一种土压力测试装置及实施方法

1.本发明属于岩土工程中土压力测试技术领域，特别是涉及一种土压力测试装置及实施方法。


背景技术：

2.在岩土力学与工程领域，土压力荷载的大小与分布是需重点研究的问题。土压力是作用在支护结构上的主要荷载之一，确定土压力的大小与分布形状对支护结构的安全以及优化设计等具有重要意义。经典的库仑或朗肯土压力计算理论，因计算简单和力学概念明确，一直为工程采用，但由于岩土工程问题的复杂性，都不易得到令人满意的结果，因此模型试验及现场测试仍是该领域不可或缺的主要研究方法。
3.同时在室内实验中土的压缩固结实验通常在完全侧限或无侧限条件下进行，不能很好反应土体在原位周边土的侧限条件，使测出的土体参数与原状土差距较大，不能直接用于设计计算。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出一种土压力测试装置，该装置可以通过模拟原状土周边的侧限条件，测得的土压力代替传统土的侧压力计算理论计算得出的土侧压力。本发明还提出一种土压力测试的实施方法。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.在第一个技术方案中，一种土压力测试装置，包括操作架、加载装置、水平反力撑和土试块挡板，其中
7.所述操作架包括顶面为平面且光滑的挡板移动面，操作架在第一方向两侧设有横梁；
8.所述土试块挡板主体的正面为两个沿轴向剖开的半圆柱体板，且两个半桶状结构的主体可拼接形成筒状结构，筒状结构内部空腔用于放置土试块，两个半圆柱体板放置在挡板移动面上，且半圆柱体板的背面具有垂直设置且垂直于第一方向的垂直挡板，且在两侧挡板上设置有四个导向安装孔；
9.所述水平反力撑包括两个侧限调节板、若干螺母和四个螺杆和八个弹簧，所述螺杆的中段为光段，螺杆插装在导向安装孔中，八个所述弹簧套装在四个螺杆的外部，侧限调节板具有光孔，侧限调节板通过光孔套装在螺杆上，且两个侧限调节板分别位于两个半圆柱体板的两侧，所述弹簧的第一端抵接垂直挡板的外侧面，弹簧的第二端抵接侧限调节板的内侧面，所述螺母通过螺纹连接在螺杆上并抵接在侧限调节板的外侧；
10.所述水平反力撑和土试块挡板的组合体放置在操作架上，所述土试块挡板放置于挡板移动面，水平反力撑通过螺杆连接在横梁。
11.在第一个技术方案中，作为优选的，所述半圆柱体板的内壁具有用于在加载装置实施加载过程中测量土试块对半圆柱体板内壁施加压力数值的压力传感器。
12.在第一个技术方案中，作为优选的，所述横梁上设置有百分表，百分表的测试端抵接在垂直挡板的外侧面，所述百分表用于测量垂直挡板在水平方向上的位移距离。
13.在第一个技术方案中，作为优选的，所述半圆柱体板和垂直挡板的连接过渡处设置有用于加强半圆柱体板强度的肋板。
14.在第一个技术方案中，作为优选的，所述侧限调节板的内侧和/或垂直挡板的外侧设有用于定位弹簧的弹簧限位环。
15.在第一个技术方案中，作为优选的，所述加载装置为加载板，所述加载板包括导向板和板状的载荷板；
16.操作架包括底板和位于底板顶面四个边角处的立柱，所述导向板四个边角处具有通孔，所述导向板通过通孔安装在立柱上并可沿立柱垂向滑动，所述载荷板固定连接在导向板的底面，所述载荷板与筒状结构顶部开放端对应，载荷板的形状和面积与筒状结构顶部开放端一致。
17.在第一个技术方案中，作为优选的，所述挡板移动面为高纤维陶瓷板，土试块圆形挡板为聚四氟乙烯材料制成的板体。
18.在第一个技术方案中，作为优选的，所述筒状结构内部空腔的尺寸为：d＝100mm，h＝200mm。
19.在第二个技术方案中，一种土压力测试的实施方法，使用如第一个技术方案中所述的土压力测试装置，包括如下步骤：
20.s1、制作土试块：在现场取土样后，立即将土试样做成标准土试块。大小尺寸为：d＝100mm，h＝200mm，制作过程中避免对土试块的扰动；采集试样应符合《公路土工试验规程》jtg e40-2007第4章有关规定；土试样制备过程需应符合《土工试验方法标准》gb/t 50123-1999第16-3条规定；
