拱效应监测，但无法解决表面荷载作用下土拱效应的稳定性问题。

论文《加载条件对土拱效应影响的Trapdoor模型试验研究》公开了一种Trapdoor模型试验装置。该装置中活动门的位移由升降电机人为控制，与活动门上覆压力无关，而且在表面荷载加载过程中，活动门的位移保持不变。然而，在实际工程中，活动门的位移与其上覆土压力有关，且由于表面荷载的施加，活动门的位移随着上覆压力的改变而改变。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有Trapdoor模型试验无法真实反映土拱在荷载作用下演化规律的问题，而提供一种静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置及其试验方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置，包括容纳填土的试验箱，所述试验箱的上部设有对填土施加载荷的加载机构，所述试验箱的底部设有固定单元和活动门单元，所述固定单元设于所述活动门单元的两侧，所述活动门单元由第一薄板、设于所述第一薄板底部的弹簧以及磁力锁组成，在所述加载机构荷载作用下，所述活动门单元发生位移变化，用于真实模拟局部荷载作用下土拱演化机制。

进一步地，所述弹簧可拆卸设置，根据需求替换不同刚度的弹簧，以实现不同相对位移的模拟。

进一步地，所述活动门单元由一块或多块第一薄板组成，可通过控制活动门的数量，改变活动门的宽度。

进一步地，所述固定单元由第二薄板和设于所述第二薄板下部的钢撑组成。

进一步地，所述活动门单元的第一薄板上布设监测弹簧位移量的位移计，所述填土内和第一、第二薄板上布设监测动土压力的变化情况的土压力计。

进一步地，所述试验箱内部铺设填土，所述填土内部铺设多层筋材，所述筋材表面布设监测筋材轴力变化的应变计。

进一步地，所述试验箱由四块面板组成，其中前面板由透明的有机玻璃组成，以便于试验中对填土变形的观测，其他三面均由钢板组成，且各钢板均预留一些直径2.0cm的半圆孔，为了方便模型内部监测元件走线。

进一步地，所述加载机构安装在位于所述试验箱上部的反力架的下部，包括伺服控制箱、加载控制器、压力传感器及加载板，所述加载控制器连接在所述伺服控制箱下部，所述压力传感器连接在所述加载控制器下部，所述加载板通过螺杆连接在所述压力传感器的下部，所述加载板上安装监测填料顶部沉降的位移计，通过加载板对试验填土进行加载。使伺服控制箱带动加载控制器按照指定波形进行加载，加载控制器与下部加载板间通过螺杆进行连接以便于拆卸，在试验前，可以根据试验需要选择相应长度的加载板进行替换，以研究荷载加载范围对土拱效应的影响规律。

进一步地，所述试验箱连接监测土拱效应在表面静动荷载作用下位移发展规律的PIV监测系统，PIV监测系统为高速摄像监控系统，结合PIV瞬态、多点、无接触式粒子成像测速技术。

一种静动荷载条件下Trapdoor模型试验方法，采用上述的静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置进行，具体包括以下步骤：

步骤1：按照设定的填土颗粒级配曲线，配置相应的填土；

步骤2：设置活动门方式及活动门数量，调整活动门单元高度，保证活动门单元与固定单元在同一水平高度；

步骤3：在活动门单元和固定单元的薄板的凹槽内布设土压力传感器，将填土按照选定的密实度分层填筑至试验箱内，并在相应的位置铺设筋材；

步骤4：通过控制磁力锁使活动门单元下降，形成初始土拱，监测土压力、筋材应变及填土位移的发展规律；

步骤5：对填土表面施加指定的荷载，监测土压力、筋材应变、填土位移发展的规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提出了的静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置，可用于研究局部静动力荷载下土拱退化的特征，并阐明其演化机制；可用于研究土工合成材料加筋对土拱演化规律的影响。

2、本发明将位移控制箱改进为弹簧，由活动门上覆土压力决定活动门的位移，更加真实的反映土拱的形成情况。在表面局部荷载作用下，活动门上覆压力有所改变，相应地，活动门的位移产生变化，更加真实地研究局部荷载作用下土拱的演化规律。

3、活动门下方的弹簧是可拆卸的，可根据土体的性质替换不同刚度的弹簧，这样就可以在固定单元和活动门之间产生不同的相对位移，用于研究局部荷载作用下Trapdoor不同位移对土拱演化规律的影响。

