本發(fā)明涉及一種抗滑樁支擋機理及端承樁支擋機理的演示實驗儀器，尤其涉及一種多功能土拱儀。

背景技術：

在土力學領域，土拱是用來描述應力轉移的一種現(xiàn)象，這種應力轉移是通過土體抗剪強度的發(fā)揮而實現(xiàn)的。土拱作用是指支撐剛度較大而圍護結構剛度較小，墻后土壓力局部增大的現(xiàn)象，局部土體產(chǎn)生移動，而其余部分保持原來的位置不動，土中的這種相對運動受到土體抗剪強度的阻抗，使移動部分土體的壓力減小，而不動部分上的壓力增加。

土層中的拱作用的產(chǎn)生與拱結構物不一樣，拱結構是把材料制成拱形狀，在荷載作用下發(fā)揮其承受壓力的作用;而土拱有其自身的形成過程:在荷載或自重的作用下，土體發(fā)生壓縮和變形，從而產(chǎn)生不均勻沉降，致使土顆粒間產(chǎn)生互相"楔緊"的作用，于是在一定范圍土層中產(chǎn)生"拱效應"；由于土拱效應的存在，使得圍護結構后的主動土壓力產(chǎn)生重分布，土體中除了豎向存在土拱效應外，水平方向同樣存在著土拱效應。合理利用豎向及水平向的土拱效應可使土體的應力重分布向?qū)こ逃欣姆较虬l(fā)展，充分利用土體自身的抗變形能力。

抗滑樁具有自身剛度大，穩(wěn)定性好、施工方便等優(yōu)點，在滑坡治理和防護中得到廣泛的應用，端承樁在提供路堤承載力方面也有著十分廣泛的用途，抗滑樁和端承樁等以離散的修筑來實現(xiàn)連續(xù)的支護，再這以離散修筑實現(xiàn)連續(xù)支擋的過過程中土拱效應起到了至關重要的作用，土拱效應是此類結構支擋機理的重要內(nèi)容，但土拱效應主要形成表面以下一定距離，并且需要一定的應力、地質(zhì)條件和坡度條件，但目前現(xiàn)有技術中無法實現(xiàn)在不同應力條件下、不同條件下和不同坡度條件土拱效應和樁土相互作用的真實再現(xiàn)。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術中存在的技術問題，本發(fā)明的目的是在不同應力條件下、不同條件下和不同坡度條件下實現(xiàn)土拱效應和樁土相互作用的真實再現(xiàn)土拱儀。

為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種多功能土拱儀，包括基礎底座、動力系統(tǒng)、模型樁系統(tǒng)、橫向支撐邊界、豎向支撐邊界以及模型樁蓋板，所述模型樁系統(tǒng)置于基礎底座上，橫向支撐邊界置于基礎底座上表面的前后兩端，豎向支撐邊界置于基礎底座上表面的左右兩端，所述豎向支撐邊界和橫向支撐邊界將模型樁系統(tǒng)圍在中間形成一個矩形，所述模型樁系統(tǒng)包括前載荷均布組合、后載荷均布組合、左側擋板、右側擋板和模型樁底板，所述前載荷均布組合外側設有推力器，該推力器的底部抵在基礎底座上表面的前側橫向支撐邊界內(nèi)側上，所述后載荷均布組合外側設有反力器，該反力器的底部抵在基礎底座上表面的后側橫向支撐邊界內(nèi)側上，所述左側擋板、右側擋板位于模型樁底板左右兩側，與前載荷均布組合、后載荷均布組合構成一個矩形容腔，所述模型樁底板是由若干個長條板拼接排列而成，在每個長條板之間留有換板槽，在每個長條板上設有直立向上模型樁和模型樁鑲嵌孔，所述左側擋板和右側擋板的外側均設有若干與豎向支撐邊界相抵的側向支撐柱；所述模型樁蓋板包括頂部加壓板和頂部蓋板，所述頂部蓋板上橫向設有若干鑲嵌槽，頂部加壓板置于鑲嵌槽內(nèi)，所述模型樁蓋板完全覆蓋住模型樁系統(tǒng)。

采用此多功能土拱儀，在模型樁系統(tǒng)的矩形容腔內(nèi)填土，然后用模型樁蓋板蓋住密封，推力器向容腔內(nèi)部擠壓泥土，反力器作用一個反力均布，前載荷均布組合和后載荷均布組合將推力器作用的力與反力器作用的力分散開，均布在容腔內(nèi)填埋的土中，然后根據(jù)推力器施加的力觀察模型樁系統(tǒng)內(nèi)的土沿著模型樁做出的形變與壓力分布，可直觀的觀察在不同應力條件下、不同條件下和不同坡度條件土拱效應和樁土相互作用現(xiàn)象，左側擋板和右側擋板的外側用側向支撐柱給予支撐力，防止容腔內(nèi)的土在推力器的作用下往外頂開左右兩側的擋板，長條板之間留有換板槽的作用是便于隨意調(diào)節(jié)模型樁系統(tǒng)的橫向?qū)挾?，可將左右側擋板插在換板槽內(nèi)調(diào)節(jié)位置，以觀察在不同應力條件下泥土沿著模型樁的形變，可實現(xiàn)單排樁和多排狀在多種情況下的土工效應再現(xiàn)，換板槽可使長條板重新組合，實現(xiàn)多組不同的樁距比土拱效應實驗，可廣泛的模擬大多數(shù)工程樁土間距的情況，克服了傳統(tǒng)的一組實驗裝置只能測量一種土拱變化情況，節(jié)約了模型實驗成本。

