CN106596909A - 一种桩承式加筋路基的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种桩承式加筋路基的模型试验装置。本发明提供一种桩承式加筋路基的模型试验装置，包括设有模型土容纳空间的模型箱本体和配重，所述模型土容纳空间中设有承载板，还包括一个或多个模型桩，所述模型桩包括模型桩帽和模型桩杆，所述承载板上设有模型桩孔，所述模型桩帽位于所述承载板上，所述模型桩杆自模型桩帽向下延伸入模型桩孔中，所述模型桩帽上方还设有碎石褥垫层。本发明可以有效地对整个模型进行CT扫描，试验所得结果真实可信，可以认为模型试验所反映出的荷载传递机理表明了实际工程中的荷载传递方式。

Description

一种桩承式加筋路基的模型试验装置

技术领域

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种桩承式加筋路基的模型试验装置。

背景技术

软土是软弱粘性土的简称，在我国分布广泛。桩承加筋复合路基是一种很适合在天然软土地基上修建公路、城市道路的路基形式。桩承式加筋复合地基，是指天然地基在地基处理过程中，下部土体得到竖向增强体—“桩”的加强从而形成桩土复合地基加固区，而在该区上部得到水平向增强体—“网”的加强从而形成加筋土复合地基加固区，并能使桩-网-土三者协同作用，共同承担荷载的人工地基。

桩承式加筋路基具有桩承、垫层、排水、挤密、加筋、防护等综合效能；具有沉降变形小而且沉降速度快、工后沉降容易控制、稳定性高、不需要预压期、工期短、施工方便等优点；由于网材的作用，可布置成疏桩、减少桩的使用量，进而大幅减少工程造价，具有良好的工程性质和社会经济效益，应用前景广阔。

桩承式加筋复合地基的基本组成部分为：①上部路堤填土；②上部网或网组成的加筋土；③中下砂石褥垫层或由网组成的复合垫层；④下部一般为桩与土组成的桩土加固区；⑤最下部的天然软土层或者持力层。

因为桩承加筋体系的复杂性，至今仍没有统一的力学模型来描述这种地基加固方式的作用机理。室内模型试验是按一定的几何比例设计模型，并在外荷载作用下观测其变形性能。室内模型试验是研究桩承加筋体系的重要手段，通过模型试验可以直接观测到与工程实际相近的受力状态和变形特性，也可以对采用的理论和数学物理模型进行论证。

为了使试验的结果较为合理可信，对试验装置的尺寸、各项参数等需要进行相似性分析。桩承加筋复合地基的沉降和承载力规律,属于比较复杂的物理现象,参与其中的物理量相当多,目前甚至没有一个哪怕是统一的经验方程描述,因此既无法采用定律分析法,也无法应用方程分析法,最终只能采用应用最为广泛的量纲分析法。

根据现有经验公式和理论分析,软土厚度对复合地基在荷载作用下的沉降变形特性来说是一个重要的因素,在量纲分析中不可忽略。其他尺寸包括路基宽度等，都对复合地基有着不可忽略的影响，因此在量纲分析中也需要加以考虑，这里没有将桩间距作为一个物理量在量纲方程中加以考虑是因为桩间距是影响土拱效应的重要变量，所以进行单独考虑，软土压回弹模量、土工格栅的抗拉强度在量纲分析中也必不可少。

就目前国内情况来看，对于这一处理技术的研究时间还比较短，对一些机理的认识还不太统一：如加筋层对调整荷载分担比的作用、桩端土层的性质影响、土层性质的影响、沉降对桩土应力比的影响等等。这些问题的解决将直接影响到设计的合理性，模型实验具有参数容易调整、边界条件易控制等优点，适合模拟这种复杂的情况。但现有的一些模型设计在参数的选择上没有按照相似原理，带有较强的主观随意性。而且体量较大，改变试验参数时需要将上部填土全部取出，试验工作量很大。

CT技术是计算机断层扫描技术的简称，是一种无损探测技术，广泛运用于混凝土探伤、岩石裂缝发展预测、沥青组分探测之中。但其很少应用于桩承加筋路基试验之中，因为土体的密实程度不同，所以X射线透过后土体吸收的射线百分比也不同，进而CT值也不同，通过对各个断面的CT值进行收集之后，就可以形成整个三维模型的CT值图，通过该图可以分析出桩承加筋式路基的传力特点，进而总结出荷载传递机理。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种桩承式加筋路基的模型试验装置，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种桩承式加筋路基的模型试验装置，包括设有模型土容纳空间的模型箱本体和配重，所述模型土容纳空间中设有承载板，还包括一个或多个模型桩，所述模型桩包括模型桩帽和模型桩杆，所述承载板上设有模型桩孔，所述模型桩帽位于所述承载板上，所述模型桩杆自模型桩帽向下延伸入模型桩孔中，所述模型桩帽上方还设有碎石褥垫层。

