CN115387401B - 一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置和方法，装置包括模型槽、路堤模型、砂土持力层、若干个加筋垫层模型板和折叠支架；模型槽为顶部开口的方形槽，模型槽内布设砂土持力层，路堤模型布设在砂土持力层上；加筋垫层模型板布设在路堤模型和砂土持力层之间；每个加筋垫层模型板分别通过折叠支架与模型槽的两侧壁相连，折叠支架能通过自身的折叠伸缩从而调节加筋垫层模型板的竖直高度。本发明通过研究交通荷载作用下路堤及地基的力学特性，分析不同层数加筋垫层路堤土拱效应及拉膜效应的发挥程度，找出不同软土地基适用的加筋垫层最优厚度。

Description

一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置和方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地说是一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置和方法。

背景技术

随着经济的发展，我国公路的建设大幅增加，公路作为一种长线性的构筑物，其跨越范围非常广，公路的稳定性及强度很容易收到地质条件的影响。我国地域广袤，不同地区普遍分布着不同成因类型的软土，因此公路建设工程中往往会出现路面损坏、桥头跳车、路基差异沉降等问题，这些问题的存在严重影响了公路的使用寿命及使用性能，甚至会导致交通事故发生，造成重大经济损失。在此情况下，现在的实际工程中往往会在修建路基前先对软土进行加固处理，而最常用的加固手段就是采用加筋垫层进行软土地基加固。桩承式加筋路堤中加筋垫层能够有效处理软土地基的原因为：加筋垫层可以通过拉膜效应和路堤填土的土拱效应将上覆荷载转移至桩顶并向下传递给承载力较高的深层土层，因此加筋体系处理软土地基的方式可以有效减小地基总沉降和差异沉降，增加桩土荷载分担比，提高软土地基的承载力。

桩承式加筋路堤中，加筋垫层的厚度将会影响土拱效应及拉膜效应的发挥程度。加筋垫层厚度较小时，加筋垫层表现张拉薄膜的性质；加筋垫层厚度较大时，加筋垫层表现得像板或梁，这也导致了不同厚度的加筋垫层产生的加固效果差异较大，因此加筋垫层的合理设计及铺设对保证公路路基的强度及稳定性，降低工程造价具有较大的指导意义。

目前关于不同厚度的加筋垫层试验研究比较缺乏，因此，需要提供一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置和方法，研究交通荷载作用下采用不同厚度加筋垫层的路堤的沉降特性、软土地基的承载特性，分析土拱效应及拉膜效应发挥程度，为找出既能有效保证路基的强度及稳定性又能降低工程造价，且应用于不同软土地基的情况下的加筋垫层最优厚度提供有效的科学依据。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置和方法，以研究交通荷载作用下路堤及地基的力学特性，分析不同层数加筋垫层路堤土拱效应及拉膜效应的发挥程度，找出不同软土地基适用的加筋垫层最优厚度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，包括模型槽、路堤模型、砂土持力层；所述模型槽为顶部开口的方形槽，模型槽内布设砂土持力层，路堤模型布设在砂土持力层上。

还包括若干个加筋垫层模型板和折叠支架。

所述加筋垫层模型板布设在路堤模型和砂土持力层之间；每个加筋垫层模型板分别通过折叠支架与模型槽的两侧壁相连，折叠支架能通过自身的折叠伸缩从而调节加筋垫层模型板的竖直高度。

