一种室内模拟吹填砂施工效果的模型装置及其实施方法与流程

本发明涉及吹填砂施工室内模型试验领域，尤其涉及一种研究深厚吹填砂作为道路路基的固结沉降特性的室内模拟装置及其实施方法。

背景技术：

对于沿江沿海地区的市政道路而言，就地取土，往往需要挖废良田，对土地、环境的破坏较大。因此越来越多的市政道路工程采取吹填砂的工艺来填筑路堤，既可以解决筑路材料来源的问题，又可以为整个工程节省投资。当前，深厚吹填砂道路路基技术取已得了显著的进步，但国内外对于其工程实践往往较多地依靠工程经验，经验指导多于理论分析。不少从业者还是处于边实践边摸索的阶段，仍然是靠半理论、半实践的方法解决问题，尤其是在设计及施工参数的选取方面通常采用工程类比法，具有局限性和不确定性因素，因此有必要通过室内试验进一步研究影响吹填砂路基施工效果的因素。

采用室内模拟吹填砂的技术手段较少，经过现有技术的文献检索发现，中国专利申请号201710850033.9，发明名称：室内模拟吹填施工试验装置及试验方法，公开号cn107780380a，该发明提供了一种室内模拟吹填淤泥质土体的施工试验装置和试验方法。该发明存在的缺点：一方面方法只局限于对填效率、排水速度等表面现象的探讨；另一方面该装置适用于吹填淤泥，对于含泥量极低的吹填砂不适用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种用于研究软土地基上吹填砂固结沉降特性的试验装置和试验方法，解决了实际工程中难以实现的不同工况对比的难题。

为了实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种室内模拟吹填砂施工效果的模型装置，该模型装置由实验箱、测试系统以及加载系统三部分组成，其特征在于，所述的试验箱为无盖五面体，中央分隔板将试验箱分隔成两个相同分区；箱体下方设置排水阀门，测试系统由位移计、土压计、孔压计以及dh3816静态应变测试系统构成；加载系统由水箱加压系统和冲击夯加压系统组成。

试验箱正面为有机玻璃，除正面以外的其它面为钢板；四个侧面由等边角钢连接，每个侧面通过螺栓与等边角钢固定；箱体底面轮廓与侧面外轮廓一致，底面与侧面也通过螺栓连接；箱体左右两个面下方设置所述的排水阀门；水箱加压系统用于代替静力碾压系统，冲击夯加压系统用于代替振动碾压系统。

本发明还公开一种室内模拟软土基上深厚吹填砂道路路基施工效果的多工况试验方法，包括以下步骤：

1）根据施工现场实际需求确定试验目的：研究软土路基道路拓宽工程吹填砂条件下的施工措施、施工参数的优化及施工过程的风险预控，通过试验论证吹填砂路基可靠性，积累相关理论经验，为吹填砂施工提供理论指导和依据；

2）根据试验目的确定试验内容：根据试验目的，确定若干影响施工效果的参数，参数包括碾压机械、碾压路线、碾压次数、填筑厚度、静置时间、桩基础；然后分别以某一参数作为变量进行对照试验；

3）确定试验比尺：模型试验的核心是通过相似比尺的控制，利用模型测试量来反映原型的物理指标，试验选择与实际工程相同的材料，所加荷载以及测点的应变位移只与几何相似常数有关；

4）确定装置尺寸：根据试验比尺计算出模型箱尺寸、桩基尺寸以及吹填厚度。

具体的，一种室内模拟软土基上深厚吹填砂道路路基施工效果的多工况试验方法，包括以下步骤：

(1)软土填筑：

(2)监测仪器布置：

位移计每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，通过悬架埋置在土表；土压计每个分区设置两个，共四个，埋置在软土层下150mm；孔压计每个分区也设置两个，共四个，埋置于软土层下150mm；侧向位移计四个，埋置于围堰外侧软土层内；

(3)吹填砂分层填筑：

(4)排水方式：

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机；需要静力碾压的区域用水箱加载500kg，需要振动碾压的区域用冲击夯代替，静置两天然后卸载；

