一种碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，使用到模型箱、模拟材料、量测设备、排水设备以及砂桩制作设备，模型箱用于放置模拟研究区域的模拟材料；量测设备放置在土层内部不同高度处和路堤表面，以获得土层内部的应力值和表面的沉降量；排水设备放置在模型箱内部，用于缩短排水路径；砂桩制作设备用于制作研究区域的碎石桩。该试验方法包括确定所需研究的影响因素、确定模型材料、模型试验前期准备、进行模型试验。本发明可以用于研究路堤荷载作用下碎石桩桩顶和桩周软土之间的差异沉降、碎石桩和桩周土之间的应力分担规律、不同路堤高度对土拱效应的影响以及路基中应力的变化规律。
【专利说明】-种碎石粧加固软土路基的土工离心模拟试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，涉及岩土工程技 术。
【背景技术】
[0002] 岩土工程试验中，为了测得地基土的某些性质，室内试验和原位试验常为研究人 员所使用。小尺寸的室内试验模型是在lg条件下将现场尺寸缩小得到的，虽然可以得到土 体变形的机理，但由于地基软土属于非线性材料，处于lg条件下的地基模型所处的应力水 平非常低，这使得软土在荷载作用下某些变形特征无法得到表现，如剪胀、软化等，对细颗 粒土尤其如此，从而小尺寸的室内试验不能很好的反应原型的变形形态；而lg条件下的足 尺试验虽然可以很好的反映土的力学特性，但耗资巨大。现场原位试验虽然测量数据比较 精确，但所需时间比较长，这尤其是在考虑地基固结时这种情况尤其突出。因此，人们都在 寻找一种既能准确提供模型所处的应力水平，又能缩短试验所需的时间、减少实验费用的 方法。
[0003] 离心模型试验是通过机臂的高速旋转为模型箱内的模型提供加速度场，从而达到 原型应力水平。由于决定岩土性能的主要因素是岩土结构自身的重力，而离心机模拟技术 能很好的解决这一问题。近年来，离心模型试验在边坡工程方面、基坑工程方面、软土地基 加固方面以及隧道工程方面得到广泛的应用，并逐步成为岩土学科领域研究水平的重要标 〇
[0004] 目前，在碎石桩加固的研究当中，主要局限于碎石桩在不同环境下的施工方法的 改进，这些方法能够解决的工程问题相对有限，而且并没有涉及到室内模型试验，尤其是 还没有采用离心模型试验来研究碎石桩加固路堤效果的装置和方法。如武汉中力岩土 工程有限公司的发明专利"一种PVC带孔管碎石桩及其处理软弱地基的方法"（申请号： 201310380082. 2)、中铁港航工程局有限公司黄永昌等人的发明专利"一种碎石桩的水下施 工方法"（申请号：201110005634. 2)、中化二建集团有限公司的发明专利"一种砂裹体碎石 桩施工方法"（申请号：201310165153. 7)。此外还有其他一些碎石桩的施工方法。
【发明内容】
[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种碎石桩加固软土路 基的土工离心模拟试验方法，可以用于研究路堤荷载作用下碎石桩桩顶和桩周软土之间的 差异沉降、碎石桩和桩周土之间的应力分担规律、不同路堤高度对土拱效应的影响以及路 基中应力（土应力和孔隙水压力）的变化规律。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，包括如下步骤：
[0008] (1)确定所需研究的影响因素，根据模型箱的尺寸，采用量纲分析法确定各相似常 数；所述模型箱为无盖长方形箱体结构，其中一个侧面为透明玻璃板（l〇cm左右厚度），其 他三个侧面和底面为铝合金铆接结构；
[0009] (2)确定模拟试验材料，包括试验用土（研究区域的真实土体）、模拟碎石桩的砂 以及建造路堤的粉土；
[0010] (3)试验仪器准备，包括离心机、试验仪器、测量仪器和碎石桩的制作设备；
[0011] (4)将模型箱放置在离心机上进行模拟试验，包括如下步骤：
[0012] (41)玻璃板标记：在模型箱的透明玻璃板上描标记点（不易擦除），用于数值照相 处理；
