有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置技术领域
本发明涉及一种岩土工程中土压力试验装置，特别是涉及填土宽度变化的有限土体刚性
挡墙下的土压力模型试验装置，可用于量测不同变位模式、不同挡墙位移下主动或者被动土
压力问题。
背景技术
在土工挡土墙，如基坑围护结构、桥墩基础和桩基承台等实际工程结构中，主动或者被
动土压力问题至关重要。经典的库伦或朗肯土压力理论均假定挡墙后土体为半无限体，而实
际情况下，经常会有临近的挡墙或者基岩面存在，且挡墙间土体的宽度与深度之比往往较小，
主动区或被动区土体不再满足半无限体的假定，此时应考虑土体宽度和相邻挡墙的影响。因
此不同填土宽度影响下作用在刚性挡土墙上的土压力问题是迫切需要解决的问题。
大量试验研究表明土压力沿挡墙深度分布与变位模式和挡墙位移有很大关系。在实际工
程中，刚性挡墙的变位模式除了最基本的平动模式外还有绕墙底转动和绕墙顶转动的模式。
不同变位模式对土压力的大小和分布有很大的影响。另外实际工程中，往往挡墙位移并未达
到极限位移，此时主动土体的土压力比极限状态主动土压力大，被动土体的土压力比极限状
态被动土压力小，因此研究非极限状态下的主动或被动土压力尤为重要。这就需要对挡墙变
位模式和挡墙位移量的准确控制，需要采要高精度的加载系统和量测系统才能实现。传统的
做法采用油压千斤顶控制加载，但是油压千斤顶不易长时间维荷，易在加载中荷载不断减小；
且千斤顶的卸载过程难以很好控制，对于精确量测不同变位模式、不同位移下主动土压力较
难实现。同时，在试验过程中需要缓慢推动挡墙才能减小挡墙和侧壁之间的摩擦，这就需要
一个能精确缓慢控制加载速度的加载系统。
目前工程中常假定平面应变条件下主、被动土压力的滑裂面为通过墙踵的与水平面呈一
定角度的平面，但由于临近挡墙的存在，不同的填土宽度下的滑裂面必然与经典的库伦或朗
肯土压力理论的滑裂面不同。传统的土压力试验中采用色纱线确定滑裂面位置，但对于整个
土体的位移场的分布却无法得知，且滑裂面需要较大的挡墙位移才可能用肉眼识别，实际工
作中，不可能无限制的进行挡墙移动。这就需要一种非肉眼识别且精确地进行整个土体位移
场分析的技术。
同时理论分析均建立在一定的分析模型基础上，若无法得知真实的滑裂面则无法进行正
确的理论分析，且现场实测难以获得滑裂面和主、被动土压力，因此需要模型试验来明确不
同填土宽度下的主、被动土压力的滑裂面及主、被动土压力与填土宽度、挡墙变位模式和挡
墙位移的关系。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置，
解决了有效精确控制挡墙位移、变位模式，及量测各状态下不同深度范围的主动或者被动土
压力，并确定土体变形及滑裂面发展规律等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明有限土体刚性挡墙土压力模型试验
装置，包括模型箱、加载系统、挡土墙和量测系统四个部分；所述模型箱由模型箱底座、模
型箱底板、模型箱框架、钢化玻璃、卡位钢块、加载系统反力架和刚性垫块组成；所述模型
箱底座由工字钢焊接而成；所述模型箱底板由不锈钢板四周点焊于模型箱底座上；所述模型
箱框架由不锈钢条焊接而成，并焊接于模型箱底座和模型箱底板上，在侧面的不锈钢条中开
槽；所述钢化玻璃通过硅胶嵌固于侧面的不锈钢条的槽线中；所述卡位钢块焊接于模型箱底
板和模型箱框架上；所述加载系统反力架的断面呈梯形，由两块梯形的钢板、三条横向钢条
和反力架钢板焊接而成，并焊接于模型箱底座上；所述刚性垫块为槽型垫块，焊接于模型箱
底板上，并在其上两侧各焊接一根圆钢条；所述加载系统由上下共两套可独立工作的设备组
成，每套设备由三相变频调速电机、减速机、丝杆升降机和变频器组成，丝杆升降机固定于
反力架钢板，减速机分别和丝杆升降机、三相变频调速电机固定连接；所述丝杆升降机包含
主体和丝杆；所述挡土墙包括移动挡墙和固定边界两块刚性挡墙；所述移动挡墙由移动挡墙
