CN105353105A - 桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置 - Google Patents

桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置，该装置分上下两层立方体模型槽，上层模型槽中放置砂土；下层模型槽放置底部带支座的桩梁，桩梁周围填筑泡沫或海绵颗粒模拟地基软土，在软土上方不同高度处放置加筋材料。在桩梁及软土表面上方不同高度处放置土压力盒，以揭示路堤中竖向应力沿路堤高度的变化规律；通过变化路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，揭示桩承式路堤中土拱不产生、部分产生、完全产生机理。模型槽中心软土表面处放置单点位移计测量软土表面沉降，并借助PVC管测量多层加筋体的竖向变形，利用软土表面的最大沉降和加筋体最大竖向变形对比分析软土和多层加筋体在桩承式路堤中的竖向承载作用力。

Description

桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置
技术领域
本发明涉及公路及铁路工程室内模型试验研究技术领域的试验装置，特别涉及一种测量桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究的试验装置。
背景技术
桩承式路堤中，由于桩的强度远大于软土的强度，路堤填土层中会产生不均匀沉降，促使剪应变或者剪切面的产生，因此来自于路堤以及上部荷载的竖向应力会重新分布，使得传递到桩顶的竖向应力增加，而传递到软土的竖向应力会等量减少，这种由于不均匀沉降而引起的应力重分布的现象被定义为“土拱效应”。当有加筋体时，部分路堤荷载将作用在加筋材料上，通过加筋材料中的拉力再将荷载传递给桩顶，这称为“拉膜效应”。桩承式路堤因其有着施工速度快、沉降控制容易，并且适用于各种地质条件的优点，已越来越广泛地应用于软土地基处理中。目前室内试验中，采用水袋模拟软土的固结，不能体现软土表面的不均匀沉降。且对于土拱效应的产生机理、加筋体和软土在桩承式路堤中的承载作用力都少有研究，因此，有必要提供一种新的土拱试验装置，能够更好的研究“土拱效应”和“拉膜效应”以及两者之间的相互耦合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究的试验装置，以分析桩承式路堤中土拱效应产生机理、加筋体和软土的承载作用力。
桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置，包括上下两层立方体模型槽，两层模型槽之间利用凹形卡槽进行连接；模型槽一面为带刻度线的钢化玻璃，其余面为钢制材料。其中，上层模型槽中放置砂土模拟路堤填料；下层模型槽放置钢质桩梁，桩梁周围填筑地基软土；软土表面放置单点位移计测量软土表面的沉降。在软土上方不同高度处四周焊接固定架，并固定带孔钢框架，从而固定多层加筋体四周边界，通过应变片测量加筋体的应变，并通过自制装置测量加筋体竖向变形，进而计算加筋体在桩承式路堤中的承载作用力。软土上方铺设隔砂层，防止填筑砂土的渗漏，路堤填土中分层放置土压力盒，以观察路堤填土竖向应力沿高度的分布规律；同时分层布置彩砂，以观察平面土拱中等沉面的位置。通过数码相机拍摄图片对比试验前后的变化。
所述的桩梁底部两侧焊接L型钢支座以保证桩在模型槽中竖直、稳定；桩帽为活动可装卸式，可变化尺寸大小。考虑到模型槽的边界效应，桩梁的布置满足：边缘桩的桩心与模型槽边界的距离为大于等于桩间距的一半；在钢质模型槽的周边铺设塑料薄膜，在钢化玻璃面涂抹凡士林，减小边界摩擦。
所述的地基软土采用尺寸为1cm3的软、硬质聚丙乙烯泡沫或海绵立方体颗粒来模拟。相比于没有考虑软土的试验装置，可以直观观察在路堤作用下软土表面的不均匀沉降。软土层表面相邻桩中心点处上方安置单点位移计测量泡沫颗粒层的最大竖向变形，通过室内压缩试验测量泡沫颗粒的无侧限模量。软土的竖向承载力可以用公式(E0·δs)/hs评估，其中hs是软土的厚度；E0是软土的压缩模量；δs为软土表面的最大沉降量。
所述软土上方不同高度处四周焊接固定架，该固定架用于固定带孔钢框架，带孔钢框架分别位于桩梁上方20mm，50mm和100mm，多层加筋体通过钢框架上的孔洞进行固定。所述的多层加筋体表面粘贴应变片，应变片连接模型槽外侧的数据采集仪，观察加筋体不同位置处的应变；在两相邻桩的中心点位置处，加筋体的上方固定PVC管，管内放置一根软质刻度线，软质刻度线一端固定在加筋体上，另一端伸出PVC管，并用轻质夹子将软质刻度线撑直，通过测量伸出PVC管的软质刻度线的尺度变化量确定加筋体的竖向变形，加筋体在桩承式路堤中的承载作用力可以用公式来评估，其中k为加筋体的刚度，δr为加筋体的最大竖向变形，l为桩梁净间距。
