研究不良地质体与桥梁结构相互作用的试验平台和方法与流程

本发明涉及研究不良地质体与桥梁结构相互作用的试验平台及其试验方法，适用于铁路、公路、水利等涉及复杂高陡边坡灾害的大型工程设计及监测领域中。

背景技术：

当前的铁路、公路、水利等工程设计多分专业进行，能综合考虑桥梁结构与高陡边坡及支挡结构相互作用的研究尚不多见，工程设计过程中遇到此类问题时多依靠经验，缺乏理论依据，亟需开展相关研究尤其是现场试验研究。

技术实现要素：

本发明为一种研究不良地质体与桥梁结构相互作用的试验平台，以解决铁路、公路、水利等设计及监测关键技术问题，突破工程应用技术瓶颈，并为工程设计提供设计理论依据。

本发明的技术方案是：一种研究不良地质体与桥梁结构相互作用的试验平台，其特征在于，包括桥梁原型结构系统、滑坡推力加载系统和监测系统，在不良质体上开挖出加载空间，在该加载空间内设有桥梁原型结构系统和滑坡推力加载系统，在该桥梁原型结构系统和滑坡推力加载系统装有监测系统。

所述的该桥梁原型结构系统包括浆砌片石挡墙、钻孔桩和桥梁承台，浆砌片石挡墙设在该加载空间靠河侧上部，桥梁承台浇筑在钻孔桩的顶端。

所述的滑坡推力系统包括加载墙、浇筑反力墙和千斤顶，该浇筑反力墙设在该加载空间面对高坡的一侧，在该浇筑反力墙的另一侧设有加载墙，在该加载墙与浇筑反力墙的相对面设有钢板，在钢板之间装有多个千斤顶。

所述的监测系统包括地表位移监测传感器、深部位移监测装置、土压力计、钢筋应力计和裂缝计，在整个试验平台的顶部和底部分别设置多个地表位移监测传感器和深部位移监测装置，在该加载墙面对该桥梁原型结构系统的一侧设有土压力计，在该钻孔桩内设有钢筋应力计，在该加载墙与浇筑反力墙相对面的钢板之间设有裂缝计，在该裂缝计上装有百分表，该监测系统全程监测加载过程中桥梁结构及周边岩土体的受力与变形特征。

所述的浇筑反力墙由抗滑桩和混凝土挡墙组成，混凝土挡墙浇筑在一排抗滑桩靠山侧。

一种应用所述的试验平台的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)开挖加载空间，在加载空间内浇筑加载墙和浇筑反力墙；

(2)在加载墙山侧墙面及抗滑桩河侧墙面之间安装千斤顶和裂缝计；

(3)浇筑八个孔桩和一个承台，进行浆砌片石挡墙的施工；

(4)安装深部位移监测装置、土压力计、钢筋应力计、并将测线通过内包塑胶软管外包pvc管的方式保护后引至地表数据采集器；

(5)试验加载：以千斤顶整体水平加载的方式模拟滑体作用于抗滑桩前岩土体的水平滑移荷载；

(6)试验卸载：试验加载过程完毕后，千斤顶水平加载力卸载，并拆除监测系统。

所述的步骤(1)中：按照试验方案设计尺寸开挖加载空间，一次开挖完成加载墙和加载空间至设计深度，安设加载墙钢筋笼，支设加载墙模板，浇筑完成加载墙及底座。

所述的步骤(2)中：按照设计布设千斤顶至相应位置并固定，随后将千斤顶油管引至地表，统一由各自油泵控制，调试并完成加载准备工作。

所述的步骤(4)中：在两个靠山侧的钻孔桩内的钢筋笼安装钢筋应力计；在承台山侧、加载墙河侧以及承台与浆砌片石挡墙之间均布设土压力计；承台内浇筑前预置测斜管后再浇筑，并在桥梁承台两侧、承台与抗滑桩之间以及承台河侧布设深部位移测斜管；抗滑桩顶、承台顶、承台两侧、承台与抗滑桩之间、承台河侧布设地表位移监测点；加载空间全深度范围内均通过百分表监测加载位移，加载空间内各排千斤顶内均至少布设台自动化裂缝计用于监测千斤顶水平加载位移。

