CN111021433B - 逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，包括模型槽，模型槽分上下两部分，下部模型槽由可抽离的分层活动抽拉门组成，活动抽拉门底板等间距预留孔洞放置桩，桩之间填筑地基软土；上部模型槽填筑路堤及高速公路面层填料，填筑时沿路堤等间距埋设沉降板、位移计及土压力计等测量原件，以分析失去软土承载力过程中桩承式路堤的荷载传递与变形规律。本发明结构简单、操作方便，可真实模拟地下水下降等原因引发地基软土失去承载力的过程，将软土沉降与土拱效应作用下路堤的应力状态相联系，可明确荷载长期作用下桩承式路堤服役期土拱形态演化的不同阶段，从而有效评估桩承式路堤的长期工作性能。

Description

逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程领域，尤其涉及一种逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置。

背景技术

桩承式加筋路堤已成为高速铁路、高速公路等交通基础设施建设中常用的地基处理方法。桩承式加筋路堤中的荷载首先通过土拱效应将部分荷载传递至桩上，其余荷载主要由加筋垫层与地基软土共同承担。桩承式加筋路堤在短期工作状态下，地基中的桩间土能承担较大的竖向荷载；而在长期服役条件下，受地下水下降、临近开挖基坑或隧道引起的土体流失、地表塌陷等因素影响，桩间软土存在逐渐失去承载力的现象。桩间软土承载力的逐渐减小会引发路堤、桩以及桩周软土的应力重分布，从而影响路堤中的荷载传递规律，由于路堤的沉降与荷载传递规律密切相关，软土承载力的逐渐减小势必会影响路堤的沉降变形与长期稳定性，从而加剧路堤工后沉降的持续发展。基于高速、平稳、舒适和安全运行的重要意义，高速公路及高速铁路对路堤的工后沉降提出了越来越严格的标准。因而，地基软土逐渐失去承载力情况下桩承式加筋路堤中荷载传递规律的研究对铁路、高速公路等的安全运营具有重要意义。

目前已有的桩承式加筋路堤模型试验装置中，地基软土基本上固定在模型试验装置中而不能移除，因而不能模拟软土逐渐失去承载力的过程，对于软土逐渐失去承载力情况下路堤中的荷载传递规律的变化，如土拱效应的发展与演变、加筋垫层承载作用的研究更为有限。因此，需要提供一种可模拟地基软土逐渐失去承载力状况下桩承式加筋路堤中荷载传递规律研究试验装置，分析软土地基短期(有软土支撑作用)和长期服役(无软土支撑作用)情况下桩承式加筋路堤中土拱效应与加筋体拉膜效应的发挥、发展过程，从而为桩承式加筋路堤结构的优化设计和沉降控制提供科学依据。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种结构简单、易于操作，可真实模拟桩承式路堤中软土逐渐失去承载力过程中荷载传递规律研究的试验装置，以分析长期荷载作用下，土拱效应的发展、演变规律，以及加筋垫层的承载受力特点，进而分析长期服役条件下桩承式加筋路堤中的荷载传递特点与沉降变形规律。

技术方案：本发明包括模型槽，所述的模型槽分为上下两部分，下部模型槽由多层分层活动抽拉门组成，用以放置桩间软土，每层分层活动抽拉门均包括多个小活动抽拉门，分层活动抽拉门底板等间距预留孔洞，孔洞分别位于每块小活动抽拉门底板上，该孔洞贯通于不同层的分层活动抽拉门用以放置桩，桩顶表面依次铺设有加筋垫层、路堤填料与面层填料；上部模型槽用于填筑路堤填料及面层填料；模型槽通过逐层抽离分层活动抽拉门模拟地基软土逐渐失去承载力的过程，将软土的沉降与土拱效应作用下路堤的应力状态相联系，明确荷载长期作用下桩承式路堤服役期土拱形态演化的不同阶段：初始土拱效应、最大土拱效应、荷载恢复阶段和应变蠕变阶段。

所述的分层活动抽拉门底板上预留的孔洞的间距变化范围为0.2～2.0倍的路堤填筑高度，此时路堤高度h与桩间距s的比值h/s在0.5～4.0之间，通过把模型槽四周多个活动抽拉门拉出，即可将第一层地基软土去除，其余软土可手动取出。

所述的桩顶和桩间土表面埋设有土压力计和沉降板，通过逐层抽离分层活动抽拉门得到桩土荷载分担比及归一化竖向应力极限值随时间的变化规律，获得地基特征曲线，明确荷载长期作用下桩承式路堤服役期土拱形态演化的不同阶段。