加固肋、移动挡墙铝合金板和移动挡墙尼龙板从模型装置左侧至右侧依次固定连接，移动挡
墙通过固定铰支座连接至加载系统，移动挡墙的两侧面各自粘贴软毛窗刷条并涂抹凡士林；
所述固定边界由固定边界尼龙板、固定边界铝合金板、固定边界加固肋和移动把手从模型装
置左侧至右侧依次固定连接，固定边界的固定边界铝合金板刚好紧靠四角处的四个卡位钢块，
固定边界的两侧面各自粘贴软毛窗刷条；所述移动挡墙尼龙板、固定边界尼龙板按照微型土
压力盒的尺寸预挖孔洞且在与移动挡墙铝合金板、固定边界铝合金板接触面侧挖槽；所述固
定铰支座由铰支座底座、铰支座转动铰、铰支座插销和钢套筒组成；所述铰支座底座由一块
底部水平钢板和两块竖向钢板焊接而成，两块竖向钢板之间能刚好放置铰支座转动铰，且通
过挖孔形成铰支座插销所需的孔洞；所述的铰支座转动铰顶部圆环形、底部螺纹形；所述铰
支座插销为内部攻丝、外部抛光的钢筒，通过弹簧钢螺丝将其固定于铰支座插销的预留孔洞
中；所述钢套筒为内部攻丝的圆钢筒，将丝杆和铰支座转动铰组装连接；所述量测系统包括
微型土压力盒、百分表和数码照相机；所述微型土压力盒总共十六个，分为两组，分别沿着
移动挡墙和固定边界的中线埋设于挡土墙上预留的孔洞中以量测各深度范围内的土压力值，
微型土压力盒信号传输线通过移动挡墙尼龙板、固定边界尼龙板上的槽线引出；所述百分表
利用百分表磁性表座固定，百分表的伸缩杆顶在移动挡墙上，百分表用于移动挡墙位移的量
测，一共设置三个测点，均布置在与丝杆的中心同一水平面上，其中两个布置在下侧的丝杆
的左右侧；所述的百分表磁性表座为轴接式磁力表座，可通过磁化及退磁开关控制表座的磁
性，表座上各轴可在任意位置锁紧；所述数码照相机放置于模型箱侧面正前方并对土体进行
定时拍摄，利用拍摄的照片对土体进行颗粒图像测速技术(PIV)分析，从而得出土体的位移
场。
进一步地，所述卡位钢块总共设置八组，将挡墙间距分为八道，分别为0.2、0.4、0.6、
0.8、1.0、1.5、2.0和2.5倍填土高度。
进一步地，所述加载系统采用变频器控制三相变频调速电机的转速，并通过减速机降低
转速，可控制丝杆的升降速度为0.026-0.125mm/s。
进一步地，所述三相变频调速电机可通过变频器调节其转速和正转/反转；所述减速机的
速比为1:100；所述丝杆升降机的丝杆的有效行程200mm，丝杆只能在水平面内平动而不能
转动，同时将丝杆的端头处理成螺纹形，与固定铰支座连接。
进一步地，所述变频器通过设置从而改变丝杆和移动挡墙的向左/右的移动，进而实现量
测主/被动土压力的目的；分别设置两个变频器不同的频率从而控制移动挡墙的不同移动速度
和不同变位模式；通过变频器上的开关按钮控制电机的转动/停止，进而丝杆和移动挡墙的移
动/静止。
进一步地，所述移动挡墙能沿着刚性垫块上的两根细圆小钢条能顺畅移动，且不发生竖
向位移而仅能在竖直平面内转动。
进一步地，所述移动挡墙尼龙板和固定边界尼龙板的表面可以通过不同处理实现不同墙
土接触面粗糙程度的模拟，通过表面均匀地涂抹凡士林并覆盖塑料薄膜以模拟光滑的墙体表
面，通过表面粘贴透明胶带以模拟半粗糙的墙体表面，通过表面粘贴粗砂纸以模拟粗糙的墙
体表面。
进一步地，所述微型土压力盒的厚度与移动挡墙尼龙板、固定边界尼龙板的厚度相等，
其信号传输线通过挡土墙内的线槽引出，连接到数据采集仪和微型土压力盒供电装置上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中在移动挡墙外侧布置两套由三相变频调速电机、减速机和丝杆升降机组成的
加载装置以实现水平加载，并分别由两个变频器控制调速电机的速度以实现不同的加载速度，
其范围为0.026-0.125mm/s，从而能有效控制挡墙的加载速度和变位模式。且该加载装置能通
过变频器调节调速电机的转动方向进而控制丝杠的升降，控制挡墙的后退或者前进，从而实
现主被动土压力问题。这就解决了利用千斤顶加载时，不易长时间维荷、易在加载中荷载不
断减小、卸载过程难以很好控制和位移的精度等问题。
