单排或双排抗滑桩作用机理模型试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于岩土工程和地质工程技术领域,涉及一种模型试验装置和试验方法,具体涉及一种单排或双排抗滑桩作用机理模型试验装置和试验方法。
背景技术
高边坡加固治理是一项技术繁琐、投资巨大的建设项目。我国经过60多年滑坡治理的实践,已形成了一套较好的边坡加固治理方法和技术,其中抗滑桩支挡技术的应用较为迅速,当采用削坡、减载、排水、挡土墙等工程措施不足以解决边坡稳定性问题时,采用单排或双排抗滑桩等支挡结构能迅速、安全的解决一些边坡加固工程问题。
但作为一种发展历时较短的支挡结构,对其在滑坡推力作用下如何抵抗土压力及土压力如何发展演化等基础性问题的研究上还处于起步阶段,尤其是在设计中对需要考虑的不同滑坡坡面倾角下桩周土压力的传递、发展演化规律以及相应的桩身受力规律等问题的研究上还存在诸多未知。另外,对于单排抗滑桩来说,其埋置方式的不同(如半埋桩和全埋桩)会导致桩身受力存在何种差异也没有明确的结论。
除此之外,相对于单排抗滑桩来说,双排抗滑桩由于其属于超静定结构,因此可通过自身的变形协调作用减小土压力对其产生的弯拉变形,从而大大提高支护结构的稳定性,但其与周围土体、另一排抗滑桩之间的相互作用机理比单排抗滑桩更为复杂,在双排抗滑桩的何种布置形式(如平行布置、三角形布置等)、双排抗滑桩的何种排距及列距更有利于发挥抗滑桩的承载力等问题上都还没有得到很好的解答,目前也未见到对其作用机制研究的相关专利发表,而对其作用机理的研究将有利于抗滑桩这种支挡结构在岩土加固工程领域更广泛的推广和应用。因此,亟需研发开展单排或双排抗滑桩作用机理研究所需的专用装置及方法。
发明内容
本发明通过提供一种单排或双排抗滑桩作用机理模型试验装置及试验方法,可以全面了解滑坡坡面倾角、抗滑桩埋置方式(半埋或全埋)、双排抗滑桩不同布置形式(如平行布置、三角形布置等)及双排抗滑桩不同列距等工况下桩周土体土压力传递、发展演化规律以及相应的桩身受力规律。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案来实现:
单排或双排抗滑桩作用机理模型试验装置,包括模型箱和加载装置,
所述模型箱包括一倾斜的滑坡面挡土板,滑坡面挡土板两侧竖直设有侧面挡土板,滑坡面挡土板底端竖直设有底部挡土板,滑坡面挡土板上方水平设有加载板;所述滑坡面挡土板、两个侧面挡土板、底部挡土板和加载板共同组成了容土空间;
所述容土空间内竖直设有一组或者两组抗滑桩组;所述加载装置包括用于对加载板施力的千斤顶。
滑坡面挡土板是倾斜的,一端为高端,另一端为低端。
含有一组抗滑桩的为单排抗滑桩作用机理模型试验装置,含有两组抗滑桩的为双排抗滑桩作用机理模型试验装置。
进一步优选的,所述单排抗滑桩作用机理模型试验装置的一组抗滑桩安装在滑坡面挡土板上的抗滑桩组凹槽中,所述一组抗滑桩的数量为3~4个,均匀分布。
进一步优选的,所述双排抗滑桩包括第一抗滑桩组和第二抗滑桩组,所述第一抗滑桩组安装在滑坡面挡土板上的第一抗滑桩凹槽中,第二抗滑桩组安装在滑坡面挡土板末端的第二抗滑桩凹槽中,紧贴底部挡土板内侧。
所述第一抗滑桩组的抗滑桩数量为2~3个;第二抗滑桩组的抗滑桩数量为3~4个。
优选的,所述加载装置还包括用于固定千斤顶的反力架,所述反力架包括四边形的底面和顶面、用于连接底面和顶面的竖直钢管,所述钢管设置于底面和顶面的四角,千斤顶倒置于顶面的下方。所述顶面上设有安装孔,所述安装孔的数量为4个,千斤顶通过安装孔固定在顶面上。千斤顶的相应位置设有安装孔,用螺栓穿过安装孔将千斤顶固定在反力架顶面。
