專利名稱：一種模擬長板-短樁工法離心模型及其試驗(yàn)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木工程領(lǐng)域，涉及一種模擬長板-短樁工法離心模型及其試驗(yàn)裝置和方法。
背景技術(shù)：
高速公路是大型線狀構(gòu)筑物，對工后沉降和不同路段的沉降差有比較嚴(yán)格的要求。高速公路一般會跨越不同的地貌單元，沿線將遇到各種各樣的地基條件，在長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)和我國其他沿海一帶廣泛發(fā)育深厚的軟土地層。由于路提高、荷載大，這些深厚軟土地基的加固處理是目前軟土地區(qū)公路或高速公路建設(shè)中的技術(shù)難點(diǎn)之一。為此，葉觀寶等提出了采用長的塑料排水板與短的水泥土攪拌樁聯(lián)合處理的方法(簡稱長板-短樁工法)(圖1)，用以加固高速公路深厚軟土地基。該工法發(fā)揮了預(yù)壓排水固結(jié)法和水泥土攪拌樁法兩者的優(yōu)點(diǎn)短樁增加了淺部地基土的承載力，豎向排水體加快了深部土體的排水固結(jié)，適用于填方路提下軟土層厚度大于IOm的深厚淤泥、淤泥質(zhì)土及沖填土等飽和黏性土的地基處理。該工法在工程應(yīng)用中取得很好的處理效果，但由于現(xiàn)場試驗(yàn)中不確定因素較多，很難對其力學(xué)性能和加固機(jī)理做深入研究，為彌補(bǔ)理論分析的局限性，對于重要工程，需要結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)(離心模型試驗(yàn))進(jìn)行分析，其中的關(guān)鍵技術(shù)是如何模擬長板-短樁路基、路提荷載施工過程，而本發(fā)明旨在解決這一關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種模擬長板-短樁工法離心模型及其試驗(yàn)裝置和方法， 試驗(yàn)過程中可以測量指定截面處位移、樁土壓力、孔隙水壓力、位移、樁身應(yīng)變，并根據(jù)樁的變形和荷載的關(guān)系，確定樁身的荷載分布模式。為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種模擬長板-短樁工法離心模型，其包括箱體、模擬路基和模擬排水板，水泥攪拌樁模型采用PVC管作為模具制作，箱體內(nèi)裝入土體制得模擬路基，采用毛線作為模擬排水板，垂直送入土體內(nèi)，到達(dá)土體指定深度處。所述箱體的左右兩側(cè)、底側(cè)和后側(cè)為鋼板，前側(cè)設(shè)置有鋼化玻璃。所述水泥攪拌樁模型采用PVC作為模具，水泥土漿分三層裝入模具，每次裝料 1/3。所述模擬路基上設(shè)有塑料薄膜。一種模擬長板-短樁工法離心模型試驗(yàn)裝置，其包括模擬長板-短樁工法離心模型、動態(tài)分級加載裝置和量測系統(tǒng)，動態(tài)分級加載裝置包括載荷板、液壓千斤頂，其通過載荷板，利用液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)離心模型試驗(yàn)中的動態(tài)分級加載，由量測系統(tǒng)測出各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所述量測系統(tǒng)包括差動式位移計(jì)、測力傳感器、孔壓傳感器、土壓傳感器和應(yīng)變片。
所述載荷板采用工程塑料板，其上設(shè)有肋板，板內(nèi)植入兩個不銹鋼細(xì)棒。一種模擬長板-短樁工法離心模型試驗(yàn)方法，其包括以下步驟(1)用PVC管制作水泥攪拌樁模型并養(yǎng)護(hù)觀天；(2)在試驗(yàn)箱中分層填入地基土，并在試驗(yàn)深度放置標(biāo)記點(diǎn)、孔壓傳感器；(3)地基土填好后，在離心機(jī)上預(yù)轉(zhuǎn)規(guī)定時(shí)間，使地基土完成自重固結(jié)；(4)將應(yīng)變片貼在攪拌樁模型上，并將攪拌樁模型和粗毛線裝入地基土中；(5)在地基土表面放置土壓傳感器和載荷板，并將差動式位移計(jì)、測力傳感器固定在固定支架上，用螺栓固定，安裝好千斤頂，并將導(dǎo)線接入計(jì)算機(jī)；(6)開啟離心機(jī)至規(guī)定加速度，開啟千斤頂油閥，根據(jù)測力傳感器量測值模擬路提分級荷載，同時(shí)計(jì)算機(jī)自動記錄試驗(yàn)測量值，達(dá)到規(guī)定時(shí)間，關(guān)閉離心機(jī)，試驗(yàn)完畢。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明突破了現(xiàn)有試驗(yàn)裝置對土體側(cè)移和樁軸向荷載耦合作用的限制，能夠合理的對軸向受荷樁承受不同土體側(cè)移模式的承載特性進(jìn)行研究，并能夠得到土體作用在樁身表面的土體內(nèi)部的位移模式。


