CN108396791B - 一种多功能大型路基实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能大型路基实验系统及方法，包括实验箱、驱动装置、刚性桩、千斤顶，实验箱的顶部开口，箱体的其中一个侧板通过一个驱动装置驱动其沿着位于其下边缘的轴旋转；实验箱底部的底板包括两种，一种是直接与侧面相连的整体底板；一种是与刚性桩配合的升降式底板；千斤顶用于驱动升降式底板上下移动；刚性桩包括两种，一种是顶部和底部均封闭的一体式圆柱形空心钢柱，另外一种是顶部通过千斤顶驱动，底部封闭的圆柱形空心钢柱。

Description

一种多功能大型路基实验系统及实验方法

技术领域

本发明提出了一种多功能大型路基实验系统及实验方法，属于土木工程领域。

背景技术

由于我国幅员辽阔，自然环境复杂多样，形成了各具特色的地理区域，导致在修筑高速公路时常会遇到各种复杂的地质现象，为路基填筑带来一系列难题，例如在我国部分地区广泛分布着地下溶洞，在岩溶地区进行路基填筑时，由于地下水腐蚀土体，会引起路基土体内部充填物下沉，进而导致上部建筑变形，使线路纵横断面高低不平，破坏线路的平顺性。

岩溶的存在还会使该段路基全部或部分悬空，将极大地降低路基使用的安全性和可靠性。此外，道路运营过程中，路基边坡在其自重以及上部荷载作用下常发生滑动或崩塌破坏。大规模的边坡岩、土体破坏能引起交通中断，建筑物倒塌，江河堵塞，水库淤填，给人民生命财产带来巨大损失。研究路基病害原因和产生机理，有助于预测路基病害的破坏时间、规模，以及危害程度，事先采取防治措施，减轻地质灾害，使路基设计达到安全、经济的目的。

发明内容

为了实现上述目标，本发明提出了一种多功能大型路基实验系统，能够完成路基边坡破坏和岩溶地区路基破坏的模型实验及其机理研究，以及刚性桩复合地基中土拱效应的研究，构造简单，操作方便，拥有广阔的开发前景和应用价值。

本发明采用的技术方案如下：

一种多功能大型路基实验系统，包括实验箱、驱动装置、刚性桩、千斤顶，所述实验箱的顶部开口，箱体的其中一个侧板通过一个驱动装置驱动其沿着位于其下边缘的轴旋转；实验箱底部的底板包括两种，一种是直接与侧面相连的整体底板；一种是与刚性桩配合的升降式底板；所述的千斤顶用于驱动升降式底板上下移动；

所述的刚性桩包括两种，一种是顶部和底部均封闭的一体式圆柱形空心钢柱，另外一种是顶部通过千斤顶驱动，底部封闭的圆柱形空心钢柱。

进一步的，在进行边坡失稳实验时，所述的实验箱的底部为一个与侧面相连的整体式钢板。

进一步的，在进行刚性桩复合地基中土拱效应实验时，所述的实验箱的转动侧板垂直固定，所述实验箱的底部设置多个所述的刚性桩，且刚性桩之间设置所述升降式底板，所述的底板通过所述的千斤顶驱动；

进一步的，所述的底板设置成四块，四块底板结构完全相同，四块底板和多个刚性桩拼装在一起正好覆盖箱体的底部。

进一步的，在岩溶地区路基破坏的模型实验时，所述的实验箱的转动侧板垂直于底板固定，且所述实验箱的底部设置多个所述的刚性桩，且刚性桩之间设置所述升降式底板，所述的底板通过所述的千斤顶驱动；其中一个刚性桩的顶部设置一块直径与空心钢管内径相同的顶板，并用千斤顶支撑。

