剛性擋墻土壓力試驗(yàn)裝置的研制與應(yīng)用

劉曉紅， 彭 錕， 劉正夫， 張建偉， 姜 豪

(湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 湖南 岳陽 414006)

土壓力理論是土力學(xué)課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一， 土壓力概念及其計(jì)算問題是該課程的核心知識(shí)點(diǎn). 在邊坡?lián)鯄?、基坑及地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)、橋墩基礎(chǔ)和承受水平荷載的樁基承臺(tái)等土工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中， 土壓力問題都至關(guān)重要， 直接影響工程造價(jià)與安全. 目前國內(nèi)不同版本的土力學(xué)教材中[1～5]， 針對土壓力理論章節(jié)， 重點(diǎn)闡述朗肯和庫侖兩種經(jīng)典土壓力計(jì)算理論， 強(qiáng)調(diào)其基本假設(shè)、理論推導(dǎo)過程及計(jì)算公式， 但沒有介紹土壓力的測試方法及相關(guān)儀器設(shè)備等內(nèi)容. 據(jù)調(diào)研， 無論是高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)出版的相關(guān)指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范、培養(yǎng)方案及教學(xué)大綱[6，7]， 還是國內(nèi)高校土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案、土力學(xué)課程教學(xué)大綱， 均未提及土壓力測試的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目. 試驗(yàn)教學(xué)是一種非常有利于提升學(xué)習(xí)效率和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學(xué)形式， 能促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考與探索， 在“新工程”背景下， 土木工程專業(yè)的試驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要[8～10]. 為了提升土壓力理論教學(xué)效果， 培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力和科研意識(shí)， 我們與學(xué)生科研小組一起研制了剛性擋墻土壓力試驗(yàn)裝置.

1 裝置設(shè)計(jì)與組成

本裝置由鋼結(jié)構(gòu)模型箱、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成， 如圖1 所示. 鋼結(jié)構(gòu)模型箱為長方體， 其長1200mm、寬400mm、高700mm， 采用鋼板、槽鋼焊接而成， 正面、頂面和左側(cè)為敞口， 背面和右側(cè)為非敞口， 在箱體前后框架上每隔100mm 設(shè)置1 對固定卡槽.

圖1 剛性擋墻土壓力測試裝置

箱體背面非敞口為12mm 厚鋼板， 其上焊有一道水平向加勁鋼條. 右側(cè)非敞口一端為12mm 厚固定擋墻， 固定擋板可抽插于不同的卡槽(圖2)上， 以滿足填土不同寬高比(B/H)的要求. 在固定擋板與箱體側(cè)壁接觸處粘貼毛條密封處理， 防止側(cè)面縫隙漏砂. 箱體正面敞口處安裝有厚16mm 的透明鋼化玻璃， 能直觀地觀察墻后土體變形破壞過程， 并進(jìn)行拍照及分析. 頂端敞口每隔400mm 焊12mm 厚加勁鋼條， 以約束箱體變形.

左側(cè)敞口放置活動(dòng)擋墻， 活動(dòng)擋墻由16mm 厚鋼板與10mm 厚PVC 板貼合而成. 鋼板另一側(cè)焊接鉸接支座， 以便與動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)軸進(jìn)行鉸接. 鋼板側(cè)面刻槽并嵌入橡膠密封條， 以防止活動(dòng)擋墻在位移過程中填土側(cè)漏. 活動(dòng)擋墻下邊線置于弧形板中線上(圖2)， 以防止活動(dòng)擋墻在位移過程中底部漏土. PVC板內(nèi)挖有可安裝土壓力計(jì)及信號(hào)線的槽孔(圖3).

圖2 墊置于活動(dòng)擋墻下的弧形板

圖3 土壓力盒及信號(hào)線的PVC 板槽孔

動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)由上下兩套性能相同的三相異步電機(jī)、齒輪傳動(dòng)軸、電控箱、固定電機(jī)支架等組成(圖1(c))， 動(dòng)力推進(jìn)速度為0.02mm/s， 可實(shí)現(xiàn)三種擋墻位移模式： (1)兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)作后退或前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng)條件下的活動(dòng)擋墻平動(dòng)位移模式(TT 模式)； (2)上部電機(jī)作后退或前進(jìn)運(yùn)動(dòng)， 下部電機(jī)不運(yùn)動(dòng)時(shí)， 可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng)條件下的活動(dòng)擋墻繞墻底轉(zhuǎn)動(dòng)位移模式(RB 模式)； (3)上部電機(jī)不運(yùn)動(dòng)， 下部電機(jī)作后退或前進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或被動(dòng)條件下活動(dòng)擋墻繞墻頂轉(zhuǎn)動(dòng)位移模式(RT 模式). 活動(dòng)擋墻在主動(dòng)或被動(dòng)條件下的三種位移模式可通過操作電控箱上的不同按鈕實(shí)現(xiàn)(圖1(b)).

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由LED 無影光源、相機(jī)、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集處理軟件等組成， 完成連續(xù)拍照、土壓力數(shù)據(jù)采集與處理分析等.