所述的加筋垫层内部设有加筋体，加筋体上设有沉降板，以测量加筋体的最大沉降量，以分析软土支撑力逐渐失去情况下，桩承式加筋路堤中的荷载传递与变形规律。

所述的桩顶上方沿路堤等间距埋设沉降板、位移计、加速度计及土压力计。

所述的位移计用磁性支座固定在沉降板的竖直铁杆上，并在沉降板的竖直铁杆外套上PVC管，采用位移计与沉降板配合使用来量测路堤不同位置处的沉降。

有益效果：本发明的具有以下优点：

1)本发明的分层活动抽拉门装置系统可真实模拟由于地下水下降、开挖基坑或隧道引起的土体流失、地表塌陷等原因引发地基软土逐渐失去承载力的过程；

2)本发明通过开展软土逐渐失去承载力的模型试验研究，可系统分析桩承式加筋路堤中桩和软土上方土压力系数与沉降沿深度的变化规律，获得路堤底部软土中心上方竖向应力极值和路堤最大沉降、地基特征曲线、加筋体拉力与应变的变化规律，从而明确桩承式路堤系统中土拱效应的传递荷载特性、加筋垫层以及软土的承载受力特点；

3)本发明将软土的沉降与土拱效应作用下路堤的应力状态相联系，可以明确荷载长期作用下桩承式路堤服役期土拱形态演化的不同阶段：初始土拱效应、最大土拱效应、荷载恢复阶段和应变蠕变阶段。进而揭示软土地基短期(有软土支撑作用)和长期(无软土支撑作用)情况下桩承式加筋路堤的荷载传递特点，以及沉降发生和发展过程，达到了有效评估桩承式加筋路堤长期工作性能的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的测量仪器布置示意图；

图4为本发明的地基特征曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本发明包括一个长方体的模型槽1，该模型槽1分为上下两部分，下部模型槽由若干层分层活动抽拉门5组成，每层分层活动抽拉门5分割成多个小活动抽拉门7，每个小活动抽拉门7的侧面均设有一个活动抽拉门把手6，如图2所示。每个小活动抽拉门7底部等间距预留方形或圆形孔洞，该孔洞贯通于不同层的活动抽拉门以放置桩4，桩4周围均为桩间软土3；上部模型槽用来填筑路堤填料11与面层填料。模型槽1的长宽高为3m×2m×3.5m，如图1所示。在铺设桩间软土3之前先对模型槽1的内壁进行漏水查验，确保不存在漏水的情况，并在模型槽1的内壁铺设防水土工布8做防水处理。模型槽1底部铺设0.5m厚的砂土持力层2，将桩长2.0m，桩直径0.2m，桩间距为0.4-0.6m的桩4按设计放置在小活动抽拉门7底板上预留的孔洞中。

分层活动抽拉门5每隔5cm设置一层，小活动抽拉门7底板上预留的孔洞间距可根据需要变化，变化范围为0.2～2.0倍的路堤填筑高度，此时路堤高度h与桩间距s的比值h/s在0.5～4.0之间。在该条件下，路堤中土拱效应存在不产生、部分产生以及完全产生三种情况，试验可模拟在该三种情况下，软土逐渐失去承载力情况下路堤中土拱效应与加筋体拉膜效应的发挥情况，进而分析长期服役条件下，桩承式低矮路堤以及高填方路堤中的荷载传递规律。通过把模型槽四周多个活动抽拉门拉出，即可将第一层厚度为5cm的桩间软土3去除，其余软土可手动取出。

通过拉动活动抽拉门把手6将各个小活动抽拉门7抽出，分层填筑好桩间软土3，之后将所有小活动抽拉门7恢复原位，当桩间软土3填筑至与桩顶平齐的预定高度后，在桩顶和桩间土表面分别埋设水平方向上布置的土压力计13和沉降板17，为了节省测量仪器的使用，测量仪器不是对称埋设在路堤中。其中桩顶和桩间土表面埋设的水平方向上布置的土压力计13只在右半边横截面上布置，如图3所示，水平方向上布置的土压力计13用圆圈表示，可以分析桩土应力比，同时可以分析土压力沿着路堤横截面上的分布规律；水平方向上布置的土压力计13分布在右半边横截面的桩顶表面及桩间土表面。在桩顶、软土表面两桩中心及四桩中心各布置一个沉降板17，共三个沉降板17，如图3所示表示的矩形框即为沉降板17，以分析路堤底部桩土之间的差异沉降。之后在其上方依次铺设由级配碎石组成的加筋垫层9、路堤填料11与面层填料12，加筋垫层9中央设有加筋体10，加筋体10位于桩帽上方，加筋体10上方间隔均匀地贴有应变片18。

