本发明专利技术涉及一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置及方法，针对装置来说，其包括：模型箱、加载板、位移板、合金钢块，其被划分为与模型箱固定的固定块，以及与移动板固定的活动块；还包括伺服控制器、位移控制系统、基座、挡板、弯曲元固定系统、弯曲元端头固定槽、玻璃视窗、土压力传感器、位移传感器、高速相机、数字模拟信号同步采集器。针对试验方法来说，步骤为：S1：确定试验工况；S2：设置挡板间距；S3：设定填土密度；S4：高速相机开始拍照，传感器数据采集；S5：测量不同高度处土体的剪切波速，进而得到剪切模量沿高度的分布情况。本发明专利技术能够推进对土拱效应的研究，能考虑更多工况，适用范围更广。适用范围更广。适用范围更广。
【技术实现步骤摘要】
一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置及方法
[0001]本专利技术涉及地下空间开发模型试验领域，特别涉及一种研究土拱效应的新型活动门试验装置。
[0002]本专利技术还涉及基于上述试验装置的试验方法。
技术介绍
[0003]土拱效应是广泛存在于地下工程中的一种应力转移现象。早在1884年，英国物理学家Robert就在散体材料中发现了这种应力转移现象，其发现粮仓底部的压力在粮仓高度大于底部直径两倍以后就不再增加，农业中将其称为“粮仓效应”。随后1936年，太沙基通过活动门试验首次开展了岩土工程中的拱效应研究。土拱效应是由于相邻土体发生相对位移导致剪应力的发展，而引起土中应力重分布的现象。相比于离心试验和足尺试验，活动门模型试验具有装置加工方便，操作简单，试验成本低，可直观获得土压力、土体位移和地表沉降等宏观结果的优点，因此大量学者在太沙基研究的基础上进一步开展了一系列活动门试验，对土拱效应进行大量研究。
[0004]已有的活动门试验装置中，大多是功能单一的单活动门或者活动门宽度和间距固定的多活动门装置，并且往往是人为地通过标尺和千斤顶来控制活动门的下移，不能灵活选择活动门的数量、宽度和间距，无法实现对活动门下移速度和下移量的准确控制。在地下工程如桩承式路堤填筑、洞室开挖中往往存在不均匀沉降，中间土体的沉降大于两侧土体的沉降，现有活动门装置通常不能考虑土的不均匀沉降。另外，现有活动门装置往往为了防止侧壁的影响而将宽度设置得很大，但不同性质的土类，土拱的影响范围不一样，如黏土中土拱的影响范围远小于砂土中土拱的影响范围，所以过大的试样宽度不利于黏性土活动门的试验效率，并且制样的均匀性较难保证。所以应根据不同的试验材料灵活选择模型的宽度。同时现有的活动门试验不能对模型箱中土体变形的发展演化与活动门位移进行全过程同步采集，而是人为控制活动门下移到某一特定位置后采集相应变形数据，较难得到活动门位移
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土体变形相关的全过程数据，对于分析土拱效应的演化规律存在一定的限制。
[0005]土拱效应的影响高度是研究土拱效应的重要指标，然而目前的研究中对于土拱的影响高度的判定较多的是考虑土体内部的变形和应力，还没有考虑土体的刚度变化。而土拱效应不可避免地会引起土体刚度的变化，进而影响土层的变形及应力状态。因此，有必要将土体刚度变化纳入土拱效应模型试验中来考虑。
[0006]可见目前的活动门装置还不够智能化，能考虑的工况也较少，装置的试验效率和质量不高。
技术实现思路
[0007]本专利技术的目的是提供一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置，其能够推进对复杂地下工程中的土拱效应的进一步研究，更加智能高效，能考虑更多工况，适用范围更广。
[0008]本专利技术的另一个目的是提供基于上述试验装置的试验方法，其有利于使用上述试验装置，提高土拱效应的研究效率。
[0009]针对技术主题试验装置来说，一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置，包括：用于填充土体的模型箱，土体分层填充于模型箱中；用于模型箱中土体加载的加载板；用于沿模型箱高度方向移动的位移板，在其上方填充土体；合金钢块，其为多个，并连续铺设在模型箱底部，用于承接填充于模型箱中的土体，其被划分为与模型箱固定的固定块，以及与移动板固定的活动块，其中，活动块用作活动门；合金钢块上分布有用于对接模型箱和移动板的螺栓孔；用于使位移板沿模型箱高度方向移动的伺服控制器；用于控制伺服控制器的位移控制系统；用于支撑模型箱的基座；用于限制填充土体宽度的两个挡板，其设置在模型箱中，所述加载板的宽度与两挡板之间的宽度适配，以伸入模型箱中用于填充土体的加载；弯曲元固定系统，其具有声波激发端头和接受端头，并由弯曲元引线引出，用于测量土体的剪切波速；弯曲元端头固定槽，沿挡板高度间隔布设，两个挡板其中一个用于固定声波激发端头，另一个用于固定接受端头；玻璃视窗，用于形成模型箱的前面板；土压力传感器，其沿填充土体不同位置放置，以监测不同位置的土压力变化；位移传感器，设置在填充土体表面，用于测量填充土体表面的沉降；高速相机，其放置在玻璃视窗前，以采集图像数据；数字模拟信号同步采集器，其用于同步接收模型箱中的土体位移数据，以及高速相机采集的图像数据。
[0010]作为试验装置进一步的改进，还包括：垫脚，其为多个，并间隔布设在底板之下，间隔处预留有供叉车的货叉伸入的空间。