圖1為長板-短樁工法模型示意圖，其中，(a)為平面圖(b)為剖面圖。圖2為毛線模擬效果對比曲線。圖3為模擬長板-短樁工法離心模型試驗(yàn)箱示意圖。圖4為量測系統(tǒng)斷面圖。圖5為實(shí)施方式效果圖，其中，(a)為路基中心沉降-時(shí)間曲線；(b)為路基不均勻沉降對比；(c)為加固區(qū)孔隙水壓力-時(shí)間對數(shù)曲線；(d)為固結(jié)區(qū)孔隙水壓力-時(shí)間對數(shù)曲線。圖1中，1為水泥攪拌樁；2為塑料排水板。圖3中，3為試驗(yàn)箱；4為有機(jī)玻璃板。圖4中，5為千斤頂；6為CW-30差動式位移計(jì)；7為固定支架；8為測力傳感器；9 為工程塑料板；10為應(yīng)變片；11為土壓傳感器；12為孔壓傳感器；13為地基土 ；14為粗毛線；15為水泥攪拌樁模型。
具體實(shí)施例方式在長板一短樁工法復(fù)合地基中，從高速公路建設(shè)成本及軟土地基加固效果等方面進(jìn)行比較，影響較大的參數(shù)為水泥土攪拌樁的樁長及樁徑。本次模型方案設(shè)計(jì)，主要以改變水泥土攪拌樁樁長L、樁間距S為基礎(chǔ)進(jìn)行相互比較，并與單獨(dú)使用水泥土攪拌樁復(fù)合地基和單獨(dú)使用塑料排水板的排水固結(jié)法進(jìn)行地基處理的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比、分析，研究長板一短樁工法的加固機(jī)理。一種模擬長板-短樁工法離心模型試驗(yàn)方法，該試驗(yàn)方法的裝置包括所述的長板短樁工法離心模型路基模擬材料，動態(tài)分級加載裝置和量測系統(tǒng)。1)水泥土攪拌樁的模擬攪拌樁模型15制樁模具為PVC管。在模具內(nèi)壁先涂上一層脫模劑，將水泥土漿分三層裝入PVC管，每次裝料1/3。每層插搗時(shí)按螺旋方向從邊緣向中心均勻進(jìn)行，同時(shí)進(jìn)行振動，直至表面上沒有氣泡出現(xiàn)為止。蓋上塑料薄膜，防止水分蒸發(fā)過快。2)塑料排水板的模擬采用粗毛線14來等效模擬塑料排水板。模型地基土在離心機(jī)中運(yùn)行至自重固結(jié)完成后，開始布設(shè)豎向排水體的工序。將板位圖鋪設(shè)于模型箱內(nèi)，用工具將毛線垂直送入土體內(nèi)，到達(dá)土體指定深度處。①滲透系數(shù)測定方法選用一種毛線，首先需要測定其滲透系數(shù)，然后才能從試驗(yàn)結(jié)果對毛線14模擬塑料排水板的效果進(jìn)行反分析。在測量毛線14的滲透系數(shù)時(shí)，取一整塊石蠟，將其融化后把環(huán)刀平整置于液態(tài)石蠟中，待其凝固后進(jìn)行切削，取得石蠟的環(huán)刀樣。利用鋼針把兩股毛線 14從環(huán)刀內(nèi)穿過石蠟，剪去兩頭多余的部分，進(jìn)行滲透試驗(yàn)。在此條件下，相對于毛線14而言，認(rèn)為石蠟為不透水材料，則水流只能從這兩股毛線14中通過，由此可測得該毛線14的滲透系數(shù)。②塑料排水板模擬依據(jù)塑料排水板的尺寸一般寬100mm，厚4mm，在離心模型試驗(yàn)中顯然無法按照相似比 η將原型縮小η倍來制作模型。在采用塑料排水板處理軟土地基時(shí)，起控制作用的物理量為滲透系數(shù)或通水量。由于排水量與多種因素有關(guān)，難以測定，故以滲透系數(shù)作為控制因素對毛線14的相似條件進(jìn)行推導(dǎo)。類似于上節(jié)水泥土樁模擬依據(jù)，可根據(jù)Biot基本方程對滲透系數(shù)的相似常數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。