所述的步骤(5)中：单次的加载量通过千斤顶整体水平位移控制，并通过测试记录千斤顶压力表进行核算；加载后每隔一端时间测量一次数据，待各数据稳定后，再进行下一次加载；当加载至承台或承台河侧地表变形位移速率骤增时，进行加载量标记并增加监测频率；继续对抗滑桩进行加载，进行加载量标记并持续观测记录抗滑桩及桥梁承台至完全破坏的全程相应测试数据；然后进行步骤(6)的卸载，监测系统拆除后进行典型点开挖，观察并记录桥梁承台、抗滑桩的变形破坏情况后，并用混凝土对加载空间进行回填。

本发明的优点是：通过采用现场定量试验手段，测试不良质体支挡结构在最不利工况下临近桥梁结构的变形情况，探究桥隧结构在高陡边坡岩土体及与边坡支挡结构作用下的受力、变形特性，解决设计关键技术问题，突破了工程应用技术瓶颈。

附图说明

图1是本发明的断面结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的千斤顶布置示意图(图2中a处的局部放大图)；

图4是单个千斤顶布置示意图(图3中的i-i剖视图)。

图中：1-不良质体、2-承台、3-浆砌片石挡墙、4-钻孔桩、5-侧向约束解除孔、6-加载墙、7-千斤顶、8-抗滑桩、9-百分表、10—地表位移监测点，11—深部位移监测点、12-土压力计、13-钢筋应力计、14-裂缝计、15-加载空间、16-伸缩缝、17-混凝土挡墙、18-钢板、19-竹胶板、20-刚管、21-槽钢。

具体实施方式

参见图1～图4，本发明一种研究不良地质体与桥梁结构相互作用的试验平台，其特征在于，包括桥梁原型结构系统、滑坡推力加载系统和监测系统，桥梁原型结构系统包括钻孔桩4、桥梁承台2及浆砌片石挡墙3；滑坡推力系统包括加载墙6、浇筑反力墙和千斤顶7。在不良质体1开挖出加载空间15，在该加载空间15面对高坡的一侧设有浇筑反力墙，该浇筑反力墙由抗滑桩8和混凝土挡墙17组成，混凝土挡墙17浇筑在一排抗滑桩8的背对高坡的一侧。在该浇筑反力墙的另一侧浇筑有加载墙6，在该加载墙6与浇筑反力墙的混凝土挡墙17相对面设有钢板18，在两侧的钢板18之间装有等间距排列的多个千斤顶7和裂缝计14和百分表9。在该加载墙6和混凝土挡墙17与钢板18之间设有竹胶板19，以缓冲千斤顶的加载力。

在该加载空间15的低坡一侧与该加载墙6之间设有桥梁原型结构系统；该桥梁原型结构系统包括浆砌片石挡墙3、钻孔桩4和桥梁承台2，浆砌片石挡墙3设在该加载空间15的低坡一侧的上部，桥梁承台2浇筑在钻孔桩4的顶端。

所述的监测系统包括地表位移监测点10、深部位移监测点11、土压力计12、钢筋应力计13和裂缝计14。

下面对本发明的结构和工作原理作进一步说明：

1)桥梁承台2和钻孔桩4：

桥梁承台2和钻孔桩4需综合考虑数值模拟计算结果，实现与现场实体最为接近的工况来确定其尺寸参数。

2)浆砌片石挡墙3：

浆砌片石挡墙3断面形状为梯形(参见图1)。

3)侧向约束解除孔5：

现场实施过程中，为最大程度上解除侧向约束，采用侧向约束解除技术，待浆砌片石挡墙3施工完毕后，在两侧垂直于墙面向山侧打出侧向约束解除孔5，以达到接近真实模拟滑坡推力及抗滑支挡结构相互作用的效果。

