一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统技术领域
本发明涉及一种教学演示与模型试验装置，尤其涉及一种挡土结构土压力与位移
可视化二维试验系统。
背景技术
挡土结构土压力一直都是土力学研究的热点问题，朗肯土压力和库伦土压力因其
公式简洁、适应性强被广泛应用于实际工程中。目前的土压力理论认为挡土结构在背离或
向着土体方向移动，当达到极限平衡状态时土体内部出现直线型的滑移面，分别称为主动
与被动极限平衡状态，可根据土体单元莫尔-库伦强度理论或建立楔形体滑面极限平衡方
程推导极限平衡状态下的挡土墙结构土压力。
目前的土压力理论是基于极限平衡条件推导得到的土压力分布与大小，但工程的
支挡结构往往不能达到极限平衡状态所需的位移量，尤其是被动极限平衡状态所需的较大
位移量。
目前的土压力理论包含了诸如填土水平、墙背垂直光滑或滑面为直线型等假设条
件，在实际的工程不同边界条件、加载量以及加筋条件下，墙后土压力与理论存在较大差
异。中国专利CN102928296 A公开一种支挡结构后土体主、被动土压力破坏模拟分析仪，该
分析仪的优势特征在于可实现不同挡土墙倾角的模拟。存在的不足如下：
1、该分析仪采用方形箱体和砂土材料作为填料，通过方形箱体的透明挡板观察内部填
料变形，因此填料不可避免的受到前后挡板的摩擦力及尺寸效应影响，尺寸效应主要指挡
板尺寸较小时在内部填料在前后挡板间产生土拱效应。
2、该分析仪采用土压力盒在不同介质与相对密度条件下标定系数不断发生变化。
对于试验过程中砂土相对密度变化的情况不能有效解决，测试精度有限。
3、该分析仪未涉及填料位移测试与滑裂面的识别以及墙后填土加载的模拟。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提供一种挡土结构土压力与位移可视二维试验
系统，可以实现主动与被动模式下的挡土墙土压力演示实验，以及纯二维条件下加筋挡土
结构和加载工况下的土压力大小、分布以及滑裂面随变形演化的测试。
为了实现上述目的，本发明所设计的挡土结构土压力与位移可视化二维试验系
统，其特殊之处在于：包括外框架，所述外框内部设置有具有多点载荷测试功能的挡土结构
测力板，所述挡土结构测力板一侧与外框架之间设置有挡土结构位移控制组件，挡土结构
测力板另一侧与外框架构成矩形填料箱，所述矩形填料箱内设置有具有模拟砂土平面应力
应变特性的异形截面棒模拟砂土，所述矩形填料箱上部设置有载荷加载组件，所述外框架
前还设置有摄影灯光系统和摄影装置，为了彻底消除摩擦与尺寸效应影响，外框架前后均
未设有挡板；
所述挡土结构测力板用于测试模拟砂土传递到挡土结构上的土压力；
所述挡土位移控制组件用于控制挡土结构测力板相对于模拟砂土的移动量；
所述载荷加载组件用于对模拟砂土施加上部荷载；
所述摄影灯光系统和摄影装置用于连续采集模拟砂土内部变化特征。
进一步地，所述挡土结构测力板包括挡板和若干布置在挡板上的条形测力板，所
述条形测力板位于挡板与模拟砂土接触侧，条形测力板之间的间隙小于模拟砂土异形截面
棒尺寸以防止异形棒漏入。
更进一步地，所述条形测力板采用精密载荷计制成，可精确的测量异形棒传递到
挡土结构上的土压力，避免采用砂土模拟时采用土压力盒带来的测量精度问题。
再进一步地，所述条形测力板设置有16个，在挡板上从上到下等间距布置，实现通
长范围的压力测试；
再进一步地，所述挡土结构位移控制组件包括安装板、丝杆升降机、滑轨，所述安装板
设置在外框架内壁上，所述挡板中部与丝杆升降机连接，所述丝杆升降机通过支架固定在