优选的,所述模型箱一端设有用于固定侧面挡土板的支撑架,所述支撑架包括两个竖直设置的支撑立柱,以及连接两个支撑立柱的横梁。横梁焊接在支撑立柱上端,横梁用于支撑滑坡面挡土板。所述支撑立柱下端设有方形底座,底座起到稳固支撑立柱的作用。
优选的,所述支撑立柱上设有用于固定侧面挡土板的插槽,所述插槽宽度和高度与侧面挡土板的厚度和高度相对应。
优选的,所述模型箱上与支撑立柱相对的一端设有支座,所述支座包括支撑板和支撑板下方的支腿。支座用于支撑底部挡土板及侧面挡土板和滑坡面挡土板的一端。所述支撑板为四边形板,所述支腿位于四边形板的四角处。
进一步优选的,所述支撑板上设有开口,所述开口能够容纳第二抗滑桩组和底部挡土板穿过。
进一步优选的,所述第二抗滑桩凹槽和底部挡土板凹槽焊接在支撑板上,位于开口的下方,用于固定第二抗滑桩组和底部挡土板。第二抗滑桩凹槽和底部挡土板凹槽相连接,组成支撑板凹槽。
所述支撑板凹槽选用焊接方式连接在支撑板上,且支撑板凹槽尺寸与第二抗滑桩组、底部挡土板完全契合,从而保证第二抗滑桩组、底部挡土板始终垂直于地面,同时避免了支撑板上直接设置支撑板凹槽,会增加支撑板厚度,造成支座移动困难和成本太高等问题。
优选的,所述滑坡面挡土板与水平面的夹角为30~60°。进一步优选为30°、45°、60°。
滑坡面挡土板的高端底部设有固定槽,固定槽为与横梁相对应的半圆形凹槽,横梁嵌入固定槽中,将滑坡面挡土板的高端固定,滑坡面挡土板的低端通过底部挡土板或第二抗滑桩组限定其位置。
所述容土空间内还包括有土压力盒及电阻应变片,土压力盒埋置于试验土体的设计位置,电阻应变片粘贴于抗滑桩桩身表面设计位置,土压力盒与电阻应变片均连接静态应变仪,以得到试验过程中土压力及桩身受力数据。
所述的抗滑桩是按照相似原理制成的长方体抗滑桩。
本试验所述土压力盒是一种测量土压力的应变式传感器,主要用于测量土体中任一点的土体压力变化,也可测量土体对挡土墙、抗滑桩等结构物表面的接触压力,其数值可由静态应变仪测量并计算出来。
本发明所述的电阻应变片为一种测量结构物应变的传感器,可粘贴于抗滑桩不同位置,从而得到桩身在不同荷载作用下的应变值,由此可计算得到桩身受力情况。
优选的,所述的静态应变仪采用DH-3816型号的静态应变测试系统,该静态应变测试系统稳定、监测结果准确。
为研究外荷载作用下桩周土体土压力发展、演化规律以及相应的桩身受力规律,揭示单排或双排抗滑桩的作用机理,本申请还提供单排或双排抗滑桩作用机理模型试验方法,包括以下步骤:
(一)建造单排或双排抗滑桩作用机理分析模型
在桩身表面设计位置粘贴电阻式应变片,按顺序组装好单排或双排抗滑桩作用机理模型试验装置,分次将试验土体倒入容土空间,并在不同的填土高度将土压力盒埋入设计位置,并用夯实器夯实,重复上述步骤,直至达到设计填土高度;在土体上方平放加载板,并微调反力架的位置,使千斤顶正对加载板;
(二)试验
移除底部挡土板;通过千斤顶对试验土体进行分级加载,直至抗滑桩周围土体破坏;加载过程中用静态应变仪分别采集土压力盒的土压力数值及桩身表面电阻应变片的应变值。调节滑坡面挡土板的角度,重复上述试验;调节抗滑桩漏出试验土体的高度,重复上述试验;调节双排抗滑桩不同的布置形式(如平行布置或三角形布置)或不同列距,重复上述试验;
(三)试验结果分析
试验加载结束后,对不同滑坡面挡土板角度、不同抗滑桩埋置方式、双排抗滑桩不同布置形式及不同列距工况下静态应变仪采集的数据进行分析,从而得到桩周土在滑坡推力作用下的土压力发展变化规律以及相应的抗滑桩桩身在土压力作用下的受力情况。