2、本发明中将土压力盒埋设于尼龙板(板厚与土压力盒厚度一致)内，同时将土压力盒
信号传输线也埋设于尼龙板背面的槽线中，再将尼龙塑料板用螺丝固定于铝合金板上。这样
处理一是可以保证挡墙的表面平整，避免表面不平整而出现的应力集中现象；二是可以保证
土压力盒背面的绝对刚性；三是较传统使用的混凝土墙体来说，同样刚度下厚度可以减小，
利于试验模型的缩小，且挡墙表面为尼龙板便于粘贴砂纸、透明胶带等以处理成不同的粗糙
度。
3、本发明在固定边界(临近挡墙)上也同样埋设土压力盒，用于量测不同变位模式、不
同挡墙位移下临近挡墙上的土压力大小和分布，从而对于之后理论分析模型提供帮助。
附图说明
图1为有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置侧视图；
图2为有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置俯视图；
图3为移动挡墙上挡墙结构图、背部加固图及土压力盒埋设图；
图4为固定边界上挡墙结构图、背部加固图及土压力盒埋设图；
图5为加载装置连接组装及布置图；
图6为固定铰支座连接装配图；
图中：模型箱底座1；模型箱底板2；模型箱框架3；钢化玻璃4；卡位钢块5；加载系统反
力架6；反力架钢板6-1；三相变频调速电机7；减速机8；丝杆升降机9；丝杆9-1；变频器10；
移动挡墙11；移动挡墙铝合金板11-1；移动挡墙尼龙板11-2；移动挡墙加固肋11-3；固定边
界12；固定边界铝合金板12-1；固定边界尼龙板12-2；固定边界加固肋12-3；刚性垫块13；
微型土压力盒14；试验用土15；移动把手16；固定铰支座17；铰支座底座17-1；铰支座转动
铰17-2；铰支座插销17-3；钢套筒17-4；百分表18；百分表磁性表座19；软毛窗刷条20。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，本发明有限土体刚性挡墙土压力模型试验装置，包括模型箱、加载系
统、挡土墙和量测系统四个部分。
所述模型箱，由模型箱底座1、模型箱底板2、模型箱框架3、钢化玻璃4、卡位钢块5、
加载系统反力架6和刚性垫块13组成；所述模型箱底座1由10#工字钢焊接而成，一是作为
模型箱的底座承受上部荷载并传递给模型箱所在的地面，二是定位并固定上部构件；所述模
型箱底板2由3mm厚不锈钢板四周点焊于模型箱底座1上，承受挡土墙及试验用土15的荷
载，另表面做得尽量粗糙，保证试验用土15与模型箱底板2之间具有足够的摩擦，避免土体
与模型箱底板2之间发生滑动；所述模型箱框架3由高强度不锈钢条焊接而成，并焊接于模
型箱底座1和模型箱底板2上，在侧面的不锈钢条中开槽；所述钢化玻璃4为20mm厚，通
过硅胶嵌固于侧面的不锈钢条的槽线中；所述卡位钢块5为5mm(长)×4mm(宽)×3mm
(高)的不锈钢钢块，焊接于模型箱底板2和模型箱框架3上，其作用为限定固定边界的位
置，使挡墙间填土的宽度为设定值(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0和2.5倍填土高度)，
应保证焊接的牢固以防止在测量被动土压力时由于受力过大而卡位钢块5固定不牢；所述加
载系统反力架6的断面呈梯形，由两块梯形的钢板、三条横向钢条和反力架钢板6-1焊接而
成，并焊接于模型箱底座1上，其作为加载系统提供可靠的反力；所述反力架钢板6-1采用
5mm厚钢板制成，其上能有效固定加载系统的各个装置；所述刚性垫块13采用不锈钢板折
叠成槽型垫块，高为10cm，其焊接于模型箱底板2上，并在其上两侧各焊接一根细圆小钢条，
并对其进行润滑处理，从而尽量减小挡墙在上面移动时所受的摩擦力。
所述加载系统，由上下共两套可独立工作的设备组成，每套设备由三相变频调速电机7、
减速机8、丝杆升降机9和变频器10组成，丝杆升降机9通过四颗高强螺丝固定于反力架钢
板6-1上，丝杆升降机9和减速机8通过四颗高强螺丝固定连接，减速机8和三相变频调速