进一步优选地，所述路堤模型中设置有荷载传感装置和位移传感装置，用于检测和记录路堤模型填土荷载及变形产生的位移数据。

进一步优选地，所述加筋垫层模型板与模型槽相连的两侧边上分别设置突出板；每个侧边设置两块突出板，分别位于侧边的三等分位置处。

突出板上布设滑槽一和连接孔一，滑槽一内预设螺母；连接孔一和滑动螺母设有内螺纹；突出板通过滑槽一和连接孔一与折叠支架相连。

进一步优选地，所述折叠支架包括若干支架、中铰轴、铰轴一、铰轴二、细螺杆、粗螺杆。

铰轴一和铰轴二分别布设在支架的两个端部，中铰轴布设在支架的中点位置。

所述支架与支架间通过铰轴一、铰轴二和中铰轴运用平行四边形原理铰接，实现折叠支架的折叠和伸缩。

所述细螺杆和粗螺杆分别通过螺母固定在支架的两个端部；粗螺杆与连接孔一螺纹连接，细螺杆与滑槽一内的滑动螺母螺纹连接。

进一步优选地，所述模型槽外壳两侧壁上预留有滑槽二和连接孔二，滑槽二内预设滚轮二，滚轮二和连接孔二设有内螺纹。

所述折叠支架还设置粗连接螺杆和细连接螺杆；细连接螺杆与滑槽二内的滚轮二螺纹连接，粗连接螺杆与连接孔二螺纹连接。

进一步优选地，所述细连接螺杆上布设有伺服驱动电机；伺服驱动电机带动滚轮二在滑槽二内滑动，当滚轮二向连接孔二方向滑动时，折叠支架展开，加筋垫层模型板被顶起；反之加筋垫层模型板下落。

一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：

步骤1，组装好模型槽，在模型槽底布设砂土持力层，并填充软土；将预制好的若干加筋垫层模型板铺设在砂土持力层上，加筋垫层模型板上布设路堤模型；

步骤2，折叠支架通过粗螺杆与加筋垫层模型板的突出板的连接孔一螺纹连接，细螺杆与滑槽一内的滑动螺母螺纹连接；

折叠支架的细连接螺杆与模型槽侧壁上的滑槽二内的滚轮二螺纹连接，粗连接螺杆与连接孔二螺纹连接；

步骤3，开启伺服驱动电机，带动滚轮二在滑槽二内滑动；当滚轮二向连接孔二方向滑动时，折叠支架展开，加筋垫层模型板被顶起；反之加筋垫层模型板下落；

加筋垫层模型板被顶起时能拆卸加筋垫层模型板，调整加筋垫层模型板的层数和厚度；

步骤4，在路堤模型上安装加载装置，加载装置用于对路堤模型施加外力荷载；加载预设时间后，记录荷载传感装置和位移传感装置记录的数据；

步骤5，利用加载装置，分别测试使用不同层数的加筋垫层模型板时荷载传感装置和位移传感装置的数据；

步骤6，分析收集好的试验数据，研究在交通荷载作用下采用不同层数加筋垫层的路堤的沉降特性、软土地基的承载特性；分析不同层数加筋垫层的路堤在交通荷载作用下土拱效应和拉膜效应的发挥程度，总结出此种软土地基铺设加筋垫层的最优厚度；

步骤7，分别在砂土持力层间填充不同类型的软土，重复步骤1-6，得到不同软土地基情况下铺设加筋垫层模型板的测试数据。

本发明具有如下有益效果：本发明可以合理的模拟不同层数的加筋垫层作用下路基及软土地基的受力过程；通过开展多层加筋垫层作用的模型试验，分析不同层数加筋垫层路堤土拱效应及拉膜效应的发挥程度，找出不同软土地基适用的加筋垫层最优厚度。本发明安装简单，拆卸方便，结果适用范围广。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2为本发明的加筋垫层模型板结构示意图。

图3为图2加筋垫层模型板的局部放大图A。

图4为本发明的折叠支架结构示意图。

图5为本发明的模型槽侧视图。

图6为图5模型槽的局部放大图B。

图7为本发明的细连接螺杆示意图。

其中有：

10.模型槽；11.滑槽二；12.连接孔二；13.滚轮二；

20.路堤模型；21.荷载传感装置；22.位移传感装置；

30.砂土持力层；

40.加筋垫层模型板；41.突出板；42.滑槽一；43.连接孔一；44.滑动螺母；

50.折叠支架；51.支架；52.中铰轴；53.铰轴一；54.铰轴二；55.细螺杆；56.粗螺杆；57.粗连接螺杆；58.细连接螺杆；59.伺服驱动电机。

具体实施方式

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，包括模型槽10、路堤模型20、砂土持力层30；模型槽10为顶部开口的方形槽，模型槽10内布设砂土持力层30，路堤模型20布设在砂土持力层30上。

试验装置还包括若干个加筋垫层模型板40和折叠支架50。

加筋垫层模型板40布设在路堤模型20和砂土持力层30之间；每个加筋垫层模型板40分别通过折叠支架与模型槽的两侧壁相连，折叠支架能通过自身的折叠伸缩从而调节加筋垫层模型板40的竖直高度。