进一步的，所述的驱动装置为龙门吊，利用龙门吊控制其中一个侧板旋转。

利用上述装置进行边坡失稳实验的方法如下：

进行边坡失稳实验，先将实验箱的旋转侧板与实验箱上端固定，且将实验箱底部用底板封闭，然后将路基填料分层填筑于实验箱中，且每填筑设定距离层就铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料；待路基土填筑并压实后，松开实验箱旋转侧板的上部螺栓，并利用龙门吊控制该侧板匀速旋转，模拟边坡失稳破坏过程；侧板旋转过程中记录边坡的变化过程，并在旋转结束后观察路基边坡的滑裂破坏面。

利用所述的多功能大型路基实验系统进行刚性桩复合地基中土拱效应的模型实验的方法，如下：

将实验箱的旋转侧板与实验箱上端固定，在实验箱的底部安装四块能升降的钢板，在实验箱底部布置若干个刚性桩，在多个刚性桩形成的间隙内放置多个能升降的底板，每个底板的底部通过一个千斤顶驱动其上下移动；先驱动底板顶部与刚性桩底部平齐，然后将路基填料分层填筑于实验箱中，且每填筑设定距离层就铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料；待路基土填筑压实后，将千斤顶卸载，使钢板下沉一定的高度，观察土拱的产生，研究刚性桩复合地基的桩土应力比。

利用所述的多功能大型路基实验系统进行岩溶地区路基破坏的模型实验的方法，其特征在于，如下：

将实验箱的旋转侧板与实验箱上端固定，在实验箱底部布置若干个刚性桩，在多个刚性桩形成的间隙内放置多个能升降的底板，每个底板的底部通过一个千斤顶驱动其顶部与刚性桩底部平齐，其中一个刚性桩的顶部设置一块直径与空心钢管内径相同的顶板，并用千斤顶支撑；然后将路基填料分层填筑于实验箱中，且每填筑设定距离层就铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料；待路基土填筑压实后，将钢性桩顶板下的千斤顶卸载，使顶板下沉一定的高度，观察路基破坏形式，研究岩溶地区路基的破坏形式及其危害程度。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所提出的试验模型能够完成路基边坡破坏和岩溶地区路基破坏的模型实验及其机理研究，以及刚性桩复合地基中土拱效应的研究，构造简单，操作方便；

(2)在现阶段的边坡设计过程中，需对边坡潜在滑裂面进行预测，常用的预测方法为数值模拟；使用数值模拟进行滑裂面计算会与实际情况存在一定误差，导致滑裂面位置的预测不准。利用该装置进行室内试验可以较好地模拟各种工况下的边坡滑裂情况，并对数值模拟结果进行检验；

(3)使用刚性桩进行地基加固时，桩间距的设计和桩土应力比的计算一般是参照规范以及相关经验确定，使得刚性桩的设计存在很大的不确定性。使用该装置进行刚性桩地基处理模型试验可以很好地模拟刚性桩地基的土拱效应，并对桩土应力比的计算和预估提供可靠的试验数据，使其计算结果更为真实和准确。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1、图2、图3为进行边坡失稳实验模型时多功能大型实验装置示意图；

图4、图5、图6为为刚性桩复合地基、岩溶地区路基实验时采用的多功能大型实验装置示意图；

图7刚性桩示意图；

图8刚性桩示意图；

图中：1-龙门吊；2-实验箱；3-支护结构，4-千斤顶；5-刚性桩，6底板，7顶板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多功能大型路基实验系统，且基于该实验系统开展了路基边坡破坏、岩溶地区路基破坏以及刚性桩复合地基中土拱效应的模型试验研究。该实验系统如图1、图2所示，由大型试验箱、试验控制系统、刚性桩、千斤顶及支护结构组成。其中，试验箱是由五块钢板组合成的无盖铁箱，长和宽为3.4～3.6m，高为3.2～3.4m，其右侧钢板以其下边缘为轴可进行旋转，方便模型填土以及开展边坡失稳试验，其钢板上端利用固定装置将其固定；试验控制系统为龙门吊，利用龙门吊控制右侧钢板旋转；刚性桩用直径为0.5-0.55m的圆柱形空心钢柱代替，其高度为0.25～0.35m，如图3所示。

