CN107505196A - 一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及操作方法，该装置包括模型槽、储砂箱、以及多种试验辅助装置，以保证试验的可操作性与准确性。本发明揭示路堤中竖向及水平向应力随路堤高度的分布规律，从而判断路堤填料处于主动或被动土压力状态，做出土拱轮廓线。通过变换路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，分析路堤中应力状态的变化，从而研究桩承式加筋路堤中三维土拱效应的产生机理。在路堤不同高度处放置加筋体，分析多层加筋体对土拱效应产生促进或抑制作用，以确定加筋体的有效加固区域。通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，从而评估软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。
Description
技术领域
本发明涉及公路及铁路工程室内模型试验研究的试验装置，特别涉及一种桩承式加筋路堤中可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及其操作方法。
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，从而产生应力重分布的现象，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”。Hewlett &Randolph 通过室内模型试验分析土拱效应，指出平面土拱形状为半圆形，空间土拱形状为半球形，土拱的破坏只发生在桩帽和拱顶处，并以极限状态分析了两处上单元土体，分别得出两个桩体荷载分担比表达式，并取小值作为实际桩体荷载分担比。当桩承式路堤中没有土拱效应发生时，所有的土体均处于静止土压力状态；当土拱效应发生时，在摩擦力的作用下，拱顶部土体水平方向上的应力逐渐增大，此时，土压力系数将大于1，拱顶处土体承受被动土压力，在极限条件下该处土体处于被动土压力破坏状态；而桩帽处的土体在竖直方向上的应力逐渐增大，土压力系数小于1，桩帽处的土体承受主动土压力，在极限条件下该处土体将处于主动土压力破坏状态。因此，有必要提供一种研究试验装置，通过该装置能更好地研究桩帽和土体上方竖向应力和水平应力，可以计算出该处土体的土压力系数，再运用极限平衡方法，可以判断土体是否处于极限破坏状态，从而研究桩承式加筋路堤中土拱效应的产生机理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及操作方法，可以快速有效地分层填筑与整平砂土、铺设彩砂、以及精确安放土压力盒、卸土。通过变换路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，可以分析路堤中竖向与水平方向应力状态的变化，计算出土压力系数的分布规律，从而研究桩承式加筋路堤中三维土拱效应的产生机理。本发明可研究加筋体的有效加固区域，还可通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，从而评估三维情况下，软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，试验装置主要由模型槽、路堤填筑辅助装置、彩砂铺设辅助装置、路堤填土上平面整平辅助装置、以及土压力盒安放辅助装置组成；
其中，所述模型槽呈立方体型，其中一侧面为透明材料制成的观察面，与观察面相邻的左右两侧面上分别设有排砂口，且排砂口上装有排砂口闸门，与观察面相对的后侧面上设有试验操作门，所述试验操作门为多层带有把手的钢板门上下排布拼接形成，所述模型槽内上层放置用于模拟路堤填料的砂土，且砂土内设有若干个土压力盒，下层放置方桩，方桩顶端上设有桩帽，方桩下部周围设有方桩支座，方桩桩体周围填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，且上层与下层之间设有防止路堤填料漏进模拟地基软土的隔砂层；
所述模型槽外接有储砂箱，储砂箱环绕模型槽外部左侧、右侧和后侧，且储砂箱上方设置盖板；
所述路堤填筑辅助装置包括一个带螺旋型轨道的平面框架和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗，所述填筑漏斗上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，平面框架可活动架于模型槽上；
所述彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁和可放置在轨道上移动的铺设漏斗，铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁可活动架于模型槽上；
所述路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网、高度控制柱、垂直交叉的搭接横梁与水平尺，其中高度控制柱的下端与正方形格栅网固定连接，且高度控制柱与正方形格栅网所在平面垂直，高度控制柱与搭接横梁活动连接，且高度控制柱可沿着垂直方向上下移动，水平尺固定在正方形格栅网上，搭接横梁可活动放置于模型槽上；
所述土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁和激光投射器组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁可活动架于模型槽上。