[0011]作为试验装置进一步的改进，还包括：纠偏杠杆，其为四个，分别作用于位移板底面的四个角落，并能竖向滑动穿入基座上的纠偏套筒中，纠偏杠杆与纠偏套筒适配，以使位移板在下移过程中保持整体水平。
[0012]作为试验装置进一步的改进，所述伺服控制器为高精度伺服控制器，位移定位精度为0.05mm，位移速度在0.1mm/min
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5mm/min范围内无级调节。
[0013]作为试验装置进一步的改进，挡板能相向移动，以调节填充土体的宽度，挡板与模型箱两侧壁之间设有伸缩支撑杆，以调节两个挡板之间的宽度。
[0014]作为试验装置进一步的改进，所述挡板的前后两侧、底面，以及两个挡板的相向侧壁上设有聚四氟乙烯板。
[0015]作为试验装置进一步的改进，所述加载板由加载装置驱动。
[0016]针对技术主题试验方法来说，具体包括如下步骤：
S1：根据试验研究的需求选择不同性质的土，以及确定相应的试验工况；S2：根据工况设置挡板间距，活动块以及固定块的位置；S3：设定填土密度，根据设定的填土密度进行分层填土，并在不同的位置高度布置土压力传感器，用于测量土体内部的应力变化；在填土表面不同位置布置位移传感器；S4：在填土内部土体稳定后进行活动门的下移，在活动门下移前确认是否使用加载板进行加载；其中，活动门的下移速度和下移量通过位移控制系统提前设定；活动门下移的同时，高速相机开始拍照，传感器开始进行数据采集；S5：在活动门下移到不同位置处时，通过弯曲元引线测量挡板不同高度处土体的剪切波速，进而得到剪切模量沿高度的分布情况；S6：取出模型箱中土体，位移板复位，完成本次试验，准备下一次试验。
[0017]作为试验装置进一步的改进，S4中，通过加载板施加静荷载或动荷载，以研究静、动荷载条件下的土拱效应研究。
[0018]作为试验装置进一步的改进，S4中，在位移板下移的不同时刻选择将不同的固定块转换为活动块，以此模拟多活动门非同时下移情况下土拱间的相互作用；或者控制中间活动块先位移，两侧的活动块后位移，模拟活动门上土体的差异沉降。
[0019]1、本专利技术使用高精度伺服控制器结合纠偏杠杆，可对活动门位移实现高精度智能控制，活动门位移速度可在0.1mm/min
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5mm/min范围内无级调节，位移定位精度可达0.05mm。可根据需要调节活动门宽度、数量、间距，可满足不同工况下的活动门模型试验。
[0020]2、本专利技术可模拟不同活动门之间的差异沉降以研究土拱之间先后发展的相互影响，也可考虑活动门上土体的不均匀沉降对土拱效本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置，其特征在于包括：用于填充土体的模型箱（7），土体分层填充于模型箱（7）中；用于模型箱（7）中土体加载的加载板（9）；用于沿模型箱（7）高度方向移动的位移板（5），在其上方填充土体；合金钢块（6），其为多个，并连续铺设在模型箱（7）底部，用于承接填充于模型箱（7）中的土体，其被划分为与模型箱（7）固定的固定块，以及与移动板（5）固定的活动块，其中，活动块用作活动门，合金钢块（6）上分布有用于对接模型箱（7）和移动板（5）的螺栓孔（17）；用于使位移板（5）沿模型箱（7）高度方向移动的伺服控制器（3）；用于控制伺服控制器（3）的位移控制系统（10）；用于支撑模型箱（7）的基座（4）；用于限制填充土体宽度的两个挡板（11），其设置在模型箱（7）中，所述加载板（9）的宽度与两挡板（11）之间的宽度适配，以伸入模型箱（7）中用于填充土体的加载；弯曲元固定系统，其具有声波激发端头和接受端头，并由弯曲元引线（15）引出，用于测量土体的剪切波速；弯曲元端头固定槽（16），沿挡板（11）高度间隔布设，两个挡板（11）其中一个用于固定声波激发端头，另一个用于固定接受端头；玻璃视窗（8），用于形成模型箱（7）的前面板；土压力传感器，其沿填充土体不同位置放置，以监测不同位置的土压力变化；位移传感器，设置在填充土体表面，用于测量填充土体表面的沉降；高速相机（12），其放置在玻璃视窗（8）前，以采集图像数据；数字模拟信号同步采集器，其用于同步接收模型箱（7）中的土体位移数据，以及高速相机采集的图像数据。2.根据权利要求1所述一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置，其特征在于还包括：垫脚（1），其为多个，并间隔布设在底板之下，间隔处预留有供叉车的货叉伸入的空间。3.根据权利要求1所述一种基于土拱效应研究的新型活动门模型试验装置，其特征在于还包括：纠偏杠杆（2），其为四个，分别作用于位移板（5）底面的四个角落，并能竖向滑动穿入基座（4）上的纠偏套筒中，纠偏杠杆（2）与纠偏套筒适配，以使位移板在下移过程中保持整体水平。4.根据权利要求1所述基于土拱效应研究的新型活动门模型...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈仁朋，王瀚霖，刘骐炜，付相深，翟梓健，吴怀娜，孟凡衍，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
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