一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验装置与试验方法与流程

本发明属于岩土工程与地质工程试验技术领域，涉及一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验装置与试验方法。

背景技术：

上世纪60年代，法国工程师henrividal提出“加筋土”概念，加筋土挡墙应运而生。相较于传统的重力式挡土墙、悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等，加筋土挡墙以其造价低廉、施工简单、造型美观、稳定性高和抗震性能好等优点迅速发展，现已广泛应用于建筑、交通、水利和国土资源等领域的工程建设中。加筋土挡墙是一种良好的柔性结构，在水流冲刷下，具有一定程度的抗变形能力，但加筋土挡墙对水流冲刷的容忍能力是有限的，尤其是墙趾附近的地基土受水流的掏蚀程度过大时，也会造成墙体不断沉降、滑移甚至倾覆破坏，如：山区临河、临沟的加筋土挡墙，受洪水、泥石流等影响，墙趾附近地基土大量冲刷掏空，挡墙偏心荷载不断增大，造成路堤挡墙向河道倾覆趋势增强，最终引起路堤损毁和公路中断，对人们的生产生活和道路运输安全造成巨大影响。因此，研究水流掏蚀条件下加筋土挡墙的变形和破坏规律，对于加筋土挡墙工程的设计和施工具有重要的指导作用。

模型试验可形象直观地反映原型结构的受力和变形特点，受到学者们的普遍青睐。目前，针对加筋土挡墙的室内模型试验，主要有1g缩尺模型试验和ng离心模型试验。相较于传统的1g缩尺模型试验，离心模型试验具有保持模型与原型应力相同的优点，在边坡支挡和加筋土挡墙的稳定性研究方面已经得到了广泛应用。离心模型试验中，由于模型箱在离心机中高速旋转，在模拟边坡或基坑开挖工况时，不能像1g缩尺模型试验那样，对土体直接进行人工挖除，所以离心机中的开挖模拟一直是开展离心试验的难点问题。

目前,离心模型试验中模拟土体开挖的方法，主要有以下三类：一是在制样时将欲开挖的土体事先挖除，然后通过增大离心加速度来研究应力提高情况下，土体或挡土结构的反应；二是在离心模型试验中，通过排放与土体密度类似的液体来模拟开挖；三是利用高精密机械设备，对模型中的土体进行挖除。第一类方法人为忽略了离心机应力路径的影响，不能真实模拟实际结构的应力场，以及开挖导致的变化；第二类方法采用排放与土体相近密度液体的方法，耗时耗工，且对试验模型的制样提出了很多要求；第三类方法采用精密开挖机械通常造价过高，且往往需要与精密完善的离心机试验平台系统相结合。此外，由于机械装置的设计缺陷，设计的装置只能完成对地面以上土体的挖除模拟，如清华大学开发的离心模型试验过程中模拟边坡开挖的一种新设备，只能通过刀片将坡脚欲开挖的土体从边坡上切下并推离，以实现对坡脚土体的开挖模拟，而不能实现对坡脚下地基土的开挖模拟，因此利用上述设备就不可能实现对基坑开挖或水流对地基土掏蚀的离心试验模拟。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了提供一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验装置与试验方法，以解决现有离心模型试验装置无法实现对地基土掏蚀的离心试验模拟，并可以更加经济、方便、可靠、智能地在实验室内，研究加筋土挡墙受水流掏蚀影响下的筋材受力特征演化，以及挡墙的变形破坏过程。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验装置，包括：

模型试验箱；

置于模型试验箱内的加筋土挡墙模型：包括铺设在模型试验箱底部的地基土、设置在地基土中间位置的加筋土挡墙，以及压实填充在加筋土挡墙其中一侧与模型试验箱侧面所围空腔内的填土，所述的加筋土挡墙由埋设在地基土中的水平基座、逐层铺设在水平基座上的墙面模块、以及若干层从上到下水平铺设在填土中并与所述墙面模块连接的筋材组成；

吸沙机构：其设置在模型试验箱上，并用模拟水流掏蚀现象来逐层吸除加筋土挡墙另一侧的地基土；

高速摄像机：其设置在模型试验箱旁，并用于记录吸沙过程中模型试验箱内的图像变化。

进一步的，相邻两层墙面模块之间，位于上层的墙面模块的底部与位于下层的墙面模块的顶部设有相互契合的凹槽与凸起。

进一步的，所述的加筋土挡墙的中间墙面位置还布置有位移传感器；

在每层筋材与加筋土挡墙之间还设有电阻式应变片。

进一步的，所述的模型试验箱的内壁上还涂抹有凡士林，并粘贴有透明塑料膜。

进一步的，所述的吸沙机构包括抽风机、集沙盒、送沙管道、移动组件和吸沙口，其中，所述的集沙盒设置在模型试验箱顶部，在集沙盒上还设有抽风口和沙盒入口，所述的抽风机布置在抽风口位置，所述的送沙管道布置在移动组件上，并可由移动组件带动在水平和竖直方向上移动，所述送沙管道的一端连接所述沙盒入口，另一端连接所述吸沙口。