所述的土压力盒放置位置为：在桩上方和软土上方不同高度处放置水平向、竖直向的土压力盒，以测量路堤中竖向及水平向应力随路堤高度的分布规律，由此计算出土压力系数，从而判断路堤中不同位置的土体处于主动或被动土压力状态。根据Hewlett &Randolph理论（拱顶处土体处于被动土压力状态，桩帽处土体处于主动土压力状态，三维情况下拱的形状为半球形），结合试验结果做出土拱轮廓线。通过变换路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，分析路堤中应力状态的变化，从而研究桩承式加筋路堤中三维土拱效应不产生、部分产生、完全产生的机理。判断标准为：当路堤中竖向应力测量值与直线 (为路堤的重度；h为路堤的填筑高度)基本重合时，土拱效应没有产生；当路堤中竖向应力测量值在直线的下方，并且在路堤填土表面存在差异沉降时，土拱部分产生；当路堤中竖向应力测量值在直线的下方，并且在路堤填土中观察到等沉面时，土拱完全产生。
还包括至少一层加筋体，所述每层加筋体左右两侧及后侧分别设有带孔洞的钢框架，且加筋体的边界固定于钢框架的孔洞中，所述钢框架通过固定架固定于模型槽的内壁上，所述加筋体位于隔砂层上方，且其表面上均匀设有若干个应变片。
在路堤不同高度处放置加筋体，分析不同工况下的桩土应力比的变化，分析多层加筋体对土拱效应产生了促进或抑制的影响，从而确定加筋体的有效加固区域。在路堤不同高度处分层铺设彩砂，通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，从而判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，并由此计算出三维情况下，软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。
所述砂土模拟路堤填料靠近观察面一侧铺设有彩砂。
所述观察面为钢化钢化玻璃制得。
所述模型槽和储砂箱棱边内外设有刻度尺。
本发明提供了一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将模型槽放置于水平场地，将槽内清理干净，在观察面内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，土压力盒的布置位置；
（2）固定桩体、桩帽，并在桩体四周填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，布置隔砂层；
（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，进行土压力盒的精确布置，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；
（4）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，在螺旋型轨道上移动漏斗，进行砂土的填筑；
（5）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；
（6）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近观察面一侧进行彩砂铺设；
（7）根据具体的试验要求，重复布置土压力盒、填筑砂土、路堤上平面整平、铺设彩砂的步骤；
（8）路堤填筑完成后，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，静置24小时以上；
（9）静置完成后，结束数据采集，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置；
（10）打开排砂口，让砂土随重力作用排入周围的储砂箱，收集好土压力盒，对模型槽进行清理。
本发明还提供了一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，所述方法包括如下步骤：
（1）将模型槽放置于水平场地，将槽内清理干净，在观察面内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，加筋体的布置高度，土压力盒的布置位置；
（2）固定桩体、桩帽，并在桩体四周填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，布置隔砂层；
（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，进行土压力盒的精确布置，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；
（4）布置加筋体：根据试验的具体条件，将加筋体与带孔钢框架固定；
（5）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，在螺旋型轨道上移动漏斗，进行砂土的填筑；
（6）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；
（7）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近观察面一侧进行彩砂铺设；
（8）根据具体的试验要求，重复布置土压力盒、填筑砂土、路堤上平面整平、铺设彩砂的步骤；
（9）路堤填筑完成后，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，静置24小时以上；
（10）静置完成后，结束数据采集，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置；
