CN105044306A - 一种桩承式路堤透明土模型试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验装置，包括模型槽、透明土、桩体、水袋、导水管、工业相机、激光发射器。在有机玻璃模型试验槽底部放置箱型水袋，该箱型水袋中预留有桩孔的位置，该箱型水袋上预留有桩孔，桩刚好可以插入预留箱型水袋孔中，配置透明土后可以通过箱型水袋放水的方式来模拟路堤土在自重荷载下的土拱效应。本发明还公开了该试验装置的试验方法，包括安装桩和水袋、填筑透明土路堤，水袋缓慢放水，放水过程中采用工业相机拍摄激光平面，分析得到三维变形特性等步骤。本发明可以实现土体内部变形的高精度实时测量，可以观测到空间土拱的宏观形态变化；可以模拟多种工况；试验装置尺寸小，试验操作方便，提高了效率。

Description

一种桩承式路堤透明土模型试验装置和方法

技术领域

本发明属于一种软土地基处理技术领域中的一种模型试验装置，特别涉及一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验的装置及方法。

背景技术

软土地区，由于土体含水量高，土体压缩模量小，土体强度低，基础设施，如高速铁路，高速公路建设时，常常会遇到沉降过大，地基承载力不够等问题。因此，软土地区工程建设多数需要进行地基处理。

刚性桩桩承式路堤是在用带桩帽的刚性桩作为路基的一种路堤形式。工程实践中刚性桩中心距一般在2.5到5倍桩径之间。在这种路堤结构中，桩和桩间土体会产生差异沉降，使路堤中土体应力重分布，大主应力的方向可以近似为悬链线的形状，这种应力分布可以使大部分路堤填土自重传向桩顶，这种现象是桩承式路堤中的土拱效应。

由于桩承式路堤中的土拱应力传递，桩间土分担的路堤土自重被大大减小，从而使地基沉降大大减小；加了桩帽以后，可以加大刚性桩中心距，减少了刚性桩的数量，从而桩承式路堤还可以降低造价。基于沉降小，造价低等优点，桩承式路堤广泛应用于高速铁路和高速公路建设。在刚性桩(帽)顶铺设土工格栅或高强度筋材，然后现浇一定高度的混凝土固定端，受约束的土工格栅可以充分发挥材料抗拉强度，加筋作用将一部分桩间土自重传至桩顶，可以大幅度减小路堤沉降。

然而，在本发明之前，对桩承式路堤中土拱形成过程的研究方法并不成熟，路堤土内部宏观变形过程尚不清楚。模型试验一直是岩土工程中很常用的研究手段，然而本发明以前的桩承式路堤模型试验一般通过观察路堤土外表面的土位移来研究土拱，不能直接观测到路堤土体内部的变形；也不能较好地模拟实际工程中空间土拱的变形；本发明以前的桩承式路堤试验装置尺寸很大，试验成本高，试验时间长。

透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合，排出空气得到的透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场，可以用工业相机拍出高精度的图片。PIV技术是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术，通过对比不同时刻的图片灰度值，利用关联函数可以得到不同时刻的相对位移，从而得到桩承式路堤中路堤土内部的宏观变形过程。

发明内容

本发明的目的在于克服传统桩承式路堤模型试验不能直接观测路堤土体内部变形和空间土拱的宏观位移形态，提出一种桩承式路堤透明土模型试验装置，该装置能实现多种工况，包括不同桩帽尺寸，有无挂网加筋，桩刺穿软土层和未刺穿等实际工程中常见工况；该模型试验使用PIV技术观测透明土体内部位移，精度高；装置尺寸小，试验准备时间短，试验操作方便，不仅提高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。另外，本发明还提出了与桩承式路堤模型试验装置配套的试验方法。

