一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法与流程

本发明涉及基坑、水利、交通和边坡等支挡工程技术领域，尤其涉及一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法。

背景技术：

被动桩广泛应用于斜坡、边坡治理和基坑等工程支护中，其能发挥出色的挡土效果的原因便是土拱效应——桩后土体发生不均匀位移，土体中的下滑推力传至桩身，同时桩间土体被挤密。自1943年太沙基通过活动门试验证实土拱效应的存在以来，随着岩土工程领域不断的深入发展，与土拱效应有关的工程数据、实验和理论研究也越来越多。随着土拱理论的不断进步，研究成果也逐渐付诸实践，开始指导、优化工程应用，取得不错的应用效果。

土拱效应理论发展至今，已取得了很多优秀的成果，对工程实践亦起到积极指导的作用，但仍有许多值得深入探讨的问题。其一，即是土拱的“形态”，包括拱形、拱厚、拱脚形状等。其二，即是水的影响，许多地质灾害、工程事故中，如滑坡失稳、基坑支护失效等，皆与水有较大关系。渗流、管涌等水的不良影响导致的土体软化、土体结构强度降低，同样会使土拱效应减弱，限制被动桩挡土功能的发挥。

目前，关于土拱效应的研究主要建立在连续均匀介质上，而土体实质上是一种非连续、非均质的散粒体。同时，以往在关于渗流问题的研究中，大多基于连续介质假设，直接把渗流力的作用加在连续土体上进行分析。这与流体只在土体孔隙中流动的实际情况不符，对于考虑土颗粒与水相互作用的渗透机理有较大局限性。当渗流发生时，常常会引发严重的渗流破坏，即流土和管涌。发生管涌破坏时，土体中的细粒土随水流被带走，土骨架发生破坏；并且，细粒土随水在大颗粒孔隙中移动时，可能会淤堵孔隙，在淤堵处则会产生较大的渗透力，导致土体破坏。由于水对土体的影响巨大且作用机理复杂，需着重研究在饱水及渗流条件下的土拱效应。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种首次研究渗流对土拱效应的影响，完善土拱效应研究的基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法。

本发明的实施例提供一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，包括以下步骤：

s1.选取待研究的土类，制备土样，并测定土样的物理力学指标；

s2.设计试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，并设置位移计；

s3.将步骤s1制备的土样填充在试验箱中模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；

s4.向土样施加荷载模拟滑坡推力，建立水循环系统模拟渗流，并通过压力盒、位移计和渗压计分别监测土样的各处应力、位移以及孔隙水压力变化，建立土样内部应力场、表面位移场和渗流场；

s5.改变土样的水环境，重复步骤s4，并分析对照不同水环境下土样的内部应力场、表面位移场和渗流场，了解土拱效应的形成、发展、失效过程以及水在其中的影响；

s6.改变试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，重复步骤s3-s5，分析不同模拟桩条件下渗流对土拱形成、发展、失效的作用机制；

s7.更换土样，重复步骤s2-s6，探究不同土类环境下的土拱效应。

进一步，所述步骤s1中，所述土类包括土样、黏土和粉土，所述土样的物理力学指标包括天然密度、干密度、颗粒密度、渗透系数、粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效摩擦角。

进一步，所述步骤s2中，所述模拟桩的类型包括埋入桩和悬臂桩，所述模拟桩的形状包括方形和圆形。

进一步，所述步骤s3中，土样在无水时试验，在试验箱中分层装填密实的土样，确保土样填充均匀，埋设压力盒，静置8h后密封；土样在饱水或渗流时试验，边分层装填土样，边注水，埋设压力盒和渗压计，静置12小时后密封；填充土样完毕后可加盖透明盖板，在透明盖板上设置拍照设备，所述拍照设备拍摄土样表面的变化。

进一步，所述步骤s4中，荷载通过在吊篮中施加配重实现，配重的质量通过测力计测量。

进一步，所述步骤s4中，土样在无水时试验，向土样施加一级荷载后，观察压力盒的数据，待到数据稳定后施加下一级荷载，不断逐级施加荷载，并记录监测数据，直至试验箱内土样发生较大位移，局部破坏，关闭压力盒，撤下施加的荷载，并在土样的不同位置取样测定孔隙度。