[0013] (42)硬粘土层的铺设：在模型箱的底部铺设取自于研究区域的硬粘土，在硬粘土 层顶部铺设一层土工布，然后再铺设一定厚度的第一砂垫层（对下面的硬粘土进行压实）； 设置离心加速度和离心时间，开启离心机对硬粘土进行固结；固结结束后去除第一砂垫 层；
[0014] (43)软粘土的铺设：将取自于研究区域的软粘土（也可以是粉土）制成泥浆，将 泥浆置于硬粘土层上的土工布上，然后再铺设一定厚度的第二砂垫层；在自重条件下进行 固结；固结结束后去除第二砂垫层；
[0015] (44)空心排水管安装：将空心排水管以矩形阵列方式等间距坚直插入模型箱内、 直至模型箱底部，以排除软粘土中的孔隙水，积水排完后拔出空心排水管；所述空心排水管 的下部侧面均匀布置有若干连通管体的孔洞，所述最高位置的孔洞高度高于软粘土一半位 置的高度；
[0016] (45)碎石桩的制作：利用砂桩制作设备制作碎石桩桩；在碎石桩制备完成后，将 碎石桩以矩形阵列方式等间距坚直插入软粘土内，碎石桩的高度与软粘土的高度相等；
[0017] (46)埋设传感器，在软粘土层上的土工布上铺设砂垫层，在砂垫层上建造路堤；
[0018] (47)在模型箱的透明玻璃板前架设摄像机，设置离心加速度和离心时间，开启离 心机，读取数据。
[0019] 在岩土工程中的相关试验中，小尺寸试验由于制作过程简单，经济优势比较明显， 经常为试验人员所使用。但是，小比例试验模型所受自重应力远小于其处于原位状态时的 自重应力，由于土的力学行为在很大程度上与其所处的应力水平密切相关，因而小尺寸模 型很难重现原型在荷载作用下的受力特性，从而导致试验结果的精确性不够，只能根据试 验结果进行定性的分析。离心机可以使模型与原型应力相等，变形相似。此外，通过提高离 心机的转速，还可以进一步的缩小模型的尺寸以及减少试验所需的时间。
[0020] 所述步骤（42)中，首先在模型箱的内壁上涂覆一层润滑剂，然后铺设硬粘土，以 减少硬粘土离心加固结时硬粘土与模型箱侧壁的摩擦力。
[0021] 所述步骤（44)中，空心排水管的插入位置应当为碎石桩插入位置中的部分，以减 少对土体的扰动。
[0022] 所述步骤（45)中，所述碎石桩包括圆形桩和半圆形桩两种，其中半圆形桩使用砂 桩使用经过染色并烘烤后的彩砂制作，便于摄像机获取照片的识别；所述半圆形桩仅设置 一排，平面一侧贴合模型箱的透明玻璃板插入。
[0023] 所述步骤（46)中，沿模型箱长度方向制作不同高度的路堤，同一高度的路堤沿模 型箱宽度方向的宽度、坡度相等，不同高度的路堤沿模型箱宽度方向的宽度、坡度不相等。
[0024] 所述步骤（3)中，测量仪器包括土压力盒、水压力计、位移传感器（LVDT)和摄像 机，所述土压力盒用于测量土体中的土应力，水压力计用于测量土体中的孔隙水压力，位移 传感器用于测量路堤表面的沉降量；摄像机用于收集不同时刻土体所处的状态；其中土压 力盒布置在土体不同深度处，位移传感器布置在同一高度的路堤表面中部。
[0025] 本发明方法可以用于研究碎石桩对软土路基的加固效果，还可以用于研究其他桩 基作用下地面的沉降和土体中应力的变化规律。
[0026] 有益效果：本发明提供的碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，可以用 于研究路堤荷载作用下碎石桩桩顶和桩周软土之间的差异沉降、碎石桩和桩周土之间的应 力分担规律、不同路堤高度对土拱效应的影响以及路基中应力（土应力和孔隙水压力）的 变化规律。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本发明的俯视结构示意图；
[0028] 图2为本发明的正视剖视结构示意图；
[0029] 图3为图1中的1-1向剖视图；
[0030] 图4为图1中的2-2向剖视图；
[0031] 图5为图1中的3-3向剖视图；
