CN110849790B - 一种恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒定水头的可施加静荷载的桩承式路基渗流侵蚀试验装置，该装置由四个部分组成：土体渗流系统、供水系统、排水及收集系统、加载系统。所述土体渗流系统为箱型结构，箱内底部设置一根钢桩，钢桩两侧有可拆卸的可控沉降门，上部填土时沉降门下降，从而在土体内产生土拱效应，以模拟桩承式路基，并由多孔板分隔为右侧进水槽和左侧出水槽；本发明试验装置结构简洁，试验操作简易，在试验过程中可以模拟桩承式路基当中的土拱效应的形成，可以探究大部分桩承式路基渗透侵蚀的模拟试验问题。且可根据需要施加恒定的水头和静荷载，适用范围广，为渗流相关的科学研究工作提供方法和设备。

Description

一种恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种交通岩土工程技术领域的试验模拟装置，特别是涉及一种用于桩承式路基渗流侵蚀研究方向的室内试验装置。

背景技术

近年来，由于厄尔尼诺现象的肆虐，暴雨引发的城市内涝等自然灾害直接影响了人们的生产生活。大坝、基坑和路基等重要建筑物在暴雨作用下处于长期高水头渗流的恶劣环境，容易引发不均匀沉降、塌陷甚至结构破坏等损害。目前渗流侵蚀试验通常是在圆柱形渗流仪中进行，仅能够对单元体的渗流侵蚀特性进行分析，而不能得出贴近工程实际的模型试验的一般规律；

在实际工程当中，桩被打入地基当中，成为支撑路基上部结构的基础结构。在整个路基的服役时期当中，桩体和桩间土共同起到对上部结构的支撑作用。从填筑上部结构开始，荷载作用在桩和桩间土的复合结构上，由于桩体刚性大，桩间土刚性小，因此在相同的面荷载下桩间土会发生更大的沉降，而桩体的沉降则较小。因而在桩体和桩间土的分界面上将产生一个剪切带，其产生的剪切力往上传，最终在上部填料当中形成土拱结构。其宏观表现就是土拱拱脚始于刚性较大的桩体顶部，而桩间土为土拱内部。在一定程度范围内，土拱内部的沉降不会导致上部填料的表面发生沉降。但当应力水平上升时，土拱从拱脚发生破坏，从而改变土体的承载变形特性。

渗蚀作用其主要受到颗粒级配、孔隙分布、应力状态、水力梯度、上覆荷载等因素的影响。当试样中存在土拱效应时，其渗蚀发生的区域、速率、发展情况等等均会受到影响，与普通的均匀试验土样有着很大的区别。当渗蚀作用侵蚀了细颗粒之后，将直接改变土体的内部结构，从而引发土拱效应的应力重分布，这种重分布的特征就是拱脚的应力增大而拱体的应力减小。根据一些学者的研究，土拱是从拱脚开始破坏。土拱的瓦解，会导致土体表面发生不均匀沉降，引发严重后果。因此有必要同时研究土拱效应和渗蚀作用，以得出贴近工程实际的模型试验的一般规律。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简洁、操作方便、能同时研究土拱效应和渗蚀作用的桩承式路基渗流侵蚀试验装置，可以提供恒定的进出口水头，施加稳定的静荷载，模拟桩承式路基的渗流侵蚀过程，可视化地进行模拟试验，得出在土拱效应下渗流侵蚀对桩承式路基的影响。

本发明采用的技术方案如下：

一种恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，由土体渗流系统、用于提供恒定水头的供水系统、用于排水和收集渗蚀排出的土体颗粒的排水及收集系统和用于提供静荷载的加载系统组成，所述土体渗流系统包括模型箱、孔压计和土压力盒，模型箱内部通过分隔板将模型箱分隔为进水槽、填土室和出水槽；填土室底部设置有一钢桩，钢桩两侧安装有可控沉降门，所述可控沉降门由海绵和固定在海绵顶上的刚性板组成；上部填土时沉降门下降，从而在土体内部产生土拱效应，以模拟桩承式路基结构；进水槽侧面顶部设有进水口，进水口与供水系统的出水管道相连；出水槽底部设有出水口，出水口与排水及收集系统相连；加载系统固定在模型箱顶部。

进一步地，所述供水系统包括储水箱和用于测定测量水头高度的液位计，储水箱侧面顶部设有一防溢水出口，底部设有储水箱出水口，储水箱出水口与进水槽进水口通过管道连接，管道上设有一进水阀门。通过控制水箱内部的液面高度可以调节不同的恒定水头，防溢水出口连接水管至集水桶，防止试验过程中储水箱水液面太高导致水溢出。

