CN107942033A

CN107942033A - 共振法加固液化土模型试验装置及试验方法

Info

Publication number: CN107942033A
Application number: CN201711056563.2A
Authority: CN
Inventors: 杜广印; 罗涛
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-11-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明公开了共振法加固液化土模型试验装置及试验方法，该试验装置包括模型槽、激振系统、起吊系统及量测系统；所述激振系统包括振动机和十字振动翼，所述起吊系统包括提升机，起吊系统用来起吊激振系统；所述量测系统包括孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器和数据采集仪；该方法，包括以下步骤：步骤（a）：制备重塑液化土；步骤（b）：模型槽预处理；步骤（c）：布置竖木杆；步骤（d）：填筑重塑液化土；步骤（e）：触探试验；步骤（f）：振动试验；步骤（g）：触探试验。本发明提供合理的物理模拟条件和较好的、易于描述的边界条件，能在一定条件下实现共振法加固液化土的过程。

Description

共振法加固液化土模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种共振法加固液化土模型试验装置及试验方法，属于液化地基加固技术领域。

背景技术

液化地基处理是工程建设经常面临的技术难题之一。液化地基在地震等动力荷载作用下，饱和砂土或粉土中孔隙水压力逐渐上升、部分或完全抵消土骨架承担的有效应力、从而发生液化。

常用的抗液化思路有如下几类：（1）控制液化土层的含水量和渗透性，增加液化土颗粒间的接触面积，降低超静孔隙水压力。常用的方法是防渗、排水等。（2）改善液化土层的颗粒结构，提高液化土密实度和结构稳定性。常用的方法是振动加密、碎石桩、强夯等。（3）改变液化土层的组成，常用的方法是化学注浆、液化土改良、桩基、换填等。（4）改变液化土层的围压，增加侧向约束，常用的方法是反压护道方法。

共振法是20世纪90年代前后在国外发展起来的一种新的液化地基处理方法，由于该工法具有施工噪音小、加固效果显著等优点，在国外得到了广泛应用。2008年，东南大学岩土工程研究所研制出了具有自主知识产权的十字形振动杆及施工设备，在经过几次工程实践改造后，该方法已获得国家发明专利 “十字振动翼”。该方法的特点是利用一种类似国内沉管灌注桩的施工机械，将一根十字振动翼以振动方式沉入土中，通过沉杆过程中的垂直振动使振动翼周围土发生剧烈的振动，通过调整振动器的频率来达到土-振动翼系统的共振频率来实现土体的密实。在共振状态下，使振动翼获得振动能量到周围土层最佳的传递从而达到对地基土体起到加固的作用。

该方法施工方便，经济高效，绿色环保。因此，该加固液化地基的方法具有很大的生命力，目前已在宿迁金鹰、宿新高速公路、盐淮高速公路（大丰港至盐城段）、锡通过江通道等工程中得到了应用，效果良好，得到了各方的肯定。但是其在加固机理，工艺及施工控制方法与措施等方面的研究还不够完善。因此，为全面推动共振法处理液化地基的应用，有必要开展系统的试验研究，以探讨共振法的加固机理、工艺及施工控制方法与措施，而目前尚无用于共振法加固液化地基模型试验的专用装置，需要研发相应的试验装置。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种共振法加固液化土模型试验装置及试验方法，其具体技术方案如下：

共振法加固液化土模型试验装置，包括模型槽、激振系统、起吊系统及量测系统；

所述模型槽呈顶部开口、四周和底部密封固定的空心体形状，所述模型槽至少有一面是透明的，所述模型槽的侧壁设置有若干个水龙头，所述模型槽内设置有一个或若干个竖木杆；

所述激振系统包括振动机和十字振动翼，所述振动机驱动十字振动翼上下振动，所述十字振动翼悬于模型槽的中心上方，所述十字振动翼的横截面为十字形；

所述起吊系统包括提升机，起吊系统用来起吊激振系统；

所述量测系统包括孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器和数据采集仪，所述孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器均与竖木杆固定，孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器分别通过各自的数据传输线与数据采集仪连接，所述数据采集仪位于模型槽外部，每根竖木杆配有一个数据采集仪。

所述十字振动翼的四条直翼边设有连续的凸形半圆齿，十字振动翼的底端设有尖刺齿。

所述模型槽呈顶部开口的空心长方体形状，，模型槽的一组相对边由透明材质制得。

所述水龙头呈一排或一排以上布置。

共振法加固液化土模型试验方法，所述包括以下操作步骤：

步骤（a）：制备重塑液化土：将待加固液化土放入搅拌机内搅拌，在搅拌的过程中慢慢加水，直到达到试验具体要求的土样含水量；

步骤（b）：模型槽预处理：在模型槽内表面涂抹一层凡士林，在模型槽内预先注入水，直到水完全覆盖住模型槽底部；

步骤（c）：在模型槽内布置一根或一根以上竖木杆，每根竖木杆均固定有已预先经过浸泡饱和的孔隙水压力传感器、土压力传感器和加速度传感器，孔隙水压力传感器、土压力传感器、加速度传感器各自的数据传输线均沿竖木杆引导与数据采集仪连接，数据采集仪位于模型槽外部，每根竖木杆配有一个数据采集仪；