進一步限定，所述頂部蓋板為有機透明玻璃，在有機透明玻璃外周固定有一層固定框架，所述固定框架與模型樁系統(tǒng)的頂部相配合，所述有機透明玻璃表面上繪制有刻度網(wǎng)格。有機透明玻璃的頂部蓋板強度高，不易破碎裂開，可以實時觀察土拱的形成和發(fā)育的全過程，刻度網(wǎng)格可以作為在模擬土體山均勻設置石灰線的依據(jù)方便直接觀察泥土的位移變化。

進一步限定，所述換板槽位于兩個模型樁中間，換板槽的寬度與左側擋板、右側擋板的厚度相同。便于長條板的隨意組合，長條板可以插進換板槽內(nèi)改變模型樁容腔的橫向距離，以便于推力器作用不同的壓力；長條板的材料為鋼板，左右側擋板的高度與模型樁受載荷力段的高度相同，且長條板的長度與左右側擋板的長度相同。

進一步限定，所述側向支撐柱至少為3根，分別均布在豎向支撐邊界的前、中、后三個位置，均勻支撐左右側擋板，分散作用力防止左右側擋板內(nèi)泥土的擠壓而倒下。

進一步限定，所述側向支撐柱采用原木或者封閉鋼筒，防止在推力器的作用下被泥土擠壓變形，影響土拱效應的形成與發(fā)育。

進一步限定，所述基礎底座由混凝土制作而成，在基礎底座的四周設置四個地基錨固桿，所述基礎底座和地基錨固桿埋入土體部分不少于整體高度的1/3了，混凝土基礎底座寬度與上部模型樁系統(tǒng)的寬度相同，基礎底座地面以上部分的高度與模型樁系統(tǒng)的凌空部分長度相同。

進一步限定，該土拱儀還包括模型轉動系統(tǒng)，在基礎底座和模型樁系統(tǒng)之間設有一層抬起模型樁系統(tǒng)的轉動板，所述模型轉動系統(tǒng)包括轉動軸、轉動支架、外部框架和吊機葫蘆，所述轉動支架位于模型樁系統(tǒng)的底部左右兩側，轉動軸穿過基礎底座的前邊沿連接在轉動支架上，所述外部框架置于模型樁系統(tǒng)的外周，所述吊機葫蘆通過滾動軸豎直吊在模型樁系統(tǒng)的上方，該滾動軸的兩端架在外部框架頂部兩橫桿上，保證吊機葫蘆可以在外部框架的橫桿上滑動來調(diào)節(jié)位置，以此來調(diào)節(jié)模型樁系統(tǒng)的懸掛角度，模型樁系統(tǒng)可以被吊機葫蘆吊起繞著轉動支架轉動，與基礎底座形成一定角度，來模擬不同坡度地形的土拱效應的形成。

進一步限定，所述推力器為液壓千斤頂，反力器上設有反力彈簧，在液壓千斤頂與前載荷均布組合之間設有測力環(huán)；反力器為能提供穩(wěn)定荷載的反力加載器，反力器的具體荷載要求根據(jù)所進行的試驗要求確定，測力環(huán)的設計可以進行加壓和壓力的檢測。

進一步限定，所述前載荷均布組合和后載荷均布組合主要由載荷均布板、均布單元和載荷分擔板組成，所述載荷均布板與左側擋板、右側擋板垂直放置，若干均布單元垂直于載荷均布板均勻布置，所述載荷分擔板與載荷均布板平行放置將均布單元夾在中間，所述推力器抵在前載荷均布組合的載荷分擔板上，所述反力器抵在后載荷均布組合的載荷分擔板上。