（11）打开排砂口，让砂土随重力作用排入周围的储砂箱，收集好土压力盒，对模型槽进行清理。
步骤（4）中，根据试验的具体条件，需要布置多层加强筋时，先将最下方的第一层加强筋与带孔钢框架固定后，填筑砂土、路堤填土上平面整平，再布置第二层加强筋，并以此类推，直至布置最上一层加强筋。
步骤（4）中，根据试验的具体条件，在相邻的加强筋之间砂土内布置土压力盒与铺设彩砂。
有益效果：本发明提供的试验装置可以快速有效地分层填筑与整平砂土、铺设彩砂、安放土压力盒、卸土；可以揭示路堤中竖向及水平向应力随路堤高度的分布规律，从而判断路堤填料处于主动或被动土压力状态，做出土拱轮廓线。通过变换路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，分析路堤中应力状态的变化，从而研究桩承式加筋路堤中三维土拱效应的产生机理。在路堤不同高度处放置加筋体，分析多层加筋体对土拱效应产生促进或抑制作用，以确定加筋体的有效加固区域。通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，从而评估软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。
附图说明
图1为三维土拱效应研究试验装置俯视图；
图2为三维土拱效应研究试验装置剖视图；
图3为方桩、桩帽和方桩支座结构示意图；
图4为模型槽内部的结构示意图；
图5为路堤填筑辅助装置的平面示意图；
图6为路堤填筑辅助装置的结构示意图；
图7为路堤填土上平面整平辅助装置的结构示意图；
图8为土压力盒安放辅助装置的结构示意图；
图9为彩砂铺设辅助装置的结构示意图；
其中1为模型槽，2为方桩，3为桩帽，4为方桩支座，5为泡沫颗粒，6为加筋体，7为储砂箱，8为排砂口，9为排砂口闸门，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为把手，18为试验操作门，19为填筑漏斗，20为带螺旋型轨道的平面框架，21为搭接横梁，22为正方形格栅网，23为高度控制柱，24为水平尺，25为激光投射器，26为可活动搭接横梁，27为直线型轨道横梁，28为铺设漏斗。
具体实施方式
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的实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
实施例1
一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，试验装置主要由模型槽1、路堤填筑辅助装置、彩砂铺设辅助装置、路堤填土上平面整平辅助装置、以及土压力盒安放辅助装置组成；
其中，如图1、2、4所示，模型槽1呈立方体型，其中一侧面为透明材料制成的观察面，观察面可选用钢化玻璃11，且可通过两侧钢制插槽将其固定。与观察面相邻的左右两侧面上分别于距离上边缘800 mm处水平线上的三等分点处各设有两个排砂口8，排砂口8尺寸长、宽均为100 mm，且排砂口8左侧、右侧、下侧有插槽，可插入带把手的钢板作为排砂口闸门9，缝隙处用橡胶条密封。与观察面相对的后侧面上设有试验操作门18，试验操作门18由从上到下由七块高度为100 mm，长度为600 mm的带有把手的钢板门上下排布拼接形成，对应模型槽后侧的门框尺寸高度与长度分别为700 mm与600 mm，门框左侧、右侧、下侧有插槽，缝隙处用橡胶条密封。在试验开始时，将最下层（第一层）试验操作门关闭，其他层试验操作门均打开，借助辅助装置填筑与整平砂土、铺设彩砂、以及安放好土压力盒后，将第二层试验操作门关闭，以此类推试验操作门由下层向上层逐渐关闭。此过程可以快速有效完成路堤填料的分层均匀填筑和土压力盒的安放。
模型槽1内上层放置用于模拟路堤填料的砂土，且砂土内设有若干个土压力盒，下层放置方桩2，如图3所述，方桩2顶端上设有桩帽3，方桩2下部周围设有方桩支座4，方桩2桩体周围填筑用于模拟地基软土的尺寸为1cm3的软、硬质聚丙乙烯立方体泡沫颗粒5，且上层与下层之间设有防止路堤填料漏进模拟地基软土的隔砂层13；
如图1、2、4所示，模型槽1外部与储砂箱7通过焊接相连，可在试验完成时，快速地将模型槽中填筑的砂土通过排砂口卸载到储砂箱中，储砂箱7环绕模型槽1外部左侧、右侧和后侧，储砂箱7外边界与内边界相隔500 mm，且储砂箱7上方设置盖板；模型槽1和储砂箱7棱边内外设有最小刻度为1 mm的刻度尺。
如图5和6所示，路堤填筑辅助装置包括一个带螺旋型轨道的平面框架20和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗19，可将砂土放置在漏斗中，填筑漏斗19上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗19上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，填筑过程随移动而进行，可较好地控制填筑均匀。平面框架20可架于模型槽1上，可拆卸；
如图9所示，彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁27和可放置在轨道上移动的铺设漏斗28，铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗的漏口可放置在所需铺设位置的正上方，在漏斗移动的过程中，彩砂可以通过铺设漏斗漏入指定位置，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁27可架于模型槽1上，可拆卸；