本发明采用以下技术方案实现：

一种桩承式路堤透明土模型试验装置，包括模型槽、透明土、桩体、水袋、导水管、工业相机、激光发射器，其特征在于：在有机玻璃模型试验槽中进行桩承式路堤模型试验；在该有机玻璃模型试验槽中配置透明土作为地基和路堤填土材料；桩体位于模型槽底部，采用正方向或梅花形排列方式，桩顶设置盖板；水袋放置于桩体之间，顶部与桩顶盖板平齐，用于模拟地基土体；盖板顶面和水袋顶部设置加筋材料，加筋材料与盖板固定；透明土路堤位于加筋材料上方，填满整个模型槽；水袋上设置孔洞；导水管一端与水袋孔洞连接，另一端伸出到模型槽外，导水管上设置阀门，可控制出水速率；激光发射器发射的激光形成一个平面，穿透透明土；工业相机拍摄方向位于激光平面的法线方向。

所述桩承式路堤透明土模型试验装置，通过桩帽与土工格栅粘接，可以模拟桩承式挂网路堤宏观变形过程；

所述桩承式路堤透明土模型试验装置，尺寸可以根据研究需要进行调整，既可用于桩承式路堤相关课题研究，也可作为教学仪器。

本发明还涉及一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验的试验方法，包括以下步骤：

(1)设计桩体和桩帽尺寸，确定桩间距和路堤高度；

(2)清洗有机玻璃模型槽、桩和桩帽，并用干毛巾擦净；

(3)将桩体按照设计的桩间距在模型槽底部布置好，桩底与模型槽底部用胶水固定；

(4)将充满水的水袋放入有机玻璃模型槽底部桩体之间，在底部倒入配好的白油和正十二烷混合液，液面高度至水袋顶部高度下方5-10cm；

(5)在桩顶上安装桩帽；

(6)在桩帽和水袋上方设置加筋材料，加筋材料与桩帽粘结固定；

(7)缓慢配置透明土至设计路堤高度；

(8)布置激光器，使激光器发射的激光形成平面穿透透明土路堤；

(9)布置并调试相机，相机拍摄方向垂直于激光平面，使相机保持自动拍照模式，每隔10-15秒拍照；

(10)打开导水管上的阀门，水袋中的水在透明土路堤的自重压力作用下缓慢流出；

(11)用量杯测量出水量，可换算出水袋减少的体积，以模拟桩间土体发生的沉降；

(12)在放水过程中，相机自动拍摄整个过程中透明土内部激光平面的图片，通过分析图片中散斑场的变化得到土体变形；

(13)试验过程中，可转动激光发射器，从不同角度形成不同的平面，分析得到三维变形特性；

(14)水袋中的水基本放尽时，控制箱型水袋导水管停止放水，保存图片，关闭激光，整理试验器材；

(15)用PIV技术处理实验数据。

本发明的优点和效果在于：本发明提出的桩承式路堤透明土模型试验装置及方法可以实现土体内部变形的高精度实时测量，可以观测到空间土拱的宏观形态变化；可以模拟多种工况，包括不同桩帽尺寸，有无挂网加筋，桩刺穿软土层和未刺穿等工况；试验装置尺寸小，试验操作方便，提高了科研效率，还可作为教学仪器使用。而以上优点中，传统模型试验难以进行挂网加筋模拟，也很难模拟刺穿软土层和未刺穿工况，尤其土体部变形的高精度实时测量和小尺寸特征，是传统桩桩承式路堤试验很难做到的。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1试验设备布置图；

图2水袋位置示意图；

图3水袋(打穿)示意图；

图4水袋(打穿)剖面图；

图5水袋(未打穿)示意图；

图6水袋(未打穿)剖面图；

图7剪孔土工格栅示意图；

图8桩承式挂网加筋路堤示意图

图中：

1:有机玻璃模型槽、2：高精度工业相机、3：激光线性发生器、4：透明土散斑场、5:桩、6：桩帽、7：剪孔土工格栅、8；箱型水袋、9：箱型水袋预留桩孔、10：透明土路堤、11：箱型水袋进出水管、12：烧杯、13:透明土光学平台、14：钢架激光平台、15:软土层、16：路堤填土、17：水