更进一步的，所述的送沙管道由若干段硬管和软管拼接而成，其中，所述的软管在沿水平移动方向和竖直移动方向均设有至少一段。

更进一步的，所述的移动组件包括设置在模型试验箱顶部的水平滑轨、设置在水平滑轨上并可沿其来回移动的移动平台，以及安装在移动平台上的竖向滑轨，所述的送沙管道布置在竖向滑轨上，并可沿其在竖向来回移动。

进一步的，以模型试验箱不与填土接触的一侧为正面，所述的模型试验箱的正面设置有有机玻璃视窗，所述高速摄像机布置在有机玻璃视窗旁。

进一步的，该离心模型试验装置还包括计算机，其通过数据线分别连接所述吸沙机构与高速摄像机。

本发明的技术方案之二提供了一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验方法，其采用如上述的离心模型试验装置实施，该试验方法包括以下步骤：

(1)在模型试验箱内制备地基土，在地基土中间位置埋置水平基座，然后，在水平基座上放置第一层墙面模块，然后铺设与墙面模块对应高度的填土并压实，最后，铺设与墙面模块连接的筋材，同时，在筋材与墙面模块的连接位置设置电阻式应变片，如此往复，直至加筋土挡墙完成；

(2)在模型试验箱上安装有吸沙机构，同时，采用数据线将计算机与吸沙机构和高速摄像机连接，并调整高速摄像机位置与拍摄参数，确保其能拍摄到模型试验箱内的清晰图像；

(3)将模型试验箱放置在离心单元上，调整其加速度至设定值并稳定，然后，控制吸沙机构移动，分层吸除加筋土挡墙一侧的地基土，直至完成水流掏蚀模拟过程，同时，采用高速摄像机记录整个吸沙过程中模型试验箱内的图像变化；

(4)处理高速摄像机所记录的图像，即得到模拟水流掏蚀过程中加筋土挡墙的变化破坏特征和稳定性演化过程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明中的装置避免了用水流模拟冲刷的不可控性，非常巧妙地利用吸沙法，实现了在离心机不停机的情况下对加筋土挡墙墙趾下部的地基土进行移除，以模拟受水流掏蚀，地基土的不断流失。

(2)本发明中的吸沙设备和模型箱互相独立，避开了试验模型箱在制样后内部空闲尺寸狭窄的限制，且可靠性强，成本低，易于安装、拆卸和维修，提高了设备推广应用的可能性。

(3)本发明中的吸沙设备控制方便，能够较好的对加筋土挡墙的地基土进行实时移除和多次移除，便于模拟加筋土挡墙下部的地基土受到水流的掏蚀不断加强。

(4)本发明中的吸沙设备可通过数据线与计算机相连，以利用编程对地基土进行智能化的分层移除。

附图说明

图1为本发明的试验装置的示意图；

图2为吸沙口位置的示意图；

图中标记说明：

1为填土，2为筋材，3为墙面模块，4为地基土，5为模型试验箱，6为吸沙口，7为硬管，8为水平滑轨，9为软管，10为竖向滑轨，11为集沙盒，12为抽风机，13为数据连接线，14为计算机控制设备。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能的常规部件或结构。

本发明提出了一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验装置，其结构参见图1所示，包括：

模型试验箱5；

置于模型试验箱5内的加筋土挡墙模型：包括铺设在模型试验箱5底部的地基土4、设置在地基土4中间位置的加筋土挡墙，以及压实填充在加筋土挡墙其中一侧与模型试验箱5侧面所围空腔内的填土1，所述的加筋土挡墙由埋设在地基土4中的水平基座、逐层铺设在水平基座上的墙面模块3、以及若干层从上到下水平铺设在填土1中并与所述墙面模块3连接的筋材2组成；

吸沙机构：其设置在模型试验箱5上，并用模拟水流掏蚀现象来逐层吸除加筋土挡墙另一侧的地基土4；

高速摄像机：其设置在模型试验箱5旁，并用于记录吸沙过程中模型试验箱5内的图像变化。

在本发明的一种具体的实施方式中，相邻两层墙面模块3之间，位于上层的墙面模块3的底部与位于下层的墙面模块3的顶部设有相互契合的凹槽与凸起。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的加筋土挡墙的中间墙面位置还布置有位移传感器；