抗滑桩组桩周土压力是通过静态应变仪读取埋设于土体内部的应变式土压力盒所产生的应变,并根据土压力盒的弹性模量计算得到该点的土压力大小。通过对比同一工况下、同一土压力盒在不同荷载下的土压力大小,可得出测量点的土压力发展变化规律;通过对比同一工况下、同一水平面上不同土压力盒的土压力数据可得出抗滑桩组在土拱效应作用下沿同一水平面的土压力变化规律;通过对比同一工况下、同一竖向平面上不同土压力盒的土压力数据可得出抗滑桩组在土拱效应作用下沿同一竖向平面的土压力变化规律。抗滑桩组的桩身受力是通过静态应变仪读取粘贴于抗滑桩表面设计位置的电阻应变片应变值,并根据桩身弹性模量计算得到该点的桩身受力数据。对比不同的桩身位置受力情况可确定抗滑桩的最危险截面位置,并可得到不同工况下的桩身受力变化规律。
通过以上数据分析,可得到不同工况下抗滑桩土拱从产生到破坏整个过程中不同位置、不同加载分级下的土压力、桩身受力变化规律,从而为实际工程中抗滑桩的优化设计提供指导意见,更为重要的是,通过对上述数据分析得到的单排或双排抗滑桩作用机理,可为建立更广泛的单排或双排抗滑桩设计计算方法提供理论依据及技术支撑。
优选的,所述双排抗滑桩作用机理模型试验装置的具体步骤是:先对齐安放支撑架、支座和反力架,反力架上部用螺栓通过安装孔固定好千斤顶,然后将滑坡面挡土板斜搭在支撑架的横梁和支座的支撑板上,再将两侧挡土板一端插入支撑立柱的插槽内,另一端搭在支座的支撑板上,分别在滑坡面挡土板的第一抗滑桩凹槽和支座上的第二抗滑桩凹槽内插入抗滑桩,并在支座处的底部挡土板凹槽内插入底部挡土板。
分次倒入试验土体并夯实,同时在设计位置埋设土压力盒。夯实土体的目的是为提高土体密实度,并防止土压力盒的受力不均匀。
土压力盒的排布可保证能同时测量水平及竖向平面土压力数据,从而形成立体的、空间化的土压力实测数据,为土压力空间变化规律分析提供依据。
所述夯击器为重2.5kg的夯锤,用于夯实试验土体。所述夯锤包括一个圆柱形实心把手,把手一端焊接正方形底座,可用于获得试验中所需的不同土体密实度,操作简便且并可重复使用。夯锤落距5cm,每次填土后夯击1~3遍。
优选的,所述的试验土体高度应与支撑架的横梁齐平。
本发明所述抗滑桩列距为同一抗滑桩组中相邻抗滑桩之间的距离。
本发明提供了一种单排或双排抗滑桩作用机理模型试验装置及试验方法,可以更加全面的通过模型试验研究不同工况(如不同的滑坡坡面倾角、不同的抗滑桩埋置方式、双排抗滑桩不同的布置形式以及双排抗滑桩不同的列距)下抗滑桩组桩周土体土压力传递、发展演化规律以及相应的桩身受力规律,以揭示单排或双排抗滑桩的作用机理。
附图说明
图1是模型箱立体结构示意图;
图2是双排抗滑桩作用机理模型试验装置的正视图;
图3为支撑架的右视图;
图4是支撑架的俯视图;
图5为支座的俯视图;
图6是支撑板凹槽正视图;
图7为加压装置的结构示意图;
图8为手动夯击器的结构示意图;
图9为反力架顶部结构示意图;
图10为土压力盒埋设位置正视图;
图11为土压力盒埋设位置俯视图。
附图标记:1-抗滑桩组;1a-第一抗滑桩组;1b-第二抗滑桩组;2-支撑架;2a-支撑立柱; 2b-横梁;2c-底座;2d-插槽;3-支座;3a-底部挡土板凹槽;3b-支撑板;3c-支腿;4-支撑板凹槽;4a-第一抗滑桩凹槽;4b-第二抗滑桩凹槽;5-滑坡面挡土板;6a-侧面挡土板;6b-底部挡土板;7-反力架;8-千斤顶;9-土压力盒;10-试验土体;11-安装孔;12-加载板。
具体实施方式
实施例1
如图1~11所示,为本发明实施例的双排抗滑桩作用机理模型试验装置的结构示意图,包括模型箱和加载装置,
所述模型箱包括一倾斜的滑坡面挡土板5,滑坡面挡土板5两侧竖直设有侧面挡土板6a,滑坡面挡土板5底端竖直设有底部挡土板6b,滑坡面挡土板5上方水平设有加载板12;所述滑坡面挡土板5、两个侧面挡土板6a、底部挡土板6b和加载板12共同组成了容土空间;
所述容土空间内竖直设有两组抗滑桩组1;
所述加载装置包括用于对加载板12施力的千斤顶8。