不難發(fā)現(xiàn)，滲透系數(shù)相似常數(shù)并不能單獨(dú)得出相似依據(jù)，而是與其他指標(biāo)共同形成相似指標(biāo)，如下式式中，Ck為滲透系數(shù)相似常數(shù)；Ct為時(shí)間相似常數(shù)；CP應(yīng)力相似常數(shù)；eA,為密度相似常數(shù)；cg為加速度相似常數(shù)；cu為位移相似常數(shù)A為長度相似常數(shù)。在離心模型試驗(yàn)中，由于應(yīng)力水平相關(guān)性，可知應(yīng)力相似常數(shù)Cp = 1 ；模型土的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)與原型相同，可知密度相似常數(shù)Cp = 1。根據(jù)Biot固結(jié)方程中其他相似條件，可以推導(dǎo)C1Cg = 1(2)在離心模型試驗(yàn)中，為滿足式O)的相似條件，采用的選擇是
C1
Cif =n
(3)式(3)表現(xiàn)為離心模型試驗(yàn)的基本特征，即模型幾何尺寸縮小為原型的卩同時(shí)提
高離心慣性力場的離心加速度為重力加速度的η倍。由幾何方程可知，變形常數(shù)Cu = η ；由多孔介質(zhì)滲流方程，可知滲流時(shí)間相似常數(shù) Ci = 1/η2。根據(jù)以上結(jié)論，聯(lián)合式( 相似條件，可以推導(dǎo)滲透系數(shù)相似常數(shù)Ck= 1。由此可知，模型滲透系數(shù)與原型滲透系數(shù)相同即可。③毛線模擬效果論證
以平均固結(jié)度的概念為基礎(chǔ)，從模型試驗(yàn)及理論計(jì)算兩方面對某種毛線14模擬塑料排水板的效果進(jìn)行研究。由圖4可以看出，在高速公路運(yùn)營初期，理論值略高于實(shí)測值，其值相差最大為3. 56%;在運(yùn)營740d時(shí)，理論值與實(shí)測值相同；在740d后，實(shí)測值略高于計(jì)算值，其最終結(jié)果相差約2.6%。由此可見，粗毛紡線模擬塑料排水板的效果良好。因此，在離心模型試驗(yàn)中，用此粗毛紡線模擬塑料排水板是完全可行的。3)分級加載模擬本發(fā)明提出將部分模型路提制作完成后放置于路基上面，通過載荷板，利用液壓千斤頂5實(shí)現(xiàn)離心模型試驗(yàn)中的動態(tài)分級加載。由于液壓千斤頂5只能提供一個集中力，而路提荷載為條形荷載，在大比尺模型試驗(yàn)中可視為均布荷載。要把一個集中荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載，必須要一個有很大剛度和一定面積的轉(zhuǎn)換介質(zhì)。本發(fā)明選用工程塑料板9作為原料，制作加工一面積與路提頂面面積相同的載荷板，在工程塑料上表面加-肋板，在肋板內(nèi)沿路提橫向植入兩個不銹鋼細(xì)棒，以保證其剛度。通過該載荷板，可將液壓千斤頂5的壓力均勻傳遞至下部預(yù)鋪設(shè)的模型路提。4)量測系統(tǒng)試驗(yàn)過程中可以測量指定截面處位移、樁土壓力、孔隙水壓力、位移、樁身應(yīng)變， 并根據(jù)樁的變形和荷載的關(guān)系，確定樁身的荷載分布模式。量測設(shè)備包括CW-30差動式位移計(jì)6、XH33型測力傳感器8、KYB3I08型孔壓傳感器12、TYB5I08型土壓傳感器11和 BX120-2BA型應(yīng)變片10。實(shí)施步驟如下(1)用PVC管制作水泥攪拌樁模型15并養(yǎng)護(hù)28天；(2)在試驗(yàn)箱中分層填入地基土 13，并在試驗(yàn)深度放置標(biāo)記點(diǎn)、KYB3I08型孔壓傳感器12 ；(3)地基土填好后，在離心機(jī)上預(yù)轉(zhuǎn)規(guī)定時(shí)間，使地基土完成自重固結(jié)；(4)將BX120-2BA型應(yīng)變片10貼在攪拌樁模型15上，并將攪拌樁模型15和粗毛線14裝入地基土中13 ；(5)在地基土表面放置 Β5Ι08型土壓傳感器11和工程塑料板9，并將CW-30差動式位移計(jì)6、XH33型測力傳感器8固定在固定支架7上，用螺栓固定，安裝好千斤頂5，并將導(dǎo)線接入計(jì)算機(jī)；(6)開啟離心機(jī)至規(guī)定加速度，開啟千斤頂5油閥，根據(jù)XH33型測力傳感器8量測值模擬路提分級荷載，同時(shí)計(jì)算機(jī)自動記錄試驗(yàn)測量值。達(dá)到規(guī)定時(shí)間，關(guān)閉離心機(jī)，試驗(yàn)完畢。表1長板-短樁工法離心模型處理方案