(5)桩基础施工：

(6)数据采集：

(7)改变吹填厚度、静置时间、排水方式等参数循环(1)~(6)。

步骤（1）具体为：在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土；长度方向模型箱内两侧设置围堰，围堰用袋装砂制作而成，搁置在软土基之上，每层厚度根据比尺确定。

步骤（5）具体为：在有桩基础的工况中，根据实际桩径、桩长以及试验比尺确定模型桩，在插打完塑料排水板后施工桩基础；桩基础用c35混凝土预制桩代替。

步骤（3）具体为：根据分层填筑厚度和试验比尺计算出试验中分层填筑厚度，填筑后铺匀，然后按泥沙含水量向模型箱内喷水。

步骤（6）具体为：每次在填筑完成后，静置24小时候后开始碾压，每次碾压结束后记录一次传感器读数、排水量以及排水时间。

与现有的技术相比，本发明所达到的有益效果是：该技术方案提供了一套结构简单的试验装置，便于模拟多工况条件下地基固结沉降特性，可有效预测主要的实际工程影响参数。另一方面，根据静力学实验原理设计的试验方法科学严谨，且便于在实验室操作。

附图说明

图1：试验模型箱结构图；

图2：实验装置组成平面图；

图3：监测仪器平面布置图；

其中，1螺孔，2排水阀门，3有机玻璃，4刻度线，5中央分隔板，6等边角钢，7dh3816静态应变测试系统，8碾压机械，9吹填砂，10桩，12位移计，13土压计，14孔压计，15围堰，16侧向位移计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

一种室内模拟吹填砂施工效果的模型装置，该模型装置由实验箱、测试系统以及加载工具三部分组成。如图1所示，试验箱的箱体外轮廓是无盖五面体，中间焊接钢板（即中央分隔板5，分隔板上具有刻度线4）将箱体分隔成两个相同大小、尺寸的分区；箱体正面为厚度1cm的有机玻璃3，另外几个面（除正面以外的其它面）为1cm厚的钢板。四个侧面（包括前后左右四个面，其中前面为箱体正面）由等边角钢6连接在一起，每个侧面通过螺栓与等边角钢固定（螺栓插入螺孔1实现固定）。箱体底面轮廓与侧面外轮廓一致，底面与侧面也通过螺栓连接。螺孔1间距为15cm。左右两个面下方各设三个排水阀门2，排水阀门口径为5cm。如图2和图3所示，测试系统由位移计12、土压计13、孔压计14以及dh3816静态应变测试系统7构成；加载系统由水箱加压代替静力碾压和冲击夯代替振动碾压组成。箱体内，底部为软土层，软土层上方为吹填砂，桩10完全插入软土层内且桩的上部位于吹填砂中。碾压机械可在吹填砂的表面移动。

一种室内模拟软土基上深厚吹填砂道路路基施工效果的多工况试验方法，主要包括以下步骤：

1.根据施工现场实际需求确定试验目的：研究软土路基道路拓宽工程吹填砂条件下的施工措施、施工参数的优化及施工过程的风险预控，通过试验论证吹填砂路基可靠性，积累相关理论经验，为吹填砂施工提供理论指导和依据。

2.根据试验目的确定试验内容：根据试验目的，确定若干影响施工效果的参数，如：碾压机械、碾压路线、碾压次数、填筑厚度、静置时间、桩基础等；然后分别以某一参数作为变量进行对照试验。

3.确定试验比尺：模型试验的核心是通过相似比尺的控制，利用模型测试量来反映原型的物理指标。试验选择与实际工程相同的材料，这样所加荷载以及测点的应变位移只与几何相似常数有关。

4.确定装置尺寸：根据试验比尺计算出模型箱尺寸、桩基尺寸以及吹填厚度等关键参数。

5.试验步骤：

(1)软土填筑：

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土。长度方向模型箱内两侧设置围堰15，围堰用袋装砂做成，搁置在软土基之上，每层厚度根据比尺确定。