[0032] 其中，1为硬粘土，2为软粘土，3为砂垫层，4-1为第一高度的路堤，4-2为第二高度 的路堤，4-3为第三高度的路堤，5为排水管，6为蓄水区，P1?P12为水压力计，E1?E21 为土压力盒，L1?L6为位移传感器。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0034] 如图1、图2和图3所示为一种碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，包 括如下步骤：
[0035] (1)确定所需研究的影响因素，根据模型箱的尺寸，采用量纲分析法确定各相似常 数；所述模型箱为无盖长方形箱体结构，其中一个侧面为透明玻璃板（l〇cm左右厚度），其 他三个侧面和底面为铝合金铆接结构；
[0036] (2)确定模拟试验材料，包括试验用土（研究区域的真实土体）、模拟碎石桩的砂 (级配良好的砂）以及建造路堤的粉土；
[0037] (3)试验仪器准备，包括离心机、试验仪器、测量仪器和碎石桩的制作设备；测量 仪器包括土压力盒、水压力计、位移传感器（LVDT)和摄像机，所述土压力盒用于测量土体 中的土应力，水压力计用于测量土体中的孔隙水压力，位移传感器用于测量路堤表面的沉 降量；摄像机用于收集不同时刻土体所处的状态；
[0038] (4)将模型箱放置在离心机上进行模拟试验，包括如下步骤：
[0039] (41)玻璃板标记：在模型箱的透明玻璃板上描标记点（不易擦除），用于数值照相 处理；
[0040] (42)硬粘土层的铺设：在模型箱的底部铺设取自于研究区域的硬粘土，在自重条 件下击实，具体为：将硬粘土每5cm -层均匀铺设在箱底，在自重条件下重新击实，然后将 硬粘土表面打毛再铺设下一层硬粘土；硬粘土铺设完成之后，在硬粘土层顶部铺设一层土 工布，然后再铺设一定厚度的第一砂垫层；设置离心加速度和离心时间，开启离心机对硬粘 土进行固结；固结结束后去除第一砂垫层；为了减少硬粘土离心加固结时硬粘土与模型箱 侧壁的摩擦力，首先在需要模型箱的内壁上涂覆一层润滑剂；
[0041] (43)软粘土的铺设：将取自于研究区域的软粘土（也可以是粉土）放在抽真空的 搅拌机中制成泥浆，将泥浆置于硬粘土层上的土工布上，再铺设一层土工布，然后再铺设第 二砂垫层作为超载，最后在自重条件下进行固结；固结结束后去除第二砂垫层；
[0042] (44)空心排水管安装：将空心排水管以矩形阵列方式等间距坚直插入模型箱内、 直至模型箱底部，以排除软粘土中的孔隙水，积水排出后拔出空心排水管；所述空心排水管 的下部侧面均匀布置有若干连通管体的孔洞，所述最高位置的孔洞高度高于软粘土一半位 置的高度；空心排水管设置了三排，如图1所示；
[0043] (45)碎石桩的制作：利用砂桩制作设备制作碎石桩桩；在碎石桩制备完成后，将 碎石桩以矩形阵列方式等间距坚直插入软粘土内，碎石桩的高度与软粘土的高度相等；所 述碎石桩包括圆形桩和半圆形桩两种，其中半圆形桩使用砂桩使用经过染色并烘烤后的彩 砂制作，便于摄像机获取照片的识别；所述半圆形桩仅设置一排，贴合模型箱的透明玻璃板 插入；在制备半圆形桩时，首先使用木箱顶住涂层上表面，然后翻转90°，使透明玻璃板朝 上，拆掉透明玻璃板后开始制备半圆形桩，制备完成后恢复模型箱原状；空心排水管的插入 位置应当为碎石桩插入位置中的部分，以减少对土体的扰动；所述砂桩制作设备包括延长 铝管、支架、圆形铝管、半圆铝管、实心管、钻头，延长铝管、圆形铝管和支架三者配合使用； 钻头与圆形铝管配合使用；实心管与圆形铝管配合使用，共同制作砂桩；
[0044] (46)埋设传感器，土压力盒布置在土体不同深度处，位移传感器布置在同一高度 的路堤表面中部：用木箱顶住土层上表面，然后翻转90°，使透明玻璃板朝下，拆除位于上 部的铝合金板，使用相应工具将水压力计和土压力盒放入指定位置，然后恢复模型箱原状； 土层表面的传感器可以直接埋设，无需对模型箱进行任何处理；在软粘土上铺设砂垫层，在 砂垫层上建造路堤；沿模型箱长度方向制作不同高度的路堤，同一高度的路堤沿模型箱宽 度方向的宽度、坡度相等，不同高度的路堤沿模型箱宽度方向的宽度、坡度不相等，如图所 示，制作了三种高度的路堤，以方便进行数据对比，位移传感器在路堤建立完成后安装，分 别测量桩顶和桩间土的位移大小，为了保证试验数据的可靠性，位移传感器安装在三个路 堤的中间部位；