進一步限定，所述模型樁為混凝土樁或鋼板樁，模型樁和模型樁鑲嵌孔截面為矩形、方形或者圓形。

附圖說明

圖1為一種多功能土拱儀立體結構意圖；

圖2為模型樁轉動系統(tǒng)的立體結構示意圖。

具體實施方式

為了使本領域的技術人員可以更好地理解，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案進一步說明。

如圖1、圖2所示的一種多功能土拱儀，包括基礎底座1、動力系統(tǒng)、模型樁系統(tǒng)、橫向支撐邊界2、豎向支撐邊界3以及模型樁蓋板4，所述模型樁系統(tǒng)置于基礎底座1上，橫向支撐邊界2置于基礎底座1上表面的前后兩端，豎向支撐邊界3置于基礎底座1上表面的左右兩端，所述豎向支撐邊界3和橫向支撐邊界2將模型樁系統(tǒng)圍在中間形成一個矩形，所述模型樁系統(tǒng)包括前載荷均布組合5、后載荷均布組合6、左側擋板7、右側擋板8和模型樁底板9，所述前載荷均布組合5外側設有推力器10，該推力器10的底部抵在基礎底座1上表面的前側橫向支撐邊界2內(nèi)側上，所述后載荷均布組合6外側設有反力器11，該反力器11的底部抵在基礎底座1上表面的后側橫向支撐邊界2內(nèi)側上，所述左側擋板7、右側擋板8位于模型樁底板9左右兩側，與前載荷均布組合5、后載荷均布組合6構成一個矩形容腔，所述模型樁底板9是由4個長條板91拼接排列而成，在每個長條板91之間留有換板槽92，在每個長條板91上設有直立向上模型樁12和模型樁鑲嵌孔13，所述左側擋板7和右側擋板8的外側均設有與豎向支撐邊界3相抵的側向支撐柱14，所述側向支撐柱14為3根，分別均布在豎向支撐邊界3的前、中、后三個位置；所述模型樁蓋板4包括頂部加壓板42和頂部蓋板41，所述頂部蓋板41上橫向設有若干鑲嵌槽，頂部加壓板42置于鑲嵌槽內(nèi)，所述模型樁蓋板4完全覆蓋住模型樁系統(tǒng)。

所述頂部蓋板41為有機透明玻璃，在有機透明玻璃外周固定有一層固定框架，所述固定框架與模型樁系統(tǒng)的頂部相配合，所述有機透明玻璃表面上繪制有刻度網(wǎng)格43。

所述換板槽92位于兩個模型樁12中間，換板槽92的寬度與左側擋板7、右側擋板8的厚度相同。

所述側向支撐柱14采用原木或者封閉鋼筒。

所述基礎底座1由混凝土制作而成，在基礎底座1的四周設置四個地基錨固桿15，所述基礎底座1和地基錨固桿15埋入土體部分為整體高度的1/3。

該土拱儀還包括模型轉動系統(tǒng)，在基礎底座1和模型樁系統(tǒng)之間設有一層抬起模型樁系統(tǒng)的轉動板，所述模型轉動系統(tǒng)包括轉動軸16、轉動支架17、外部框架18和吊機葫蘆19，所述轉動支架17位于模型樁系統(tǒng)的底部左右兩側，轉動軸16穿過基礎底座1的前邊沿連接在轉動支架17上，所述外部框架18置于模型樁系統(tǒng)的外周，所述吊機葫蘆19通過滾動軸20豎直吊在模型樁系統(tǒng)的上方，該滾動軸20的兩端架在外部框架18頂部兩支架上。

所述推力器10為液壓千斤頂，反力器11上設有反力彈簧，在液壓千斤頂與前載荷均布組合5之間設有測力環(huán)。

所述前載荷均布組合5和后載荷均布組合6主要由載荷均布板55、均布單元56和載荷分擔板57組成，所述載荷均布板55與左側擋板7、右側擋板8垂直放置，若干均布單元56垂直于載荷均布板55均勻布置，所述載荷分擔板57與載荷均布板55平行放置將均布單元56夾在中間，所述推力器10抵在前載荷均布組合5的載荷分擔板57上，所述反力器11抵在后載荷均布組合6的載荷分擔板57上。

所述模型樁12為混凝土樁或鋼板樁，模型樁12和模型樁鑲嵌孔13截面為矩形。

本發(fā)明的土拱儀具體操作步驟為：根據(jù)野外實測資料或初始實驗設計方案確定實驗的模型樁系統(tǒng)的具體尺寸參數(shù)、模型樁12間距、模型樁系統(tǒng)內(nèi)的填充土體材料；接下來，根據(jù)實驗設計要求,放置已經(jīng)制定好的模型樁12，如果采用單排樁進行實驗時，另一排模型樁鑲嵌孔13需要進行提前覆蓋，以免土體材料進行進入模型樁鑲嵌孔13，影響后期使用；然后確定前載荷均布組合5和后載荷均布組合6的位置，并進行前期位置固定，放置推力器10和反力器11；再接著填筑巖土體材料，采用分層建筑，進行主體部分壓實，保證填筑土體高于左側擋板7和右側擋板8，并且在土體實驗時的規(guī)定位置放置傳感器；最后放置頂部蓋板41和頂部加壓板42，在頂部蓋板41上放置固定重物來生成達到設計要求的初試應力，帶穩(wěn)定后采用螺栓固定頂部加壓板42，完成初步模型的建立，通過模型轉動系統(tǒng)的吊機葫蘆19將模型樁系統(tǒng)提升到制定的角度，啟動推力器10和反力器11，就可以開始進行實驗了，完成時驗后放平模型樁系統(tǒng)，進行清理和保養(yǎng)。

以上對本發(fā)明提供的一種多功能土拱儀進行了詳細介紹，具體實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權利要求的保護范圍內(nèi)。