權(quán)利要求
1.一種模擬長板-短樁工法離心模型，其特征在于其包括箱體、模擬路基和模擬排水板，水泥攪拌樁模型采用PVC管作為模具制作，箱體內(nèi)裝入土體制得模擬路基，采用毛線作為模擬排水板，垂直送入土體內(nèi)，到達(dá)土體指定深度處。
2.如權(quán)利要求1所述的模擬長板-短樁工法離心模型，其特征在于所述箱體的左右兩側(cè)、底側(cè)和后側(cè)為鋼板，前側(cè)設(shè)置有鋼化玻璃。
3.如權(quán)利要求1所述的模擬長板-短樁工法離心模型，其特征在于所述水泥攪拌樁模型采用PVC作為模具，水泥土漿分三層裝入模具，每次裝料1/3。
4.如權(quán)利要求1所述的模擬長板-短樁工法離心模型，其特征在于所述模擬路基上設(shè)有塑料薄膜。
5.采用權(quán)利要求1所述的模擬長板-短樁工法離心模型的試驗(yàn)裝置，其特征在于其包括模擬長板-短樁工法離心模型、動態(tài)分級加載裝置和量測系統(tǒng)，動態(tài)分級加載裝置包括載荷板、液壓千斤頂，其通過載荷板，利用液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)離心模型試驗(yàn)中的動態(tài)分級加載，由量測系統(tǒng)測出各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求5所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述量測系統(tǒng)包括差動式位移計(jì)、測力傳感器、孔壓傳感器、土壓傳感器和應(yīng)變片。
7.如權(quán)利要求5所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于所述載荷板采用工程塑料板，其上設(shè)有肋板，板內(nèi)植入兩個不銹鋼細(xì)棒。
8.采用權(quán)利要求5所述的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于其包括以下步驟(1)用PVC管制作水泥攪拌樁模型并養(yǎng)護(hù)觀天；(2)在試驗(yàn)箱中分層填入地基土，并在試驗(yàn)深度放置標(biāo)記點(diǎn)、孔壓傳感器；(3)地基土填好后，在離心機(jī)上預(yù)轉(zhuǎn)規(guī)定時(shí)間，使地基土完成自重固結(jié)；(4)將應(yīng)變片貼在攪拌樁模型上，并將攪拌樁模型和粗毛線裝入地基土中；(5)在地基土表面放置土壓傳感器和載荷板，并將差動式位移計(jì)、測力傳感器固定在固定支架上，用螺栓固定，安裝好千斤頂，并將導(dǎo)線接入計(jì)算機(jī)；(6)開啟離心機(jī)至規(guī)定加速度，開啟千斤頂油閥，根據(jù)測力傳感器量測值模擬路提分級荷載，同時(shí)計(jì)算機(jī)自動記錄試驗(yàn)測量值，達(dá)到規(guī)定時(shí)間，關(guān)閉離心機(jī)，試驗(yàn)完畢。
全文摘要
本發(fā)明一種模擬長板-短樁工法離心模型及其試驗(yàn)裝置和方法，離心模型包括箱體、模擬路基和模擬排水板，其采用PVC管制作水泥攪拌樁模型，并在箱體內(nèi)分多次澆入水泥土漿制得模擬路基；其采用毛線作為模擬排水板，垂直送入土體內(nèi)，到達(dá)土體指定深度處。試驗(yàn)裝置通過載荷板，利用液壓千斤頂實(shí)現(xiàn)離心模型試驗(yàn)中的動態(tài)分級加載，由量測系統(tǒng)測出各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明能夠合理的對軸向受荷樁承受不同土體側(cè)移模式的承載特性進(jìn)行研究，并能夠得到土體作用在樁身表面的土體內(nèi)部的位移模式，彌補(bǔ)了理論分析的局限性，解決了如何模擬長板-短樁路基、路堤荷載施工過程這一關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號E02D33/00GK102312449SQ20101021776
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者葉觀寶, 張振, 萇紅濤, 邢皓楓, 黃茂松 申請人:同濟(jì)大學(xué)