CN102312449A - 一种模拟长板-短桩工法离心模型及其试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种模拟长板-短桩工法离心模型及其试验装置和方法，离心模型包括箱体、模拟路基和模拟排水板，其采用PVC管制作水泥搅拌桩模型，并在箱体内分多次浇入水泥土浆制得模拟路基；其采用毛线作为模拟排水板，垂直送入土体内，到达土体指定深度处。试验装置通过载荷板，利用液压千斤顶实现离心模型试验中的动态分级加载，由量测系统测出各项试验数据。本发明能够合理的对轴向受荷桩承受不同土体侧移模式的承载特性进行研究，并能够得到土体作用在桩身表面的土体内部的位移模式，弥补了理论分析的局限性，解决了如何模拟长板-短桩路基、路堤荷载施工过程这一关键技术。

Description

一种模拟长板-短桩工法离心模型及其试验装置和方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，涉及一种模拟长板-短桩工法离心模型及其试验装置和方法。

背景技术

高速公路是大型线状构筑物，对工后沉降和不同路段的沉降差有比较严格的要求。高速公路一般会跨越不同的地貌单元，沿线将遇到各种各样的地基条件，在长江三角洲和珠江三角洲地区和我国其他沿海一带广泛发育深厚的软土地层。由于路堤高、荷载大，这些深厚软土地基的加固处理是目前软土地区公路或高速公路建设中的技术难点之一。为此，叶观宝等提出了采用长的塑料排水板与短的水泥土搅拌桩联合处理的方法(简称长板-短桩工法)(图1)，用以加固高速公路深厚软土地基。该工法发挥了预压排水固结法和水泥土搅拌桩法两者的优点：短桩增加了浅部地基土的承载力，竖向排水体加快了深部土体的排水固结，适用于填方路堤下软土层厚度大于10m的深厚淤泥、淤泥质土及冲填土等饱和黏性土的地基处理。该工法在工程应用中取得很好的处理效果，但由于现场试验中不确定因素较多，很难对其力学性能和加固机理做深入研究，为弥补理论分析的局限性，对于重要工程，需要结合室内模型试验(离心模型试验)进行分析，其中的关键技术是如何模拟长板-短桩路基、路堤荷载施工过程，而本发明旨在解决这一关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟长板-短桩工法离心模型及其试验装置和方法，试验过程中可以测量指定截面处位移、桩土压力、孔隙水压力、位移、桩身应变，并根据桩的变形和荷载的关系，确定桩身的荷载分布模式。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟长板-短桩工法离心模型，其包括箱体、模拟路基和模拟排水板，水泥搅拌桩模型采用PVC管作为模具制作，箱体内装入土体制得模拟路基，采用毛线作为模拟排水板，垂直送入土体内，到达土体指定深度处。

所述箱体的左右两侧、底侧和后侧为钢板，前侧设置有钢化玻璃。

所述水泥搅拌桩模型采用PVC作为模具，水泥土浆分三层装入模具，每次装料1/3。

所述模拟路基上设有塑料薄膜。

一种模拟长板-短桩工法离心模型试验装置，其包括模拟长板-短桩工法离心模型、动态分级加载装置和量测系统，动态分级加载装置包括载荷板、液压千斤顶，其通过载荷板，利用液压千斤顶实现离心模型试验中的动态分级加载，由量测系统测出各项试验数据。

所述量测系统包括差动式位移计、测力传感器、孔压传感器、土压传感器和应变片。

所述载荷板采用工程塑料板，其上设有肋板，板内植入两个不锈钢细棒。

一种模拟长板-短桩工法离心模型试验方法，其包括以下步骤：

(1)用PVC管制作水泥搅拌桩模型并养护28天；

(2)在试验箱中分层填入地基土，并在试验深度放置标记点、孔压传感器；

(3)地基土填好后，在离心机上预转规定时间，使地基土完成自重固结；

(4)将应变片贴在搅拌桩模型上，并将搅拌桩模型和粗毛线装入地基土中；

(5)在地基土表面放置土压传感器和载荷板，并将差动式位移计、测力传感器固定在固定支架上，用螺栓固定，安装好千斤顶，并将导线接入计算机；

(6)开启离心机至规定加速度，开启千斤顶油阀，根据测力传感器量测值模拟路堤分级荷载，同时计算机自动记录试验测量值，达到规定时间，关闭离心机，试验完毕。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下特点：与现有技术相比，本发明突破了现有试验装置对土体侧移和桩轴向荷载耦合作用的限制，能够合理的对轴向受荷桩承受不同土体侧移模式的承载特性进行研究，并能够得到土体作用在桩身表面的土体内部的位移模式。

