刚性挡墙土压力试验装置的研制与应用

刘晓红， 彭 锟， 刘正夫， 张建伟， 姜 豪

(湖南理工学院 土木建筑工程学院， 湖南 岳阳 414006)

土压力理论是土力学课程的重点和难点之一， 土压力概念及其计算问题是该课程的核心知识点. 在边坡挡墙、基坑及地下工程支护结构、桥墩基础和承受水平荷载的桩基承台等土工结构的设计计算中， 土压力问题都至关重要， 直接影响工程造价与安全. 目前国内不同版本的土力学教材中[1～5]， 针对土压力理论章节， 重点阐述朗肯和库仑两种经典土压力计算理论， 强调其基本假设、理论推导过程及计算公式， 但没有介绍土压力的测试方法及相关仪器设备等内容. 据调研， 无论是高等学校土木工程学科专业指导委员会出版的相关指导性专业规范、培养方案及教学大纲[6，7]， 还是国内高校土木工程专业的培养方案、土力学课程教学大纲， 均未提及土压力测试的相关试验项目. 试验教学是一种非常有利于提升学习效率和培养创新能力的教学形式， 能促进学生主动思考与探索， 在“新工程”背景下， 土木工程专业的试验教学显得尤为重要[8～10]. 为了提升土压力理论教学效果， 培养学生自主创新能力和科研意识， 我们与学生科研小组一起研制了刚性挡墙土压力试验装置.

1 装置设计与组成

本装置由钢结构模型箱、动力推进系统、数据采集与处理系统等组成， 如图1 所示. 钢结构模型箱为长方体， 其长1200mm、宽400mm、高700mm， 采用钢板、槽钢焊接而成， 正面、顶面和左侧为敞口， 背面和右侧为非敞口， 在箱体前后框架上每隔100mm 设置1 对固定卡槽.

图1 刚性挡墙土压力测试装置

箱体背面非敞口为12mm 厚钢板， 其上焊有一道水平向加劲钢条. 右侧非敞口一端为12mm 厚固定挡墙， 固定挡板可抽插于不同的卡槽(图2)上， 以满足填土不同宽高比(B/H)的要求. 在固定挡板与箱体侧壁接触处粘贴毛条密封处理， 防止侧面缝隙漏砂. 箱体正面敞口处安装有厚16mm 的透明钢化玻璃， 能直观地观察墙后土体变形破坏过程， 并进行拍照及分析. 顶端敞口每隔400mm 焊12mm 厚加劲钢条， 以约束箱体变形.

左侧敞口放置活动挡墙， 活动挡墙由16mm 厚钢板与10mm 厚PVC 板贴合而成. 钢板另一侧焊接铰接支座， 以便与动力推进系统传动轴进行铰接. 钢板侧面刻槽并嵌入橡胶密封条， 以防止活动挡墙在位移过程中填土侧漏. 活动挡墙下边线置于弧形板中线上(图2)， 以防止活动挡墙在位移过程中底部漏土. PVC板内挖有可安装土压力计及信号线的槽孔(图3).

图2 垫置于活动挡墙下的弧形板

图3 土压力盒及信号线的PVC 板槽孔

动力推进系统由上下两套性能相同的三相异步电机、齿轮传动轴、电控箱、固定电机支架等组成(图1(c))， 动力推进速度为0.02mm/s， 可实现三种挡墙位移模式： (1)两台电机同时作后退或前进运动时， 可实现主动或被动条件下的活动挡墙平动位移模式(TT 模式)； (2)上部电机作后退或前进运动， 下部电机不运动时， 可实现主动或被动条件下的活动挡墙绕墙底转动位移模式(RB 模式)； (3)上部电机不运动， 下部电机作后退或前进运动时， 可实现主动或被动条件下活动挡墙绕墙顶转动位移模式(RT 模式). 活动挡墙在主动或被动条件下的三种位移模式可通过操作电控箱上的不同按钮实现(图1(b)).

数据采集与处理系统由LED 无影光源、相机、计算机与数据采集处理软件等组成， 完成连续拍照、土压力数据采集与处理分析等.

2 装置功能与操作

本装置功能灵活， 能实现不同试验条件下的土压力试验教学， 还能激发学生设计多种多样的创新性试验项目， 方便师生开展科学研究. 本装置可实现如下主要功能： (1)进行三种挡墙位移模式的主动或被动土压力试验， 获得三种位移模式下主动或被动土压力沿墙高的分布规律， 让学生们验证试验结果与土力学教材中经典土压力理论是否一致， 并分析原因； (2)直观地观测土体变形破坏特征， 获得三种位移模式下主动或被动状态时的破裂面及其形态特征， 让学生们验证试验结果与经典土压力理论极限状态下破裂面为过墙踵的平面是否一致， 并分析原因； (3)进行不同宽高比填土的主动或被动土压力试验， 获得有限土体的主动或被动土压力沿墙高的分布规律， 让学生们验证有限土体土压力试验结果与课本中经典土压力理论半无限土体是否一致， 并分析原因； (4)获得土压力随位移(时间)的变化规律， 加深学生们对主动土压力或被动土压力定义的理解.