电机7通过四颗高强螺丝固定连接，两套加载装置的连接组装及布置图如图5所示；所述三
相变频调速电机7的额定功率为3KW，转速2000r/min，并可通过变频器10调节其转速和正
转/反转；所述减速机8的速比为1:100；所述丝杆升降机9包含主体和丝杆9-1，丝杆9-1的
直径58mm、有效行程200mm，能满足移动挡墙11移动距离所需，丝杆9-1需处理成只能在
水平面内平动而不能转动，同时将丝杆9-1的端头处理成M18mm(直径)×1.5mm(螺纹间
距)的螺纹，以便于与固定铰支座17连接；所述加载系统可分别通过设置变频器10不同的
值从而改变丝杆9-1的向左/右的不同移动速度，从而实现挡墙的不同移动速度和不同变位模
式，也可通过变频器上的开关按钮控制电机的转动/停止，进而丝杆9-1和移动挡墙11的移动
/静止。所述加载系统采用变频器10控制三相变频调速电机7较低的转速，并通过减速机8
较大的速比，使得本系统能有较慢的加载速度和较大的加载力，可控制丝杆9-1的升降速度
为0.026-0.125mm/s，经研究表明若控制移动挡墙11的移动速度较低时能有效减小移动挡墙
11与模型箱侧壁之间的摩擦力，同时也能精确控制移动挡墙11位移和变位模式。
如图3、图4所示，所述挡土墙，包括移动挡墙11和固定边界12两块刚性挡墙；所述移
动挡墙11，由移动挡墙铝合金板11-1、移动挡墙尼龙板11-2和移动挡墙加固肋11-3组成，
其通过螺丝固定连接，其背面通过螺丝固定着铰支座底座17-1，移动挡墙11通过固定铰支座
17连接至加载系统，移动挡墙11的两侧面各自粘贴软毛窗刷条20并涂抹凡士林，以对其与
模型箱的正面和背面的钢化玻璃之间的缝隙进行密封和润滑，移动挡墙11沿着刚性垫块13
上的两根细圆小钢条能顺畅移动；所述固定边界12，由固定边界铝合金板12-1、固定边界尼
龙板12-2、固定边界加固肋12-3和移动把手16组成，通过螺丝固定连接，固定边界12上的
固定边界铝合金板12-1刚好紧靠四角处的四个卡位钢块5，固定边界12的两侧面各自粘贴软
毛窗刷条20，以对其与模型箱的正面和背面的钢化玻璃之间的缝隙进行密封。所述移动挡墙
尼龙板11-2、固定边界尼龙板12-2按照微型土压力盒14的尺寸预挖孔洞且在与移动挡墙铝
合金板11-1、固定边界铝合金板12-1接触面侧挖槽留出微型土压力盒14信号传输线的位置，
各挡土墙上均在填土深度范围内沿着挡土墙中线两侧布置了八个微型土压力盒14以量测各
深度范围内的土压力值，微型土压力盒14的布置如图3、4所示；所述移动挡墙尼龙板11-2、
固定边界尼龙板12-2的表面可以通过不同处理实现不同墙土接触面粗糙程度的模拟，通过表
面均匀地涂抹一层一定厚度的凡士林并覆盖塑料薄膜以模拟光滑的墙体表面，通过表面粘贴
透明胶带以模拟半粗糙的墙体表面，通过表面粘贴粗砂纸以模拟粗糙的墙体表面。所述移动
挡墙加固肋11-3和固定边界加固肋12-3的布置形式如图3、4所示；所述固定铰支座17，由
铰支座底座17-1、铰支座转动铰17-2、铰支座插销17-3和钢套筒17-4组成，其作用为连接
加载系统的丝杆9-1和移动挡墙11，并且使移动挡墙11不发生竖向位移而仅能在竖直平面内
转动，其连接装配图如图6所示；所述铰支座底座17-1采用由一块底部水平钢板和两块竖向
钢板焊接而成，两块竖向钢板之间能刚好放置铰支座转动铰17-2，且挖孔形成铰支座插销17-3
所需的孔洞；所述的铰支座转动铰17-2为顶部圆环形、底部为M18mm(直径)×1.5mm(螺
纹间距)的螺纹；所述铰支座插销17-3为内部攻丝、外部抛光的不锈钢钢筒，通过弹簧钢螺
丝将其固定于铰支座插销17-3的预留孔洞中；所述钢套筒17-4为内部攻丝形成M18mm(直
径)×1.5mm(螺纹间距)的螺纹的圆钢筒，其作用为连接丝杆9-1和铰支座转动铰17-2。
所述量测系统包括微型土压力盒14、百分表18和数码照相机；所述微型土压力盒14(以
被动土压力问题为例，主动土压力问题量程应减小)，量程为200kPa、尺寸为Ф30mm(直径)
