可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种土木工程土工模型试验装置，特别是一种可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置，应用于岩土工程的土工试验。
【背景技术】
[0002]作用于结构物上的土压力计算是岩土工程学科工程设计中的关键问题。经典库伦、朗肯土压力理论及其经验公式被用于挡土墙和基坑支护结构设计中。经典理论假定墙后为半无限土体、土体变形达到极限状态。而实际工程设计中挡墙位移往往受到容许位移量的限制，很多支挡工程中出现挡墙前后填土宽度有限的情况，墙体侧向变形量与墙高之比非常小，土体未能完全到迖极限平衡状态，土压力处于静止土压力与极限土压力之间。例如临近既有地下室基坑支护结构、临近基岩面的边坡挡土墙、地铁车站狭窄基坑支护结构等。上述这类土压力问题可统一归结为有限土体的土压力问题。经典库伦或朗肯土压力理论均假定挡墙后土体为半无限体，显然对于以上情形并不适用。
[0003]关于有限填土土压力，已有的研究成果都集中于理论分析或数值模拟方面，缺少大量模型试验数据的支撑。目前关于有限填土挡土墙平动时土压力及位移变化规律开展的模型试验研究甚少。因此研究挡土墙平动时有限填土压力及位移的变形规律，对基坑工程、边破工程的稳定性评估和预测具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明提供一种可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置，在实现有限填土挡墙发生平动情况下，能够实时、精确地量测挡墙上土压力的分布及土体位移的变化。本发明的可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及变形的模型试验装置仪器构造简单，操作方便，易于掌握。
[0005]本发明的技术方案是这样实现的:一种可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置，该装置包括有限填土模型箱系统、挡土墙平动系统和PIV测试系统。
[0006]所述的有限填土模型箱系统包括一个右侧面开敞的透明有机玻璃模型箱，用混泥土饶筑的前、后、右三侧开敞的L字形混凝土饶筑块，一块与L字形混凝土饶筑块宽度相等的钢板和钢板上贴的第一砂布层，所述的L字形混凝土浇筑块安装在透明有机玻璃模型箱内，钢板倾斜放置在L字形混凝土浇筑块底板上设置的锯齿凹槽内；挡土墙平动系统具体主要包括与透明有机玻璃模型箱内等宽的挡土墙，所述的挡土墙内侧贴有应力传感膜及其第二砂布层，在第二砂布层和第一砂布层之间的透明有机玻璃模型箱内填充有土体，在挡土墙外侧固定安装有轴力传感器，轴力传感器与推进轴相连接，推进轴与SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪相连接，在轴力传感器下方的挡土墙外侧固定安装有位移计；所述的PIV测量系统包括安装在土体外侧的壳体，壳体内安装有LED灯、CCD高速相机和图像采集处理器。
[0007]所述的L字形混凝土浇筑块的底板上帖置有第三砂布层。
[0008]所述的锯齿凹槽至少为三个。
[0009]所述的LED灯为两个，LED灯设置在透明有机玻璃模型箱前方对称位置，LED灯是额定功率为30W的交直流LED泛光灯。
[0010]所述的应力传感膜等高度间距设置在挡土墙内侧面上，应力传感膜采用多点薄膜压力传感器制成，应力传感膜厚度为0.2mm，直径为10mm，量测范围为0至lOkPa，精度为1%。
[0011]所述的位移计的量程为0至10mm，精度为0.01mm。
[0012]所述的轴力传感器的量程为0至5kN，精度为0.001。
[0013]所述的SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪的剪切速度分别为:0.02 mm/min、0.8mm/mi η和2.4mm/min,最大剪切力为5KN。
[0014]所述的CCD高速相机分辨率为1626pixelX 1236pixel，像素尺寸为