进一步地，排水及收集系统包括过滤网袋和集水箱，过滤网袋和集水箱置于出水槽的出水口下方。能够收集所有因渗流侵蚀而冲出土体的细颗粒，同时水能穿过网袋进入集水箱中。

进一步地，加载系统包括加载板、反力框架、加载杆和压力传感器，反力框架固定在模型箱的顶盖上，加载杆的上端固定在反力框架的横梁上，加载杆的下端穿过反力架的底座和模型箱顶，与位于填土室内的加载板的中心固定连接。压力传感器安装在加载杆上。反力架的底座与模型箱之间设有一防水垫圈。螺纹加载杆直接作用在加载板上，保证将静荷载均匀地作用在土体之上。

进一步地，所述出水槽底部设有一引水槽，引水槽与分隔板连接的一端宽度与模型箱的宽度相等，引水槽与出出水口连接的移动宽度等于出水口宽度，引水槽的俯视图为梯形。

进一步地，所述主体模型箱由亚克力板制成，强度满足的情况下保证了试验的可视性，能够从侧面观察渗流过程中土体颗粒的移动情况。所述分隔板由多孔板和不锈钢滤网烧结构成，网孔大小允许水和0.15mm及以下的细颗粒通过。可控沉降门的高度等于钢桩高度，宽度是钢桩直径的1.5-2倍。

进一步地，所述钢桩通过螺杆和螺帽固定，为可拆卸形式，可研究钢桩直接对渗流试验的影响；可控沉降门的刚性板高度等于螺帽高度。当有上部填土的时候，通过控制沉降门的下降，导致填土在沉降门和钢桩两处的沉降差，从而在土体当中形成土拱效应，以此来模拟桩承式路基的实际结构。

本发明的使用方法如下：1、在填土之前安装海绵、刚性板以及土压力盒和孔压计。采用湿捣法进行填土，保证填入土样饱和。在填土过程中，海绵下沉，和钢桩形成沉降差。然后放置加载板至土样上部，放置防水垫圈和加载反力框架，用螺栓将加载反力框架和模型箱固定。此后将水箱的水位提升至预期高度，利用加载螺纹杆对加载板施加荷载，最后打开进水阀门。加载过程中，沉降差持续进行，土拱效应持续发展，应力重分布继续进行，土拱效应形成。

2、在桩承式路基渗流侵蚀试验进行的过程中，供水系统的储水箱水液面控制在预期的高度不变；试验中采取管道补水的方式对储水箱内液体进行补充，通过液位计可以读出水液面具体高度，同时通过储水箱顶部的防溢水出口，保证储水箱不发生水流溢出，影响试验进行。

3、试验过程中，水带着被侵蚀而出的细颗粒从左侧出口穿过多孔板及滤网，沿着引流槽进入可拆卸的过滤网袋，细颗粒留在过滤网袋中，而水则透过过滤网袋进入集水箱。过滤网袋在试验过程中可按照一定的时间间隔更换，利用灵敏称重计称量细侵蚀细颗粒的质量。

4、本发明通过改变上部加载系统的静荷载大小，可以探究不同荷载下桩承式路基的渗透侵蚀模拟实验。

本发明优点：装置的结构简单，操作方便，制作成本低廉，使用的寿命长，且试验体量小，功能多样，在试验过程中可以模拟桩承式路基当中的土拱效应的形成，可以探究大部分桩承式路基渗透侵蚀的模拟试验问题。

本发明创新性地改变了以往渗流侵蚀试验仅能在渗流仪中进行的局限，同时可以模拟桩承式路基的实际结构形式，可通过改变供水系统中水液面高度以及加载系统中静荷载的大小探究不同情况下的桩承式路基渗透侵蚀的发展情况。

装置的主体模型箱采用可视化的亚克力板作为主要材料，可以进行可视化的模拟试验，便于分层填筑土体以及观测试验土体在试验过程中的颗粒变化以及渗流情况。

附图说明

图1为本发明恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置示意图。

图2为反力加载框架和试验箱体俯视结构示意图，其中，a为反力加载框架结构俯视图，b为试验箱体结构俯视图；

图3是试验加载阶段桩土应力的变化图；

图4是本装置测的不同颗粒级配的试验渗蚀细颗粒质量随着试验时间的变化曲线图；

图5是不同颗粒级配试验桩土应力比随试验时间变化曲线图；

图中，储水箱1，液位计2，防溢水出口3，进水阀门4，进水槽5；试验土体6，钢桩7，可控沉降门8；加载板9，防水垫圈10，反力框架11，加载杆12，压力传感器13，加固螺栓14；分隔板15，引流槽16，过滤网袋17，集水箱18。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施情况。