加筋垫层模型板40最少布设1层，最多布设5层，超过5层后，路面的加载应力对路堤的影响很小。

路堤模型20中设置有荷载传感装置21和位移传感装置22，用于检测和记录路堤模型20填土荷载及变形产生的位移数据。

如图2所示，加筋垫层模型板40与模型槽相连的两侧边上分别设置突出板41；每个侧边设置两块突出板41，分别位于侧边的三等分位置处。

如图3所示，突出板41上布设滑槽一42和连接孔一43，滑槽一42内预设滑动螺母44；连接孔一43和滑动螺母44设有内螺纹；突出板41通过滑槽一42和连接孔一43与折叠支架50相连。

折叠支架50包括若干支架51、中铰轴52、铰轴一53、铰轴二54、细螺杆55、粗螺杆56。

铰轴一53和铰轴二54分别布设在支架51的两个端部，中铰轴52布设在支架51的中点位置。如图4所示，折叠支架分为两个支架组，每个支架组的支架之间通过铰轴一和铰轴二顺次铰接，即按第一根支架与第二根支架通过铰轴一铰接，第二根支架与第三根支架通过铰轴二铰接，第三根支架与第四根支架通过铰轴一铰接，顺次循环。两个支架组之间通过中铰轴铰接固定。

支架与支架间通过铰轴一53、铰轴二54和中铰轴52运用平行四边形原理铰接，实现折叠支架50的折叠和伸缩。

细螺杆55和粗螺杆56分别通过螺母固定在支架51的两个端部；粗螺杆56与连接孔一43螺纹连接，细螺杆55与滑槽一42内的滑动螺母44螺纹连接。

如图5所示，模型槽外壳两侧壁上预留有滑槽二11和连接孔二12，滑槽二11内预设滚轮二13，滚轮二13和连接孔二12设有内螺纹。滑槽二11和连接孔二12 位于模型槽两侧壁上距离侧壁顶部一个加筋垫层模型板厚度处。每个侧壁上设置两组滑槽二11和连接孔二12，分别与两组折叠支架连接。

折叠支架50还设置粗连接螺杆57和细连接螺杆58；如图6所示，细连接螺杆58与滑槽二11内的滚轮二13螺纹连接，粗连接螺杆57与连接孔二12螺纹连接。

如图7所示，细连接螺杆58上布设有伺服驱动电机59；伺服驱动电机59带动滚轮二13在滑槽二11内滑动，当滚轮二13向连接孔二12方向滑动时，折叠支架50展开，加筋垫层模型板40被顶起；反之加筋垫层模型板40下落。

基于上述装置，有一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置的试验方法，模拟不同层数的加筋垫层作用下路基及软土地基的受力过程；通过开展多层加筋垫层作用的模型试验，分析不同层数加筋垫层路堤土拱效应及拉膜效应的发挥程度，找出不同软土地基适用的加筋垫层最优厚度。

试验方法具体包括以下步骤：

步骤1，组装好模型槽，在模型槽底布设砂土持力层30，并填充软土；将预制好的若干加筋垫层模型板40铺设在砂土持力层30上，加筋垫层模型板40上布设路堤模型20；

步骤2，折叠支架50通过粗螺杆与加筋垫层模型板40的突出板41的连接孔一43螺纹连接，细螺杆与滑槽一42内的滑动螺母44螺纹连接；

折叠支架50的细连接螺杆58与滑槽二11内的滚轮二13螺纹连接，粗连接螺杆57与连接孔二12螺纹连接；

步骤3，开启伺服驱动电机，带动滚轮二13在滑槽二11内滑动，当滚轮二13向连接孔二12方向滑动时，折叠支架50展开，加筋垫层模型板40被顶起；反之加筋垫层模型板40下落；

加筋垫层模型板40被顶起时能拆卸加筋垫层模型板40，调整加筋垫层模型板40的层数和厚度；

步骤4，在路堤模型20上安装加载装置，加载装置用于对路堤模型20施加外力荷载；加载预设时间后，记录荷载传感装置21和位移传感装置22记录的数据；

步骤5，利用加载装置，分别测试使用不同层数的加筋垫层模型板40时荷载传感装置21和位移传感装置22的数据；

步骤6，分析收集好的试验数据，研究在交通荷载作用下采用不同层数加筋垫层的路堤的沉降特性、软土地基的承载特性；分析不同层数加筋垫层的路堤在交通荷载作用下土拱效应和拉膜效应的发挥程度，总结出此种软土地基铺设加筋垫层的最优厚度；