×16mm(厚度)、精度为0.25％，总共十六个，分为两组，分别沿着移动挡墙11和固定边界
12的中线埋设于挡土墙上预留的孔洞中以量测各深度范围内的土压力值，微型土压力盒14
的厚度刚好移动挡墙尼龙板11-2、固定边界12-2尼龙板的厚度相等，微型土压力盒14信号
传输线通过移动挡墙尼龙板11-2、固定边界尼龙板12-2上的槽线引出，连接到数据采集仪和
微型土压力盒14供电装置上，这样处理也保证了土压力盒表面与挡土墙表面齐平，从而避免
应力集中；所述百分表18，量程为50mm，精度为0.01mm，用于移动挡墙11位移的量测，
利用百分表磁性表座19固定，百分表18的伸缩杆顶在移动挡墙11上，随着加载系统的加荷，
挡土墙发生变位，百分表就能同步测出挡土墙位移，为准确控制移动挡墙11的位移和变位模
式，一共设置三个测点，均布置在与丝杆9-1的中心同一水平面上，其中2个布置在下侧的
丝杆9-1的左右侧，校核移动挡墙11移动时是否发生偏位；所述的百分表磁性表座19为轴
接式磁力表座，可通过磁化及退磁开关控制表座的磁性从而吸附在反力架钢板6-1上，表座
上各轴可在任意位置锁紧，从而便于百分表的定位和固定；所述数码照相机，放置于模型箱
侧面正前方并对土体进行定时拍摄，利用拍摄的照片对土体进行颗粒图像测速技术(PIV)分
析，从而得出土体的位移场。
本发明的工作过程如下：首先将移动挡墙11上移动挡墙尼龙板11-2和固定边界12上固
定边界尼龙板12-2的表面进行一定的处理以实现不同墙土接触面，将微型土压力盒14按照
要求埋设于移动挡墙尼龙板11-2、固定边界尼龙板12-2预留孔洞中，其信号传输线通过移动
挡墙尼龙板11-2、固定边界尼龙板12-2内的槽线引出并连接到数据采集仪和微型土压力盒14
供电装置上，而后将移动挡墙11和固定边界12通过螺丝连接组装好，在移动挡墙11和固定
边界12的侧面粘贴软毛窗刷条20；将移动挡墙11放置于模型箱内刚性垫块13上，利用铰
支座插销17-3将移动挡墙11和加载系统的丝杆9-1连接成整体，在移动挡墙11侧面软毛窗
刷条20上涂抹凡士林并覆盖上一层塑料薄膜；将固定边界12放置于指定的卡位钢块5上并
用胶带临时固定，从而使挡墙间填土的宽度满足拟定要求；按图1、2中所示的位置利用百分
表磁性表座19安装好三个百分表18，百分表18表头顶在移动挡墙11指定位置处，调整使
百分表18水平并读数清零；利用数据采集仪采集记录大气压下微型土压力盒14的初始读数；
填筑试验用土15，使其高度达到试验要求高度并表面抹平，利用数据采集仪采集记录静止状
态下微型土压力盒14的读数；静置24小时后开始进行土压力试验；将数码照相机置于模型
箱正前方，调节相机参数，设置数码照相机间隔20s自动拍摄一张照片；接通加载装置的电
源，设定变频器10的参数以满足试验要求的挡墙移动方向和速度和挡墙变位；启动加载装置
使移动挡墙11缓慢移动，并同时触发数码相机；将移动挡墙11移动距离分为若干级很小的
位移量，观测百分表18的读数，当移动挡墙11达到每一级位移量时，停止加载装置，利用
数据采集仪采集记录该级位移下微型土压力盒14的读数；数据读取完成后继续下一级位移移
动，直至达到试验要求的位移量为止；最后分析数据采集仪采集记录的各级位移下微型土压
力盒14的读数和数码照相机拍摄的照片。
试验用土若采用砂土宜采用砂雨法浇制试验土样，通过控制落砂装置筛孔网片与模型场
地表面的距离来控制模型地基的密实度。
设置变频器10来改变丝杆9-1和移动挡墙11的向左/右的移动，进而实现量测主/被动土
压力的目的；控制固定边界12的位置进而控制有限土体的填土宽度；记录微型土压力盒14
的读数从而得出非极限状态下的土压力；控制分别设置两个变频器10不同的频率从而控制移
动挡墙11的不同变位模式。
通过分析数据采集仪采集记录的各级位移下微型土压力盒14的读数，并采用土压力盒标
定曲线进行压力转换，从而得出各级位移下的土压力沿深度的分布；通过对数码照相机拍摄
的所拍摄的照片进行PIV图像分析，得出土体的位移场，从而得知真实的滑裂面所在并能进
行合理的理论分析。