4)千斤顶7加载结构：

千斤顶7加载结构包括千斤顶、两端固定底座和半圆托梁等。千斤顶7的选择制作需结合先现场实体情况通过计算以及考虑其它影响因素来确定，底座和半圆托梁根据千斤顶7的尺寸参数来确定。

5)加载墙6：

加载墙6深度至最深滑动面高度(可能的滑动面中最深的一层)。

7)抗滑桩8：

以现场实体的抗滑桩8作为反力墙，实施过程中需将抗滑桩河侧的护壁清除至加载墙底深度，并将抗滑桩8与相邻两个抗滑桩8之间的土体挖除后以钢筋混凝土砌填以保证能通过千斤顶加载结构向加载墙6提供足够的滑坡推力。

本发明的施工过程说明如下：

在选定的试验场地进行清理工作，做好全方位的安全防护措施。

1、滑坡推力加载系统：

1)开挖加载空间15与加载墙6和浇筑反力墙的浇筑成型：

按照试验方案设计尺寸开挖加载空间15，一次开挖完成加载墙6和加载空间15至设计深度，安设加载墙6钢筋笼，支设加载墙6模板，浇筑完成加载墙6及底座，开挖过程中需及时施做钢筋混凝土护壁，以保证深部开挖安全。

2)滑坡推力加载系统的设置：

加载墙6完成后，在加载墙6山侧墙面及抗滑桩8河侧墙面上底座钢板的对应位置焊接槽钢21，用于放置千斤顶7。按照设计布设千斤顶7至相应位置并固定，随后将千斤顶7油管引至地表，统一由各自油泵控制，调试并完成加载准备工作。

2、桥梁原型结构系统：

按照试验方案设计的钻孔桩4尺寸施工，下放钢筋笼并浇筑完成8个钻孔桩4，随后完成承台2钢筋笼与承台2混凝土浇筑等工作。钻孔桩4、桥梁承台2完成后，按照设计完成浆砌片石挡墙5的施工工作。

3、监测系统：

随前述各施工环节，及时安装土压力计12、钢筋应力计13、深部位移监测装置11等，并将各传感器测线通过内包塑胶软管外包pvc管的方式保护后引至地表数据采集器。8个钻孔桩4中，2个靠山侧钻孔桩4内的钢筋笼安装钢筋应力计13；承台2山侧、加载墙6河侧以及承台2与浆砌片石挡墙3之间均布设土压力计12；承台2内浇筑前预置测斜管后再浇筑，并在桥梁承台2两侧、承台2与抗滑桩8之间以及承台2河侧布设深部位移测斜管；抗滑桩8顶、承台2顶、承台2两侧、承台2与抗滑桩8之间、承台2河侧布设地表位移监测点10；加载空间15全深度范围内均通过百分表9监测加载位移，加载空间15内各排千斤顶7内均至少布设2台自动化裂缝计14用于监测千斤顶7水平加载位移。

4、试验加载过程：

以千斤顶7整体水平加载的方式模拟滑体作用于抗滑桩8前岩土体的水平滑移荷载。单次的加载量通过千斤顶7整体水平位移控制，并通过测试记录千斤顶7压力表进行核算。加载后每隔2小时测量一次数据，待各数据稳定后，再进行下一次加载。当加载至承台2或承台2河侧地表变形位移速率骤增时，进行加载量标记并改变监测频率为0.5～1小时测量一次。继续对抗滑桩8进行加载，当抗滑桩8达到10cm位移及发生明显破坏时，进行加载量标记并持续观测。当桥梁承台2或承台2河侧地表发生明显变形时，进行加载量标记并继续加载至完全破坏，全程记录相应测试数据后准备卸载。

5、试验卸载过程：

试验加载过程完毕后，千斤顶7水平加载力卸载，并拆除检测系统。监测系统拆除后进行典型点开挖，观察并记录桥梁承台2、抗滑桩8的变形破坏情况后，并用混凝土对加载空间15进行回填。