如图7所示，路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网22、高度控制柱23、垂直交叉的搭接横梁21与水平尺24，其中高度控制柱23的下端与正方形格栅网22焊接，且高度控制柱23与正方形格栅网22所在平面垂直，高度控制柱23与搭接横梁21活动连接，且高度控制柱23可沿着垂直方向上下移动，水平尺24固定在正方形格栅网22上，搭接横梁21可放置于模型槽1上，可拆卸；高度控制柱可通过滑轮上下移动，固定在不同高度位置，水平尺固定在格栅网上，通过观察填土上表面和格栅网平面的相对高度和水平尺，来判断填土上表面是否水平，可用小刷子辅助整平填土上表面。通过在不同高度固定平面格栅网，控制填土上表面各处的高度，直观感受平面填土不同位置处的高度差，有针对性地进行整平。
如图8所示，土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁26和激光投射器25组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁26可活动架于模型槽1上。设定好土压力盒的位置后，根据模型槽各边的刻度，可以在槽壁上方确定位置处固定两条横梁，激光投射器可安放在两条横梁相交处，再根据激光投射器竖直投射在填土表面的位置，精确确定土压力盒应该安放的位置。
本实施例三维土拱效应研究试验装置（不含加强筋）的操作方法的具体步骤如下：
（1）将模型槽1放置于水平场地，将槽内清理干净，在钢化玻璃11内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，以减少模型槽侧壁摩擦的影响。根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，加筋体的布置高度，土压力盒的布置位置；
（2）将尺寸长，宽，高分别为50 mm ×50 mm ×400 mm 带方桩支座的方桩2按照具体设计的位置摆放，为了固定桩体，模型槽底部相邻桩间可铺设100 mm厚的密实干砂，桩体固定后可以安装桩帽3。在桩体四周填筑300 mm厚的尺寸为1cm3的软、硬质聚丙乙烯立方体泡沫颗粒用于模拟地基软土，在桩帽3和模拟地基软土表面所在的位置铺设一层强度较低的隔砂层（以免影响试验结果），防止路堤填料漏进模拟地基软土中；
（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，在软土表面和桩帽上方进行土压力盒的精确布置，根据激光投射位置安放土压力盒10，运用土压力盒10测量土体不同位置处水平向、竖直向应力大小，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；
（4）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，打开填筑漏斗19开关，并让填筑漏斗19在螺旋型轨道平面框架20上沿轨道移动，将砂土均匀地填筑在桩梁顶和泡沫的顶部，填筑过程中，以50 mm为1层，进行填筑；
（5）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；
（6）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近钢化玻璃11一侧铺设薄层彩砂；通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，可以直观地观测路堤填土在不同填土高度下的变形模式；
（7）根据具体的试验要求，重复布置土压力盒、填筑砂土、路堤上平面整平、铺设彩砂的步骤；
（8）路堤填筑完成后，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，静置24小时以上；
（9）静置完成后，结束数据采集，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，同时，记录数据采集仪采集的数据（向土压力、水平向土压力和加强筋应变等相关数据）；
（10）试验结束后打开排砂口，让砂土随重力作用排入周围的储砂箱，收集好土压力盒，对模型槽进行清理。
通过变化路堤高度、桩间距以及桩帽尺寸，测量软土以及桩帽上方路堤中不同高度处的竖向土压力、水平向土压力的大小，借助彩砂测量路堤中不同位置处发生的沉降。可以做出竖向土压力沿路堤高度分布的曲线图（路堤高度为纵坐标，土压力大小为横坐标），通过对比曲线与直线的关系，可以判断处土拱效应是否发生：当曲线与直线接近重合时，没有土拱效应发生；当曲线落在直线下方（说明所测量土压力的值小于的值），且路堤中没有等沉面出现时，土拱效应部分产生；当曲线落在直线下方且路堤中存在等沉面时，土拱效应完全发生。根据此条件可以判断处土拱完全不产生、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。同时，根据测量所得路堤中不同高度处的竖向土压力、水平向土压力的大小，可以得出土压力系数随路堤高度的分布规律（土压力系数=水平向土压力/ 竖向土压力），土压力系数沿着路堤深度会出现先增大后减小的变化规律，而土压力系数由增大至减小的突变处，即为土拱内拱的高度，从而可以分析土拱效应作用的区域。
综上所述，本发明通过改变加筋体强度和布置方式、地基软土强度，得到加筋体的应变、竖向变形，软土的沉降以及不同情况下路堤填料的竖向应力、水平向土压力的分布，从而分析多层加筋体对土拱效应产生了促进或抑制的影响，并确定加筋体的有效加固区域。通过测量所得的软土沉降，计算出三维情况下软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。
实施例2