在进行边坡失稳实验时，所述实验箱的顶部开口，底部为一个与侧面相连的整体式钢板，且箱体的其中一个侧板通过一个驱动装置驱动其沿着位于其下边缘的轴旋转；支护结构3支撑在实验箱的两侧，对实验箱进行支撑。

进一步的优选的，驱动装置为龙门吊1，利用龙门吊1控制其中一个侧板旋转。

本申请的一种典型的实施方式中，如图6、图4、图5、图7所示，在进行刚性桩复合地基中土拱效应实验时，所述的实验箱的转动侧板垂直固定，所述实验箱的底部设置多个所述的刚性桩5，且刚性桩5之间设置能升降的底板6，所述的底板6通过所述的千斤顶驱动；

进一步的，底板设置成四块，四块底板结构完全相同，四块底板和多个刚性桩拼装在一起正好覆盖箱体的底部；刚性桩5布置9个，9个刚性桩均匀分布在实验箱底部，具体的见图6所示。

进一步优选的，底板和刚性桩的数量不受限制，可以根据实际的实验条件进行设定。

本申请的一种典型的实施方式中，如图6、图4、图5、图8所示，在岩溶地区路基破坏的模型实验时，实验系统包括实验箱2、驱动装置、支护结构3所述的实验箱的转动侧板垂直固定，且所述实验箱的底部设置多个所述的刚性桩，且刚性桩之间设置能升降的底板6，所述的底板6通过所述的千斤顶驱动；其中一个刚性桩的顶部设置一块直径与空心钢管内径相同的顶板7，并用千斤顶支撑。

进一步的，底板设置成四块，四块底板结构完全相同，四块底板和多个刚性桩拼装在一起正好覆盖箱体的底部；刚性桩5布置9个，9个刚性桩均匀分布在实验箱底部，具体的见图6所示。

进一步优选的，底板和刚性桩的数量不受限制，可以根据实际的实验条件进行设定。

具体的实施步骤如下：

(1)实验系统安装

将实验箱按照图1、图2、图3所示方式进行拼装，并将右侧钢板用螺栓固定，龙门吊的吊绳与右侧钢板固定。在进行刚性桩复合地基中土拱效应和岩溶地区路基破坏的模型实验中，在实验箱内安装九根刚性桩，桩距为1.5～1.6m，且实验箱底板由四块活动钢板代替，钢板利用千斤顶支撑，实验开始前千斤顶加载使钢板顶面与刚性桩顶端齐平。此外进行岩溶地区路基破坏的模型实验时还需将5号刚性桩用一空心钢管代替，钢管顶部设置一块直径与空心钢管内径相同的钢板，并用千斤顶支撑，如图8所示。

(2)边坡稳定性实验

路基边坡破坏是高填方路基中普遍出现的路基病害，其中边坡滑坡和坍塌是两种危害性较大的破坏形式，利用本实验系统可进行边坡破坏的模型试验。在填筑好的立方体土体模型中，撤去右侧面的钢板，由于土体模型在该方向上失去支撑作用，使土体边坡沿其潜在滑动面所受到的抗滑力小于下滑力，从而发生失稳破坏，具体如下：

先将实验箱的右侧钢板与模型上端固定，将路基填料分层填筑于实验箱中，填土高度为3～3.2m，且每填筑1～1.1m铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料。待路基土填筑并压实后，松开实验箱右侧钢板上部螺栓，并利用龙门吊控制右侧钢板匀速旋转，模拟边坡失稳破坏过程；钢板旋转过程中记录边坡的变化过程，并在旋转结束后观察路基边坡的滑裂破坏面。