21.s2、调试检查仪器：在试验之前，检查各传感器是否能正常使用，保证整个试验过程能够正常工作，将土试块挡板移动面和螺杆9清洁光滑无异物，涂抹润滑剂来减小摩擦；
22.s3、放土试块。将加载板取下，移开土试块挡板，将土试块放到指定位置；将挡板归位，调整侧限调节板的位置使弹簧初始为自由伸展状态，不挤压土试块挡板，将百分表测量端放置侧面并清零；
23.s4、施加荷载：将加载板放在操作架竖杆上，在导向板上方施加荷载，加载至两个土试块半圆形挡板位移稳定后卸载，在此过程中通过计算机记录压力传感器上土压力值，并记录百分表最大读数。
24.s5、侧限调整：调整侧限调节板的位置使弹簧产生不同的初始侧向力，重复步骤s1-步骤s4，施加荷载读取压力传感器数值和百分表上土侧位移值，直至测试数据完整；
25.s6、验结束后，对加载器卸载，并恢复各仪器的初始位置，清理土试块挡板内侧和挡板移动面，以便下次试验。
26.有益效果：
27.本测试装置通过水平反力撑的设置，可以在土试块挡板测试过程中侧移提供支撑，通过弹簧施加的作用力模拟原状土周边的侧限条件，使得土试块性能测试更接近真实状态，同时测试过程中通过安装的压力传感器和百分表可测试土试块在测试过程中形态的变化，以及测得的土压力代替传统土的侧压力计算理论计算得出的土侧压力。本装置整体
结构简单且易用，适合试验反复测试、测量使用，后期免维护，制作成本低廉。
附图说明
28.图1为本发明土压力测试装置的整体轴侧示意图。
29.图2为本发明土压力测试装置的主视图。
30.图3为本发明土压力测试装置中操作架的示意图。
31.图4为本发明土压力测试装置中加载板的示意图。
32.图5为本发明土压力测试装置中水平反力撑的示意图。
33.图6为本发明土压力测试装置中土试块挡板的示意图。
34.附图标记包括：
35.图中：1-操作架，2-加载板，3-水平反力撑，4-土试块挡板，5-挡板移动面，6-百分表，7-导向板，8-载荷板，9-螺杆，10-螺母，11-侧限调节板，12-弹簧，13-弹簧限位环，14-半圆柱体板，15-垂直挡板，16-肋板，17-压力传感器。
具体实施方式
36.为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
37.实施例1
38.如图1-图6所示，本实施例提出一种土压力测试装置，包括操作架1、加载装置、水平反力撑3和土试块挡板4，其中
39.操作架1包括顶面为平面且光滑的挡板移动面5，操作架1在第一方向两侧设有横梁；
40.土试块挡板4主体的正面为两个沿轴向剖开的半圆柱体板14，且两个半桶状结构的主体可拼接形成筒状结构，筒状结构内部空腔用于放置土试块，两个半圆柱体板14放置在挡板移动面5上，且半圆柱体板14的背面具有垂直设置且垂直于第一方向的垂直挡板15，且在两侧挡板上设置有四个导向安装孔；
41.水平反力撑3包括两个侧限调节板11、若干螺母10和四个螺杆9和八个弹簧12，螺杆9的中段为光段，螺杆9插装在导向安装孔中，八个弹簧12套装在四个螺杆9的外部，侧限调节板11具有光孔，侧限调节板11通过光孔套装在螺杆9上，且两个侧限调节板11分别位于两个半圆柱体板14的两侧，弹簧12的第一端抵接垂直挡板15的外侧面，弹簧12的第二端抵接侧限调节板11的内侧面，螺母10通过螺纹连接在螺杆9上并抵接在侧限调节板11的外侧；
42.水平反力撑3和土试块挡板4的组合体放置在操作架1上，土试块挡板4放置于挡板移动面5，水平反力撑3通过螺杆9连接在横梁。
43.具体的，如图1所示，操作架1为本装置整体支架，土试块挡板4为装载土试块的固定装置，水平反力撑3在试验加载过程，对土试块挡板4的外扩实现水平方向对压的反相作用力的支撑。
44.如图2所示，操作架1底部具有底板，底部顶面为挡板移动面5，挡板移动面5顶面为光滑的水平面，避免土试块挡板4在其顶面移动时产生较大的摩擦力。结合图1所示，操作架