在本发明一些实施方式中，所述模型土容纳空间中设有待测模型土，所述配重位于所述待测模型土上。

在本发明一些实施方式中，所述模型桩帽和模型桩杆之间为可拆卸连接。

在本发明一些实施方式中，所述模型桩杆和模型桩孔上设有互相配合的螺纹。

在本发明一些实施方式中，所述模型桩杆贯穿所述承载板。

在本发明一些实施方式中，所述承载板底部还设有一个或多个升降控制杆，所述模型箱本体的底部设有升降控制孔，所述升降控制杆自所述承载板向下延伸入升降控制孔并贯穿所述模型箱本体的底部。

在本发明一些实施方式中，所述升降控制杆和升降控制孔上设有互相配合的螺纹。

在本发明一些实施方式中，所述碎石褥垫层包括互相交替的土工膜和集料层。

在本发明一些实施方式中，所述模型箱本体和/或模型桩和/或承载板的材料为透明材料，优选为透明有机玻璃材料。

本发明第二方面提供一种桩承式加筋路基的CT检测方法，使用所述的桩承式加筋路基的模型试验装置，包括如下步骤：将待测模型土置于所述模型土容纳空间中，将配重置于待测模型土上，对待测模型进行CT扫描。

在本发明一些实施方式中，还通过升降控制杆对承载板的高度进行调节，并对待测模型进行CT扫描。

如上所述，本发明可以有效地对整个模型进行CT扫描，试验所得结果真实可信，可以认为模型试验所反映出的荷载传递机理表明了实际工程中的荷载传递方式。

附图说明

图1显示为本发明结构图。

元件标号说明

1 模型箱本体

101 模型土容纳空间

102 待测模型土

103 升降控制孔

2 配重

3 升降控制杆

4 模型桩

401 模型桩帽

402 模型桩杆

5 承载板

501 模型桩孔

6 碎石褥垫层

601 土工膜

602 集料层

7 底座

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明一方面提供一种桩承式加筋路基的模型试验装置，包括设有模型土容纳空间101的模型箱本体1和配重2，所述配重可以是例如铁块和/或混凝土等，其质量通常不大于15kg，通过调整配重的质量，满足应力相似的条件。在填料高度较高的情况下，填料本身也可以作为配重。所述模型土容纳空间101中设有承载板5(例如，承载板5可以在模型土容纳空间101的中部或者下部)，所述承载板5的尺寸通常与模型土容纳空间101相配合，例如，承载板5的外径通常略小于模型土容纳空间101的直径，并可以在模型土容纳空间101中上下移动，还包括一个或多个模型桩4，所述模型桩4包括模型桩帽401和模型桩杆402，所述承载板5上设有模型桩孔501，所述模型桩孔501的大小和数量通常与模型桩4相配合，所述模型桩帽401位于所述承载板5上，所述模型桩杆402自模型桩帽401向下延伸入模型桩孔501中，所述模型桩帽401上方还设有碎石褥垫层6。所述模型箱本体1的箱体和/或模型桩4和/或承载板5的材质通常可以是对X光吸收很弱的材质，例如可以是透明的有机玻璃材料。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置中，所述模型箱本体1可以是上敞口的箱体，更具体可以是上敞口的柱形箱体(例如，圆柱形)，所述模型土容纳空间101可以是柱形的空间(例如，圆柱形)。所述模型箱本体1的箱体的外壁通常可以是均匀厚度的，这样可以使CT检测具有更好的准确性。在本发明一具体实施方式中，所述模型箱本体1为圆柱形箱体，高度可以是20-40cm，外径可以是12-24cm，其壁厚可以为2-8mm，以形成圆柱形的模型土容纳空间101。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置中，使用时所述模型土容纳空间101中可以设有待测模型土102(填料)，所述配重2位于所述待测模型土102上，待测模型土102可以是例如粒径0.5-2mm的砂土等，所述待测模型土102的高度可以是5-25cm。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置中，所述模型桩帽401和模型桩杆402之间为可拆卸连接，例如，所述模型桩杆402的一端可以设有螺纹，模型桩帽401上可以设有螺纹孔，模型桩杆402可以通过螺纹旋入模型桩帽401的螺纹孔中。