安装板上，所述挡板下端通过滑轨连接在安装板上。安装板与外框架紧密连接，并与丝杆升
降机、挡板形成可靠的系统，刚度足够支撑丝杆升降机精确的控制挡板产生所需的位移量。
再进一步地，所述载荷加载组件包括与模拟砂土接触的刚性承载板，所述刚性承
载板上设置有可伸缩杆连接杆，所述可伸缩连接杆通过测力环与千斤顶连接，所述千斤顶
设置在外框架内顶面。用于模拟对挡土墙后土体顶部的加载。
再进一步地，为构建纯二维的实验条件，所述模拟砂土由3种以上不同尺寸的异形
截面棒材混合而成。其中异形截面指截面为非圆形，采用非圆形异形钢板的优点在于考虑
了颗粒的形状因素对强度，即剪胀性的影响，提高了单位颗粒平均接触点数量，即配位数，
从而使得堆积体的平面应力应变性质与砂土更为接近；再进一步地，所述模拟砂土采用退
火201不锈钢材料制成，其表面摩擦系数与石英砂表面摩擦系数接近。其重度达到砂土材料
3~5倍，模型试验相似比增大3~5倍，提高了模型试验与实际工程的相似性；
优选地，所述模拟砂土分层填筑，层与层之间设置有由土工材料制成的加筋层，用于以
模拟加筋土。
本发明的优点在于：
本发明挡土结构测力板与挡土结构位移控制组件通过滑轨相连接，在升降机的作用下
可以沿着滑轨移动。其中，挡土结构测力板采用精密载荷计制作，解决了土压力测试精度的
问题。挡土结构位移控制组件中，通过丝杆升降机手轮精确的控制挡土板产生后退、前进。
挡土板上通长范围内安装多块载荷计及条形承载板组成的条形测力板，可通过连接静态应
变仪精确测试传递到挡土结构上的土压力。模拟与演示主动、被动极限平衡状态的土体滑
裂面与土压力分布，并对挡土结构移动过程中的土压力分布变化与滑裂面形成与演化过
程，通过模型试验装置可以捕捉颗粒位移，分析得到滑裂面演化过程。
采用模拟砂土作为填料，该模拟砂土采用不同尺寸的异形钢棒混合而成，构建了
纯二维的试验条件。模拟砂土分层填筑，层间可以采用土工材料进行加筋以模拟加筋土。模
拟砂土填料顶部可通过载荷加载组件进行加载。
二维模拟砂土的变形与滑裂面形态通过摄影灯光系统和摄影装置采集。引入了基
于图像测量的非接触式位移测试与滑裂面识别技术，提高了位移捕捉与剪切面识别的精
度，将定性研究转化为定量研究。可以对朗肯土压力理论进行演示试验，并可以进行不同加
载条件的模拟。通过试验条件的进一步简化与测试技术的革新，大大提高了测试精度以及
模型试验的可重复性。利用丝杆升降机精确的控制挡土结构的位移量，追踪填料内部的变
形，对挡土结构位移过程中的土压力与滑裂面演化过程进行量化分析。
本发明可靠度高，重复性强，为土压力研究提供了一种新的试验系统。
附图说明
图1为本发明一种挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统结构示意图。
图2位图1中I-I剖面图。
图3是优选的3种椭圆钢棒模拟砂土截面。
图4是丝杆升降机支架侧视图。
图5是底板侧视图。
图6是测力板正视图。
图7是测力板侧视图。
图8是测力板俯视图。
图9是滑轨的侧视图。
图10是滑块的侧视图。
图中：挡土结构测力板D，挡土结构位移控制组件K，矩形填料箱T，载荷加载组件Z，
外框架1，底板2，丝杆升降机支架3，丝杆升降机4，滑轨5，挡板6，条形测力板7，模拟砂土8，
千斤顶9，测力环10，可伸缩连接杆11，刚性承载板12，摄影灯光系统13，摄影装置14，A、B和C
表示模拟砂土钢棒的型号。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图所示的挡土结构土压力与位移可视化二维试验系统，包括外框架1，所述外框架1