1中，底板顶面的四个边角处设置有立柱，立柱为圆柱，立柱的作用是提供对加载板2导向的作用。加载板2包括通过立柱导向连接在操作架1上的导向板7，导向板7下部通过一固定连接且不可退缩的杆状结构连接载荷板8。
45.加载板2、水平反力撑3和土试块挡板4通过操作架1相互连接，操作架1是由竖杆、横梁和底板组成的框架结构，底板上粘结有一光滑平面挡板移动面5，百分表6安装在右侧横梁上；加载板2包括导向板7和荷载板；导向板7四角开垂向孔，可以在操作架1的立柱上上下滑动；荷载板与导向板7竖向连接；水平反力撑3主体为四根对称布置的螺杆9，前后穿过土试块半圆形挡土板，两侧通过螺母10连接至操作架1的横梁，在操作架1内侧对称设置有侧限调节板11和弹簧12，在侧限调节板11内侧连接有弹簧限位环13；土试块挡板4为两块相互咬合的半圆柱体板14，外侧为垂直挡板15，半圆柱体板14与垂直挡板15连接为一体且两者间有三道肋板16，半圆柱体板14内侧有凹槽并安装有压力传感器17，垂直挡板15侧面为水平反力撑3的通过开孔，在开孔周围连接有弹簧限位环13，整体放置在操作架1底板上的挡板移动面5上。
46.如图3所示，操作架1在左侧两个立柱、以及右侧两个立柱之间设置两个横梁，横梁上具有水平开设的通孔，该通孔用于穿过螺杆9，其中一个横梁上设置有百分表6。挡板移动面5为高纤维陶瓷板，厚度为5mm，表面光滑且粘接在操作架1子底板上；百分表6安装在操作架1子横梁上，并在测量时将测量端放至土试块挡板4侧面，用以测量挡板位移。
47.如图4所示，导向板7四个边角处具有通孔，导向板7通过通孔安装在立柱上并可沿立柱垂向滑动，载荷板8固定连接在导向板7的底面，载荷板8与筒状结构顶部开放端对应，载荷板8的形状和面积与筒状结构顶部开放端一致。加载板2包括导向板7和荷载板，厚度分别为5mm和10mm，导向板7可以在操作架1子的竖杆上上下滑动；荷载板与导向板7竖向连接，荷载板大小与咬合状态下土试块挡板4圆形筒口大小一致。
48.如图5所示，水平反力撑3中，侧限调节板11的作用是提供弹簧12的外侧支撑，弹簧12的作用是抵接垂直挡板15的外侧面，并用于对垂直挡板15施加水平方向的支撑力，在试验初期为自由状态，当加载板2下压试验土时，垂直挡板15有外移倾向时，通过弹簧12抵接垂直挡板15对垂直挡板15施加侧向支撑力。另外，在螺杆9上设置有16个螺母10，其中内侧一侧设置四个螺母10，内侧两侧一共设置8个螺母10，该螺母10是通过螺纹与螺杆9旋接的，其作用是定位侧限调节板11的水平位置，避免在试验过程中，侧限调节板11侧向移动。外侧的八个螺母10的作用是将水平反力撑3定位在操作架1上。
49.水平反力撑3主体为四根对称布置的螺杆9，前后穿过土试块半圆形挡土板，两侧通过螺母10连接至操作架1的横梁，在操作架1内侧对称设置有侧限调节板11和弹簧12，在侧限调节板11上连接有弹簧限位环13；螺杆9直径12mm，上下对称布置在土试块圆形挡土板两侧，两侧端头处有螺纹通过螺母10安装在操作架1的横梁上，中间段光滑，穿过土试块圆形挡土板；侧限调节板11可在螺杆9上不同位置通过螺母10固定，在弹簧12一端在土试块圆形挡土板侧面保持不动时，在螺杆9上不同固定位置标有刻度表示此时侧限条件即弹簧12力的大小；弹簧12套在螺杆9上，两端放入弹簧限位环13，保证弹簧12力水平垂直于土试块圆形挡土板侧面。
50.如图6所示，半圆柱体板14的内壁具有用于在加载装置实施加载过程中测量土试块对半圆柱体板14内壁施加压力数值的压力传感器17。半圆柱体板14和垂直挡板15的连接
过渡处设置有用于加强半圆柱体板14强度的肋板16。另外，两个半圆柱体板14的对接处具有台阶结构，该台阶结构具有一定的导向作用，同时方便两个半圆柱体板14拼装，当两个半圆柱体板14拼装在一起后，两个半圆柱体板14内侧凸起位置的台阶结构可相互咬合。