[0045] (47)在模型箱的透明玻璃板前架设摄像机，设置离心加速度和离心时间，开启离 心机，读取数据。
[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，其特征在于：包括如下步骤： (1) 确定所需研究的影响因素，根据模型箱的尺寸，采用量纲分析法确定各相似常数； 所述模型箱为无盖长方形箱体结构，其中一个侧面为透明玻璃板，其他三个侧面和底面为 错合金柳接结构； (2) 确定模拟试验材料，包括试验用土、模拟碎石桩的砂以及建造路堤的粉土； (3) 试验仪器准备，包括离心机、试验仪器、测量仪器和碎石桩的制作设备； (4) 将模型箱放置在离心机上进行模拟试验，包括如下步骤： (41) 玻璃板标记：在模型箱的透明玻璃板上描标记点，用于数值照相处理； (42) 硬粘土层的铺设：在模型箱的底部铺设取自于研究区域的硬粘土，在硬粘土层顶 部铺设一层土工布，然后再铺设一定厚度的第一砂垫层；设置离心加速度和离心时间，开启 离心机对硬粘土进行固结；固结结束后去除第一砂垫层； (43) 软粘土的铺设：将取自于研究区域的软粘土制成泥浆，将泥浆置于硬粘土层上的 土工布上，然后再铺设一定厚度的第二砂垫层；在自重条件下进行固结；固结结束后去除 第二砂垫层； (44) 空心排水管安装：将空心排水管以矩形阵列方式等间距坚直插入模型箱内、直至 模型箱底部，以排除软粘土中的孔隙水，积水排完后拔出空心排水管；所述空心排水管的下 部侧面均匀布置有若干连通管体的孔洞，所述最高位置的孔洞高度高于软粘土一半位置的 高度； (45) 碎石桩的制作：利用砂桩制作设备制作碎石桩桩；在碎石桩制备完成后，将碎石 桩以矩形阵列方式等间距坚直插入软粘土内，碎石桩的高度与软粘土的高度相等； (46) 埋设传感器，在软粘土层上的土工布上铺设砂垫层，在砂垫层上建造路堤； (47) 在模型箱的透明玻璃板前架设摄像机，设置离心加速度和离心时间，开启离心机， 读取数据。
2. 根据权利要求1所述的碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，其特征在 于：所述步骤（42)中，首先在模型箱的内壁上涂覆一层润滑剂，然后铺设硬粘土，以减少硬 粘土离心加固结时硬粘土与模型箱侧壁的摩擦力。
3. 根据权利要求1所述的碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，其特征在 于：所述步骤（44)中，空心排水管的插入位置应当为碎石桩插入位置中的部分，以减少对 土体的扰动。
4. 根据权利要求1所述的碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，其特征在 于：所述步骤（45)中，所述碎石桩包括圆形桩和半圆形桩两种，其中半圆形桩使用砂桩使 用经过染色并烘烤后的彩砂制作，便于摄像机获取照片的识别；所述半圆形桩仅设置一排， 平面一侧贴合模型箱的透明玻璃板插入。
5. 根据权利要求1所述的碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，其特征在 于：所述步骤（46)中，沿模型箱长度方向制作不同高度的路堤，同一高度的路堤沿模型箱 宽度方向的宽度、坡度相等，不同高度的路堤沿模型箱宽度方向的宽度、坡度不相等。
6. 根据权利要求1所述的碎石桩加固软土路基的土工离心模拟试验方法，其特征在 于：所述步骤（3)中，测量仪器包括土压力盒、水压力计、位移传感器和摄像机，所述土压力 盒用于测量土体中的土应力，水压力计用于测量土体中的孔隙水压力，位移传感器用于测 量路堤表面的沉降量；摄像机用于收集不同时刻土体所处的状态；其中土压力盒布置在土 体不同深度处，位移传感器布置在同一高度的路堤表面中部。
【文档编号】E02D1/00GK104060637SQ201410153406
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】崔振东, 袁强, 何鹏鹏, 袁丽, 赵羚子, 谭军, 任世玺 申请人:中国矿业大学