CN102493499A - 测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置 - Google Patents

Abstract

一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，包括反力槽、加载板、竖向反力架、横向反力架、竖向千斤顶和模型槽，其特征在于：所述模型槽的左右两侧、后侧和底部密封，所述模型槽的前侧采用高强有机玻璃板密封，所述模型槽的右侧安装有侧向受力测量机构，所述模型槽内设有试验土体，本发明主要适用于软土地基等侧向变形显著的复合地基室内模型试验，可以模拟单层或双层以及多层地基，结构简单合理，观测方便可行；可实现复杂条件下复合地基侧向变形与分层沉降的室内模拟，可为实际工程复合地基设计优化与加固机理分析提供依据。

Description

测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别是一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置。

背景技术

近年来我国高速铁路与公路建设迅猛发展，这种大规模的新线建设将不可避免的遇到软弱地基，而高速铁路与公路对路基工后沉降提出十分严格的控制要求，为控制软土地基稳定性、工后沉降以及工后不均匀沉降，各种地基处理方法应运而生。复合地基作为一种经济有效的地基处理方法已得到广泛应用，但其加固机理、沉降计算方法等理论研究滞后于工程实践。现场试验虽然能提供更直接可靠的数据，可以直接指导工程实践，但试验周期长，费用高，影响因素多，通过现场试验一一进行研究是不可行的。而室内模型试验的可操作性强，对于影响因素多、作用机理复杂的研究对象，易于通过调整试验参数和改变试验条件而针对性研究其中一项或几项因素，从而揭示工程问题的本质，已成为研究复合地基性状、探讨其机理的重要手段。

模型试验装置能否反映实际受力边界条件是室内模型试验成功与否的关键。软土路基设计中，沉降控制是最重要的问题之一，而软土路基在路堤荷载作用下侧向变形显著，是影响路基最终沉降量大小的重要因素，同时侧向位移速率也是路基填筑的控制因素。周镜院士(1999年)全面析了土体的侧向变形，认为在沉降的3个阶段(瞬时沉降、固结沉降及次固结沉降)中都应考虑侧向变形的影响。而现有的模型试验研究中大多都采用了刚性边界，限制了侧向变形的发展，与现场边界条件有较大差异，试验结果的准确性必然受到很大影响，难以反映实际的受力变形特性。土体分层沉降是研究复合地基沉降特性和加固机理的重要指标，现有的模型试验主要采用在试验土体中直接埋设沉降标来测试土体内部沉降，但试验土体为软黏土时，由于其黏性大，直接埋设的沉降标容易在试验过程中被土体遮掩，丢失标记，导致不能连续跟踪测量变形结果，得不到预期结果，造成人力物力的浪费。因此，如何根据实际土层情况和受力边界条件，设计与之相匹配的模型试验装置以合理、简便、有效模拟复合地基的受力变形特性，已成为工程实际中指导复合地基施工与设计优化时迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种结构简单、可以充分考虑土体侧向变形的影响，更符合现场的边界条件，能够更准确地研究复合地基加固机理的测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置。

一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，包括反力槽、加载板、竖向反力架、横向反力架、竖向千斤顶和模型槽，所述模型槽的左右两侧、后侧和底部密封，所述模型槽的前侧采用高强有机玻璃板密封，所述模型槽内右侧安装有侧向受力测量机构，所述模型槽内侧向受力测量机构的左侧设有试验土体。

本发明中，所述侧向受力测量机构包括框架、滑轨、抽屉、弹簧和位移计，所述框架的右侧紧贴所述模型槽的右侧内壁，所述框架内安装有多对滑轨，每对所述滑轨上安装有抽屉，所述抽屉的一侧与所述试验土体接触，另一侧通过弹簧顶压在所述模型槽的右侧内壁上，所述抽屉与所述试验土体之间设有硅胶垫，所述抽屉上设有位移计。

本发明中，所述高强有机玻璃板上绘制有水平及垂直刻度网格。

本发明中，所述试验土体在垂直方向设有多个分层沉降标，所述分层沉降标为质量轻体积小的物体，所述分层沉降标的前侧与所述高强有机玻璃板接触，后侧安设在所述试验土体中，在同一垂直方向上的多个所述分层沉降标用细绳连接，在同一垂直方向的所述相邻分层沉降标间距确定。