(3)刚性桩复合地基中土拱效应的模型实验

在刚性桩复合地基中，由于刚性桩与桩间土之间的差异沉降，产生土拱效应。土拱效应的产生会造成桩体与桩间土承受荷载的不同，通过合理布置桩间距可调整桩土应力比，从而实现刚性桩强度的合理利用。利用本实验系统可模拟刚性桩复合地基土拱效应。通过在试验箱底部布置若干刚性桩，将桩间土填筑于底部可上下移动的钢板上方，在填筑好的立方体土体模型中，通过调整试验设备将桩间土出现明显下沉引起桩土的差异沉降，从而模拟土拱效应，具体如下：

将实验箱的右侧钢板与模型上端固定，以如图4至图6所示拼装好实验系统，将路基填料分层填筑于实验箱中，填土高度为3～3.2m，且每填筑1～1.1m铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料。待路基土填筑压实后，将千斤顶卸载，使钢板下沉0.2～0.25m，观察土拱的产生，研究刚性桩复合地基的桩土应力比。

(4)岩溶地区路基破坏的模型实验

在岩溶地区进行路基填筑时，由于地下水腐蚀土体，会引起路基土体内部充填物下沉，进而导致上部建筑变形，使线路纵横断面高低不平，破坏线路的平顺性。利用本实验系统可模拟岩溶地区地基破坏。通过在试验箱底部布置一空心圆柱筒，圆柱筒上端为一可上下移动的钢板，在填筑好的立方体土体模型中，通过调整试验设备将其钢板发生下沉模拟岩溶地区路基破坏形式。

将实验箱的右侧钢板与模型上端固定，以如图4至图6、图8所示拼装好实验系统，将路基填料分层填筑于实验箱中，填土高度为3～3.2m，且每填筑1～1.1m铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料。将5号钢板下的千斤顶卸载，使钢板下沉0.2～0.25m，观察路基破坏形式，研究岩溶地区路基的破坏形式及其危害程度。

本发明提出的多功能大型路基实验系统，利用该系统可以同时完成路基边坡破坏和岩溶地区路基破坏的模型实验及其机理研究，同时，该系统还可用于刚性桩复合地基中土拱效应的模型实验研究，对桩土应力比的计算及刚性桩布置提供实验依据。该系统能完成多种类型路基实验的模型研究，构造简单，操作方便，具有广阔的开发前景和应用价值。

实例1：刚性桩复合地基出现的土拱效应模型实验

某粉质黏土地区进行刚性桩复合地基处理，为确定桩间距，探究土拱效应，计算桩土应力比，采用多功能大型路基实验系统开展了模型实验。经过测定，该粉质黏土粘聚力约为7kPa，内摩擦角为20°。实验箱长宽均为3.5m，高度为3.2m。实验前在箱底均匀布设9个高为30cm，直径为0.5m的圆柱形空心钢柱，模拟刚性桩桩与桩之间安装了可上下移动的钢板，并用千斤顶支撑，实验开始前千斤顶加载使钢板顶面与刚性桩顶端齐平。将粉质黏土分层填入实验箱内，每填筑0.5m碾压一次，每填筑1m铺设一层土工格栅至土体模型高度为3m。经过短暂固结后卸载千斤顶压力，使桩间土缓慢下沉，由于圆柱形空心钢柱高度为30cm，沉降稳定后桩土沉降差为30cm。采用该装置可以探究刚性桩复合地基的土拱效应，估算不同桩间距情况下的桩土应力比，为施工提供依据。