附图说明

图1为长板-短桩工法模型示意图，其中，(a)为平面图(b)为剖面图。

图2为毛线模拟效果对比曲线。

图3为模拟长板-短桩工法离心模型试验箱示意图。

图4为量测系统断面图。

图5为实施方式效果图，其中，(a)为路基中心沉降-时间曲线；(b)为路基不均匀沉降对比；(c)为加固区孔隙水压力-时间对数曲线；(d)为固结区孔隙水压力-时间对数曲线。图1中，1为水泥搅拌桩；2为塑料排水板。

图3中，3为试验箱；4为有机玻璃板。

图4中，5为千斤顶；6为CW-30差动式位移计；7为固定支架；8为测力传感器；9为工程塑料板；10为应变片；11为土压传感器；12为孔压传感器；13为地基土；14为粗毛线；15为水泥搅拌桩模型。

具体实施方式

在长板一短桩工法复合地基中，从高速公路建设成本及软土地基加固效果等方面进行比较，影响较大的参数为水泥土搅拌桩的桩长及桩径。本次模型方案设计，主要以改变水泥土搅拌桩桩长L、桩间距S为基础进行相互比较，并与单独使用水泥土搅拌桩复合地基和单独使用塑料排水板的排水固结法进行地基处理的试验结果进行对比、分析，研究长板一短桩工法的加固机理。

一种模拟长板-短桩工法离心模型试验方法，该试验方法的装置包括所述的长板短桩工法离心模型路基模拟材料，动态分级加载装置和量测系统。

1)水泥土搅拌桩的模拟

搅拌桩模型15制桩模具为PVC管。在模具内壁先涂上一层脱模剂，将水泥土浆分三层装入PVC管，每次装料1/3。每层插捣时按螺旋方向从边缘向中心均匀进行，同时进行振动，直至表面上没有气泡出现为止。盖上塑料薄膜，防止水分蒸发过快。

2)塑料排水板的模拟

采用粗毛线14来等效模拟塑料排水板。模型地基土在离心机中运行至自重固结完成后，开始布设竖向排水体的工序。将板位图铺设于模型箱内，用工具将毛线垂直送入土体内，到达土体指定深度处。

①渗透系数测定方法

选用一种毛线，首先需要测定其渗透系数，然后才能从试验结果对毛线14模拟塑料排水板的效果进行反分析。在测量毛线14的渗透系数时，取一整块石蜡，将其融化后把环刀平整置于液态石蜡中，待其凝固后进行切削，取得石蜡的环刀样。利用钢针把两股毛线14从环刀内穿过石蜡，剪去两头多余的部分，进行渗透试验。在此条件下，相对于毛线14而言，认为石蜡为不透水材料，则水流只能从这两股毛线14中通过，由此可测得该毛线14的渗透系数。

②塑料排水板模拟依据

塑料排水板的尺寸一般宽100mm，厚4mm，在离心模型试验中显然无法按照相似比n将原型缩小n倍来制作模型。在采用塑料排水板处理软土地基时，起控制作用的物理量为渗透系数或通水量。由于排水量与多种因素有关，难以测定，故以渗透系数作为控制因素对毛线14的相似条件进行推导。

类似于上节水泥土桩模拟依据，可根据Biot基本方程对渗透系数的相似常数进行推导。不难发现，渗透系数相似常数并不能单独得出相似依据，而是与其他指标共同形成相似指标，如下式：

$\frac{C_k{C}_p{C}_t}{C_u{C}_l{C}_{{\mathrm{\ρ}}_w}{C}_g}=1---\left(1\right)$

式中，C_k为渗透系数相似常数；C_t为时间相似常数；C_ρ应力相似常数；

为密度相似常数；C_g为加速度相似常数；C_u为位移相似常数；C_l为长度相似常数。

在离心模型试验中，由于应力水平相关性，可知应力相似常数C_p＝1；模型土的物理力学指标参数与原型相同，可知密度相似常数C_ρ＝1。

根据Biot固结方程中其他相似条件，可以推导

C_lC_g＝1             (2)