本发明中，所述相邻的抽屉之间预留有空隙。

本发明中，所述硅胶垫比与之接触的所述抽屉的接触面大10％～15％。

采用上述方案，本发明在土体侧面设置有抽屉，并且在抽屉上设有弹簧，因此可以充分考虑土体侧向变形的影响，更符合现场的边界条件，能够更准确地研究复合地基加固机理，另外可通过调整抽屉尺寸大小模拟土体分层厚度，通过改变弹簧弹性系数模拟不同土体的侧向变形，再次，可通过分层沉降标准确的采集土体分层沉降值。

综上所述，本发明主要适用于软土地基等侧向变形显著的复合地基室内模型试验，可以模拟单层或双层以及多层地基，结构简单合理，观测方便可行；可实现复杂条件下复合地基侧向变形与分层沉降的室内模拟，可为实际工程复合地基设计优化与加固机理分析提供依据。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图；

图2是图1所示实施例模型槽I-I剖面图；

图3是实施例长板短桩复合地基模型试验土体侧向变形分布规律曲线；

图4是实施例长板短桩复合地基模型试验土体深层沉降分布规律曲线；

附图1至4中，1为模型槽，2为反力槽，3为竖向反力架，4为横向反力梁，5为竖向千斤顶，6为加载板，7为框架，8为抽屉，9为滑轨，10为弹簧，11为硅胶，12为位移计，13为分层沉降标。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。

一种能够测定土体侧向变形和分层沉降的模型试验装置，该试验装置包括模型槽1，反力槽2，竖向反力架3，横向反力梁4，竖向千斤顶5，加载板6，框架7，抽屉8，滑轨9，弹簧10，硅胶垫11，位移计12和分层沉降标13。所述模型槽1用于装填试验土体，所述的竖向反力架3固定在反力槽2中，所述的横向反力梁4通过高强螺栓连接在竖向反力架3之间，所述的竖向千斤顶5置于横向反力梁4和加载板6之间，所述加载板6置于试验土体上，所述的模型槽1为矩形箱体，模型槽1的底部和左右两侧及后侧内壁为钢板，前侧内壁设置有高强有机玻璃板，所述的框架7固定在模型槽1内部右侧，所述的抽屉8通过滑轨9安装在框架7内，抽屉8与箱体右侧内壁之间设置弹簧10，所述的硅胶垫11置于抽屉8正面，所述的位移计12安装在抽屉的左侧，所述的分层沉降标13布置在高强有机玻璃板内侧。