在每层筋材2与加筋土挡墙之间还设有电阻式应变片。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的模型试验箱5的内壁上还涂抹有凡士林，并粘贴有透明塑料膜。

在本发明的一种具体的实施方式中，所述的吸沙机构包括抽风机12、集沙盒11、送沙管道、移动组件和吸沙口6，其中，所述的集沙盒11设置在模型试验箱5顶部，在集沙盒11上还设有抽风口和沙盒入口，所述的抽风机12布置在抽风口位置，所述的送沙管道布置在移动组件上，并可由移动组件带动在水平和竖直方向上移动，所述送沙管道的一端连接所述沙盒入口，另一端连接所述吸沙口6。

更进一步的，所述的送沙管道由若干段硬管7和软管9拼接而成，其中，所述的软管9在沿水平移动方向和竖直移动方向均设有至少一段。

更进一步的，所述的移动组件包括设置在模型试验箱5顶部的水平滑轨8、设置在水平滑轨8上并可沿其来回移动的移动平台，以及安装在移动平台上的竖向滑轨10，所述的送沙管道布置在竖向滑轨10上，并可沿其在竖向来回移动。

在本发明的一种具体的实施方式中，以模型试验箱5不与填土1接触的一侧为正面，所述的模型试验箱5的正面设置有有机玻璃视窗，所述高速摄像机布置在有机玻璃视窗旁。

在本发明的一种具体的实施方式中，该离心模型试验装置还包括计算机，其通过数据线分别连接所述吸沙机构与高速摄像机。

本发明的另一技术方案中还提出了一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验方法，其采用如上述的离心模型试验装置实施，该试验方法包括以下步骤：

(1)在模型试验箱5内制备地基土4，在地基土4中间位置埋置水平基座，然后，在水平基座上放置第一层墙面模块3，然后铺设与墙面模块3对应高度的填土1并压实，最后，铺设与墙面模块3连接的筋材2，同时，在筋材2与墙面模块3的连接位置设置电阻式应变片，如此往复，直至加筋土挡墙完成；

(2)在模型试验箱5上安装有吸沙机构，同时，采用数据线将计算机与吸沙机构和高速摄像机连接，并调整高速摄像机位置与拍摄参数，确保其能拍摄到模型试验箱5内的清晰图像；

(3)将模型试验箱5放置在离心单元上，调整其加速度至设定值并稳定，然后，控制吸沙机构移动，分层吸除加筋土挡墙一侧的地基土4，直至完成水流掏蚀模拟过程，同时，采用高速摄像机记录整个吸沙过程中模型试验箱5内的图像变化；

(4)处理高速摄像机所记录的图像，即得到模拟水流掏蚀过程中加筋土挡墙的变化破坏特征和稳定性演化过程。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。

实施例1：

本实施例提供了一种模拟加筋土挡墙墙趾受冲刷的离心模型试验装置及试验方法，主体结构如图1所示，主要包含加筋土挡墙、吸沙机构和计算机控制设备14。加筋土挡墙建造于顶部开口的模型试验箱5内部，由填土1、筋材2、墙面模块3和地基土4组成；吸沙设备安装于模型试验箱5顶部，由抽风机12、集沙盒11、硬管7、软管9、竖向滑轨10、水平滑轨8和吸沙口6组成；计算机控制设备14通过数据连接线13等方式与水平滑轨8和竖向滑轨10相连。安装于硬管7端部的吸沙口6可通过计算机控制设备14控制的吸沙机构进行水平和竖向移动；利用抽风机12产生的吸力，吸沙口6可对加筋土挡墙下部的地基土4进行分层吸除，以模拟水流对地基土4的冲刷掏蚀；被吸除的地基土4可由吸沙口6进入吸沙设备，并沿硬管7和软管9逐渐到达集沙盒11，并储存下来。

本实施例中的模型试验箱5，内壁尺寸为600mm×400mm×500mm(长×宽×高)，顶端开口，箱底面焊接一块钢板，箱正面安装有一块透明的有机玻璃，并构成有机玻璃视窗。

本实施例中的加筋土挡墙模型的墙体高度为180mm，墙面仰角90°，筋材22长140mm，筋材2的竖向间距30mm。墙面模块3的尺寸为50mm×30mm×30mm(长×宽×高)。地基土4的厚度为200mm。