51.土试块挡板4为两块相互咬合的半圆柱体板14，外侧为垂直挡板15，圆柱体大小尺寸为：d＝100mm，h＝200mm，板材厚度10mm，半圆柱体板14与垂直挡板15连接为一体且两者间有三道肋板16，两块半圆柱体板14含有咬接口并关于圆心旋转对称，半圆柱体板14内侧有凹槽并安装有压力传感器17，压力传感器17连接到计算机，便于记录其在加载各个时刻的压力值，垂直挡板15侧面为水平反力撑3的通过开孔，开孔直径与螺杆9直径相等，在开孔周围连接有弹簧限位环13保证弹簧12力垂直于垂直挡板15侧面，土试块挡板4为聚四氟乙烯(ptfe)材料，采用这种材料可以减少自重，增加润滑度，使其放置在操作架1子底板上的挡板移动面5上向两侧移动时摩擦力较小，减小测量误差。
52.横梁上设置有百分表6，百分表6的测试端抵接在垂直挡板15的外侧面，百分表6用于测量垂直挡板15在水平方向上的位移距离。本实施例中，百分表6的测试端穿过一侧的侧限调节板11抵接在垂直挡板15的外侧面，使其结构更紧凑。
53.如图4和图5所示，侧限调节板11的内侧和/或垂直挡板15的外侧设有用于定位弹簧12的弹簧限位环13。
54.作为优选的，挡板移动面5为高纤维陶瓷板，土试块挡板4为聚四氟乙烯材料制成的板体。
55.实施例2
56.本实施例提出一种土压力测试的实施方法，使用如实施例1中的土压力测试装置，包括如下步骤：
57.s1、制作土试块：在现场取土样后，立即将土试样做成标准土试块。大小尺寸为：d＝100mm，h＝200mm，制作过程中避免对土试块的扰动；采集试样应符合《公路土工试验规程》jtg e40-2007第4章有关规定；土试样制备过程需应符合《土工试验方法标准》gb/t 50123-1999第16-3条规定；
58.s2、调试检查仪器：在试验之前，检查各传感器是否能正常使用，保证整个试验过程能够正常工作，将土试块挡板4移动面和螺杆99清洁光滑无异物，涂抹润滑剂来减小摩擦；
59.s3、放土试块。将加载板2取下，移开土试块挡板4，将土试块放到指定位置；将挡板归位，调整侧限调节板11的位置使弹簧12初始为自由伸展状态，不挤压土试块挡板4，将百分表6测量端放置侧面并清零；
60.s4、施加荷载：将加载板2放在操作架1竖杆上，在导向板7上方施加荷载，加载至两个土试块半圆形挡板位移稳定后卸载，在此过程中通过计算机记录压力传感器17上土压力值，并记录百分表6最大读数。
61.s5、侧限调整：调整侧限调节板11的位置使弹簧12产生不同的初始侧向力，重复步骤s1-步骤s4，施加荷载读取压力传感器17数值和百分表6上土侧位移值，直至测试数据完整；
62.s6、验结束后，对加载器卸载，并恢复各仪器的初始位置，清理土试块挡板4内侧和挡板移动面5，以便下次试验。
63.以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

技术特征：
1.一种土压力测试装置，其特征在于：包括操作架、加载装置、水平反力撑和土试块挡板，其中所述操作架包括顶面为平面且光滑的挡板移动面，操作架在第一方向两侧设有横梁；所述土试块挡板主体的正面为两个沿轴向剖开的半圆柱体板，且两个半桶状结构的主体可拼接形成筒状结构，筒状结构内部空腔用于放置土试块，两个半圆柱体板放置在挡板移动面上，且半圆柱体板的背面具有垂直设置且垂直于第一方向的垂直挡板，且在两侧挡板上设置有四个导向安装孔；所述水平反力撑包括两个侧限调节板、若干螺母和四个螺杆和八个弹簧，所述螺杆的中段为光段，螺杆插装在导向安装孔中，八个所述弹簧套装在四个螺杆的外部，侧限调节板具有光孔，侧限调节板通过光孔套装在螺杆上，且两个侧限调节板分别位于两个半圆柱体板的两侧，所述弹簧的第一端抵接垂直挡板的外侧面，弹簧的第二端抵接侧限调节板的内侧面，所述螺母通过螺纹连接在螺杆上并抵接在侧限调节板的外侧；所述水平反力撑和土试块挡板的组合体放置在操作架上，所述土试块挡板放置于挡板移动面，水平反力撑通过螺杆连接在横梁。