滑坡面挡土板5是倾斜的,一端为高端,一端为低端。
所述双排抗滑桩作用机理模型试验装置包括第一抗滑桩组1a和第二抗滑桩组1b,所述第一抗滑桩组1a安装在滑坡面挡土板5上的第一抗滑桩凹槽4a中,第二抗滑桩组1b安装在滑坡面挡土板5末端的第二抗滑桩凹槽4b中,紧贴底部挡土板6b内侧。
所述加载装置还包括用于固定千斤顶8的反力架7,所述反力架7包括四边形的底面和顶面、用于连接底面和顶面的竖直钢管,所述钢管设置于底面和顶面的四角,千斤顶8倒置于顶面的下方。所述顶面上设有安装孔11,所述安装孔11的数量为4个,千斤顶8通过安装孔11固定在顶面上。千斤顶8的相应位置设有安装孔,用螺栓穿过安装孔将千斤8顶固定在反力架7顶面。
所述模型箱一端设有用于固定侧面挡土板6a的支撑架2,所述支撑架2包括两个竖直设置的支撑立柱2a,以及连接两个支撑立柱2a的横梁2b。横梁2b焊接在支撑立柱2a上端,横梁2b用于支撑滑坡面挡土板5。所述支撑立柱2a下端设有方形底座2c,底座2c起到稳固支撑立柱2a的作用。所述支撑立柱2a上设有用于固定侧面挡土板6a的插槽2d,所述插槽2d宽度和高度与侧面挡土板6a的厚度和高度相对应。
所述模型箱上与支撑立柱2a相对的一端设有支座3,所述支座3包括一个带有支撑板凹槽4的支撑板3b和支撑板3b下方的支腿3c。支座3用于支撑底部挡土板6b、侧面挡土板6a和滑坡面挡土板5的一端。
所述支撑板3b为四边形板,所述支腿3c位于四边形支撑板3b的四角处。
所述支撑板凹槽4包括用于固定第二抗滑桩组1b的第二抗滑桩凹槽4b和用于固定底部挡板6b的底部挡土板凹槽3a。支撑板凹槽4的尺寸与第二抗滑桩组1b、底部挡土板6b完全契合,保证第二抗滑桩组1b和底部挡土板6b始终垂直于地面。
所述支撑板3b上设有开口,开口下方与支撑板凹槽4a焊接。采用焊接的目的是避免在支撑板3b上直接设置凹槽造成支撑板3b板厚度大幅增加,增加支座3移动困难,同时降低模型支座3成本。
所述滑坡面挡土板5与水平面的夹角为30°、45°、60°。
滑坡面挡土板5的高端底部设有固定槽,固定槽与横梁2b结合,将滑坡面土挡板5的高端固定,低端通过底部挡土板6b或第二抗滑桩组2b限定其位置。
所述第一抗滑桩组1a位于滑坡面挡土板5上,距离滑坡面挡土板5低端1/5处;滑坡面挡土板5的相应位置设有用于安装第一抗滑桩组1a的第一抗滑桩凹槽4a。
本实施例中所述第一抗滑桩组1a的抗滑桩数量为2个,第二抗滑桩组1b的抗滑桩数量为3个。
所述容土空间内还包括有土压力盒9,土压力盒9埋置于试验土体的设计位置,并连接静态应变仪,以得到试验过程中抗滑桩桩周土压力变化数据。
所述容土空间内还包括有电阻应变片,电阻应变片粘贴于抗滑桩桩身表面设计位置,并连接静态应变仪,以得到试验过程中桩身受力数据。
所述的抗滑桩是按照相似原理制成的长方体抗滑桩。
本发明装置可监测在水平(即平行于水平面的方向)和竖向(即垂直于水平面的方向) 两个方向上试验土体的土压力变化规律。
土压力盒是一种测量土压力的应变式传感器,主要用于测量土体中任一点的土体压力变化,也可测量土体对挡土墙、抗滑桩等表面的接触压力,其数值可由静态应变仪测量并计算出来。
所述的静态应变仪采用DH-3816型号的静态应变测试系统,该静态应变测试系统稳定、监测结果准确。
实施例2
为研究外荷载作用下桩周土体土压力发展、演化规律以及相应的桩身受力规律,本申请还提供双排抗滑桩作用机理模型试验方法,包括以下步骤:
(一)建造双排抗滑桩作用机理分析模型
在桩身表面设计位置粘贴电阻式应变片,按顺序组装好双排抗滑桩作用机理模型试验装置,分次将试验土体倒入容土空间,并在不同的填土高度将土压力盒9埋入设计位置,并用夯实器夯实,重复上述步骤,直至达到设计填土高度;在土体上方平放加载板12,并微调反力架7的位置,使千斤顶8正对加载板12;