(2)监测仪器布置：

位移计12每个分区设置三个，分别位于路基（即软土层表面）中间和路基两边，通过悬架埋置在土表(软土层表面)。土压计13每个分区设置两个，共四个；埋置在软土层下150mm。孔压计14每个分区也设置两个，共四个，埋置于软土层下150mm（即从软土层顶部向下150mm的位置）。侧向位移计16四个，埋置于围堰15外侧软土层内。如图3。

(3)吹填砂9分层填筑：

根据实际工程中分层填筑厚度和试验比尺计算出试验中分层填筑厚度，填筑后铺匀，然后按实际工程中泥沙含水量向模型箱内喷水。

(4)排水方案：

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。需要静力碾压的区域用水箱加载500kg，需要振动碾压的区域用功率为5.5马力的冲击夯代替，静置两天然后卸载。其中步骤（4）紧接步骤（1）之后完成。

(5)桩基础施工：

在有桩基础的工况中，应根据实际桩径、桩长以及试验比尺确定模型桩，在插打完塑料排水板后施工桩基础。桩基础用c35混凝土预制桩10代替。其中步骤（5）紧接步骤（4）之后完成。

(6)数据采集：

每次在软土地基和吹填砂都填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一次传感器（即位移计、土压计、孔压计）读数、排水量以及排水时间。

(7)改变吹填厚度、静置时间、排水方式等参数循环(1)~(6)。

实施例

某市软土地区计划建设一条以深厚吹填砂9为基础的道路，道路施工前为了摸清影响路基填筑效果的因素，选择碾压路径、静置时间、碾压机械8、排水方式、桩径、桩距6个变量，在实验室用该试验装置进行了比尺为1:20的室内试验。根据比尺计算，模型箱尺寸长×宽×高：1.2m×1.1m×1m，如图1。模型箱内软土填筑40cm，吹填砂总厚度60cm。

1.第一组无桩不同碾压路径试验

试验步骤：

(1)软土地基

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土。长度方向模型箱内两侧设置围堰15，围堰用袋装砂做成，搁置在软土基之上，每层厚75mm，共四层。

(2)监测仪器布置

位移计12每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，通过悬架埋置在土表。土压计13每个分区设置两个，共四个；埋置在软土层下150mm。孔压计14每个分区也设置两个，共四个，埋置于软土层下150mm。如图3所示。

(3)排水方案

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。用水箱加载500kg，静置两天然后卸载。

(4)分区工况设置细节

a区采取的碾压路径是从两边往中心线位置碾压，每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

b区采取的碾压路径是从中心线位置往两边碾压，每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

2.第二组无桩不同静置时间试验

试验步骤：

(1)软土地基

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土。长度方向模型箱内两侧设置围堰，围堰用袋装砂做成，搁置在软土基之上，每层厚75mm，共四层。

(2)监测仪器布置

位移计每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，通过悬架埋置在土表。土压计每个分区设置两个，共四个；埋置在软土层下150mm。孔压计每个分区也设置两个，共四个，埋置于软土层下150mm。

(3)排水方案

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。用水箱加载500kg，静置两天然后卸载。

(4)分区工况设置细节

c区采取的碾压路径是从中心线位置往两边碾压，每层填砂的填筑厚度为10厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

d区采取的碾压路径是从中心线位置往两边碾压，每层填砂的填筑厚度为10厘米，每次在填筑完成后，静置12小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

3.第三组有不同碾压机械有桩试验

试验步骤：

(1)软土地基处理

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土，将直径32mm的pvc管桩按边长为100mm的等边三角形布置形式，垂直打入软土层。长度方向模型箱内两侧设置围堰，围堰用袋装砂做成搁置在软土基之上，每层厚75mm，共四层。

(2)监测仪器布置

位移计每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，埋置在土表。土压计每个分区设置三个，共六个；桩顶一个，桩间一个，桩群外一个，埋置在软土层下150mm。孔压计每个分区也设置三个，共六个，两个埋在桩群外，一个埋在桩间，埋置于软土层下150mm。