4、本发明中活动门单元有多种设置方式，可通过控制活动门的数量，改变活动门的宽度。

5、本发明中加载机构可按照指定的波形文件(静荷载或者动荷载)进行加载，满足不同工程情况的需求。

6、本发明模型可重复利用。

附图说明

图1为本发明静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置立面图；

图2为本发明静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置平面图；

图3为本发明静动荷载条件下Trapdoor模型箱细节图；

图4-6为本发明静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置活动门设置方式细节图；

图中：1-试验箱；2-加载机构；3-反力架；4-活动门单元；5-固定单元；6-第一薄板(活动单元)；7-弹簧；8-磁力锁；9-第二薄板(固定单元)；10-钢撑；11-筋材；12-填土；13-伺服控制箱；14-加载控制器；15-压力传感器；16-加载板；17-螺杆；18-位移计；19-PIV监测系统；20-有机玻璃板；21、22、23-钢板；24-圆孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、3，一种静动荷载条件下Trapdoor模型试验装置，包括试验箱1、加载机构2、反力架3和PIV监测系统19四个部分。试验箱底部设有活动门单元4和固定单元5，活动门单元4由第一薄板6、弹簧7和磁力锁8组成，固定单元5则由第二薄板9和钢撑10组成。活动门单元4可在填土自重和表面荷载作用下活动，固定单元5不能活动。第一薄板6和第二薄板9表面设置土压力传感器和布线的凹槽。

传统Trapdoor试验装置中活动门的位移由位移控制箱控制，与活动门上覆土压力无关，且在表面静动荷载施加时，活动门的位移保持不变。这与实际工程情况不符合。为此，本发明将位移控制箱改进为弹簧，活动门的位移由上覆压力决定，当填土表面承受附加荷载作用时，活动门的位移随之变化，更真实地反映土拱的演化规律。活动门下方弹簧7是可拆卸的，可根据试验研究的需求替换不同刚度的弹簧，以实现不同位移下土拱的模拟。

如图2，试验箱的前侧面板由透明的有机玻璃板20组成，以便于试验中对填料变形的观测，其他三面均由的钢板21、22、23组成，为了方便模型内部监测元件走线，除有机玻璃一侧外，各个钢板均预留一些直径2.0cm的圆孔24。

如图3，加载机构2主要由伺服控制箱13和加载控制器14组成，在电动伺服控制系统的控制下通过加载板16对试验填料进行加载。针对本装置的伺服控制箱13编制了相应的控制软件，试验前可根据需要的加载波形定义相应的波形文件，将波形文件导入控制软件即可使伺服系统带动加载控制器按照指定波形进行加载。为了确定加载控制器输出力的波形与指定波形是否一致，在加载控制器14与加载板16间安装了压力传感器15来监测表面荷载的实际输出值。加载控制器14与下部加载板16间通过螺杆17进行连接以便于拆卸，在试验前，可以根据试验需要选择相应长度的加载板进行替换，以研究荷载加载范围对土拱效应的影响规律，在加载板上安装位移计18，监测填土顶部沉降。

如图4-5，该发明中活动门有3种设置方式。方式一是由1块薄板组成，方式二是由2块薄板组成，方式三是由4块薄板组成，探究不同活动门设置方式对土拱演化规律的影响。在活动门设置方式三中，可通过控制活动门的数量，改变活动门的宽度。在砂料填筑过程中，保持弹簧不动，活动门不产生位移。待砂料填筑完成后，通过控制活动门对应编号的开关，确定活动门的宽度，在填土自重作用下，使弹簧压缩，活动门下降，形成土拱。

PIV监测系统19为高速摄像监控系统，可结合PIV瞬态、多点、无接触式粒子成像测速技术，监测土拱形成过程及在表面静动荷载作用下位移发展规律。

一种静动荷载作用下Trapdoor模型试验方法，该方法包括以下步骤：a)按照设定的填土颗粒级配曲线，配置相应的填土；

b)选择合适的筋材，并进行拉伸试验；

c)编制相应的荷载文件；

d)选择一种活动门4设置方式及活动门数量，并调整活动门单元的高度，保证活动门单元与固定单元在同一水平高度；安装目标长度的加载板16；

e)在活动门单元和固定单元的薄板的凹槽内布设土压力传感器；

f)将填土通过质量-体积控制法分层填筑至试验箱内，并在相应的位置铺设筋材；在填土内部按照不同高度埋设土压力传感器，在筋材表面布设应变片；

g)通过控制开关使活动门单元4下降，填土内应力重新分布，形成初始土拱。通过土压力传感器监测土压力变化，通过应变计监测筋材轴力的变化情况，通过PIV监测系统19获得填土位移发展规律；

h)改变螺杆17的长度，使加载板16与填土表面接触，通过加载机构2对填土表面施加指定的荷载(静荷载或动荷载)，通过土压力传感器监测土压力变化，通过应变计监测筋材轴力的变化情况，通过PIV监测系统19获得填土位移发展规律；

i)整理试验数据。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。