内部设置有具有多点载荷检测功能的挡土结构测力板D，所述挡土结构测力板D一侧与外框
架1之间设置有挡土结构位移控制组件K，挡土结构测力板D另一侧与外框架1构成矩形填料
箱T，所述矩形填料箱T内设置有具有模拟砂土宏观平面应力应变特性功能的模拟砂土8，所
述矩形填料箱T上部设置有载荷加载组件Z，所述外框架1前还设置有摄影灯光系统13和摄
影装置14，为了彻底消除摩擦与尺寸效应影响，外框架前后均未设有挡板。摄影装置14可采
用数码单反相机。
其中，挡土结构测力板D包括挡板6和若干布置在挡板上的条形测力板7，所述条形
测力板7位于挡板6与模拟砂土8接触侧。条形测力板7采用精密载荷计制成。条形测力板7设
置有16个，在挡板6上从上到下等间距布置。
挡土结构位移控制组件K包括安装板2、丝杆升降机4、滑轨5，所述安装板2设置在
外框架1内壁上，所述挡板6中部与丝杆升降机4连接，所述丝杆升降机4通过支架3固定在安
装板2上，所述挡板6下端通过滑轨5连接在安装板2上。
载荷加载组件Z包括与模拟砂土8接触的刚性承载板12，所述刚性承载板12上设置
有可伸缩杆连接杆11，所述可伸缩连接杆11通过测力环10与千斤顶9连接，所述千斤顶9设
置在外框架1内顶面。
采用模拟砂土8作为填料，该模拟砂土8采用3中以上不同尺寸的异形钢棒混合而
成，构建了纯二维的试验条件。模拟砂土分层填筑，层间可以采用土工材料进行加筋层以模
拟加筋土。模拟砂土8一般采用退火201不锈钢材料制成。本实施方案中，模拟砂土8选取3种
不同断面尺寸的退火201不锈钢椭圆形钢棒混合体。三种不同断面尺寸的钢棒的短轴×长
轴分别为3mm×6mm、4mm×8mm、5mm×10mm的A型、B型和C型。通过双轴试验对比，围压100kPa
下测得的峰值摩擦角提高到φp=34°，剪胀角ψm=5°，较好的反映了密实砂土的平面强度。
本发明的具体工作过程如下：
根据试验需求装填模拟砂土8至一定高度，千斤顶9通过刚性承载板12将集中荷载转换
成均布荷载并传递给模拟砂土8，通过测力环10和读出施加荷载的大小；顺时针或逆时针摇
动丝杆升降机4的手轮推动挡板6在滑轨5上滑动，前进或后退直至达到被动或主动极限状
态，通过条形测力板7中的精密荷载计原件测试传递到挡板上的土压力；条形测力板7每移
动一定位移如0.25 mm，摄影灯光系统13和数码单反相机14采集模拟砂土8图像，将整个过
程得到的照片序列通过粒子图像测速PIV技术获取颗粒位移，采用图形分析软件处理获取
颗粒转角、密度分布以及滑裂面形态，行主动、被动模式下的挡土结构位移过程的滑裂面演
化分析。
模拟砂土8优选结构为3种不同截面的退火201号椭圆棒材，在工作时每0.3 m2按
短轴×长轴分别为3mm×6mm、4mm×8mm、5mm×10mm的三种钢棒各594根、334根、214根混合
均匀，利用混合后的模拟砂土进行填分层填筑，其中，三种钢棒质量比大约1:1:1。
其中，丝杆升降机4的转盘顺时针或逆时针转动一圈，丝杆作用在测力板上水平位
移前进或退让0.25mm，丝杆最大退让或前进长度为75mm。
本发明可以同时测量同一竖直截面的多个测点的土压力的大小和分布情况，采用
二维模拟砂土作为填料可以准确消除侧面摩擦的作用，直观的展现出滑裂面的位置。本发
明可靠度高，重复性强，为土压力研究提供了一种新的试验系统。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不对本发明做任何形式上的限制，任
何熟悉本发明的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同变化和改进
等，均应该包含在本发明的保护范围之内。