在离心模型试验中，为满足式(2)的相似条件，采用的选择是：

$\left.\begin{array}{c}{C}_l=\frac{1}{n}\\ C_g=n\end{array}\right\}---\left(3\right)$

式(3)表现为离心模型试验的基本特征，即模型几何尺寸缩小为原型的

同时提高离心惯性力场的离心加速度为重力加速度的n倍。

由几何方程可知，变形常数C_u＝n；由多孔介质渗流方程，可知渗流时间相似常数C_i＝1/n²。根据以上结论，联合式(2)相似条件，可以推导渗透系数相似常数C_k＝1。由此可知，模型渗透系数与原型渗透系数相同即可。

③毛线模拟效果论证

以平均固结度的概念为基础，从模型试验及理论计算两方面对某种毛线14模拟塑料排水板的效果进行研究。由图4可以看出，在高速公路运营初期，理论值略高于实测值，其值相差最大为3.56％；在运营740d时，理论值与实测值相同；在740d后，实测值略高于计算值，其最终结果相差约2.6％。由此可见，粗毛纺线模拟塑料排水板的效果良好。因此，在离心模型试验中，用此粗毛纺线模拟塑料排水板是完全可行的。

3)分级加载模拟

本发明提出将部分模型路堤制作完成后放置于路基上面，通过载荷板，利用液压千斤顶5实现离心模型试验中的动态分级加载。

由于液压千斤顶5只能提供一个集中力，而路堤荷载为条形荷载，在大比尺模型试验中可视为均布荷载。要把一个集中荷载转化为均布荷载，必须要一个有很大刚度和一定面积的转换介质。本发明选用工程塑料板9作为原料，制作加工一面积与路堤顶面面积相同的载荷板，在工程塑料上表面加-肋板，在肋板内沿路堤横向植入两个不锈钢细棒，以保证其刚度。通过该载荷板，可将液压千斤顶5的压力均匀传递至下部预铺设的模型路堤。

4)量测系统

试验过程中可以测量指定截面处位移、桩土压力、孔隙水压力、位移、桩身应变，并根据桩的变形和荷载的关系，确定桩身的荷载分布模式。量测设备包括：CW-30差动式位移计6、XH33型测力传感器8、KYB3I08型孔压传感器12、TYB5I08型土压传感器11和BX120-2BA型应变片10。

实施步骤如下：

(1)用PVC管制作水泥搅拌桩模型15并养护28天；

(2)在试验箱中分层填入地基土13，并在试验深度放置标记点、KYB3I08型孔压传感器12；

(3)地基土填好后，在离心机上预转规定时间，使地基土完成自重固结；

(4)将BX120-2BA型应变片10贴在搅拌桩模型15上，并将搅拌桩模型15和粗毛线14装入地基土中13；

(5)在地基土表面放置TYB5I08型土压传感器11和工程塑料板9，并将CW-30差动式位移计6、XH33型测力传感器8固定在固定支架7上，用螺栓固定，安装好千斤顶5，并将导线接入计算机；

(6)开启离心机至规定加速度，开启千斤顶5油阀，根据XH33型测力传感器8量测值模拟路堤分级荷载，同时计算机自动记录试验测量值。达到规定时间，关闭离心机，试验完毕。

表1长板-短桩工法离心模型处理方案

注：水泥土搅拌桩桩径d＝1.45cm。

表2整体模型尺寸

注：模型路堤高度为部分高度，按坡度相同求得路堤底宽。

在长板-短桩工法复合地基的概念模型中，其沉降由加固区、固结区及未加固区三部分组成，其中由水泥土搅拌桩、塑料排水板、桩间土共同组成的加固区，对于复合地基的整体沉降起控制作用。由于短桩的存在，复合地基加固区的整体模量及刚度大幅增强，浅部地基承载力增加，沉降量减小；相对于方案PVD，发生最大侧向位移的位置下移，即路基最危险滑动面向下移动，增强了路基的整体稳定性；短桩桩长较短，荷载传递效果明显，桩端应力较大，传递至固结区的附加应力相应增加，有利于深部地层的排水固结；由于短桩没有较好的桩端持力层，属于“悬浮桩”，桩端向下刺入现象较为明显，桩顶应力松弛，桩承担的部分荷载向桩间土转移，更好地发挥了桩间土的作用，桩、土沉降趋于一致；桩身应力呈先增大、后减小的变化趋势，说明桩顶附近负摩阻力的存在，即桩顶相对于路堤存在向上刺入现象。相对而言，对于固结区与未加固区，可将加固区视为厚度较大的“垫层”或者是一个“硬壳层”，长板-短桩工法复合地基的工作性状类似于双层地基。