(3)排水方案

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。用水箱加载500kg，静置两天然后卸载。

(4)分区工况具体设置

a1区采取静力碾压式，碾压机械选用水箱加载0.56吨压力。每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

b1区采取震动碾压，碾压机械选用5.5马力冲击夯（0.56吨工作压力）。每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

4.第四组有桩不同排水方案试验

(1)软土地基处理

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土，将直径32mm的pvc管桩按边长为100mm的等边三角形布置形式，垂直打入软土层。长度方向模型箱内两侧设置围堰，围堰用袋装砂做成搁置在软土基之上，每层厚75mm，共四层。

(2)监测仪器布置

位移计每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，埋置在土表。土压计每个分区设置三个，共六个；桩顶一个，桩间一个，桩群外一个，埋置在软土层下150mm。孔压计每个分区也设置三个，共六个，两个埋在桩群外，一个埋在桩间，埋置于软土层下150mm。

(3)排水方案

c1区填筑完软土地基，铺设300mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。堆载500kg水箱，静置两天然后卸载。d1区在软土基上设置直径为30mm的沙井，铺设砂垫层300mm，在砂垫层中布置直径50mm主滤管，然后在砂垫层上敷上一层聚氯乙烯薄膜，将主管从薄膜中穿透与真空泵（射流泵）连接，进行抽气，负压不小于80kpa。

(4)分区工况具体设置

c1区采取的碾压路径是从中心线位置往两边碾压，每层填砂的填筑厚度为10厘米，每次在填筑完成后，静置12小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

d1区采取的碾压路径是从中心线位置往两边碾压，每层填砂的填筑厚度为10厘米，每次在填筑完成后，静置12小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

5.不同桩径试验

试验步骤：

(1)软土地基处理

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土，a2和b2区分别将直径48mm和64mm的pvc管桩按边长为200mm的等边三角形布置形式，垂直打入软土层。长度方向模型箱内两侧设置围堰，围堰用袋装砂做成搁置在软土基之上，每层厚75mm，共四层。

(2)监测仪器布置

位移计每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，埋置在土表。土压计每个分区设置三个，共六个；桩顶一个，桩间一个，桩群外一个，埋置在软土层下150mm。孔压计每个分区也设置三个，共六个，两个埋在桩群外，一个埋在桩间，埋置于软土层下150mm。

(3)排水方案

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。用水箱加载500kg，静置两天然后卸载。

(4)分区工况设置细节

a2区采取静力碾压式，碾压机械选用水箱加载0.56吨压力。每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

b2区采取震动碾压，碾压机械选用5.5马力冲击夯（0.56吨工作压力）。每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

6.不同桩距试验

试验步骤：

(1)软土地基处理

在模型箱内底层填筑500mm厚的工地取来的软土，c2和d2区分别将直径48mm的pvc管桩按边长为150mm和200mm的等边三角形布置形式，垂直打入软土层。长度方向模型箱内两侧设置围堰，围堰用袋装砂做成搁置在软土基之上，每层厚75mm，共四层。

(2)监测仪器布置

位移计每个分区设置三个，分别位于路基中间和路基两边，埋置在土表。土压计每个分区设置三个，共六个；桩顶一个，桩间一个，桩群外一个，埋置在软土层下150mm。孔压计每个分区也设置三个，共六个，两个埋在桩群外，一个埋在桩间，埋置于软土层下150mm。

(3)排水方案

填筑完软土地基，铺设200mm厚砂垫层，插打塑料排水板，用直径为60mm的钢管代替插板机。用水箱加载500kg，静置两天然后卸载。

(4)分区工况设置细节

c2区采取静力碾压，碾压机械选用水箱加载0.56吨压力。每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

d2区采取静力碾压，碾压机械选用水箱加载0.56吨压力。每层填砂的填筑厚度为6厘米，每次在填筑完成后，静置24小时候开始碾压，每次碾压结束后记录一下读数，碾压2～3次。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。