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间隔式履带与土壤相互作用模型的建立与试验验(2)

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摘要：

联立方程(29)、(30)即可求得P。

1.3.2　求解水平作用力N1

根据文献[9]，引入静止侧压力系数k1计算N1，则

1.3.3　求解附加作用力N2

扩展区域两侧土楔对称，以其中与平面CEF和平面CFG相接触的一侧土楔为例，计算其附加作用力，扩展区域一侧与土楔三维模型如图10所示。为方便计算，将上述土楔拆分，其中带有CEF面的土楔命名为土楔1，带有CFG面的土楔命名为土楔2，其拆分的三维模型如图11所示。因此，扩展区域在

图10　扩展区域一侧土楔三维模型

图11　拆分的三维模型

为了便于计算，假设2个土楔相互独立，只考虑其与周围填土和中心区域水平力的相互作用。

1)求解Na1。对土楔1进行受力分析，如图12所示。图中：Ca1为曲面FGJ受周围填土的内聚力；Ra1为曲面FGJ受周围填土的反力；Ga1为土楔1所受重力。

图12　土楔1受力分析

由文献[10]可知图12宜采用角度积分分析。对任意角度位置单元体进行力平衡分析，在水平方向上，有

联立方程式(33)、(34)可求得Na1。

2)求解Na2。在土楔相互独立、忽略2个土楔之间相互作用力的假设前提下，对于土楔2，与周围填土作用面只有曲面EFJ。土楔2受力分析如图13所示。其中：Ca2为曲面EFJ受周围填土的内聚力；Ra2为曲面EFJ受周围填土的反力；Ga2为土楔2所受重力。

图13　土楔2受力分析

对任意单元体进行分析，有

对任意位置单元体进行力平衡分析，在水平方向上,有

联立方程(35)-(37)求得Na2,进而得到N2。

为验证履带板与土壤相互作用三维模型的合理性，采用剪式千斤顶平稳加载、拉压传感器直接推动所压入土壤的履带板方式进行试验，对所建立的间隔式履带板最大牵引力模型进行验证。

2.1　试验材料

试验器材：剪式千斤顶，拉压传感器，L型履带板，配重砝码，千斤顶支撑架，钢尺，土壤，铁铲，天平，应变控制式直剪仪，圆锥指数仪，刮刀，喷水壶。履带板尺寸：宽为16 cm，节距为10 cm，履刺高为6 cm。由于履刺厚度较小，且端面为圆角，故忽略履刺厚度。

2.2　试验步骤

1)平整压实土壤，平整范围能够保证可进行2次试验。按照文献[11]中提到的要求，测量10 cm深土壤圆锥指数，然后利用环刀取4处土壤样本，先测量质量并计算密度，再按照土力学中直剪试验规程进行非固结快剪试验[12]，绘制剪切强度与压应力曲线，拟合得到土壤内聚力和内摩擦角。

2)将L型履带板垂直压入土壤，并添加配重砝码，待履带板稳定之后，用钢尺测量其沉陷量z值。

3)用铁铲刨去L型履带板背侧土壤，将支撑架、带有拉压传感器的剪式千斤顶置于所整理的区域内并调整好位置固定，如图14所示。

图14　试验方法示意图

4) 缓慢旋转剪式千斤顶螺纹杆，逐渐推动L型履带板，利用拉压传感器数字显示终端观察力的变化，当土壤破坏时，显示终端力的示数即为土壤完全破坏时提供给履带板的最大推力。

5) 以同样的布置方式测量普通履带下单块履带板的牵引力，参照文献[13]方法，如图15所示，测得此时土壤提供给履带板的最大推力F2。

图15　文献[13]试验方法示意图

6) 重复上述试验步骤，以第1次所测圆锥指数为标准，调整土壤每次的压实程度，进行3次试验。

7) 利用喷洒不同水量的方式改变土壤参数，重复上述试验步骤。

2.3　试验数据处理及结果分析

利用直剪仪测得剪切强度和压应力关系，并利用最小二乘法进行拟合，土壤1剪切强度分压应力关系如图16所示。

由剪切强度与压应力关系τ=ξ+σtanφ,可以

图16　土壤1剪切强度与压应力关系

采用相同条件下间隔式履带板与普通履带板最大推力比值j为对比分析的变量。分别对3种土壤进行试验，具体参数见表1，在2种载重条件下对最大推力值进行测量，其试验数据见表2-4，其中:载重1为垂直载荷w=0.12 kN,P=8 kPa；载重2为w=0.26 kN,P=17.3 kPa;CI为圆锥指数。每组试验中的j取均值，与理论值进行对比，结果如表5所示。

由表2-4可见：1)试验的数据波动较大，主要是因为土壤参数无法准确控制，土壤内部性质不均匀且随着时间和处理次数发生变化，同时加载过程的不稳定、配重随着剪切位移的偏斜都将对试验结果产生影响；2)比值j>1，证明因为土壤内部性质较为接近的情况下，间隔式履带板能够提供比普通履带板更大的牵引力;3)随着水分含量的降低，2种履带板的最大牵引力都有所下降，但下降趋势不同，这就导致了比值j的增加。由表5可见：虽然试验值与理论值相差较大，但是变化趋势与理论值相同，其最大误差为10.03%，证明履带板最大牵引力三维模型在预测牵引力性能方面的效果较好。

文章来源：《土壤》网址: http://www.trqks.cn/qikandaodu/2021/0717/1425.html