在填筑路堤填料11时，沿着路堤每隔10cm埋设沉降板17、位移计16、加速度计15及水平方向上布置的土压力计13、竖直方向上布置土压力计14等测量元件。其中，沉降板17在路堤内部沿着桩上方与四桩中心上方等间距布置，可测量沉降沿着路堤高度的分布规律，并获得等沉面的位置；同时在加筋体10上方也放置了沉降板17，以测量加筋体10的最大沉降量。同样为了节省测量仪器的使用，位移计16等间距布置在路堤左半侧的坡面上，同时在面层填料12的表面布置2个位移计16，如图3所示，以测量路面中心与路面边沿处的沉降；加速度计15等间距布置在路堤右半侧的坡面上，同时在路堤内部等间距布置加速度计15，以测量加速度沿着路堤高度的衰减规律。水平方向上布置的土压力计13、竖直方向上布置土压力计14在四桩中心线上沿路堤等间距布置，可测量路堤的土压力及水平土压力系数沿路堤高度的分布规律。

路堤不同位置处的沉降采用位移计16与沉降板17配合使用来量测，即位移计16用磁性支座固定在沉降板17的竖直铁杆上，并在沉降板17的竖直铁杆外套上管径稍大的PVC管，且保持二者不接触，以保证沉降板17与地基面共同沉降而不受路堤摩擦作用的影响。

路堤填筑完成后，在其上方填筑高速公路的面层填料12，并布置好试验加载装置，该装置由加载设备、反力架和加载板组成，可以在路面上施加荷载。其加载过程为：

(1)首先将所有小活动抽拉门7关闭，在加载板上施加荷载，并记录路堤中沿深度布置的水平方向上布置的土压力计13、竖直方向上布置土压力计14、加筋体10上的应变片18及位移计16的读数；

(2)随后将第一层分层活动抽拉门5抽出；一段时间后将第二层分层活动抽拉门5抽开，以此类推逐渐抽出后续的抽拉门，在此过程中持续记录路堤中沿深度布置的水平方向上布置的土压力计13、竖直方向上布置土压力计14、加筋体10上的应变片18及位移计16的读数，以分析软土支撑力逐渐失去的情况下，桩承式加筋路堤中的荷载传递与变形规律。土压力计、加筋体10上的应变片及位移计16用以测量路堤结构中的应力、加速度、沉降时程曲线、沉降随着深度的变化，以及土压力系数随深度分布特点等，研究路堤中内外拱高度、土拱的临界高度、路堤表面差异沉降与不同路堤高度的变化关系，以及等沉面位置的变化规律。

与上述步骤相同，改变桩间距、路堤填筑高度、加筋体强度可得到相应的试验结果。

通过桩顶和桩间土表面埋设的土压力计和位移计来测量路堤底部软土上方四桩中心位置的竖向应力与沉降随时间的变化关系，计算获得桩土荷载分担比及归一化竖向应力极限值随时间的变化规律，从而得到地基特征曲线，如图4所示，明确荷载长期作用下桩承式路堤服役期土拱形态演化的四个阶段：初始土拱效应、最大土拱效应、荷载恢复阶段和应变蠕变阶段。

Claims (6)

1.一种逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，其特征在于，包括模型槽，所述的模型槽分为上下两部分，下部模型槽由多层分层活动抽拉门组成，用以放置桩间软土，每层分层活动抽拉门均包括多个小活动抽拉门，分层活动抽拉门底板等间距预留孔洞，孔洞分别位于每块小活动抽拉门底板上，该孔洞贯通于不同层的分层活动抽拉门用以放置桩，桩顶表面依次铺设有加筋垫层、路堤填料与面层填料；上部模型槽用于填筑路堤填料及面层填料；模型槽通过逐层抽离分层活动抽拉门模拟地基软土逐渐失去承载力的过程，将软土的沉降与土拱效应作用下路堤的应力状态相联系，明确荷载长期作用下桩承式路堤服役期土拱形态演化的不同阶段：初始土拱效应、最大土拱效应、荷载恢复阶段和应变蠕变阶段。

2.根据权利要求1所述的逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，其特征在于，所述的分层活动抽拉门底板上预留的孔洞的间距变化范围为0.2～2.0倍的路堤填筑高度，此时路堤高度h与桩间距s的比值h/s在0.5～4.0之间。

3.根据权利要求1所述的逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，其特征在于，所述的桩顶和桩间土表面埋设有土压力计和沉降板，通过逐层抽离分层活动抽拉门得到桩土荷载分担比及归一化竖向应力极限值随时间的变化规律，获得地基特征曲线。

4.根据权利要求1所述的逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，其特征在于，所述的加筋垫层内部设有加筋体，加筋体上设有沉降板。

5.根据权利要求1所述的逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，其特征在于，所述的桩顶上方沿路堤等间距埋设沉降板、位移计、加速度计及土压力计。

6.根据权利要求5所述的逐渐失去软土承载力的桩承式路堤荷载传递研究试验装置，其特征在于，所述的位移计用磁性支座固定在沉降板的竖直铁杆上，并在沉降板的竖直铁杆外套上PVC管。

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