劉曉紅， 彭 錕， 劉正夫， 張建偉， 姜 豪

(湖南理工學院 土木建筑工程學院， 湖南 岳陽 414006)

土壓力理論是土力學課程的重點和難點之一， 土壓力概念及其計算問題是該課程的核心知識點. 在邊坡?lián)鯄?、基坑及地下工程支護結(jié)構(gòu)、橋墩基礎(chǔ)和承受水平荷載的樁基承臺等土工結(jié)構(gòu)的設計計算中， 土壓力問題都至關(guān)重要， 直接影響工程造價與安全. 目前國內(nèi)不同版本的土力學教材中[1～5]， 針對土壓力理論章節(jié)， 重點闡述朗肯和庫侖兩種經(jīng)典土壓力計算理論， 強調(diào)其基本假設、理論推導過程及計算公式， 但沒有介紹土壓力的測試方法及相關(guān)儀器設備等內(nèi)容. 據(jù)調(diào)研， 無論是高等學校土木工程學科專業(yè)指導委員會出版的相關(guān)指導性專業(yè)規(guī)范、培養(yǎng)方案及教學大綱[6，7]， 還是國內(nèi)高校土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案、土力學課程教學大綱， 均未提及土壓力測試的相關(guān)試驗項目. 試驗教學是一種非常有利于提升學習效率和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學形式， 能促進學生主動思考與探索， 在“新工程”背景下， 土木工程專業(yè)的試驗教學顯得尤為重要[8～10]. 為了提升土壓力理論教學效果， 培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新能力和科研意識， 我們與學生科研小組一起研制了剛性擋墻土壓力試驗裝置.

1 裝置設計與組成

本裝置由鋼結(jié)構(gòu)模型箱、動力推進系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等組成， 如圖1 所示. 鋼結(jié)構(gòu)模型箱為長方體， 其長1200mm、寬400mm、高700mm， 采用鋼板、槽鋼焊接而成， 正面、頂面和左側(cè)為敞口， 背面和右側(cè)為非敞口， 在箱體前后框架上每隔100mm 設置1 對固定卡槽.

圖1 剛性擋墻土壓力測試裝置

箱體背面非敞口為12mm 厚鋼板， 其上焊有一道水平向加勁鋼條. 右側(cè)非敞口一端為12mm 厚固定擋墻， 固定擋板可抽插于不同的卡槽(圖2)上， 以滿足填土不同寬高比(B/H)的要求. 在固定擋板與箱體側(cè)壁接觸處粘貼毛條密封處理， 防止側(cè)面縫隙漏砂. 箱體正面敞口處安裝有厚16mm 的透明鋼化玻璃， 能直觀地觀察墻后土體變形破壞過程， 并進行拍照及分析. 頂端敞口每隔400mm 焊12mm 厚加勁鋼條， 以約束箱體變形.

左側(cè)敞口放置活動擋墻， 活動擋墻由16mm 厚鋼板與10mm 厚PVC 板貼合而成. 鋼板另一側(cè)焊接鉸接支座， 以便與動力推進系統(tǒng)傳動軸進行鉸接. 鋼板側(cè)面刻槽并嵌入橡膠密封條， 以防止活動擋墻在位移過程中填土側(cè)漏. 活動擋墻下邊線置于弧形板中線上(圖2)， 以防止活動擋墻在位移過程中底部漏土. PVC板內(nèi)挖有可安裝土壓力計及信號線的槽孔(圖3).

圖2 墊置于活動擋墻下的弧形板

圖3 土壓力盒及信號線的PVC 板槽孔

動力推進系統(tǒng)由上下兩套性能相同的三相異步電機、齒輪傳動軸、電控箱、固定電機支架等組成(圖1(c))， 動力推進速度為0.02mm/s， 可實現(xiàn)三種擋墻位移模式： (1)兩臺電機同時作后退或前進運動時， 可實現(xiàn)主動或被動條件下的活動擋墻平動位移模式(TT 模式)； (2)上部電機作后退或前進運動， 下部電機不運動時， 可實現(xiàn)主動或被動條件下的活動擋墻繞墻底轉(zhuǎn)動位移模式(RB 模式)； (3)上部電機不運動， 下部電機作后退或前進運動時， 可實現(xiàn)主動或被動條件下活動擋墻繞墻頂轉(zhuǎn)動位移模式(RT 模式). 活動擋墻在主動或被動條件下的三種位移模式可通過操作電控箱上的不同按鈕實現(xiàn)(圖1(b)).