步骤（d）：填筑重塑液化土：将步骤（a）制得的重塑液化土分层填筑到模型槽内填入，制得土样，，使得孔隙水压力传感器、土压力传感器和加速度传感器位于土样中，数据采集仪位于土样外；

步骤（e）：触探试验：待步骤（d）完成后，在土样相应位置做轻型圆锥动力触探试验，并用直尺测定土表面标高；

步骤（f）：振动试验：在土样表面布置梅花型振点，采用激振系统按布置的梅花型振点对土样施加振动荷载，每个振点振动结束后量测振孔处的土层沉降规律，等待超孔隙水压消散完毕后进行下一个点的振动；振动过程中，通过录像、拍照观察和记录土颗粒、水的运移规律，同时采集土压力，孔隙水压力和加速度的变化数据；

步骤（g）：振动结束后，用直尺测定土表面标高，并在相应位置做轻型圆锥动力触探试验。

所述竖木杆有三根，且呈等边三角形布置。

所述步骤（d）中在重塑液化土填筑过程中，为了后续便于观察土颗粒的运移规律以及土体的沉降，沿竖向方向间隔设定的距离，在透明的侧面布置一层颜色土，该颜色土的颜色与重塑液化土的颜色不同。

所述步骤（f）中振动过程分为振杆下沉、留振和振杆上拔三个阶段，观察和记录每个阶段的土颗粒、水的运移规律，同时采集土压力，孔隙水压力和加速度的变化数据。

本发明的有益效果是：

本发明，该装置施工简单、成本低廉，能提供合理的物理模拟条件和较好的、易于描述的边界条件，能在一定条件下实现共振法加固液化土的过程，可用于研究共振法的加固机理与工艺及施工控制方法与措施。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

附图标记列表：1—模型槽，2—钢板侧面，4—玻璃板侧面，6—钢板底座，7—水龙头，8—钢板框架，9—树脂玻璃，10—手柄，11—轮子，12—横向加劲肋，13—振动机，14—十字振动翼，15—提升机，16—孔隙水压力器，17—土压力传感器，18—加速度传感器，19—数据采集仪，20—竖木杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明的结构示意图，图中标记部件名称依次为：模型槽1，钢板侧面2，玻璃板侧面4，钢板底座6，水龙头7，钢板框架8，树脂玻璃9，手柄10，轮子11，横向加劲肋12，振动机13，十字振动翼14，提升机15，孔隙水压力器16，土压力传感器17，加速度传感器18，数据采集仪19，竖木杆20。

结合附图可见，本共振法加固液化土模型试验装置，包括模型槽、激振系统、起吊系统及量测系统。

现举例一个具体模型槽来说明，模型槽呈顶部开口的空心长方体形状，模型槽的一组相对边由透明材质制得。模型槽由两块钢板侧面、两块玻璃板侧面和一块钢板底座组成，其中模型槽为长100cm、宽100cm和高120cm的敞口型空心长方体。钢板侧面为长120cm、宽100cm和厚5mm的钢板，其上分两排共布置有8个水龙头。玻璃板侧面由钢板框架和树脂玻璃组成，玻璃板侧面长为120cm、宽为100cm。树脂玻璃四周通过螺丝固定于钢板框架上的，并通过胶水密封，其中树脂玻璃长为90cm、宽为70cm、厚为10mm，钢板框架厚为5mm。玻璃板侧面和钢板侧面的底部两侧各焊接两个手柄。钢板底座选用长100cm、宽100cm、厚10mm的钢板，并且在四角处安装有4个轮子。四个侧面与底座之间通过焊接连接，并且在模型槽顶端布有一圈横向加劲肋，其中横向加劲肋为截面边长5cm、壁厚2mm的方形空心钢管。

所述激振系统包括振动机和十字振动翼，所述振动机驱动十字振动翼上下振动，所述十字振动翼悬于模型槽的中心上方，所述十字振动翼的横截面为十字形。作为本发明的具体选用，振动机选用振动频率为1000r/min，最大激振力为5KN的振动机。十字振动翼由两根垂直相交的钢板焊接而成，横截面呈十字形，该振动翼的四条直翼边设有连续的凸形半圆齿，振动翼的底端设有尖刺齿，振动翼长120cm，翼宽为6cm，翼厚为3mm。

所述起吊系统包括提升机，起吊系统用来起吊激振系统。作为本发明的具体选用，提升机的起吊重量是10t、起升高度是6m、起升速度是0.45m/min。

所述量测系统包括孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器和数据采集仪，所述孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器均于对应的竖木杆固定，孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器分别通过数据传输线与数据采集仪连接，所述数据采集仪位于模型槽外部。量测系统监测孔隙水压力、土压力和土层加速度等，且测量数据显示在数据采集仪上。