桩帽采用可拆卸式的设计，可以方便地进行多组不同桩间距的试验，而仅使用一套桩，节约材料，操作方便。所述模型桩杆402和模型桩孔501上还可以设有互相配合的螺纹，所述模型桩杆402可以通过螺纹旋入模型桩孔501中。所述模型桩孔501还可以贯穿所述承载板5，而所述模型桩杆402则可以通过模型桩孔501贯穿所述承载板5。所述模型桩杆402还可以进一步向下延伸入模型箱本体1的箱体的底部，从而可以使得模型桩杆402的位置更加稳定，当承载板5升起时，伸入模型箱本体1的箱体的底部的模型桩杆402的部分可以自箱体底部伸出。所述模型桩帽401可以为柱形(例如，长方体、圆柱体)，高度可以为0.5-1.5cm，直径(边长)可以为2-6cm；所述模型桩杆402可以为柱形(例如，长方体、圆柱体)，高度可以为5-15cm，直径可以为1-2cm，所述模型桩孔501的尺寸通常与模型桩杆402的尺寸相配合。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置中，通常包括多个模型桩4，本领域技术人员可根据需要确定模型桩4的数量以及模型桩4在承载板5上的分布位置。例如，模型桩4的数量可以为3-4个，用以模拟桩体的正方形布置和三角形布置，各模型桩4平均分布在承载板5上，桩中心距的距离可以为6-10cm。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置中，所述承载板5底部还可以设有一个或多个升降控制杆3，所述模型箱本体1的底部设有升降控制孔103，所述升降控制杆3自所述承载板5向下延伸入升降控制孔103并贯穿所述模型箱本体1的底部，从而可以使得通过升降控制杆3控制承载板5更加方便，所述升降控制杆3的数量和位置通常与升降控制孔103的数量和位置相配合。所述升降控制杆3和升降控制孔103上设有互相配合的螺纹，从而可以更好地互相契合并稳定地升降。所述升降控制杆3可以与承载板5底部之间不直接固定，例如，升降控制杆3通过与升降控制孔103上互相配合的螺纹旋转升高时，承载板5不会随着升降控制杆3一同旋转。所述升降控制杆3的外径可以是1-2cm，所述升降控制孔103的尺寸通常与升降控制杆3的尺寸相配合，所述升降控制杆3通常不与承载板5为一整体，只是提供承载板5底部的支撑，两者之间为可分离的状态。使用螺纹控制沉降，可以人为控制沉降，较为精确，使得试验结果更可信。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置中，所述碎石褥垫层6包括互相交替的土工膜601和集料层602，例如，可以是互相交替的1-5层土工膜601和1-5层集料层602。所述土工膜601可以是例如LDPE土工膜、HDPE土工膜等，所述集料层602可以是粒径为0.5-2mm的砂土，其厚度可以为2-5cm。

本发明另一方面提供一种桩承式加筋路基的CT检测方法，使用所述的桩承式加筋路基的模型试验装置，包括如下步骤：将待测模型土102置于所述模型土容纳空间101中，将配重2置于待测模型土102上，对待测模型进行CT扫描，例如，可以对各种砂土、黏土进行CT扫描。所述CT扫描通常指基于土体的密实程度不同，X射线透过后土体吸收的射线百分比也不同，进而CT值也不同，从而形成所需截面的CT值图的方法。通过对各个断面的CT值进行收集、分析之后，可以分析出桩承加筋式路基的传力特点，进而总结出荷载传递机理。

在本发明所提供的桩承式加筋路基的CT检测方法中，还通过升降控制杆对承载板的高度进行调节(例如，可以通过直尺在模型箱外侧进行测量的读数定量控制承载板升降)，并对待测模型进行CT扫描，从而分析观察不同沉降情况下模型的变化情况。在调节时，可以将所述桩承式加筋路基的模型试验装置置于适用的底座7，以方便通过升降控制杆对承载板的高度进行调节。例如，底座可以为一空心的圆柱体有机玻璃筒，其作用是为整个装置提供支撑，使得装置能够平稳的放置在CT试验台上，底座上开设一个操作窗口，方便使用扳手操作沉降控制杆，底座的高度可以为8-16cm。