一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，试验装置主要由模型槽1、路堤填筑辅助装置、彩砂铺设辅助装置、路堤填土上平面整平辅助装置、以及土压力盒安放辅助装置组成；
其中，如图1、2、4所示，模型槽1呈立方体型，其中一侧面为透明材料制成的观察面，观察面可选用钢化玻璃11，且可通过两侧钢制插槽将其固定。与观察面相邻的左右两侧面上分别于距离上边缘800 mm处水平线上的三等分点处各设有两个排砂口8，排砂口8尺寸长、宽均为100 mm，且排砂口8左侧、右侧、下侧有插槽，可插入带把手的钢板作为排砂口闸门9，缝隙处用橡胶条密封。与观察面相对的后侧面上设有试验操作门18，试验操作门18由从上到下由七块高度为100 mm，长度为600 mm的带有把手的钢板门上下排布拼接形成，对应模型槽后侧的门框尺寸高度与长度分别为700 mm与600 mm，门框左侧、右侧、下侧有插槽，缝隙处用橡胶条密封。在试验开始时，将最下层（第一层）试验操作门关闭，其他层试验操作门均打开，借助辅助装置填筑与整平砂土、铺设彩砂、以及安放好土压力盒后，将第二层试验操作门关闭，以此类推试验操作门由下层向上层逐渐关闭。此过程可以快速有效完成路堤填料的分层均匀填筑和土压力盒的安放。
模型槽1内上层放置用于模拟路堤填料的砂土，且砂土内设有若干个土压力盒，下层放置方桩2，如图3所述，方桩2顶端上设有桩帽3，方桩2下部周围设有方桩支座4，方桩2桩体周围填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒5，且上层与下层之间设有防止路堤填料漏进模拟地基软土的隔砂层13；
对于考虑加筋体的试验，加筋体6左右两侧及后侧分别设有带孔洞的钢框架15，且加筋体6的边界固定于钢框架15的孔洞中，钢框架15通过固定架16固定于模型槽1的内壁上，加筋体6位于隔砂层13上方，且其表面上均匀设有若干个应变片12。对于单层加筋的试验，加筋体6布置在桩帽3上方20 mm处；对于两层加筋体6，每层加筋体6分别布置在方桩2顶以上20 mm、50 mm处；对于三层加筋体6，每层加筋6体分别布置在方桩2顶以上20 mm、50 mm、100mm处，加筋体6上按照设计要求贴好应变片12。
如图1、2、4所示，模型槽1外部与储砂箱7通过焊接相连，可在试验完成时，快速地将模型槽中填筑的砂土通过排砂口卸载到储砂箱中，储砂箱7环绕模型槽1外部左侧、右侧和后侧，储砂箱7外边界与内边界相隔500 mm，且储砂箱7上方设置盖板；模型槽1和储砂箱7棱边内外设有最小刻度为1 mm的刻度尺。
如图5和6所示，路堤填筑辅助装置包括一个带螺旋型轨道的平面框架20和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗19，可将砂土放置在漏斗中，填筑漏斗19上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗19上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，填筑过程随移动而进行，可较好地控制填筑均匀。平面框架20可架于模型槽1上，可拆卸；
如图9所示，彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁27和可放置在轨道上移动的铺设漏斗28，铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗的漏口可放置在所需铺设位置的正上方，在漏斗移动的过程中，彩砂可以通过铺设漏斗漏入指定位置，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁27可架于模型槽1上，可拆卸；
如图7所示，路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网22、高度控制柱23、垂直交叉的搭接横梁21与水平尺24，其中高度控制柱23的下端与正方形格栅网22焊接，且高度控制柱23与正方形格栅网22所在平面垂直，高度控制柱23与搭接横梁21活动连接，且高度控制柱23可沿着垂直方向上下移动，水平尺24固定在正方形格栅网22上，搭接横梁21可放置于模型槽1上，可拆卸；高度控制柱可通过滑轮上下移动，固定在不同高度位置，水平尺固定在格栅网上，通过观察填土上表面和格栅网平面的相对高度和水平尺，来判断填土上表面是否水平，可用小刷子辅助整平填土上表面。通过在不同高度固定平面格栅网，控制填土上表面各处的高度，直观感受平面填土不同位置处的高度差，有针对性地进行整平。
如图8所示，土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁26和激光投射器25组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁26可活动架于模型槽1上。设定好土压力盒的位置后，根据模型槽各边的刻度，可以在槽壁上方确定位置处固定两条横梁，激光投射器可安放在两条横梁相交处，再根据激光投射器竖直投射在填土表面的位置，精确确定土压力盒应该安放的位置。
本实施例三维土拱效应研究试验装置（含加强筋）的操作方法的具体步骤如下：
（1）将模型槽1放置于水平场地，将槽内清理干净，在钢化玻璃11内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，以减少模型槽侧壁摩擦的影响。根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，加筋体的布置高度，土压力盒的布置位置；