本装置的操作步骤为： (1)将活动挡墙设置于弧形板中线处， 将标定好的土压力计安置于PVC 板的圆孔内， 其信号线与计算机相连. 按试验设定的填土宽高比(B/H)选择卡槽， 并将固定挡墙壁插入卡槽内. 安装调试好动力推进系统. (2)采用自由落砂法在模型箱中分层填筑土料， 每层厚度为50mm， 在分层界面处铺设相同粒径的色砂， 采用堆载预压分层压实， 保证填筑土体为中等密实. 填筑至试验要求的高度后， 静置24h 后方可开始试验. (3)在模型箱正前方布设高清相机， 在其两侧各布设一个无影光源， 先进行试拍， 以确保可视化区域无明显光影， 拍摄频率主动条件下设置为0.5s/张， 被动条件下设置为1s/张， 相机与计算机相连. (4)关闭室内灯光， 根据试验类型按下电控箱相应按扭， 同时按下土压力采集按钮和拍照按钮， 同步采集土压力计数据和拍摄照片. (5)当透过钢化玻璃观测到模型箱内色砂线发生明显转折或填土面出现明显裂缝或填土发生整体下沉时， 可结束试验. (6)对土压力数据进行处理与分析.

3 模型试验

3.1 试验概况

本装置研制完成后， 首先在湖南理工学院2017 级土木工程专业4 个班级中开设了有关土力学的创新性试验项目， 由试验老师提出试验方案(表1)供学生选择. 每个试验小组由3～4名学生组成， 任选一种试验方案自行完成整个试验操作， 后期数据处理与分析过程可由师生共同讨论完成.

表1 可供选择的试验方案

为了获得土压力沿墙高的分布， 在PVC 板内沿直线布设了6 个土压力计， 如图3 所示. 学生试验所用填土统一由试验室提供， 为洞庭湖河砂， 黄色， 各粒组百分含量见表2， 定名为级配不良粗砂， 其含水量为1.8%， 内摩擦角为34°， 自由落砂法分层填筑砂土的重度为13.4kN/m3.

表2 填筑砂土粒组百分含量

3.2 典型试验成果与分析

2019 年有36 个试验小组在该装置上完成自选的试验， 下面仅以填土宽高比B/H=1.6、三种位移模型下的主动土压力试验为例， 对学生试验成果进行展示与分析.

3.2.1 静止土压力测试结果与分析

为了判断实测静止土压力分布是否与理论分布一致， 将实测静止土压力与理论值绘制在同一坐标系中， 如图4 所示. 实测静止土压力沿墙高基本呈线性分布， 各测点值基本在理论直线附近， 相对误差较小， 增大与减小量可相互抵消， 实测总静止土压力与理论总静止土压力几乎相等. 这一试验成果说明采用本文研制装置进行土压力试验是可行的， 同时也证明本试验所用土压力计的标定结果正确.

图4 静止土压力沿墙高分布曲线

图5 三种位移模式土压力沿墙高分布

3.2.2 三种位移模式主动土压力对比分析

为了对比分析活动挡墙位移模式对土压力分布规律的影响， 将三种位移模式下的实测主动土压力、库伦主动土压力及理论静止土压力沿墙高分布曲线绘制在同一坐标系下， 如图5 所示.

TT 模式实测主动土压力沿墙高先增大后减小， 大致呈抛物线分布， 不同于库伦主动土压力的线性分布特征， 最大值位于中下部， 离填土面大约H 处(H 为填土厚度)， 各测点土压力均小于静止土压力； 填土上H 段， 实测土压力基本呈线性分布， 与库伦土压力基本一致； 下H 段先增大后减小，段实测土压力大于库伦土压力， 而底部的H 段实测土压力小于库伦土压力， 且增大值与减小值基本相等， 可相互抵消， 即实测总主动土压力与库伦总主动土压力基本相等. 由此得出： 尽管TT 模式下实测土压力分布与库伦土压力的线性分布不同， 但总土压力基本一致， 即按库伦土压力理论设计TT 位移模式下的工程支挡结构是合理的.

RB 模式实测主动土压力沿墙高非线性增大， 最大值位于底部附近， 各测点土压力均小于静止土压力； 填土上段， 实测土压力基本呈线性分布， 与库伦土压力基本一致， 该段3 个测点值略小于库伦土压力； 下段实测土压力急剧增大， 该段土压力增大速率明显大于上半段， 且3 个测点土压力均明显大于库伦土压力， 实测总主动土压力明显大于库伦总主动土压力. 由此得出： RB 模式下实测土压力分布及实测总土压力大小均与库伦土压力理论有较大差别， 按库伦土压力理论设计RB模式下的工程支挡结构不安全.

RT 模式实测主动土压力沿墙高先迅速增大后急剧减小， 近似呈三角形分布， 最大值离墙顶约H； 填土面至H 段， 实测土压力均大于库伦土压力， 甚至局部段大于理论静止土压力， 而至墙底段实测土压力均明显小于库伦土压力， 增大值与减小值基本相等， 可相互抵消， 即实测总主动土压力与库伦总主动土压力基本相等. 由此得出： 尽管RT 模式下实测土压力分布与库伦土压力线性分布不同， 但总土压力基本一致， 即按库伦土压力理论设计RT 位移模式下的工程支挡结构是合理的.

由图5 可知， 三种位移模式下实测土压力沿墙高均为非线性分布， 但其重心位置有所不同， TT 模式、RB 模式下重心点偏墙底， 而RT 模式下重心点偏墙顶.

4 结语

本文研制的试验装置由敞口钢结构模型箱、动力推进系统、数据采集与处理系统等部分组成， 功能灵活， 能实现多种试验条件下的土压力试验教学， 便于学生自主设计个性化试验项目， 同时可供师生开展科学研究. 该装置于2018 年8 月研制完成以来， 已在湖南理工学院土木工程专业土压力试验教学中得到应用， 学生通过自主设计系列创新性、研究性、综合性土压力试验项目， 强化了对经典土压力理论的理解， 加深了对土压力概念及分布规律的感性认识， 提升了学生的自主创新能力， 激发了学生的科研热情， 教学质量得到有效提高， 产生了良好的效益， 值得推广.