模拟地下水位下降的高速铁路桩承式路堤模型试验装置

1.本发明涉及岩土工程领域，特别是模拟地下水位下降的高速铁路桩承式路堤模型试验装置。


背景技术：

2.软土地基具有高含水量、大孔隙、低密度、低强度、高压缩性等特点，且多为淤泥、淤泥质黏土。我国软土地基主要分布在沿海地区(环渤海、长三角、福建、珠三角等地区)，这些区域也是高速铁路建设的重点区域。在软土地区修建高速铁路，地基承载力不足、土体沉降过大是必须考虑的工程问题。
3.桩承式路堤是高速铁路建设中常用的地基处理方法。它能有效控制地基土沉降和侧向变形，降低工后沉降和差异沉降，且能被迅速施工填筑。桩承式路堤通过土拱效应将部分路堤荷载传递到地基中的桩上，其余荷载主要由加筋垫层与地基软土共同承担。
4.近年来，因暴雨造成的铁路工程灾害时常发生。暴雨会导致水流汇集使地下水位急剧增加，形成地下水流“暗涌”，不断冲击高速铁路路基下部土体，造成路基下部脱空丧失承载力；暴雨还会使高速铁路路基含水率迅速提高，造成土体软化从而致其承载能力下降。此外，路基中地下水位会在暴雨结束后逐渐下降，这一过程会带走软土中的一小部分细小颗粒，造成土体流失，且脱水后的那部分土体在长期荷载作用下发生固结沉降，使得桩间软土逐渐失去承载力。因此，模拟地下水位下降而引起地基软土逐渐失去承载力，进而进行桩承式加筋路堤中荷载传递规律的研究对高速铁路等的安全运营具有重要意义。
5.模拟降低地下水位的传统方法是采用抽水的方式，即需要在软土地基内部布设大量管线进行抽水排水。这种方法的缺点是会形成以竖向抽水管为中心的漏斗状地下水位线分布，导致同一水平面上相邻区域内软土固结沉降不一致，因此无法真实模拟地下水位下降过程；另外，土体的固结沉降也要耗费大量时间，导致试验所需周期较长。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明目的是提供一种简单、易于操作，可模拟因地下水位下降而导致桩承式路堤中软土固结沉降逐渐失去承载力的过程从而进行荷载传递规律研究的模型试验装置，来分析长期荷载作用下，土拱效应的发展、演变规律，进而分析长期服役条件下桩承式加筋路堤中的荷载传递特点与沉降变形规律。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：模拟地下水位下降的高速铁路桩承式路堤模型试验装置，包括模型槽，模型槽分上下两部分，分别为上部模型槽和下部模型槽，下部模型槽包括若干桩体、桩间软土、钢板和升降装置；钢板上开设有与桩体对应的钢板预留桩孔，桩体穿过钢板预留桩孔设置，桩体底部固定在模型槽底部，钢板上部的桩体之间填筑桩间软土，桩间软土填筑至与桩体顶面齐平，钢板下部由升降装置托承；上部模型槽包括路堤和面层材料，路堤铺设于桩间软土顶面，面层材料铺设于路堤顶面，面层材料包括自下而上依次堆叠的基床底层、基床表层、支
承层、轨道板和铁轨。
8.作为本发明的进一步优选，还包括碎石层，碎石层铺设于桩间软土顶面和路堤之间。
9.作为本发明的进一步优选，还包括测沉降装置，测沉降装置为多个，测沉降装置沿竖直方向埋设于桩体顶面和桩间软土的表面。
10.作为本发明的进一步优选，所述测沉降装置包括位移计、波纹软管和沉降板；波纹软管竖向固定于两块沉降板之间，位移计固定于波纹软管内的沉降板上。
11.作为本发明的进一步优选， 相邻两块沉降板之间间距8cm。
12.作为本发明的进一步优选，还包括土压力计，土压力计分为竖向土压力计和水平土压力计，由碎石层向上每隔8cm布置一个竖向土压力计，碎石层的水平方向上布置水平土压力计。
13.作为本发明的进一步优选，所述升降装置为液压千斤顶，液压千斤顶的顶面与钢板接触。
14.作为本发明的进一步优选，钢板的初始位置为地下水位线的位置，液压千斤顶下降高度等于因地下水位下降导致地基软土产生固结沉降的距离。
15.作为本发明的进一步优选，还包括防水土工布，防水土工布铺设于钢板上表面。
16.作为本发明的进一步优选，所述液压千斤顶为多个，分布于钢板底部四周及中心位置。