4.4 μ mX4.4 μ m，曝光时间为100 μ s X 80ms，采集速率可达200fps，同时提供了 Camlink专用接口。
[0015]本发明具有如下的积极效果:首先，本发明结构简单，操作方便，包括有限填土模型箱系统、挡土墙平动系统和PIV测试系统；本发明的试验装置，能够真正模拟有限填土挡墙平动时的自然应力状态，即试验时土体应力状态与实际工程中土体的状态相同；本发明试验装置在挡土墙上等高度间距设置高精度的土压力传感器，可以实时量测有限填土的土压力；本发明试验装置在模型箱正前方设置高精度的摄像机，同时用PIV技术可以实时量测挡墙平动全过程中土体位移图像；本发明模型试验装置操作方便，涉及的仪器构造简单，易于掌握。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的主视结构示意图。
[0017]图2为本发明的俯视结构示意图。
[0018]图3为本发明的锯齿凹槽结构示意图。
[0019]图4为本发明的轴力传感器结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]如图1、2、3、4所示，一种可实时量测挡土墙平动时有限填土压力及位移变化的装置，该装置包括有限填土模型箱系统、挡土墙平动系统和PIV测试系统。
[0021]所述的有限填土模型箱系统包括一个右侧面开敞的透明有机玻璃模型箱1，用混泥土浇筑的前、后、右三侧开敞的L字形混凝土浇筑块2，一块与L字形混凝土浇筑块2宽度相等的钢板11和钢板11上贴的第一砂布层5-1，所述的L字形混凝土浇筑块2安装在透明有机玻璃模型箱1内，钢板11倾斜放置在L字形混凝土浇筑块2底板上设置的锯齿凹槽3内；挡土墙平动系统具体主要包括与透明有机玻璃模型箱1内等宽的挡土墙4，所述的挡土墙4内侧贴有应力传感膜6及其第二砂布层5-2，在第二砂布层5-2和第一砂布层5-1之间的透明有机玻璃模型箱1内填充有土体12，在挡土墙4外侧固定安装有轴力传感器7，轴力传感器7与推进轴10相连接，推进轴10与SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8相连接，在轴力传感器7下方的挡土墙4外侧固定安装有位移计9 ;所述的PIV测量系统包括安装在土体12外侧的壳体13，壳体13内安装有LED灯15、CCD高速相机14和图像采集处理器16。
[0022]所述的L字形混凝土浇筑块2的底板上帖置有第三砂布层5-3，确保土体的摩擦性与砂纸摩擦性相一致，以便消除边界对土体应力和位移的影响，可真实再现土体的应力状态，使试验结果更加准确。所述的锯齿凹槽3至少为三个改变钢板11的倾角，可通过将钢板11倾斜放置于不同的锯齿凹槽3内来实现。所述的LED灯15为两个，LED灯15设置在透明有机玻璃模型箱1前方对称位置，LED灯15是额定功率为30W的交直流LED泛光灯，可消除光线对CCD高速相机14拍照质量的不良影响，既保证光源的亮度又满足光源的稳定性要求，可更加准确地量测到土体的变形。所述的应力传感膜6等高度间距设置在挡土墙4内侧面上，应力传感膜6采用多点薄膜压力传感器制成，应力传感膜6厚度为0.2mm，直径为10mm，量测范围为0至lOkPa，精度为1%，可以实时量测挡墙上有限填土的土压力，提高测试精度，可真实地测量各类物体之间接触面之间接触压力，数据采集软件可以无线实时采集大量数据。所述的位移计9的量程为0至10mm，精度为0.01mm。所述的轴力传感器7的量程为0至5kN，精度为0.001。所述的SDJ-1型三速电动等应变控制剪切仪8的剪切速度分别为:0.02 mm/min、0.8 mm/min和2.4mm/min,最大剪切力为5KN。所述的CO)高速相机14分辨率为 1626pixelX 1236pixel，像素尺寸为 4.4ymX4.4ym,曝光时间为 100 μ sX80ms，采集速率可达200fps，同时提供了 Camlink专用接口。PIV测试系统包括硬件系统和软件系统两个部分，其中硬件系统主要由泛光灯光源、CCD高速相机、图像采集及后处理设备等组成，软件系统采用德国LaV