大型原位抗滑桩模型试验装置及其方法与流程

本发明涉及边坡防护工程领域中的桩土作用特性测试技术，具体涉及一种大型原位抗滑桩模型试验装置及其方法。

背景技术

边坡失稳是一种危害性极其严重的地质灾害，公路边坡的防护治理始终是地质灾害防治的重要任务，尤其针对于支挡型公路高陡边坡。作为支挡结构物的抗滑桩，在横向受力时，由于其对周围岩（土）体扰动相对较小，加之施工快捷，在边坡治理等工程中被广泛应用。作为相互作用的复杂受力体系，滑坡体与抗滑桩之间相互作用机理一直是抗滑桩加固机制和设计理论研究的核心内容。

为研究岩（土）体与抗滑桩相互作用机制，主要利用模型试验进行了一定的研究并均取得了重要的研究成果。由于岩土体参数的不确定性、试验条件的局限性以及其他因素，使许多试验成果与试验初衷仍存在差距。目前的滑坡灾害治理设计过程中，没有把岩（土）体与抗滑桩的相互作用的复杂性考虑进去，如桩体内力变化特性、滑坡推力分布规律等，这些因素均涉及到抗滑桩工程的安全性和经济性。

目前，我国边坡工程中抗滑桩的设计水平有限，尤其针对埋入式抗滑桩的设计目前仍处于探索阶段，在公路边坡支护结构受力特性及桩土相互作用机理研究方面，更是少有进行抗滑桩模型试验装置及其方法。

技术实现要素：

基于现有原位模型试验开展匮乏的现状，本发明提供了一种大型原位抗滑桩模型试验装置及其方法，适用于分析埋入式抗滑桩和岩（土）体边坡坡体内受力与变形状态，获取桩-土相互作用过程，揭示公路高陡边坡的稳定性状并指导实体工程防护工作，可为工程设计和施工提供更加准确的试验数据。

本发明所采用的技术方案为：

大型原位抗滑桩模型试验装置，其特征在于：

所述装置包括试样制备系统、垂向压力系统、水平剪切系统、反力系统及数据采集系统；

试样制备系统包括基坑内的剪切盒，盒内填充有土体试样，剪切盒一侧的土体内设置有竖向的抗滑桩；

试样制备系统另一侧设置有向剪切盒施加水平剪切力的水平剪切系统和反力系统，试样制备系统上方设置有向剪切盒施加垂向压力的垂向压力系统；

数据采集系统包括设置在剪切盒顶板上竖向的位移计、剪切盒侧板上横向的位移计、抗滑桩迎土面和背土面两侧的压力盒和应变片、以及抗滑桩桩顶横向和竖向的位移计。

垂向压力系统自上而下依次为堆载平台、工字钢梁、承压钢板、加压千斤顶和竖向的传力板，该传力板位于剪切盒顶板上。

承压钢板设置有上下两层，两层承压钢板之间设置有滚轴排。

水平剪切系统包括平推千斤顶和横向的传力板，该传力板位于剪切盒侧板上。

水平剪切系统一侧的反力系统为设置于基坑内壁的竖向的反力支座。

抗滑桩在剪切盒一侧的土体内单排多根设置。

大型原位抗滑桩模型试验装置的试验方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：开挖基坑，并在基坑一侧的土体内安装经室内养护成型的抗滑桩并养护成型，桩身迎土面和背土面各预置压力盒5个、应变片6个，桩顶设置横向和竖向的位移计；

步骤二：开挖基坑内选择未扰动且具有代表性的原位土样，制备成正方体的土体试样，并安装剪切盒；剪切盒顶板上设置竖向的位移计，剪切盒侧板上设置横向的位移计；

步骤三：安装垂向压力系统和水平剪切系统，水平剪切系统外侧的基坑侧壁安装反力系统；

步骤四：通过垂向压力系统对土体试样13施加竖向荷载300kpa；

步骤五：通过水平剪切系统和反力系统对土体试样13施加水平推力，进行固结快剪试验；荷载施加时，竖向加载完成后开始施加剪切荷载，水平剪切荷载初级加载值为竖向荷载的10％，之后等量分级加载使土样剪切破坏，直至模型桩体破坏；