长板-短桩工法复合地基中：①地表沉降量随桩长的增加而减小，随桩间距的增加而增加；②不均匀沉降在较大程度上得到改善，且不均匀沉降量随桩长的增加而减小，随桩间距的增加而增加，相对而言，桩间距对不均匀沉降的影响更为明显；③与方案PVD相比，长板-短桩工法能够大幅减小工后沉降量；工后沉降随桩长的增加而减小，桩间距对其影响不大；④工后沉降速率在一定范围内随桩长的增加而减小，随桩间距的增加而增加，但受其影响并不明显；作者认为在长板-短桩工法中，可以用水泥土搅拌桩控制复合地基工后沉降量，用水泥土搅拌桩联合塑料排水板控制工后沉降速率；⑤固结区的沉降量在总沉降量中所占比例最大；⑥侧向位移量随桩长的增加而减小，随桩间距的变化不大，最大侧向位移位置随桩长的增加向下移动；⑦与方案PVD和DMP相比，固结区是长板-短桩工法影响最为明显的深度范围，超孔隙水压力及其消散速率均大于方案PVD、DMP；⑧与方案DMP相比，桩土应力比明显减小；其随桩长及桩间距的增加均呈增加趋势；相对来说，桩长的变化对桩土应力比的影响更为明显；⑨由于桩长较短，上部荷载传递至桩端的应力较大，本次试验中桩端、桩顶应力比为0.29～0.39；桩身应力在深度方向呈先增加、后减小的变化规律，最大桩身应力位置位于桩顶以下3cm处，相当于原型中桩顶以下2.4m处。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟长板-短桩工法离心模型，其特征在于：其包括箱体、模拟路基和模拟排水板，水泥搅拌桩模型采用PVC管作为模具制作，箱体内装入土体制得模拟路基，采用毛线作为模拟排水板，垂直送入土体内，到达土体指定深度处。

2.如权利要求1所述的模拟长板-短桩工法离心模型，其特征在于：所述箱体的左右两侧、底侧和后侧为钢板，前侧设置有钢化玻璃。

3.如权利要求1所述的模拟长板-短桩工法离心模型，其特征在于：所述水泥搅拌桩模型采用PVC作为模具，水泥土浆分三层装入模具，每次装料1/3。

4.如权利要求1所述的模拟长板-短桩工法离心模型，其特征在于：所述模拟路基上设有塑料薄膜。

5.采用权利要求1所述的模拟长板-短桩工法离心模型的试验装置，其特征在于：其包括模拟长板-短桩工法离心模型、动态分级加载装置和量测系统，动态分级加载装置包括载荷板、液压千斤顶，其通过载荷板，利用液压千斤顶实现离心模型试验中的动态分级加载，由量测系统测出各项试验数据。

6.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于：所述量测系统包括差动式位移计、测力传感器、孔压传感器、土压传感器和应变片。

7.如权利要求5所述的试验装置，其特征在于：所述载荷板采用工程塑料板，其上设有肋板，板内植入两个不锈钢细棒。

8.采用权利要求5所述的试验装置的试验方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)用PVC管制作水泥搅拌桩模型并养护28天；

(2)在试验箱中分层填入地基土，并在试验深度放置标记点、孔压传感器；

(3)地基土填好后，在离心机上预转规定时间，使地基土完成自重固结；

(4)将应变片贴在搅拌桩模型上，并将搅拌桩模型和粗毛线装入地基土中；

(5)在地基土表面放置土压传感器和载荷板，并将差动式位移计、测力传感器固定在固定支架上，用螺栓固定，安装好千斤顶，并将导线接入计算机；

(6)开启离心机至规定加速度，开启千斤顶油阀，根据测力传感器量测值模拟路堤分级荷载，同时计算机自动记录试验测量值，达到规定时间，关闭离心机，试验完毕。

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