17.本发明具有如下有益效果：1)本发明的钢板及液压千斤顶下降装置系统可模拟由于地下水位下降而引起的地基软土固结沉降逐渐失去承载力的过程；2）本发明可控制因地下水位下降引起的土体固结沉降量，且保证该沉降量在同一水平面上相邻区域内是一致的。
18.3）本发明可大大降低模拟地下水位下降导致土体固结所需的时间。
19.4）本发明通过开展模拟因地下水位下降导致软土固结沉降逐渐失去承载力的模型试验研究，可系统地分析桩承式加筋路堤中桩和软土上方土压力与沉降沿深度的变化规律，获得路堤底部软土中心上方竖向应力极值和路堤最大沉降，从而明确桩承式路堤系统中土拱效应的传递荷载特性以及软土的承载受力特点。
附图说明
20.图1为本发明的立体图；图2为本发明的底视图；图3为本发明的仪器布置剖面示意图；图4为本发明的仪器布置俯视图；图5为本发明的测沉降装置的主视图；图6为本发明的测沉降装置的俯视图。
21.图中：模型槽1、桩体2、液压千斤顶3、钢板4、钢板预留桩孔401、桩间软土5、碎石层6、路堤7、基床底层8、基床表层9、支承层10、轨道板11、铁轨12、测沉降装置13、沉降板1301、波纹软管1302、位移计1303、水平土压力计14、竖向土压力计15、防水土工布16。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
23.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
24.本发明包括一个长方体模型槽1，该模型槽1长宽高为2.5m
×
2m
×
3.5m，如图1所示。该模型槽1分为上下两部分，下部模型槽由桩体2、液压千斤顶3、钢板4以及桩间软土组成；桩体2固定在模型槽1内部底板上，穿过钢板预留桩孔401，钢板4由顶升一定有效高度的液压千斤顶3托撑，在钢板4上桩体2之间填筑桩间软土5；钢板4顶面与桩体2顶面的距离等价于换算后实际地下水位线与桩顶面的距离；液压千斤顶3分别布置在钢板4底部四周及中间位置，使钢板受力均匀。如图2所示。在填筑桩间软土5之前，先模型槽1内部进行漏水查验，在钢板4上表面铺设防水土工布16，确保在填筑桩间软土5的过程中不存在漏水情况。
25.上部模型槽包括路堤7及高速铁路面层材料，高速铁路面层材料自下而上为基床底层8、基床表层9、支承层10、轨道板11、铁轨12；待桩间软土5填筑到桩体2顶面齐平后，再填筑碎石层6，然后再依次填筑路堤7及高速铁路面层材料。在填筑碎石层6、路堤7以及高速铁路面层材料时，在桩体2顶面以及桩间土表面沿竖直方向埋设测沉降装置13，且由碎石层6向上每隔8cm布置竖向土压力计15、水平方向上布置水平土压力计14，如图3和图4所示。
26.测沉降装置13由沉降板1301、波纹软管1302及位移计1303组成，波纹软管1302固定在沉降板1301之间，各沉降板1301之间间距8cm，可根据实际状况做适应性调节。位移计1303放置在波纹软管1302内且通过磁性支座固定在沉降板1301上，以保证位移计1303不与周围土体接触，不受周围土体之间摩擦力的影响，同时可使位移计1303随沉降板1301与周围土体一同沉降，如图5和图6所示。
27.待高速铁路面层材料及仪器布置完成后，根据实际地下水位下降而引起的软土固结沉降距离换算成钢板4下降的距离s，启动液压千斤顶3缓慢下降s距离，钢板4在自重作用下跟随液压千斤顶3缓慢下降，钢板4上桩间软土5在失去支撑后，逐渐失去承载力，进而使路堤7上发生应力重分布，再根据位移计1303、竖向土压力计15及水平土压力计14上的读数变化，以分析因地下水位下降导致软土固结沉降逐渐失去承载力的情况下，高速铁路桩承式路堤的荷载传递与变形规律。根据获得路堤底部软土中心上方竖向应力极值和路堤最大沉降，可明确桩承式路堤系统中土拱效应的传递荷载特性以及软土的承载受力特点。
28.与上述步骤相同，更换带有不同预留桩孔间距和孔径的钢板、改变路堤填筑高度可得到相应的试验结果。
29.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。