实例2：膨胀土路基边坡稳定性模型实验

随着高等级高速公路的大量修建，膨胀土对路基道路危害日益增多。处于膨胀土地区的路基，路堑常常发生边坡失稳现象。加强对膨胀土地区边坡失稳发生机理、稳定性研究以及潜在破坏面的判断对道路工程有着非常重要的意义。采用该多功能大型实验箱进行膨胀土地区边坡破坏模型实验有助于预测膨胀土地区边坡潜在滑裂面预测。实验过程中，先将实验箱的右侧钢板与模型上端固定，将膨胀土分层填筑于实验箱中，填土高度为3m，且每填筑1m铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料。将其压实至规定压实度，松开实验箱右侧钢板上部螺栓，并利用龙门吊控制右侧钢板匀速旋转，模拟边坡失稳破坏过程；钢板旋转过程中记录边坡的变化过程，观察路基边坡的滑裂破坏面。利用该实验装置能较为准确地模拟膨胀土边坡破坏方式并获得破裂面，通过调整上部荷载找出破裂面出现规律，为工程中潜在破裂面的判断提供实验依据。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多功能大型路基实验系统的方法，其特征在于，所述多功能大型路基实验系统包括实验箱、驱动装置、刚性桩、千斤顶，所述实验箱的顶部开口，箱体的其中一个侧板通过一个驱动装置驱动其沿着位于其下边缘的轴旋转；实验箱底部的底板包括两种，一种是直接与侧面相连的整体底板；一种是与刚性桩配合的升降式底板；所述的千斤顶用于驱动升降式底板上下移动；所述的刚性桩包括两种，一种是顶部和底部均封闭的一体式圆柱形空心钢柱，另外一种是顶部通过千斤顶驱动，底部封闭的圆柱形空心钢柱；所述的底板设置成四块，四块底板结构完全相同，四块底板和多个刚性桩拼装在一起正好覆盖箱体的底部；所述的驱动装置为龙门吊，利用龙门吊控制其中一个侧板旋转；在进行边坡失稳实验时，所述的实验箱的底部为一个与侧面相连的整体式钢板；先将实验箱的旋转侧板与实验箱上端固定，且将实验箱底部用底板封闭，然后将路基填料分层填筑于实验箱中，且每填筑设定距离层就铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料；待路基土填筑并压实后，松开实验箱旋转侧板的上部螺栓，并利用龙门吊控制该侧板匀速旋转，模拟边坡失稳破坏过程；侧板旋转过程中记录边坡的变化过程，并在旋转结束后观察路基边坡的滑裂破坏面；在进行刚性桩复合地基中土拱效应实验时，所述的实验箱的转动侧板与其底板垂直固定，所述实验箱的底部设置多个所述的刚性桩，且刚性桩之间设置所述升降式底板，所述的底板通过所述的千斤顶驱动；将实验箱的旋转侧板与实验箱上端固定，在实验箱的底部安装四块能升降的钢板，在实验箱底部布置若干个刚性桩，在多个刚性桩形成的间隙内放置多个能升降的底板，每个底板的底部通过一个千斤顶驱动其上下移动；先驱动底板顶部与刚性桩底部平齐，然后将路基填料分层填筑于实验箱中，且每填筑设定距离层就铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料；待路基土填筑压实后，将千斤顶卸载，使钢板下沉一定的高度，观察土拱的产生，研究刚性桩复合地基的桩土应力比；在岩溶地区路基破坏的模型实验时，所述的实验箱的转动侧板垂直固定，且所述实验箱的底部设置多个所述的刚性桩，且刚性桩之间设置所述升降式底板，所述的底板通过所述的千斤顶驱动；其中一个刚性桩的顶部设置一块直径与空心钢管内径相同的顶板，并用千斤顶支撑；将实验箱的旋转侧板与实验箱上端固定，在实验箱底部布置若干个刚性桩，在多个刚性桩形成的间隙内放置多个能升降的底板，每个底板的底部通过一个千斤顶驱动其顶部与刚性桩底部平齐，其中一个刚性桩的顶部设置一块直径与空心钢管内径相同的顶板，并用千斤顶支撑；然后将路基填料分层填筑于实验箱中，且每填筑设定距离层就铺设土工格栅作为路基边坡加筋材料；待路基土填筑压实后，将钢性桩顶板下的千斤顶卸载，使顶板下沉一定的高度，观察路基破坏形式，研究岩溶地区路基的破坏形式及其危害程度。

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