（2）将尺寸长，宽，高分别为50 mm ×50 mm ×400 mm 带方桩支座的方桩2按照具体设计的位置摆放，为了固定桩体，模型槽底部相邻桩间可铺设100 mm厚的密实干砂，桩体固定后可以安装桩帽3。在桩体四周填筑300 mm厚的尺寸为1cm3的软、硬质聚丙乙烯立方体泡沫颗粒用于模拟地基软土，在桩帽3和模拟地基软土表面所在的位置铺设一层强度较低的隔砂层（以免影响试验结果），防止路堤填料漏进模拟地基软土中；
（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，进行土压力盒的精确布置，根据激光投射位置安放土压力盒10，运用土压力盒10测量土体不同位置处水平向、竖直向应力大小，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；
（4）布置加筋体：根据试验的具体条件，将加筋体与带孔钢框架固定；对于单层加筋的试验，加筋体6布置在桩帽3上方20 mm处；对于两层加筋体6，每层加筋体6分别布置在方桩2顶以上20 mm、50 mm处；对于三层加筋体6，每层加筋6体分别布置在方桩2顶以上20 mm、50mm、100mm处，加筋体6上按照设计要求贴好应变片12。布置多层加强筋时，先将最下方的第一层加强筋与带孔钢框架固定后，填筑砂土、路堤填土上平面整平，再布置第二层加强筋，并以此类推，直至布置最上一层加强筋。根据试验的具体条件，在相邻的加强筋之间砂土内还可以布置土压力盒与靠近观察面的位置铺设彩砂。
（5）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，打开填筑漏斗19开关，并让填筑漏斗19在螺旋型轨道平面框架20上沿轨道移动，将砂土均匀地填筑在桩梁顶和泡沫的顶部，填筑过程中，以50 mm为1层，进行填筑；
（6）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；
（7）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近钢化玻璃11一侧铺设薄层彩砂；通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，可以直观地观测路堤填土在不同填土高度下的变形模式；
（8）根据具体的试验要求，重复布置土压力盒、填筑砂土、路堤上平面整平、铺设彩砂的步骤；
（9）路堤填筑完成后，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，静置24小时以上；
（10）静置完成后，结束数据采集，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，同时，记录数据采集仪采集的数据（向土压力、水平向土压力和加强筋应变等相关数据）；
（11）试验结束后打开排砂口，让砂土随重力作用排入周围的储砂箱，收集好土压力盒，对模型槽进行清理。
Claims (9)
1.一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：试验装置主要由模型槽（1）、路堤填筑辅助装置、彩砂铺设辅助装置、路堤填土上平面整平辅助装置、以及土压力盒安放辅助装置组成；
其中，所述模型槽（1）呈立方体型，其中一侧面为透明材料制成的观察面，与观察面相邻的左右两侧面上分别设有排砂口（8），且排砂口（8）上装有排砂口闸门（9），与观察面相对的后侧面上设有试验操作门（18），所述试验操作门（18）为多层带有把手的钢板门上下排布拼接形成，所述模型槽（1）内上层放置用于模拟路堤填料的砂土，且砂土内设有若干个土压力盒，下层放置方桩（2），方桩（2）顶端上设有桩帽（3），方桩（2）下部周围设有方桩支座（4），方桩（2）桩体周围填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒（5），且上层与下层之间设有防止模拟路堤填料的砂土漏进模拟地基软土的隔砂层（13）；
所述模型槽（1）外接有储砂箱（7），储砂箱（7）环绕模型槽（1）外部左侧、右侧和后侧，且储砂箱（7）上方设置盖板；
所述路堤填筑辅助装置包括一个带螺旋型轨道的平面框架（20）和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗（19），所述填筑漏斗（19）上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗（19）上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，平面框架（20）可活动架于模型槽（1）上；
所述彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁（27）和可放置在轨道上移动的铺设漏斗（28），铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁（27）可活动架于模型槽（1）上；
所述路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网（22）、高度控制柱（23）、垂直交叉的搭接横梁（21）与水平尺（24），其中高度控制柱（23）的下端与正方形格栅网（22）固定连接，且高度控制柱（23）与正方形格栅网（22）所在平面垂直，高度控制柱（23）与搭接横梁（21）活动连接，且高度控制柱（23）可沿着垂直方向上下移动，水平尺（24）固定在正方形格栅网（22）上，搭接横梁（21）可活动放置于模型槽（1）上；