如图1所示，一种恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，由四个部分组成，包括土体渗流系统、用于提供恒定水头的供水系统、用于排水和收集渗蚀排出的土体颗粒的排水及收集系统和用于提供静荷载的加载系统；土体渗流系统包括模型箱，模型箱内部通过分隔板(15)将模型箱分隔为进水槽(5)、填土室和出水槽；填土室底部设置有一钢桩(7)，钢桩(7)两侧安装有可控沉降门(8)，所述可控沉降门(8)由海绵和固定在海绵顶上的刚性板组成；进水槽(5)侧面顶部设有进水口，进水口与供水系统的出水管道相连；出水槽底部设有出水口，出水口与排水及收集系统相连；加载系统固定在模型箱顶部。

由于土壤当中形成土拱效应之后，土体内部将发生应力重分布，况且沉降门上部的土压力为试验待测的数据，因此通过土压力以及所需沉降设计柔性材料的刚度并不太现实，仅能定性地对沉降大小进行调整，采用刚性大的材料，则沉降较小，土拱效应越不明显；采用刚性小的材料，则沉降较大，土拱效应越明显，但过大的沉降将导致土拱效应的破坏。而本装置中，采用海绵作为沉降门的主要结构材料，其刚度满足能够在试验土样当中形成土拱效应，同时是一种容易获取的材料。

作为优选方案，供水系统，包括供水储水箱1，液位计2，防溢水出口3，进水阀门4，；防溢水出口(3)位于储水箱(1)侧面顶部，底部设有储水箱出水口，储水箱出水口与进水槽(5)的进水口通过管道连接，进水阀门(4)设置在管道上。如图2a所示，加载系统，包括加载板9，防水垫圈10，反力框架11，螺纹加载杆12，压力传感器13，加固螺栓14；，反力框架(11)固定在模型箱的顶盖上，加载杆(12)的上端固定在反力框架(11)的横梁上，加载杆(12)的下端穿过反力架的底座和模型箱顶，与位于填土室内的加载板(9)的中心固定连接。压力传感器(13)安装在加载杆(12)上。反力架的底座与模型箱之间通过加固螺栓14固定，防水垫圈10位于反力架的底座与模型箱之间。排水及收集系统，包括引流槽16，过滤网袋17，集水箱18，过滤网袋(17)和集水箱(18)置于出水槽的出水口下方，收集渗流出来的细颗粒。

所述反力加载框架包括反力框架11，螺纹加载杆12，加固螺栓孔19；

出水槽底部设有一引水槽(16)，引水槽(16)与分隔板(15)连接的一端宽度与模型箱的宽度相等，引水槽(16)与出水口连接的移动宽度等于出水口宽度，引水槽(16)的俯视图为梯形，如图2b所示。引流槽16出口有逐渐变窄，便于收集渗流的土体颗粒和水。

本试验装置中，模型箱由亚克力板制成，所述分隔板(15)由多孔板和不锈钢滤网烧结构成，网孔大小允许水和0.15mm及以下的细颗粒通过。可控沉降门(8)的高度等于钢桩(7)高度，宽度是钢桩(7)直径的1.5-2倍。

实验步骤如下：

(1)放置传感器并填土：先在箱底钢桩两侧放置可控沉降门8，土压力盒布置在可控沉降门8上，安装孔压计。然后采用湿捣法分层填筑土体，保证填土饱和，每一层的填筑完成之后对土体表面进行抹平压实。

(2)将加载板9安装在试验土体上部，放置防水垫圈10，安置反力框架11，用加固螺栓14将反力框架11和试验箱加固连接。

(3)调整供水系统储水箱1的水液面至预期高度，打开进水阀门4，同时旋进螺纹加载杆12，在荷载的作用下，可控沉降门8和钢桩7之间的沉降差加大，应力重分布持续进行，土拱效应形成。保持加载杆12施加的荷载恒定在预设值，通过加载板9均匀传递给土体。