2 裝置功能與操作

本裝置功能靈活， 能實(shí)現(xiàn)不同試驗(yàn)條件下的土壓力試驗(yàn)教學(xué)， 還能激發(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)多種多樣的創(chuàng)新性試驗(yàn)項(xiàng)目， 方便師生開展科學(xué)研究. 本裝置可實(shí)現(xiàn)如下主要功能： (1)進(jìn)行三種擋墻位移模式的主動(dòng)或被動(dòng)土壓力試驗(yàn)， 獲得三種位移模式下主動(dòng)或被動(dòng)土壓力沿墻高的分布規(guī)律， 讓學(xué)生們驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與土力學(xué)教材中經(jīng)典土壓力理論是否一致， 并分析原因； (2)直觀地觀測土體變形破壞特征， 獲得三種位移模式下主動(dòng)或被動(dòng)狀態(tài)時(shí)的破裂面及其形態(tài)特征， 讓學(xué)生們驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典土壓力理論極限狀態(tài)下破裂面為過墻踵的平面是否一致， 并分析原因； (3)進(jìn)行不同寬高比填土的主動(dòng)或被動(dòng)土壓力試驗(yàn)， 獲得有限土體的主動(dòng)或被動(dòng)土壓力沿墻高的分布規(guī)律， 讓學(xué)生們驗(yàn)證有限土體土壓力試驗(yàn)結(jié)果與課本中經(jīng)典土壓力理論半無限土體是否一致， 并分析原因； (4)獲得土壓力隨位移(時(shí)間)的變化規(guī)律， 加深學(xué)生們對主動(dòng)土壓力或被動(dòng)土壓力定義的理解.

本裝置的操作步驟為： (1)將活動(dòng)擋墻設(shè)置于弧形板中線處， 將標(biāo)定好的土壓力計(jì)安置于PVC 板的圓孔內(nèi)， 其信號(hào)線與計(jì)算機(jī)相連. 按試驗(yàn)設(shè)定的填土寬高比(B/H)選擇卡槽， 并將固定擋墻壁插入卡槽內(nèi). 安裝調(diào)試好動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng). (2)采用自由落砂法在模型箱中分層填筑土料， 每層厚度為50mm， 在分層界面處鋪設(shè)相同粒徑的色砂， 采用堆載預(yù)壓分層壓實(shí)， 保證填筑土體為中等密實(shí). 填筑至試驗(yàn)要求的高度后， 靜置24h 后方可開始試驗(yàn). (3)在模型箱正前方布設(shè)高清相機(jī)， 在其兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)無影光源， 先進(jìn)行試拍， 以確?？梢暬瘏^(qū)域無明顯光影， 拍攝頻率主動(dòng)條件下設(shè)置為0.5s/張， 被動(dòng)條件下設(shè)置為1s/張， 相機(jī)與計(jì)算機(jī)相連. (4)關(guān)閉室內(nèi)燈光， 根據(jù)試驗(yàn)類型按下電控箱相應(yīng)按扭， 同時(shí)按下土壓力采集按鈕和拍照按鈕， 同步采集土壓力計(jì)數(shù)據(jù)和拍攝照片. (5)當(dāng)透過鋼化玻璃觀測到模型箱內(nèi)色砂線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折或填土面出現(xiàn)明顯裂縫或填土發(fā)生整體下沉?xí)r， 可結(jié)束試驗(yàn). (6)對土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析.

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

本裝置研制完成后， 首先在湖南理工學(xué)院2017 級(jí)土木工程專業(yè)4 個(gè)班級(jí)中開設(shè)了有關(guān)土力學(xué)的創(chuàng)新性試驗(yàn)項(xiàng)目， 由試驗(yàn)老師提出試驗(yàn)方案(表1)供學(xué)生選擇. 每個(gè)試驗(yàn)小組由3～4名學(xué)生組成， 任選一種試驗(yàn)方案自行完成整個(gè)試驗(yàn)操作， 后期數(shù)據(jù)處理與分析過程可由師生共同討論完成.

表1 可供選擇的試驗(yàn)方案

為了獲得土壓力沿墻高的分布， 在PVC 板內(nèi)沿直線布設(shè)了6 個(gè)土壓力計(jì)， 如圖3 所示. 學(xué)生試驗(yàn)所用填土統(tǒng)一由試驗(yàn)室提供， 為洞庭湖河砂， 黃色， 各粒組百分含量見表2， 定名為級(jí)配不良粗砂， 其含水量為1.8%， 內(nèi)摩擦角為34°， 自由落砂法分層填筑砂土的重度為13.4kN/m3.

表2 填筑砂土粒組百分含量

3.2 典型試驗(yàn)成果與分析

2019 年有36 個(gè)試驗(yàn)小組在該裝置上完成自選的試驗(yàn)， 下面僅以填土寬高比B/H=1.6、三種位移模型下的主動(dòng)土壓力試驗(yàn)為例， 對學(xué)生試驗(yàn)成果進(jìn)行展示與分析.