所述土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁（26）和激光投射器（25）组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁（26）可活动架于模型槽（1）上。
2.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：还包括至少一层加筋体（6），所述每层加筋体（6）左右两侧及后侧分别设有带孔洞的钢框架（15），且加筋体（6）的边界固定于钢框架（15）的孔洞中，所述钢框架（15）通过固定架（16）固定于模型槽（1）的内壁上，所述加筋体（6）位于隔砂层（13）上方，且其表面上均匀设有若干个应变片（12）。
3.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：所述砂土模拟路堤填料靠近观察面一侧铺设有彩砂。
4.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：所述观察面为钢化玻璃（11）制得。
5.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：所述模型槽（1）和储砂箱（7）棱边内外设有刻度尺。
6.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
（1）将模型槽放置于水平场地，将槽内清理干净，在观察面内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，土压力盒的布置位置；
（2）固定桩体、桩帽，并在桩体四周填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，布置隔砂层；
（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，进行土压力盒的精确布置，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；
（4）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，在螺旋型轨道上移动漏斗，进行砂土的填筑；
（5）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；
（6）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近观察面一侧进行彩砂铺设；
（7）根据具体的试验要求，重复布置土压力盒、填筑砂土、路堤上平面整平、铺设彩砂的步骤；
（8）路堤填筑完成后，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，静置24小时以上；
（9）静置完成后，结束数据采集，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置；
（10）打开排砂口，让砂土随重力作用排入周围的储砂箱，收集好土压力盒，对模型槽进行清理。
7.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
（1）将模型槽放置于水平场地，将槽内清理干净，在观察面内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，加筋体的数量及布置高度，土压力盒的布置位置；
（2）固定桩体、桩帽，并在桩体四周填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，布置隔砂层；
（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，进行土压力盒的精确布置，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；
（4）布置加筋体：将加筋体与带孔钢框架固定；
（5）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，在螺旋型轨道上移动漏斗，进行砂土的填筑；
（6）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；
（7）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近观察面一侧进行彩砂铺设；
（8）根据具体的试验要求，重复布置土压力盒、填筑砂土、路堤上平面整平、铺设彩砂的步骤；
（9）路堤填筑完成后，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置，静置24小时以上；
（10）静置完成后，结束数据采集，用数码相机拍摄此时正面钢化玻璃显示的彩砂位置；
（11）打开排砂口，让砂土随重力作用排入周围的储砂箱，收集好土压力盒，对模型槽进行清理。
8.根据权利要求7所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，其特征在于：步骤（4）中，根据试验的具体条件，需要布置多层加强筋，先将最下方的第一层加强筋与带孔钢框架固定后，填筑砂土、路堤填土上平面整平，再布置第二层加强筋，并以此类推，直至布置最上一层加强筋。
9.根据权利要求8所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，其特征在于：步骤（4）中，根据试验的具体条件，在相邻的加强筋之间砂土内布置土压力盒与铺设彩砂。
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