步骤7，分别在砂土持力层30间填充不同类型的软土，重复步骤1-6，得到不同软土地基情况下铺设加筋垫层模型板40的测试数据。

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1和图5、6、7，模型槽的长宽高为3.9m×2.3m×2.2m。路堤模型为梯形，其上截面长宽为2.1m×1.2m，下截面长宽为3.6m×2.1m，高为0.6m；砂土持力层高度为0.3m。模型槽预制的时候在两侧壁上距离侧壁顶部一个加筋垫层模型板厚度位置处预留滑槽二和连接孔二并将细连接螺杆提前放置在滑槽二内；连接孔二孔洞直径为10mm，粗连接螺杆直径为10mm，滚轮二直径为40mm，滚轮二由伺服电机驱动，在电机的驱动下，滚轮二能够带动细连接螺杆在模型槽外壁上滑槽二内水平移动。

如图4所示的折叠支架，其中支架由刚度良好的钢材制成，铰轴一53和铰轴二54分别布设在支架51的两个端部，中铰轴52布设在支架51的中点位置，支架与支架间通过铰轴一53、铰轴二54和中铰轴52运用平行四边形原理铰接，实现折叠支架50的折叠和伸缩。如图7所示，粗连接螺杆57上布设有伺服驱动电机59；伺服驱动电机59带动滚轮二13在滑槽二11内滑动；如图6所示，折叠支架50的细连接螺杆58与滑槽二11内的滚轮二13螺纹连接，粗连接螺杆57与连接孔二12螺纹连接。

当滚轮二13在伺服驱动电机59的驱动下向连接孔二12方向滑动时，细螺杆55同步向粗螺杆56方向滑动，细螺杆55带动突出板41升起，加筋垫层模型板40被顶起；反之，当滚轮二13在伺服驱动电机59的驱动下向远离连接孔二12方向滑动时，细螺杆55同步向远离粗螺杆56方向滑动，细螺杆55带动突出板41落下，加筋垫层模型板40随之下落。其中细螺杆直径为5mm，粗螺杆直径为10mm。

如图1、2所示，加筋垫层模型板40由土工格栅等材料预制而成，单块加筋垫层模型板厚度为20mm，在加筋垫层模型板40每个侧边的三等分点上分别有两块突出板41，共设置四块突出板41，突出板41的厚度为15mm。加筋垫层模型板40的安装应从上往下进行，拆卸则与之相反。当加筋垫层模型板40被顶起时可拆卸加筋垫层模型板，增加或减少加筋垫层模型板的数量，达到改变垫层厚度的目的。即当需要增加加筋垫层模型板40时，通过伺服驱动电机59控制细连接螺杆58在模型槽外壁上滑槽二11内水平移动，使折叠支架50展开，将已经安装好的加筋垫层模型板40抬升，抬升一定高度后，在已经安装好的加筋垫层模型板40下方通过细螺杆55和粗螺杆56与相应的螺母将新的加筋垫层模型板40与折叠支架50相连，至此完成多层加筋体的安装；当需要拆卸加筋垫层模型板40时，解除细螺杆55和粗螺杆56与加筋垫层模型板40和折叠支架50的连接，取走已经解除连接的加筋垫层模型板40，移动细连接螺杆58，使折叠支架50收缩，上层加筋垫层模型板下降，至此完成多层加筋垫层的拆卸。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，包括模型槽（10）、路堤模型（20）、砂土持力层（30）；所述模型槽（10）为顶部开口的方形槽，模型槽（10）内布设砂土持力层（30），路堤模型（20）布设在砂土持力层（30）上；

其特征在于：还包括若干个加筋垫层模型板（40）和折叠支架（50）；

所述加筋垫层模型板（40）布设在路堤模型（20）和砂土持力层（30）之间；每个加筋垫层模型板（40）分别通过折叠支架与模型槽的两侧壁相连，折叠支架能通过自身的折叠伸缩从而调节加筋垫层模型板（40）的竖直高度；