3.2.1 靜止土壓力測試結(jié)果與分析

為了判斷實(shí)測靜止土壓力分布是否與理論分布一致， 將實(shí)測靜止土壓力與理論值繪制在同一坐標(biāo)系中， 如圖4 所示. 實(shí)測靜止土壓力沿墻高基本呈線性分布， 各測點(diǎn)值基本在理論直線附近， 相對誤差較小， 增大與減小量可相互抵消， 實(shí)測總靜止土壓力與理論總靜止土壓力幾乎相等. 這一試驗(yàn)成果說明采用本文研制裝置進(jìn)行土壓力試驗(yàn)是可行的， 同時(shí)也證明本試驗(yàn)所用土壓力計(jì)的標(biāo)定結(jié)果正確.

圖4 靜止土壓力沿墻高分布曲線

圖5 三種位移模式土壓力沿墻高分布

3.2.2 三種位移模式主動(dòng)土壓力對比分析

為了對比分析活動(dòng)擋墻位移模式對土壓力分布規(guī)律的影響， 將三種位移模式下的實(shí)測主動(dòng)土壓力、庫倫主動(dòng)土壓力及理論靜止土壓力沿墻高分布曲線繪制在同一坐標(biāo)系下， 如圖5 所示.

TT 模式實(shí)測主動(dòng)土壓力沿墻高先增大后減小， 大致呈拋物線分布， 不同于庫倫主動(dòng)土壓力的線性分布特征， 最大值位于中下部， 離填土面大約H 處(H 為填土厚度)， 各測點(diǎn)土壓力均小于靜止土壓力； 填土上H 段， 實(shí)測土壓力基本呈線性分布， 與庫倫土壓力基本一致； 下H 段先增大后減小，段實(shí)測土壓力大于庫倫土壓力， 而底部的H 段實(shí)測土壓力小于庫倫土壓力， 且增大值與減小值基本相等， 可相互抵消， 即實(shí)測總主動(dòng)土壓力與庫倫總主動(dòng)土壓力基本相等. 由此得出： 盡管TT 模式下實(shí)測土壓力分布與庫倫土壓力的線性分布不同， 但總土壓力基本一致， 即按庫倫土壓力理論設(shè)計(jì)TT 位移模式下的工程支擋結(jié)構(gòu)是合理的.

RB 模式實(shí)測主動(dòng)土壓力沿墻高非線性增大， 最大值位于底部附近， 各測點(diǎn)土壓力均小于靜止土壓力； 填土上段， 實(shí)測土壓力基本呈線性分布， 與庫倫土壓力基本一致， 該段3 個(gè)測點(diǎn)值略小于庫倫土壓力； 下段實(shí)測土壓力急劇增大， 該段土壓力增大速率明顯大于上半段， 且3 個(gè)測點(diǎn)土壓力均明顯大于庫倫土壓力， 實(shí)測總主動(dòng)土壓力明顯大于庫倫總主動(dòng)土壓力. 由此得出： RB 模式下實(shí)測土壓力分布及實(shí)測總土壓力大小均與庫倫土壓力理論有較大差別， 按庫倫土壓力理論設(shè)計(jì)RB模式下的工程支擋結(jié)構(gòu)不安全.

RT 模式實(shí)測主動(dòng)土壓力沿墻高先迅速增大后急劇減小， 近似呈三角形分布， 最大值離墻頂約H； 填土面至H 段， 實(shí)測土壓力均大于庫倫土壓力， 甚至局部段大于理論靜止土壓力， 而至墻底段實(shí)測土壓力均明顯小于庫倫土壓力， 增大值與減小值基本相等， 可相互抵消， 即實(shí)測總主動(dòng)土壓力與庫倫總主動(dòng)土壓力基本相等. 由此得出： 盡管RT 模式下實(shí)測土壓力分布與庫倫土壓力線性分布不同， 但總土壓力基本一致， 即按庫倫土壓力理論設(shè)計(jì)RT 位移模式下的工程支擋結(jié)構(gòu)是合理的.

由圖5 可知， 三種位移模式下實(shí)測土壓力沿墻高均為非線性分布， 但其重心位置有所不同， TT 模式、RB 模式下重心點(diǎn)偏墻底， 而RT 模式下重心點(diǎn)偏墻頂.

4 結(jié)語

本文研制的試驗(yàn)裝置由敞口鋼結(jié)構(gòu)模型箱、動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等部分組成， 功能靈活， 能實(shí)現(xiàn)多種試驗(yàn)條件下的土壓力試驗(yàn)教學(xué)， 便于學(xué)生自主設(shè)計(jì)個(gè)性化試驗(yàn)項(xiàng)目， 同時(shí)可供師生開展科學(xué)研究. 該裝置于2018 年8 月研制完成以來， 已在湖南理工學(xué)院土木工程專業(yè)土壓力試驗(yàn)教學(xué)中得到應(yīng)用， 學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)系列創(chuàng)新性、研究性、綜合性土壓力試驗(yàn)項(xiàng)目， 強(qiáng)化了對經(jīng)典土壓力理論的理解， 加深了對土壓力概念及分布規(guī)律的感性認(rèn)識(shí)， 提升了學(xué)生的自主創(chuàng)新能力， 激發(fā)了學(xué)生的科研熱情， 教學(xué)質(zhì)量得到有效提高， 產(chǎn)生了良好的效益， 值得推廣.