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)由LED 無影光源、相機、計算機與數(shù)據(jù)采集處理軟件等組成， 完成連續(xù)拍照、土壓力數(shù)據(jù)采集與處理分析等.

2 裝置功能與操作

本裝置功能靈活， 能實現(xiàn)不同試驗條件下的土壓力試驗教學， 還能激發(fā)學生設計多種多樣的創(chuàng)新性試驗項目， 方便師生開展科學研究. 本裝置可實現(xiàn)如下主要功能： (1)進行三種擋墻位移模式的主動或被動土壓力試驗， 獲得三種位移模式下主動或被動土壓力沿墻高的分布規(guī)律， 讓學生們驗證試驗結(jié)果與土力學教材中經(jīng)典土壓力理論是否一致， 并分析原因； (2)直觀地觀測土體變形破壞特征， 獲得三種位移模式下主動或被動狀態(tài)時的破裂面及其形態(tài)特征， 讓學生們驗證試驗結(jié)果與經(jīng)典土壓力理論極限狀態(tài)下破裂面為過墻踵的平面是否一致， 并分析原因； (3)進行不同寬高比填土的主動或被動土壓力試驗， 獲得有限土體的主動或被動土壓力沿墻高的分布規(guī)律， 讓學生們驗證有限土體土壓力試驗結(jié)果與課本中經(jīng)典土壓力理論半無限土體是否一致， 并分析原因； (4)獲得土壓力隨位移(時間)的變化規(guī)律， 加深學生們對主動土壓力或被動土壓力定義的理解.

本裝置的操作步驟為： (1)將活動擋墻設置于弧形板中線處， 將標定好的土壓力計安置于PVC 板的圓孔內(nèi)， 其信號線與計算機相連. 按試驗設定的填土寬高比(B/H)選擇卡槽， 并將固定擋墻壁插入卡槽內(nèi). 安裝調(diào)試好動力推進系統(tǒng). (2)采用自由落砂法在模型箱中分層填筑土料， 每層厚度為50mm， 在分層界面處鋪設相同粒徑的色砂， 采用堆載預壓分層壓實， 保證填筑土體為中等密實. 填筑至試驗要求的高度后， 靜置24h 后方可開始試驗. (3)在模型箱正前方布設高清相機， 在其兩側(cè)各布設一個無影光源， 先進行試拍， 以確?？梢暬瘏^(qū)域無明顯光影， 拍攝頻率主動條件下設置為0.5s/張， 被動條件下設置為1s/張， 相機與計算機相連. (4)關(guān)閉室內(nèi)燈光， 根據(jù)試驗類型按下電控箱相應按扭， 同時按下土壓力采集按鈕和拍照按鈕， 同步采集土壓力計數(shù)據(jù)和拍攝照片. (5)當透過鋼化玻璃觀測到模型箱內(nèi)色砂線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折或填土面出現(xiàn)明顯裂縫或填土發(fā)生整體下沉時， 可結(jié)束試驗. (6)對土壓力數(shù)據(jù)進行處理與分析.

3 模型試驗

3.1 試驗概況

本裝置研制完成后， 首先在湖南理工學院2017 級土木工程專業(yè)4 個班級中開設了有關(guān)土力學的創(chuàng)新性試驗項目， 由試驗老師提出試驗方案(表1)供學生選擇. 每個試驗小組由3～4名學生組成， 任選一種試驗方案自行完成整個試驗操作， 后期數(shù)據(jù)處理與分析過程可由師生共同討論完成.

表1 可供選擇的試驗方案

為了獲得土壓力沿墻高的分布， 在PVC 板內(nèi)沿直線布設了6 個土壓力計， 如圖3 所示. 學生試驗所用填土統(tǒng)一由試驗室提供， 為洞庭湖河砂， 黃色， 各粒組百分含量見表2， 定名為級配不良粗砂， 其含水量為1.8%， 內(nèi)摩擦角為34°， 自由落砂法分層填筑砂土的重度為13.4kN/m3.

表2 填筑砂土粒組百分含量

3.2 典型試驗成果與分析

2019 年有36 個試驗小組在該裝置上完成自選的試驗， 下面僅以填土寬高比B/H=1.6、三種位移模型下的主動土壓力試驗為例， 對學生試驗成果進行展示與分析.