所述加筋垫层模型板（40）与模型槽相连的两侧边上分别设置突出板（41）；每个侧边设置两块突出板（41），分别位于侧边的三等分位置处；

突出板（41）上布设滑槽一（42）和连接孔一（43），滑槽一（42）内预设滑动螺母（44）；连接孔一（43）和滑动螺母（44）设有内螺纹；突出板（41）通过滑槽一（42）和连接孔一（43）与折叠支架（50）相连；

所述折叠支架（50）包括若干支架（51）、中铰轴（52）、铰轴一（53）、铰轴二（54）、细螺杆（55）、粗螺杆（56）；

铰轴一（53）和铰轴二（54）分别布设在支架（51）的两个端部，中铰轴（52）布设在支架（51）的中点位置；

所述支架与支架间通过铰轴一（53）、铰轴二（54）和中铰轴（52）运用平行四边形原理铰接，实现折叠支架（50）的折叠和伸缩；

所述细螺杆（55）和粗螺杆（56）分别通过螺母固定在支架（51）的两个端部；粗螺杆（56）与连接孔一（43）螺纹连接，细螺杆（55）与滑槽一（42）内的滑动螺母（44）螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，其特征在于：所述路堤模型（20）中设置有荷载传感装置（21）和位移传感装置（22），用于检测和记录路堤模型（20）填土荷载及变形产生的位移数据。

3.根据权利要求1所述的一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，其特征在于：所述模型槽外壳两侧壁上预留有滑槽二（11）和连接孔二（12），滑槽二（11）内预设滚轮二（13），滚轮二（13）和连接孔二（12）设有内螺纹。

4.根据权利要求3所述的一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，其特征在于：所述折叠支架（50）还设置粗连接螺杆（57）和细连接螺杆（58）；细连接螺杆（58）与滑槽二（11）内的滚轮二（13）螺纹连接，粗连接螺杆（57）与连接孔二（12）螺纹连接。

5.根据权利要求4所述的一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置，其特征在于：所述细连接螺杆（58）上布设有伺服驱动电机（59）；伺服驱动电机（59）带动滚轮二（13）在滑槽二（11）内滑动，当滚轮二（13）向连接孔二（12）方向滑动时，折叠支架（50）展开，加筋垫层模型板（40）被顶起；反之加筋垫层模型板（40）下落。

6.基于权利要求5所述的一种可拆卸多层加筋垫层模型板试验装置的试验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1，组装好模型槽，在模型槽底布设砂土持力层（30），并填充软土；将预制好的若干加筋垫层模型板（40）铺设在砂土持力层（30）上，加筋垫层模型板（40）上布设路堤模型（20）；

步骤2，折叠支架（50）通过粗螺杆（56）与加筋垫层模型板（40）的突出板（41）的连接孔一（43）螺纹连接，细螺杆（55）与滑槽一（42）内的滑动螺母（44）螺纹连接；

折叠支架（50）的细连接螺杆（58）与滑槽二（11）内的滚轮二（13）螺纹连接，粗连接螺杆（57）与连接孔二（12）螺纹连接；

步骤3，开启伺服驱动电机，带动滚轮二（13）在滑槽二（11）内滑动，当滚轮二（13）向连接孔二（12）方向滑动时，折叠支架（50）展开，加筋垫层模型板（40）被顶起；反之加筋垫层模型板（40）下落；

加筋垫层模型板（40）被顶起时能拆卸加筋垫层模型板（40），调整加筋垫层模型板（40）的层数和厚度；

步骤4，在路堤模型（20）上安装加载装置，加载装置用于对路堤模型（20）施加外力荷载；加载预设时间后，记录荷载传感装置（21）和位移传感装置（22）记录的数据；

步骤5，利用加载装置，分别测试使用不同层数的加筋垫层模型板（40）时荷载传感装置（21）和位移传感装置（22）的数据；

步骤6，分析收集好的试验数据，研究在交通荷载作用下采用不同层数加筋垫层的路堤的沉降特性、软土地基的承载特性；分析不同层数加筋垫层的路堤在交通荷载作用下土拱效应和拉膜效应的发挥程度，总结出此种软土地基铺设加筋垫层的最优厚度；

步骤7，分别在砂土持力层（30）间填充不同类型的软土，重复步骤1-6，得到不同软土地基情况下铺设加筋垫层模型板（40）的测试数据。