2.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述半圆柱体板的内壁具有用于在加载装置实施加载过程中测量土试块对半圆柱体板内壁施加压力数值的压力传感器。3.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述横梁上设置有百分表，百分表的测试端抵接在垂直挡板的外侧面，所述百分表用于测量垂直挡板在水平方向上的位移距离。4.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述半圆柱体板和垂直挡板的连接过渡处设置有用于加强半圆柱体板强度的肋板。5.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述侧限调节板的内侧和/或垂直挡板的外侧设有用于定位弹簧的弹簧限位环。6.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述加载装置为加载板，所述加载板包括导向板和板状的载荷板；操作架包括底板和位于底板顶面四个边角处的立柱，所述导向板四个边角处具有通孔，所述导向板通过通孔安装在立柱上并可沿立柱垂向滑动，所述载荷板固定连接在导向板的底面，所述载荷板与筒状结构顶部开放端对应，载荷板的形状和面积与筒状结构顶部开放端一致。7.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述挡板移动面为高纤维陶瓷板，土试块圆形挡板为聚四氟乙烯材料制成的板体。8.根据权利要求1所述的土压力测试装置，其特征在于：所述筒状结构内部空腔的尺寸为：d＝100mm，h＝200mm。9.一种土压力测试的实施方法，使用如权利要求1-8任一项所述的土压力测试装置，其特征在于：包括如下步骤：s1、制作土试块：在现场取土样后，立即将土试样做成标准土试块；大小尺寸为：d＝100mm，h＝200mm，制作过程中避免对土试块的扰动；采集试样应符合《公路土工试验规程》jtg e40-2007第4章有关规定；土试样制备过程需应符合《土工试验方法标准》gb/t 50123-1999第16-3条规定；
s2、调试检查仪器：在试验之前，检查各传感器是否能正常使用，保证整个试验过程能够正常工作，将土试块挡板移动面和螺杆清洁光滑无异物，涂抹润滑剂来减小摩擦；s3、放土试块：将加载板取下，移开土试块挡板，将土试块放到指定位置；将挡板归位，调整侧限调节板的位置使弹簧初始为自由伸展状态，不挤压土试块挡板，将百分表测量端放置侧面并清零；s4、施加荷载：将加载板放在操作架竖杆上，在导向板上方施加荷载，加载至两个土试块半圆形挡板位移稳定后卸载，在此过程中通过计算机记录压力传感器上土压力值，并记录百分表最大读数；s5、侧限调整：调整侧限调节板的位置使弹簧产生不同的初始侧向力，重复步骤s1-步骤s4，施加荷载读取压力传感器数值和百分表上土侧位移值，直至测试数据完整；s6、验结束后，对加载器卸载，并恢复各仪器的初始位置，清理土试块挡板内侧和挡板移动面，以便下次试验。

技术总结
本发明属于岩土工程中土压力测试技术领域，一种土压力测试装置包括操作架、加载板、水平反力撑和土试块挡板，本发明通过操作架子上的四根竖杆为加载板导向，通过安装在操作架横梁上的水平反力撑为土试块挡板导向，通过水平反力撑上的弹簧力模拟原状土周边的侧限条件，能很好反应土体在原位周边土的作用下的力学性能，相较目前测试装置，使测出的土体参数与原状土差距缩小，测得的土压力代替传统土的侧压力计算理论计算得出的土侧压力。本发明结构简单，操作简便，考虑土体侧限条件，使测出土压力更加可靠。本发明还提出一种土压力测试的实施方法。施方法。施方法。


技术研发人员：武崇福 曹凯 张超奇
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/8/22