具体实施方式

如图1-图8示，一种桩承式路堤透明土试验装置，由有机玻璃模型槽(1)，透明土路堤(10)，高精度工业相机(2)，激光线性发生器(3)，箱型水袋(8)，桩(5)等部分组成。在有机玻璃模型槽(1)底部放入箱型水袋(8)，将桩(5)插入箱型水袋预留桩孔(9)中，将土工格栅剪孔，用有机玻璃胶将剪孔剪孔土工格栅(7)与桩帽(6)粘结，待胶剂凝固后以箱型水袋(8)顶面为透明土路堤(10)起始面配置透明土路堤(10)至设计高度；将准备好的有机玻璃模型槽(1)放到透明土光学平台(13)上，将高精度工业相机(2)布置在透明土光学平台(13)上，为形成透明土散斑场(4)，还需要在钢架激光平台(14)和透明土光学平台(13)上各布置一个激光线性发生器(3)。试验时控制箱型水袋进出水管(11)开关以恒定速率放出箱型水袋(8)中的水(17)，通过箱型水袋(8)上表面的沉降来模拟软土层(15)在路堤填土(16)的自重下发生的沉降过程。

上述桩承式路堤透明土试验方法，有如下步骤：

(1)明确研究目的，设计桩帽直径a(方形为边长)，确定路堤高度。刚性桩桩中心距一般为2.5d-5d，d是桩直径。在桩承式路堤土拱效应中，有一个描述路堤土无差异沉降平面高度的的概念即等沉面，考虑路堤空间土拱效应的等沉面高度H一般是桩净间距的1.5到2倍，即H在1.5(s-a)和2(s-a)之间，设计时，如果要研究等沉面高度，路堤填土高度应大于等沉面高度，不小于1.5(s-a)。

(2)清洗有机玻璃模型槽(1)和桩(5)及桩帽(6)并用干毛巾擦净。有机玻璃模型槽(1)和桩帽(6)表面的灰尘会影响透明土散斑场(4)，表面有水会影响混合液体的折射率，影响透明度。

(3)安装桩(5)，桩(5)按照设计的桩间距布置，可为正方向或梅花形布桩，桩(5)底部用胶水与模型槽(1)底部固定连接。

(4)将充满水的箱型水袋(8)放入有机玻璃模型槽(1)中，在底部倒入配好的白油和正十二烷混合液，液面高度至桩顶高度下方5-10cm。箱型水袋(8)充水的方法可以利用虹吸原理，将箱型水袋进出水管(11)与另一盛水容器连通，并将箱型水袋(8)置于较低处，箱型水袋(8)中注满水后，可关闭开关，将箱型水袋(8)置于高处，稍排出一些水，将箱型水袋进出水管(11)内部的气泡排出，这是为了防止试验中，排水时可能出现由于气泡多而造成虹吸不顺利的情况发生。注水过程还需要计量箱型水袋水量。

(4)安装桩帽(6)(根据需要可粘接土工格栅)。应使用低强度，小网格，表面未做耐久性处理(如表面涂沥青)，已经标定过强度和网格尺寸的土工格栅，因为表面涂料(如沥青)可能会溶解在白油和正十二烷混合液中。将选择好的土工格栅剪孔，孔径宜略大于桩帽凸出一端的孔径。黏结剪孔土工格栅(7)，桩(5)，桩帽(6)时，剪孔土工格栅(7)宜有弛垂度，防止剪孔土工格栅(7)未在试验中发挥作用即发生过大变形。

(5)缓慢配土至设计路堤高度。在有机玻璃模型槽(1)外表面画标记线，标出设计高度。空气中的石英砂表面附着有很多气泡，倒入白油正十二烷混合液时，气泡也会随石英砂进入液体，倒入速度过快时，气泡上浮时间过短，会残留在透明土中，降低透明土的折射率。如果因操作失误造成透明土中气泡过多，配完土后应该使用真空饱和器使透明土饱和。