本试验装置的制备过程：

第一步，根据模型试验相似比例设计并制作模型槽1。

1)采用槽钢焊制支撑和固定模型槽1内部其它构件的槽钢框架。

2)将模型槽1左右两侧、后侧和底部内壁的钢板分别焊接于槽钢框架内。

3)在模型槽1前侧内壁安装高强有机玻璃板，用结构胶粘结于槽钢框架，且用结构胶密封其与模型槽其它内壁之间的缝隙。

第二步，制作并安装可测定土体侧向变形的模型槽右侧边界。

1)根据设计尺寸制备框架7，将框架7固定于模型槽1内部右侧。

2)制备抽屉8，设置将抽屉8通过滑轨9安装在框架7内，各抽屉8之间预留一定的空隙，防止抽屉8活动中相互影响。

3)设计并定制弹簧10，通过试验土体的侧向抗力系数及考虑抽屉8及弹簧10自身稳定性来确定弹簧10的数量及弹性系数。

4)安装弹簧10，将弹簧10设置在抽屉8背面和模型槽1右侧内壁之间，在抽屉8背面设置固定弹簧10的卡槽。

5)在每个抽屉背面各安装一个位移计12，用于试验使采集抽屉的位移数据。

6)将硅胶垫11悬置于抽屉8正面，要求硅胶垫11上下左右都比抽屉8正面大10％～15％，以保证试验土体不会渗入抽屉8缝隙。

第三步，制作并安装分层沉降标13。

1)在前侧内壁高强有机玻璃板绘制水平及垂直刻度网格。

2)制作沉降标。单个沉降标采用方形的轻质塑料制品，由于其质量轻体积小，置于土体中对模型土的变形影响很小，且方形上下面易于土体接触，随土体共同沉降。

3)将沉降标穿孔，并用细绳穿在一起，根据试验方案确定沉降标之间的间距后，通过细绳打结将沉降标固定在细绳上，制成分层沉降标13。

4)将制成的分层沉降标13，按设计位置布置在模型槽1前侧高强有机玻璃板上，将其一端固定在模型槽1底部，另一端固定在模型槽1外。将沉降标与有机玻璃板相接的一面中心处穿一小孔，作为沉降观测点，并在此面涂抹甘油，减小其与玻璃板的摩擦。

第四步，安放模型槽1，组装加载***。

1)将制作好的模型槽1安放在反力槽2之间。

2)将左右竖向反力架3分别置于左右反力槽2中，并用螺栓固定。

3)将横向反力梁4通过高强螺栓安装在左右反力架3之间，竖向反力架3上设有一排竖向螺栓孔，可以调节横向反力梁4的高度。

本试验装置的工作过程：

第一步，模型槽1中装填试验土体，土体中埋置模型桩、模型排水板和相关测试元件(压力盒、孔压计等)。

第二步，在试验土体顶部安放加载板6，调整横向反力梁4高度，安装竖向千斤顶5，应保证竖向千斤顶5置于加载板5中央，防止偏载。

第三步，将位移计12及相关测试元件通过导线连接于数据采集仪上，将数据采集仪通过数据线与计算机连接。

第四步，试验开始前，运行数据采集***，将试验数据清零，解除分层沉降标13的上部约束，并手动记录各沉降标的初始位置。

第五步，准备加载，开始试验。

第六步，收集试验数据。通过数据采集***按一定频率采集试验数据，试验数据以电子表格方式存储与调用，同时，按一定频率手动记录各沉降标的试验位置。

第七步，处理试验数据，绘制相关曲线，分析复合地基侧向变形及沉降特性。

如图2所示，实施例为模拟长板-短桩复合地基，模型几何相似比例取1∶16，模型槽长1750mm，宽1200mm，高2000mm；单个抽屉长600mm，宽1180mm，高195mm，共10个抽屉；试验土体取与现场相近的软土，经计算单个抽屉后弹簧总刚度为94.8KN，弹簧数量取12个，弹簧长度取200mm。图3～图4所示为实施例的一组测试数据，测试规律良好。

以上对本发明所提供的一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置进行了详细的介绍，对于本领域的一般技术人员均能顺利实施。

Claims (6)

1.一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，包括反力槽、加载板、竖向反力架、横向反力架、竖向千斤顶和模型槽，其特征在于：所述模型槽的左右两侧、后侧和底部密封，所述模型槽的前侧采用高强有机玻璃板密封，所述模型槽内右侧安装有侧向受力测量机构，所述模型槽内侧向受力测量机构的左侧设有试验土体。

2.根据权利要求1所述的一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，其特征在于：所述侧向受力测量机构包括框架、滑轨、抽屉、弹簧和位移计，所述框架的右侧紧贴所述模型槽的右侧内壁，所述框架内安装有多对滑轨，每对所述滑轨上安装有抽屉，所述抽屉的一侧与所述试验土体接触，另一侧通过弹簧顶压在所述模型槽的右侧内壁上，所述抽屉与所述试验土体之间设有硅胶垫，所述抽屉上设有位移计。

3.根据权利要求1所述的一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，其特征在于：所述高强有机玻璃板上绘制有水平及垂直刻度网格。

4.根据权利要求3所述的一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，其特征在于：所述试验土体在垂直方向设有多个分层沉降标，所述分层沉降标为质量轻体积小的物体，所述分层沉降标的前侧与所述高强有机玻璃板接触，后侧安设在所述试验土体中，在同一垂直方向上的多个所述分层沉降标用细绳连接，在同一垂直方向的所述相邻分层沉降标间距确定。

5.根据权利要求2所述的一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，其特征在于：所述相邻的抽屉之间预留有空隙。

6.根据权利要求2所述的一种测定复合地基侧向变形与分层沉降的模型试验装置，其特征在于：所述硅胶垫比与之接触的所述抽屉的接触面大10％～15％。

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