本发明所提供的桩承式加筋路基的模型试验装置为采用有机玻璃进行制作，对CT扫描结果没有影响，有机玻璃为透明的，可直观观察土工膜的变形，有机玻璃的摩擦阻力较小，比较符合边界条件。此外，装置的尺寸以及参数按相似原理进行确定，使得试验所得结果较为真实可信，可以认为模型试验所反映出的荷载传递机理表明了实际工程中的荷载传递方式。

实施例1

底座为一空心没底没顶圆柱体有机玻璃筒，高度为10cm。底座之上是模型箱，模型箱由有机玻璃制造，为上敞口的空心圆柱，内径为22cm，高度为40cm，壁厚5mm，是整个装置的主体部分。箱体内设有承载板，承载板在最高处时距底板9cm，板厚1cm，承载板的尺寸与箱体内部相配合，可以自由在箱体内部上下移动，承载板上设置4根有机玻璃模型桩，直径为2cm，高10cm，桩中心距为8cm，在柱子顶端有螺纹，模拟桩帽的长方体有机玻璃板平面尺寸分别为4.5×4.5cm、5×5cm、5.5×5.5cm，厚度均为1cm，同时，模型桩帽的中间有与柱子尺寸相应的带螺纹的孔洞，使得玻璃板能固定在柱子上，模型桩帽可拆卸。实验中以4根桩作为一个单元，可以模拟实际条件下许多桩共同作用的行为。在模型箱的底板中央有一个带螺纹的直径为2cm的小洞，为了承载板上的沉降控制杆可以穿过。

将沉降控制杆通过螺纹旋入底板中心的孔洞之中，使承载板与模型箱固定，之后调节到合适的高度。将选定尺寸的模型桩帽旋进模型桩上。之后在桩顶铺设第一层土工膜，均匀摊铺1cm厚粗砂，粒径为0.64-0.98mm，将第一层土工膜进行反折锚固，以此类推，直至铺设到需要的5层，之后将垫层总厚度加铺至5cm，整平。再铺设20cm厚的中砂粒径为0.35-0.50mm(填料)。

将模型箱置于底座之上，后将整个装置移动到CT室，置于CT试验台之上，调整承载板使其贴合桩帽底端，此时，承载板在模型箱底板上方9cm，使得在接受屏幕上能收到整个模型的图像，然后进行扫描。扫描完成通过扳手伸入底座上的操作窗口通过转动扳手，通过沉降控制杆带动承载板缓缓下降，控制沉降为1cm，此时，承载板在模型箱底板上方8cm，停止转动扳手，再进行CT扫描。通过各次CT扫描结果的对比，可以直观桩承加筋式路基的荷载传递状况。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，包括设有模型土容纳空间(101)的模型箱本体(1)和配重(2)，所述模型土容纳空间(101)中设有承载板(5)，还包括一个或多个模型桩(4)，所述模型桩(4)包括模型桩帽(401)和模型桩杆(402)，所述承载板(5)上设有模型桩孔(501)，所述模型桩帽(401)位于所述承载板(5)上，所述模型桩杆(402)自模型桩帽(401)向下延伸入模型桩孔(501)中，所述模型桩帽(401)上方还设有碎石褥垫层(6)。

2.如权利要求1所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型土容纳空间(101)中设有待测模型土(102)，所述配重(2)位于所述待测模型土(102)上。

3.如权利要求1所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型桩帽(401)和模型桩杆(402)之间为可拆卸连接。

4.如权利要求3所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型桩杆(402)和模型桩孔(501)上设有互相配合的螺纹。

5.如权利要求1所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型桩杆(402)贯穿所述承载板(5)。

6.如权利要求1所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述承载板(5)底部还设有一个或多个升降控制杆(3)，所述模型箱本体(1)的底部设有升降控制孔(103)，所述升降控制杆(3)自所述承载板(5)向下延伸入升降控制孔(103)并贯穿所述模型箱本体(1)的底部。

7.如权利要求6所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述升降控制杆(3)和升降控制孔(103)上设有互相配合的螺纹。

8.如权利要求1所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述碎石褥垫层(6)包括互相交替的土工膜(601)和集料层(602)。

9.如权利要求1所述的一种桩承式加筋路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型箱本体(1)和/或模型桩(4)和/或承载板(5)的材料为透明材料，优选为透明有机玻璃材料。

10.一种桩承式加筋路基的CT检测方法，使用如权利要求1-9任一权利要求所述的桩承式加筋路基的模型试验装置，包括如下步骤：将待测模型土(102)置于所述模型土容纳空间(101)中，将配重(2)置于待测模型土(102)上，对待测模型进行CT扫描。