3.2.1 靜止土壓力測試結(jié)果與分析

為了判斷實測靜止土壓力分布是否與理論分布一致， 將實測靜止土壓力與理論值繪制在同一坐標系中， 如圖4 所示. 實測靜止土壓力沿墻高基本呈線性分布， 各測點值基本在理論直線附近， 相對誤差較小， 增大與減小量可相互抵消， 實測總靜止土壓力與理論總靜止土壓力幾乎相等. 這一試驗成果說明采用本文研制裝置進行土壓力試驗是可行的， 同時也證明本試驗所用土壓力計的標定結(jié)果正確.

圖4 靜止土壓力沿墻高分布曲線

圖5 三種位移模式土壓力沿墻高分布

3.2.2 三種位移模式主動土壓力對比分析

為了對比分析活動擋墻位移模式對土壓力分布規(guī)律的影響， 將三種位移模式下的實測主動土壓力、庫倫主動土壓力及理論靜止土壓力沿墻高分布曲線繪制在同一坐標系下， 如圖5 所示.

TT 模式實測主動土壓力沿墻高先增大后減小， 大致呈拋物線分布， 不同于庫倫主動土壓力的線性分布特征， 最大值位于中下部， 離填土面大約H 處(H 為填土厚度)， 各測點土壓力均小于靜止土壓力； 填土上H 段， 實測土壓力基本呈線性分布， 與庫倫土壓力基本一致； 下H 段先增大后減小，段實測土壓力大于庫倫土壓力， 而底部的H 段實測土壓力小于庫倫土壓力， 且增大值與減小值基本相等， 可相互抵消， 即實測總主動土壓力與庫倫總主動土壓力基本相等. 由此得出： 盡管TT 模式下實測土壓力分布與庫倫土壓力的線性分布不同， 但總土壓力基本一致， 即按庫倫土壓力理論設計TT 位移模式下的工程支擋結(jié)構(gòu)是合理的.

RB 模式實測主動土壓力沿墻高非線性增大， 最大值位于底部附近， 各測點土壓力均小于靜止土壓力； 填土上段， 實測土壓力基本呈線性分布， 與庫倫土壓力基本一致， 該段3 個測點值略小于庫倫土壓力； 下段實測土壓力急劇增大， 該段土壓力增大速率明顯大于上半段， 且3 個測點土壓力均明顯大于庫倫土壓力， 實測總主動土壓力明顯大于庫倫總主動土壓力. 由此得出： RB 模式下實測土壓力分布及實測總土壓力大小均與庫倫土壓力理論有較大差別， 按庫倫土壓力理論設計RB模式下的工程支擋結(jié)構(gòu)不安全.

RT 模式實測主動土壓力沿墻高先迅速增大后急劇減小， 近似呈三角形分布， 最大值離墻頂約H； 填土面至H 段， 實測土壓力均大于庫倫土壓力， 甚至局部段大于理論靜止土壓力， 而至墻底段實測土壓力均明顯小于庫倫土壓力， 增大值與減小值基本相等， 可相互抵消， 即實測總主動土壓力與庫倫總主動土壓力基本相等. 由此得出： 盡管RT 模式下實測土壓力分布與庫倫土壓力線性分布不同， 但總土壓力基本一致， 即按庫倫土壓力理論設計RT 位移模式下的工程支擋結(jié)構(gòu)是合理的.

由圖5 可知， 三種位移模式下實測土壓力沿墻高均為非線性分布， 但其重心位置有所不同， TT 模式、RB 模式下重心點偏墻底， 而RT 模式下重心點偏墻頂.

4 結(jié)語

本文研制的試驗裝置由敞口鋼結(jié)構(gòu)模型箱、動力推進系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)等部分組成， 功能靈活， 能實現(xiàn)多種試驗條件下的土壓力試驗教學， 便于學生自主設計個性化試驗項目， 同時可供師生開展科學研究. 該裝置于2018 年8 月研制完成以來， 已在湖南理工學院土木工程專業(yè)土壓力試驗教學中得到應用， 學生通過自主設計系列創(chuàng)新性、研究性、綜合性土壓力試驗項目， 強化了對經(jīng)典土壓力理論的理解， 加深了對土壓力概念及分布規(guī)律的感性認識， 提升了學生的自主創(chuàng)新能力， 激發(fā)了學生的科研熱情， 教學質(zhì)量得到有效提高， 產(chǎn)生了良好的效益， 值得推廣.