(4)开始渗透侵蚀过程。定时更换引流槽16末端的可拆卸过滤网袋17，同时维持整个渗流过程中供水系统水液面高度稳定，保持加载杆12施加的荷载稳定。

(5)记录所需的数据。在渗流侵蚀模拟试验的过程中，密切记录如下数据：土压力、孔隙水压力、侵蚀土颗粒的总质量等。

(6)整理试验数据。根据记录的试验数据，建立解释土体渗流侵蚀过程中水头差、上覆荷载以及侵蚀细颗粒质量三者之间的相关关系。

图3是试验加载阶段桩土应力的变化图，可以看出在上覆荷载还未施加时，仅仅由于土体自重的影响，桩土应力有着细微的差距；随着上覆荷载的施加，桩顶应力加速增长，而海绵顶应力增长幅度不大，表示应力重分布持续进行，说明土体内部形成土拱效应。土拱效应存在的情况下，土体内部应力情况和均匀受荷有着很大的不同，并对土体渗流侵蚀过程产生重要影响。图4即是本装置测的在土拱效应存在下，不同颗粒级配的试验渗蚀细颗粒质量随着试验时间的变化，通过细颗粒渗蚀损失的质量和速度表征渗蚀发展的程度，以此比较不同条件下渗蚀的发展情况和剧烈程度，显然，在土拱效应存在下，渗流侵蚀更剧烈。

另外，随着渗蚀的进行，土体内部的土拱效应也在发展变化。采用桩土应力比等参数可以表征土拱效应的发展情况，从而得到渗蚀将会推动土拱效的发展。图5是不同颗粒级配试验桩土应力比随试验时间的变化，随着渗蚀的进行，桩土应力比在增大，说明土拱效应处于更高的应力水平，应力重分布越剧烈。

上述实验说明，渗蚀与土拱相互作用，利用本发明的装置，可以构建在土拱作用下相应的桩承式路基渗流侵蚀发展特性的数学模型，该数学模型更贴近工程实际，为预测和防治实际工程中的桩承式路基渗流侵蚀现象提供有效的技术支持。

Claims (6)

1.一种恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，由土体渗流系统、用于提供恒定水头的供水系统、用于排水和收集渗蚀排出的土体颗粒的排水及收集系统和用于提供静荷载的加载系统组成，其特征在于：所述土体渗流系统包括模型箱、孔压计和土压力盒，模型箱内部通过分隔板(15)将模型箱分隔为进水槽(5)、填土室和出水槽；填土室底部设置有一钢桩(7)，钢桩(7)两侧安装有可控沉降门(8)，所述可控沉降门(8)由海绵和固定在海绵顶上的刚性板组成；可控沉降门(8)的高度等于钢桩(7)高度，宽度是钢桩(7)直径的1.5-2倍；所述钢桩(7)通过螺杆和螺帽固定，可控沉降门(8)的刚性板高度等于螺帽高度；进水槽(5)侧面顶部设有进水口，进水口与供水系统的出水管道相连；出水槽底部设有出水口，出水口与排水及收集系统相连；加载系统固定在模型箱顶部。

2.根据权利要求1所述的恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，其特征在于：所述供水系统包括储水箱(1)和用于测定测量水头高度的液位计(2)，储水箱(1)侧面顶部设有一防溢水出口(3)，底部设有储水箱出水口，储水箱出水口与进水槽(5)的进水口通过管道连接，管道上设有一进水阀门(4)。

3.根据权利要求1所述的恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，其特征在于：排水及收集系统包括过滤网袋(17)和集水箱(18)，过滤网袋(17)和集水箱(18)置于出水槽的出水口下方。

4.根据权利要求1所述的恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，其特征在于：加载系统包括加载板(9)、反力框架(11)、加载杆(12)和压力传感器(13)，反力框架(11)固定在模型箱的顶盖上，加载杆(12)的上端固定在反力框架(11)的横梁上，加载杆(12)的下端穿过反力架的底座和模型箱顶，与位于填土室内的加载板(9)的中心固定连接；压力传感器(13)安装在加载杆(12)上；反力架的底座与模型箱之间设有一防水垫圈(10)。

5.根据权利要求1所述的恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，其特征在于：所述出水槽底部设有一引水槽(16)，引水槽(16)与分隔板(15)连接的一端宽度与模型箱的宽度相等，引水槽(16)与出水口连接的移动宽度等于出水口宽度，引水槽(16)的俯视图为梯形。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的恒水头静荷载桩承式路基渗流侵蚀试验装置，其特征在于：所述模型箱由亚克力板制成，所述分隔板(15)由多孔板和不锈钢滤网烧结构成，网孔大小允许水和0.15mm及以下的细颗粒通过。

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