(二)试验
移除底部挡土板6b;通过千斤顶8对试验土体10进行分级加载,直至抗滑桩组1周围土体破坏;加载过程中用静态应变仪分别采集土压力盒9的土压力数值及桩身表面电阻应变片的应变值。调节滑坡面挡土板5的角度,重复上述试验;调节双排抗滑桩组1不同的布置形式(如平行布置或三角形布置)或不同列距,重复上述试验;
(三)试验结果分析
试验加载结束后,对不同滑坡面挡土板5角度、双排抗滑桩组1不同布置形式及不同列距工况下静态应变仪采集的数据进行分析,从而得到桩周土在滑坡推力作用下的土压力发展变化规律以及相应的抗滑桩组1桩身在土压力作用下的受力情况。
抗滑桩组1桩周土压力是通过静态应变仪读取埋设于土体内部的应变式土压力盒9所产生的应变,并根据土压力盒9的弹性模量计算得到该点的土压力大小。通过对比同一工况下、同一土压力盒9在不同荷载下的土压力大小,可得出测量点的土压力发展变化规律;通过对比同一工况下、同一水平面上不同土压力盒9的土压力数据可得出抗滑桩组1在土拱效应作用下沿同一水平面的土压力变化规律;通过对比同一工况下、同一竖向平面上不同土压力盒9的土压力数据可得出抗滑桩组1在土拱效应作用下沿同一竖向平面的土压力变化规律。抗滑桩组1桩身的受力是通过静态应变仪读取粘贴于抗滑桩组1表面设计位置的电阻应变片应变值,并根据桩身弹性模量计算得到该点的桩身受力数据。对比不同的桩身位置受力情况可确定抗滑桩组1的最危险截面位置,并可得到不同工况下的桩身受力变化规律。
通过以上数据分析,可得到不同工况下抗滑桩组1土拱从产生到破坏整个过程中不同位置、不同加载分级下的土压力、桩身受力变化规律,从而为实际工程中抗滑桩组的优化设计提供指导意见,更为重要的是,通过对上述数据分析得到的双排抗滑桩作用机理,可为建立更广泛的双排抗滑桩设计计算方法提供理论依据及技术支撑。
所述双排抗滑桩作用机理模型试验装置的具体步骤是:先对齐安放支撑架2、支座3和反力架7,反力架7上部用螺栓通过安装孔11固定好千斤顶8,然后将滑坡面挡土板5斜搭在支撑架2的横梁2b和支座3的支撑板3b上,再将两侧挡土板6b一端插入支撑立柱2a的插槽2d内,另一端搭在支座3的支撑板3b上,分别在滑坡面挡土板5的第一抗滑桩凹槽 4a和支座3上的第二抗滑桩凹槽4b内的相应位置插入抗滑桩组1,并在支座3处的底部挡土板凹槽3a内插入底部挡土板6b。
分次倒入试验土体10并夯实,同时在设计位置埋设土压力盒9。夯实土体的目的是为提高土体密实度,并防止土压力盒9受力不均匀。
所述土压力盒9的数量为42个,其排布方式见图10、图11。第一抗滑桩组1a一侧的土压力盒9的排布方式为:土压力盒共有三层,每层分别为8、5、5个,一共需要埋设18 个土压力盒9;第二抗滑桩组1b一侧的土压力盒9排布方式为:土压力盒共三层,每层分别为13、8、3个,共24个。土压力盒9的上述排布方式可保证能同时监测水平及竖向两个方向上试验土体的土压力变化数据。
所述夯击器为重2.5kg的夯锤,用于夯实试验土体10。所述夯锤包括一个圆柱形实心把手,把手一端焊接正方形底座,可用于获得试验中所需的不同土体密实度,操作简便并且可重复使用。夯锤落距5cm,每次填土后夯击1~3遍。
所述的试验土体10高度应与支撑架2的横梁2b齐平。
本发明所述抗滑桩列距为同一抗滑桩组中相邻抗滑桩之间的距离。
实施例3
本发明实施例的单排抗滑桩作用机理模型试验装置与实施例1所述装置的区别特征在于,单排抗滑桩作用机理模型试验装置的抗滑桩仅有1组,且位于滑坡面挡土板上。单排抗滑桩组的抗滑桩数量为3~4个。其余特征与实施例1相同。研究抗滑桩组在外荷载作用下的桩周土体土压力发展变化规律,揭示单排抗滑桩的作用机理采用实施例2所述方法。