所述的土压力盒在软土中心上方以及桩梁上方，沿路堤填土高度方向每隔10cm进行布置，土压力盒连接模型槽外侧的数据采集仪记录土压力的变化。路堤填料每隔5cm之间布置彩砂，钢化玻璃上标注刻度线，用以观察路堤填土不同高度处砂土的不均匀沉降，从而确定平面土拱中等沉面的位置。建立以路堤高度为纵坐标，土压力为横坐标的直角坐标系。在该坐标系中，首先画出横坐标为γh的直线，其中γ为路堤填土的重度，h为路堤的高度。将软土上方不同位置的点描绘在该直角坐标系中并连接成曲线，通过变化桩间距，桩帽的尺寸，路堤的高度可以得到多条这样的曲线。通过比较不同曲线与直线γh的关系，并根据填筑砂土的不均匀沉降得到土拱不产生、部分产生、完全产生时，路堤高度、桩间距、桩帽尺寸之间的定量关系：当曲线与直线γh基本重合时，土拱没有产生；当曲线落在直线γh的下方，并且在路堤填土表面存在差异沉降时，土拱部分产生；当曲线落在直线γh的下方，并且在路堤填土中观察到等沉面时，土拱完全产生。
本发明的优点和效果在于：本发明可以揭示：路堤中竖向应力沿着路堤高度的变化规律；土拱不产生、部分产生、完全产生时，路堤高度、桩间距、桩帽尺寸之间的定量关系；平面土拱作用下路堤等沉面的位置；平面土拱作用下加筋体与软土的竖向承载作用力。
附图说明
图1试验装置平面图；
图2试验装置剖面图；
图3桩梁示意图；
图4模型槽内部示意图；
图5钢框架示意图；
其中1为模型槽，2为桩梁，3为桩帽，4为桩梁支座，5为泡沫颗粒，6为单点位移计，7为加筋体，8为PVC管，9为软质刻度线，10为土压力盒，11为钢化玻璃，12为应变片，13为隔砂层，14为钢制插槽，15为钢框架，16为固定架，17为凹形卡槽，18为把手。
具体实施方式：
[1]桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置模型槽(1)分上下两层，两层模型槽的尺寸长，宽，高分别为900mm×900mm×650mm(如图1、2)。下层模型槽(1)的底侧，左侧，右侧和后侧为5mm厚钢质材料通过焊接相连。模型槽(1)前侧为带刻度钢化玻璃(11)，通过两边钢制插槽(14)将其固定。模型槽(1)上下部分通过凹形卡槽(17)连接(如图2)。试验时，将下层模型槽(1)放置于水平场地，将槽内清理干净，在内侧的钢化玻璃层涂抹凡士林，另外3面的钢材侧壁铺设塑料薄膜，以减少模型槽(1)侧壁摩擦的影响。
[2]将尺寸长，宽，高分别为900mm×50mm×400mm带支座(4)的桩梁(2)按照设计的位置摆放(如图3)，为了固定桩梁(2)，在下层模型槽底部相邻桩间铺设100mm厚的密实干砂。桩梁内筑满砂土然后安装桩帽(3)。
[3]铺设厚度为300mm的泡沫颗粒(5)用来模拟地基软土。在两相邻桩梁的中心处安装单点位移计(6)(如图2)。
[4]在桩帽(3)和泡沫颗粒表面(5)所在的位置铺设一层强度较低(以免影响试验结果)的隔砂层(13)，防止路堤填料漏进泡沫中。
[5]将上层模型槽(1)通过凹形卡槽(17)与下层模型槽连接起来；通过室内三轴试验测量模拟路堤填料的砂土的内摩擦角，通过密度试验测量砂土的重度。对于不考虑加筋体的试验，此时将砂土均匀地填筑在桩梁顶和泡沫的顶部，填筑过程中，以50mm为1层，分层进行填筑。每层填土之间铺设薄层彩砂，并在玻璃(11)外侧绘制刻度线，通过比较变形前后的照片，可以直观的观测路堤填土在不同填土高度下的变形模式；同时每隔100mm在测量位置放置土压力盒(10)。
[6]对于考虑加筋体的试验，将带孔钢框架(15)固定在固定架(16)上(如图4)，然后将加筋体边界固定在钢框架(15)的孔洞上(如图4、5)。对于单层加筋(7)的试验，加筋体布置在桩帽(3)上方20mm处；对于三层加筋体(7)，每层加筋体分别布置在桩梁顶以上20mm、50mm和100mm处。在加筋体表面以一定间隔粘贴应变片(12)。每层加筋体(7)相邻桩中心点处上方分别竖直固定PVC管(8)(如图2)，管内放置一根软质刻度线(9)，软质刻度线(9)一端固定在加筋体上，另一端伸出PVC管(8)并用轻质夹子将线撑直。然后如上述步骤(5)填筑砂土。
[7]将路堤填筑至设计高度后，用相机拍摄此时路堤填土的图片。然后静置24小时，再用相机拍摄此时路堤填土变形后的照片。同时，读取以下相应测试仪器的读数：单点位移计(6)、软质刻度线(7)、土压力盒(10)和应变片(12)。
[8]与上述步骤相同，继续按照试验设计填筑路堤高度，得到不同路堤高度情况下的试验结果。建立以路堤高度为纵坐标，土压力为横坐标的直角坐标系。在该坐标系中，首先画出横坐标为γh的直线，并将软土上方不同位置的点描绘在该直角坐标系中并连接成曲线。通过比较不同曲线与直线γh的关系，结合路堤砂土的等沉面位置得到土拱不产生、部分产生、完全产生时，路堤高度、桩间距、桩帽尺寸之间的定量关系；利用公式(E0·δs)/hs评估软土的竖向承载力；利用公式来计算加筋体在桩承式路堤中的承载作用力。
与上述步骤相同，改变桩间距、桩帽尺寸、加筋体强度和布置方式、地基软土强度，得到相应的试验结果。