(6)布置并调试高精度工业相机(2)和激光线性发生器(3)，使高精度工业相机(2)保持自动拍照模式，每隔10-15秒拍照。布置过程中严禁将相机镜头正对光源。调试激光线性发生器(3)时，应逐渐缓慢调大激光强度，严禁直接快速调到一个较高强度值。注意激光线性发生器(3)和高精度工业相机相机(2)都应该用螺栓固定住，防止试验中发生位移。布置在透明土光学平台(13)上的激光线性发生器和布置在钢架激光平台(14)上的激光线性发生器的位置是异面垂直关系，这样才能保证透明土路堤形成两个正交方向的透明土散斑场(4)。

(7)控制箱型水袋进出水管(11)放水(17)，以恒定速率放水(17)；调试完相机后，关闭灯光进行试验。为更好控制放水速率，宜使用较小内径的进出水管，在2-5mm之间为佳，放水过程也利用虹吸原理，将烧杯(12)置于较低处。另注意，放水时应将箱型水袋进出水管(11)固定，避免箱型水袋进出水管(11)被扰动而引起透明土发生位移或者线性激光场发生变化。

(8)水袋中的水基本放尽时，控制箱型水袋进出水管(11)停止放水(17)，读出放水量并记录。保存图片，关闭激光，整理试验器材；

(9)用PIV技术相关软件处理实验数据，得到透明土路堤(10)的动态全位移场，绘出动态等值位移图，分析不同工况下滑移面和土拱的宏观变形过程。

Claims (2)

1.一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验装置，其特征在于：包括模型槽、透明土、桩体、水袋、导水管、工业相机、激光发射器。在有机玻璃模型试验槽中进行桩承式路堤模型试验；在该有机玻璃模型试验槽中配置透明土作为地基和路堤填土材料；桩体位于模型槽底部，采用正方向或梅花形排列方式，桩顶设置盖板；水袋放置于桩体之间，顶部与桩顶盖板平齐，用于模拟地基土体；盖板顶面和水袋顶部设置加筋材料，加筋材料与盖板固定；透明土路堤位于加筋材料上方，填满整个模型槽；水袋上设置孔洞；导水管一端与水袋孔洞连接，另一端伸出到模型槽外，导水管上设置阀门，可控制出水速率；激光发射器发射的激光形成一个平面，穿透透明土；工业相机拍摄方向位于激光平面的法线方向。

2.根据权利要求1所述的一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)设计桩体和桩帽尺寸，确定桩间距和路堤高度；

(2)清洗有机玻璃模型槽、桩和桩帽，并用干毛巾擦净；

(3)将桩体按照设计的桩间距在模型槽底部布置好，桩底与模型槽底部用胶水固定；

(4)将充满水的水袋放入有机玻璃模型槽底部桩体之间，在底部倒入配好的白油和正十二烷混合液，液面高度至水袋顶部高度下方5-10cm；

(5)在桩顶上安装桩帽；

(6)在桩帽和水袋上方设置加筋材料，加筋材料与桩帽粘结固定；

(7)缓慢配置透明土至设计路堤高度；

(8)布置激光器，使激光器发射的激光形成平面穿透透明土路堤；

(9)布置并调试相机，相机拍摄方向垂直于激光平面，使相机保持自动拍照模式，每隔10-15秒拍照；

(10)打开导水管上的阀门，水袋中的水在透明土路堤的自重压力作用下缓慢流出；

(11)用量杯测量出水量，可换算出水袋减少的体积，以模拟桩间土体发生的沉降；

(12)在放水过程中，相机自动拍摄整个过程中透明土内部激光平面的图片，通过分析图片中散斑场的变化得到土体变形；

(13)试验过程中，可转动激光发射器，从不同角度形成不同的平面，分析得到三维变形特性；

(14)水袋中的水基本放尽时，控制箱型水袋导水管停止放水，保存图片，关闭激光，整理试验器材；

(15)用PIV技术处理实验数据。