步骤六：记录抗滑桩桩顶累积位移量、桩身最大土压力及最大弯矩变化；开展不同垂向压力条件下对比试验，计算土体抗剪强度及粘聚力c、内摩擦角φ值。

本发明具有以下优点：

（1）本发明可测得抗滑桩破坏形态及内力变化，同时，可测得原位土体的抗剪强度。

（2）本发明土体试样尺寸及抗滑桩尺寸均较大，减少了尺寸效应的影响。

（3）本发明试验所施加的垂向压力状态、水平推力等试验条件与支挡型边坡实际受力状态一致，试验结果更接近工程实际。

（4）本发明在研究埋入式抗滑桩与土体相互作用关系问题上具有依据工程实际设定试验方案的特点，精度高，试验数据可靠，可为公路边坡工程领域抗滑桩的设计与施工提供有力的保障。

（5）本发明提出的模型试验装置及方法丰富了支挡型边坡抗滑桩原位试验开展匮乏的现状。

（6）本装置结构较简单、较易拆装、操作简单，一般边坡防护工程技术人员可短时间掌握。

附图说明

图1为本试验装置结构方框图；

图2为本试验装置结构主视图；

图3为本试验装置结构俯视图。

图中，1—堆载平台，2—工字钢梁，3—承压钢板，4—滚轴排，5—加压千斤顶，6—传力板，7—剪切盒顶板，8—基坑顶面，9—平推千斤顶，10—反力支座，11—剪切盒侧板，12—剪切面，13—土体试样，14—抗滑桩，15—数据采集系统。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种大型原位抗滑桩模型试验装置，所述装置包括试样制备系统、垂向压力系统、水平剪切系统、反力系统及数据采集系统。试样制备系统包括基坑内的剪切盒，盒内填充有土体试样13，剪切盒一侧的土体内设置有竖向的抗滑桩14；试样制备系统另一侧设置有向剪切盒施加水平剪切力的水平剪切系统和反力系统，试样制备系统上方设置有向剪切盒施加垂向压力的垂向压力系统；数据采集系统包括设置在剪切盒顶板7上竖向的位移计、剪切盒侧板11上横向的位移计、抗滑桩14迎土面和背土面两侧的压力盒和应变片、以及抗滑桩14桩顶横向和竖向的位移计。抗滑桩14在剪切盒一侧的土体内单排多根设置。

垂向压力系统自上而下依次为堆载平台1、工字钢梁2、承压钢板3、加压千斤顶5和竖向的传力板6，该传力板6位于剪切盒顶板7上。承压钢板3设置有上下两层，两层承压钢板3之间设置有滚轴排4。

水平剪切系统包括平推千斤顶9和横向的传力板6，该传力板6位于剪切盒侧板11上。水平剪切系统一侧的基坑内壁设置有反力系统，反力系统为设置于基坑内壁的竖向的反力支座10。

1、试样制备系统：

在选定场地开挖试验基坑，选取未经扰动且具有代表性的原状土样，制备成尺寸为60cm×60cm×30cm立方体，剪切面积a=0.36m²；剪切盒由定制的钢模板组合而成，为保证剪切过程中模板强度，试样侧壁模板和顶板厚度取4cm。用现场土样配合细沙充填土样与剪切盒之间的缝隙至充分密实状态，装上剪切盒，挖出1.8m×2.0m的试坑，为多次直剪试验留出足够的空间并将坑壁整平；模型桩采用与原型结构实型桩相同标号的混凝土，并按照相似理论确定模型结构中主筋。根据支档型路堑高边坡实际抗滑桩尺寸，结合现场原位剪切试验土体试样的实际尺寸，确定模型桩的尺寸，一般取桩长110cm，桩截面尺寸5cm×7.5cm，单排多桩布设间距取15cm。

2、垂向压力系统：

双排工字钢梁2上部搭设柔性筏板形成堆载平台1，堆载平台1上方以土袋堆载至荷重≥300kpa，工字钢梁2下部连接双排承压钢板3，承压钢板3之间铺设滚轴排4以保证垂直压力下滑动剪切，下排承压钢板3正下方连接加压千斤5顶端部，千斤顶5底部连接铺设在试样剪切盒顶板7上方的传力板6上。