Claims (4)

1.桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置，其特征在于：分为上下两层立方体模型槽，两层模型槽之间采用凹形卡槽进行连接；模型槽一面为带刻度线的钢化玻璃，其余面为钢制材料，其中，上层模型槽中放置砂土模拟路堤填料；下层模型槽放置钢质桩梁，桩梁底部两侧焊接L型钢支座保证桩梁在模型槽中竖直、稳定；桩帽为活动可装卸式，可变化尺寸大小；桩梁周围填筑地基软土，在软土表面放置单点位移计测量软土表面的沉降，在软土上方不同高度处四周焊接固定架，该固定架用于固定带孔钢框架，从而固定多层加筋体四周边界，在加筋体表面布置应变片并放置PVC管，地基软土表面上方铺设隔砂层，防止填筑砂土的渗漏；并沿路堤高度分层铺设土压力盒与彩砂；所述的PVC管内放置一根软质刻度线，软质刻度线一端固定在加筋体上，另一端伸出PVC管，并用轻质夹子将软质刻度线撑直，通过测量伸出PVC管的软质刻度线的尺度变化量确定加筋体的竖向变形，进而计算加筋体在桩承式路堤中的承载作用力。
2.根据权利要求1所述的桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置，其特征是：所述的地基软土采用尺寸为1cm3的软、硬质聚丙乙烯泡沫或海绵立方体颗粒来模拟。
3.根据权利要求1所述的桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置，其特征是：在下层模型槽的四周，桩梁上方20mm，50mm和100mm处固定带孔钢框架，多层加筋体通过钢框架上的孔洞进行固定，在两相邻桩的中心点位置处，加筋体的上方固定PVC管。
4.根据权利要求1所述的桩承式路堤中平面土拱效应与多层加筋体拉膜效应研究试验装置，其特征是：在软土中心上方以及桩梁上方，沿路堤填土高度方向每隔10cm放置土压力盒，路堤填料每隔5cm之间布置彩砂。
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