本实施例中的筋材2，选用尼龙灰窗纱，对其按照规范要求进行宽条拉伸试验，测得其极限抗拉强度为2.51kn/m，5％伸长率下的拉伸强度为0.91kn/m，刚度(5％伸长率下的拉伸强度与伸长率之比)为18.2kn/m。

本实施例中的墙面模块3是由水泥砂浆浇筑而成的素混凝土块体，底部有凹槽，顶部有与凹槽相契合的凸起，用于模拟实际模块式挡墙墙面模块3之间的剪力键。

本实施例中的填土1与地基土4，均采用建筑黄砂，经颗粒分析试验确定其为中砂。该黄砂的最大、最小干密度分别为1.65，1.44g/cm³。在建造模型时，控制地基与填土1的相对密实度分别为85％和65％，压实度分别为97％和95％，对应的密度分别为1.62g/cm³和1.57g/cm³。通过直剪试验得到地基土4和填土1的内摩擦角分别为42°和36°。

本实施例中的吸沙口6为聚丙烯材料，尺寸为400mm×10mm×20mm(长×宽×高)，通过抽风机12产生的吸力，可将地基土4不断吸除。

第二部分：

本实施例还提供了一种利用吸沙法模拟离心机中加筋土挡墙受水流掏蚀影响的试验方法，其实施过程包括以下步骤：

(1)准备试验材料和器材

按照试验要求的尺寸和材质分别制作模型试验箱5、筋材2、墙面模块3、填土1和地基土4，并准备集沙盒11、硬管7、软管9、竖向滑轨10、水平滑轨8、吸沙口6、数据连接线13、计算机控制设备14以及一台符合功率要求的抽风机12。

(2)建造加筋土挡墙模型

在模型试验箱5有机玻璃视窗内壁粘贴聚酯(pet)透明塑料膜，在模型箱其余3个内壁上涂抹凡士林，并粘贴聚四氟乙烯膜，使得试验过程中加筋土挡墙与箱壁间为膜间摩擦，以减小边界效应。

采用砂雨法制备地基土4，控制密度为1.62g/cm³；埋置水平基座并用软毛刷子轻扫基座表面使其洁净，然后放置第一层墙面模块3，之后铺设与模块对应高度的填土1，用橡皮锤压实，控制填土1密度为1.57g/cm³，最后铺设筋材2，如此往复，直至挡墙填筑完成。

此外，在加筋土挡墙中间墙面位置沿墙高布置3个型号为ywc-5，量程为±50mm的差动式位移传感器，以测试加筋土挡墙墙面水平位移；在每层筋材2以及筋材2与墙面模块3的连接处，粘贴型号为bx120-2bb的电阻式应变片，以测试筋材2与墙面模块3间的连接应变(拉力)；需要注意的是，粘贴应变片前，先在尼龙窗纱表面采用环氧树脂浇出一个边长为15mm的正方形薄层作为传力介质，再在其上粘贴应变片并焊接电线，之后用硅橡胶覆盖应变片以保护其不受砂粒棱角破坏。

(3)安装并调试设备

将模型试验箱5移至离心试验机(即离心机)的吊篮上并调整至合适位置，然后在模型试验箱5的顶部安装抽风机12、集沙盒11、水平滑轨8和竖向滑轨10，并利用硬管7和软管9将上述设备与吸沙口6连接起来；通过数据连接线13将计算机控制设备14与水平滑轨8和竖向滑轨10进行连接，调整计算机控制设备14的控制参数，以使吸沙口6能够顺利进行竖向和水平移动；在模型试验箱5的正面架设高速摄像机，并通过经过离心试验机的中心转轴的数据连接线13与计算机控制设备14连接，调整摄像机位置及参数，使其焦平面与模型箱表面平行且能拍摄到清晰的图像；

(4)开始试验

开启离心试验机，设置试验模型的加速度由1g匀速增加到20g，之后保持20g的加速度直到各测量元件的数据曲线达到稳定，然后通过计算机控制设备14控制吸沙口6的水平和竖向移动，分层吸除地基土4，直至完成图1所示的水流掏蚀过程①②③④⑤⑥⑦，同时用高速摄像机记录试验过程中箱侧的图像变化。

(5)试验结果分析

试验结束后，通过piv图像处理软件对试验过程中高速摄像机所记录的图像进行分析，得到不同时刻下加筋土挡墙位移场，以及通过差动式位移传感器和电阻式应变片分别获得加筋土挡墙的墙面模块3的位移和筋材2应力，最终分析水流掏蚀过程中加筋土挡墙的变形破坏特征和稳定性演化过程。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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