3、水平剪切系统：

从左到右，平推千斤顶9提供水平剪切力作用于横向传力板6，横向传力板6传递剪切作用力给受剪面试样剪切盒侧板11。

4、反力系统：

反力支座10选用加厚承压钢板制作，钢板厚度一般取≥8cm。为保证加荷过程中试样受剪水平，反力支座10安装前应确保其紧贴基坑侧壁绝对垂直。反力支座10正右方与平推千斤顶9底部连接，提供支座反力。

5、数据采集系统：

数据采集系统由位移计（ktm-100，量程100mm）、压力盒（yt-dz-0303，量程0.3mpa）、应变片（bx120-50aa箔式电阻混凝土应变片）组成，所有传感器均可与数据采集端口连接。

上述大型原位抗滑桩模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：开挖基坑，并在基坑一侧的土体内安装经室内养护成型的抗滑桩14，桩身迎土面和背土面各预置压力盒5个、应变片6个，桩顶设置横向和竖向的位移计；

步骤二：开挖基坑内选择未扰动且具有代表性的原位土样，制备成正方体的土体试样13，并放置于剪切盒内；剪切盒顶板7上设置竖向的位移计，剪切盒侧板11上设置横向的位移计；

步骤三：安装垂向压力系统和水平剪切系统，水平剪切系统外侧的基坑侧壁安装反力系统；

步骤四：通过垂向压力系统对土体试样13施加竖向荷载300kpa；

步骤五：通过水平剪切系统和反力系统对土体试样13施加水平推力，进行固结快剪试验；荷载施加时，竖向加载完成后开始施加剪切荷载，水平剪切荷载初级加载值为竖向荷载的10％，之后等量分级加载使土样剪切破坏，直至模型桩体破坏；

步骤六：记录抗滑桩14桩顶累积位移量、桩身最大土压力及最大弯矩变化；开展不同垂向压力条件下对比试验，计算土体抗剪强度及粘聚力c、内摩擦角φ值。

本发明的工作机理：

在制备完成的土试样四周安装侧壁模，螺栓连接侧壁模板与顶板组合成剪切盒，并用现场土样配合细砂充填土样与剪切盒之间的缝隙至充分密实状态。剪切盒顶板及侧壁板上固定安装位移计，分别量测垂向压力下竖向位移及水平推力下剪切位移。沿剪切方向，在距离试样侧壁板迎土面20cm处用方形洛阳铲锤击成孔，安装抗滑桩14并灌注泥浆填孔。单排多根桩布设时，桩间距取15cm。抗滑桩14预制时桩体迎土面和背土面预置压力盒及应变片，抗滑桩14安装到位后，桩顶部位固定安装水平及竖向位移计。

通过垂向压力系统施加300kpa垂直荷载于土试样剪切盒顶板。垂直荷载分4-5级等量施加，每施加一级荷载，立即测记垂直变形值，此后每5min测记一次，当5min内垂直变形值不超过0.05mm时，可施加下一级荷载，施加最后一级荷载后按5min、10min、15min、15min的时间间隔测记垂直变形值，当连续两个15min垂直变形累计值不超过0.05mm时，即认为垂直变形已经稳定，可施加剪切荷载。通过反力系统和平推千斤顶9向剪切盒提供水平推力而进行固结剪切试验。压力值通过压力传感器测定，横向剪切位移由位移计测定。荷载施加时，水平剪切荷载初级加载值为竖向荷载的10％，之后等量分级加载。剪切变形急剧增加或剪切变形大于土体试样直径(或边长）的1/10时，认为土体试样13剪切破坏；当剪切荷载突增或桩顶位移相较于上一级荷载时增加3-5倍，认为抗滑桩14破坏。

由数据采集系统可得抗滑桩14和岩（土）体边坡坡体受力与变形试验数据，获取桩-土相互作用力学及变形特性，为工程设计和施工提供更加准确的试验数据；同时，开展不同垂向荷载下的对比试验，由轴向压力、位移随时间的变化数据，根据土体莫尔-库伦强度理论，可计算得到土体强度参数粘聚力c、内摩擦角φ值。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。