共振法加固液化土模型试验方法，所述包括以下操作步骤：

步骤（b）：模型槽预处理：在模型槽内表面涂抹一层凡士林，减少土样和模型槽的摩擦力，在模型槽内预先注入水，直到水完全覆盖住模型槽底部，防止倒入土样时产生气泡；

步骤（c）：布置竖木杆：在模型槽内呈等边三角形布置3根竖木杆，3根呈等边三角形分布，将已预先经过浸泡饱和的孔隙水压力传感器、土压力传感器、加速度传感器固定于竖木杆上，孔隙水压力传感器、土压力传感器、加速度传感器的数据传输线均沿竖木杆引导与数据采集仪连接，数据采集仪位于模型槽外部；

步骤（d）：填筑重塑液化土：将步骤（a）制得的重塑液化土分层填筑到模型槽内填入，为了后续便于观察土颗粒的运移规律以及土体的沉降，沿竖向方向间隔设定的距离，在透明的侧面布置一层颜色土，该颜色土的颜色与重塑液化土的颜色不同。便于观察土颗粒的运移规律以及土体的沉降过程；制得土样，使得孔隙水压力传感器、土压力传感器和加速度传感器位于土样中，数据采集仪位于土样外；

步骤（f）：振动试验：在土样表面布置梅花型振点，采用激振系统按布置的梅花型振点对土样施加振动荷载，每个振点振动结束后量测振孔处的土层沉降规律，等待超孔隙水压消散完毕后进行下一个点的振动；振动过程中，通过录像、拍照观察和记录土颗粒、水的运移规律，同时采集土压力，孔隙水压力和加速度的变化数据；振动过程分为振杆下沉、留振和振杆上拔三个阶段，观察和记录每个阶段的土颗粒、水的运移规律，同时采集土压力，孔隙水压力和加速度的变化数据。

本发明，每根竖木杆从下到上依次为加速度传感器、土压力传感器、孔隙水压力器，且三者等距分布，用来测试不同深度的对应参数。

三个竖木杆或者多个竖木杆是为了测试距振点不同距离的孔隙水压力器、土压力传感器、加速度传感器的变化，根据实际试验数据需要设定。

重塑液化土浇筑过程中，预先倒在模型槽中的水会穿过重塑液化土，冒到重塑液化土上面，水位升高到水龙头部位，便从水龙头排出，防止制作的土样上表面存留有水层。

本发明的共振法加固液化土试验装置，能在一定条件下实现共振法加固液化土的过程，可用于研究共振法的加固机理与工艺及施工控制方法与措施。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.共振法加固液化土模型试验装置，其特征在于包括模型槽、激振系统、起吊系统及量测系统；

所述模型槽呈顶部开口、四周和底部密封固定的空心体形状，所述模型槽至少有一面是透明的，所述模型槽的侧壁设置有若干个水龙头，所述模型槽内设置有一根或若干根竖木杆；

所述起吊系统包括提升机，起吊系统用来起吊激振系统；

2.根据权利要求1所述的共振法加固液化土模型试验装置，其特征在于所述十字振动翼的四条直翼边设有连续的凸形半圆齿，十字振动翼的底端设有尖刺齿。

3.根据权利要求2所述的共振法加固液化土模型试验装置，其特征在于所述模型槽呈顶部开口的空心长方体形状，模型槽的一组相对边由透明材质制得。

4.根据权利要求3所述的共振法加固液化土模型试验装置，其特征在于所述水龙头呈一排或一排以上布置。

5.共振法加固液化土模型试验方法，其特征在于所述包括以下操作步骤：

步骤（c）：布置竖木杆：在模型槽内布置一根或一根以上竖木杆，每根竖木杆均固定有已预先经过浸泡饱和的孔隙水压力传感器、土压力传感器和加速度传感器，孔隙水压力传感器、土压力传感器、加速度传感器各自的数据传输线均沿竖木杆引导与数据采集仪连接，数据采集仪位于模型槽外部，每根竖木杆配有一个数据采集仪；

6.根据权利要求5所述的共振法加固液化土模型试验方法，其特征在于所述竖木杆有三根，且呈等边三角形布置。

7.根据权利要求5所述的共振法加固液化土模型试验方法，其特征在于所述步骤（d）中在重塑液化土填筑过程中，为了后续便于观察土颗粒的运移规律以及土体的沉降，沿竖向方向间隔设定的距离，在透明的侧面布置一层颜色土，该颜色土的颜色与重塑液化土的颜色不同。

8.根据权利要求5所述的共振法加固液化土模型试验方法，其特征在于所述步骤（f）中振动过程分为振杆下沉、留振和振杆上拔三个阶段，观察和记录每个阶段的土颗粒、水的运移规律，同时采集土压力，孔隙水压力和加速度的变化数据。