进一步，所述步骤s4中，土样在饱水或渗流时试验，向土样施加一级荷载后，启动水循环系统的水泵，向土样施加二级荷载后，打开试验箱的进水道阀门，并根据渗压计的数据调整水循环系统中水箱的高度，再打开试验箱上的排气孔，将试验箱内的残留气体排出，并关闭排气孔，逐渐加大水进入试验箱的流速至设定流速，位移计、压力盒和渗压计的数据稳定后，施加下一级荷载，并记录试验箱的出水道流出的水流速，当压力盒监测的数据呈减小趋势，位移计监测的数据增速呈变大趋势时，土拱已失效，停止试验，先关闭压力盒和渗压计，停止水循环系统，关闭试验箱进水道阀门，打开排气孔和试验箱出水道的阀门，使试验箱内的水流出，试验箱内水流出部分后在土样的不同位置取样测定孔隙度。

进一步，所述荷载的每一级为10kg。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：首次通过模拟在无水、饱水、渗流条件下土拱形成、发展、失效过程，揭示了在土拱效应中水土作用的机理，丰富了斜坡防治方面的研究，补充了现有土拱效应与水相关方面理论。

附图说明

图1是本发明一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法的一流程图。

图2是本发明一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法中所用装置的示意图。

图3是图2中试验箱的一示意图。

图4是图2中试验箱的侧视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，包括以下步骤：

s1.选取待研究的土类，制备土样，并测定土样的物理力学指标；所述土类包括土样、黏土和粉土，所述土样的物理力学指标包括天然密度、干密度、颗粒密度、渗透系数、粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效摩擦角；在一实施例中，待研究土类选择土样，取粒径0.5mm-2mm粗砂组制备成孔隙度为0.7的土样进行试验，测定其物理力学性质：密度、摩擦角、渗透系数等。

s2.设计试验箱11中模拟桩117的类型、形状、尺寸以及桩间距，并设置位移计122；所述模拟桩117的类型包括埋入桩和悬臂桩，所述模拟桩117的形状包括方形和圆形，其他形状亦可；需注意模拟桩117尺寸及桩间距，如若桩间距过大、桩身尺寸过小，可能导致土拱无法形成，而桩间距过小、桩身尺寸过大，又会使得土拱承载能力大大加强，从而无法研究土拱失效过程。

在一实施例中，模拟桩117选用埋入桩，模拟桩117桩身尺寸为10×10cm方桩，长度为30cm，桩间距为35cm。

s3.将步骤s1制备的土样填充在试验箱11中模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；

土样在无水时试验，在试验箱11中分层装填密实的土样，确保土样填充均匀，土样中埋设压力盒，静置8h后密封；

土样在饱水或渗流时试验，边分层装填土样，边注水，土样中埋设压力盒和渗压计，静置12小时后密封。

在一实施例中，土样在无水时试验，每填充10cm厚土样均匀压密，保证试验箱11内土样尽量均匀分布，并注意填土量保持试验箱内土样孔隙度0.7，填充土样时在土样内部均匀布置压力盒，同时注意压力盒走线，避免因走线不当导致试验失败，试验箱内土样填充完毕后需静置8小时释放土样内部应力，之后封盖，可加盖透明盖板，在透明盖板上设置拍照设备，所述拍照设备拍摄土样表面的变化；

土样在饱水或渗流时试验，填充土样时，需逐层注水，同时在土样内部均匀布置压力盒和渗压计，监测土样内水压力，余则与土样在无水时试验相同；

s4.向土样施加荷载模拟滑坡推力，荷载通过在吊篮13中施加配重14实现，建立水循环系统2模拟渗流，并通过压力盒、位移计122和渗压计分别监测土样的各处应力、位移以及孔隙水压力变化，建立土样内部应力场、表面位移场和渗流场；

s5.改变土样的水环境，重复步骤s4，并分析对照不同水环境下土样的内部应力场、表面位移场和渗流场，了解土拱效应的形成、发展、失效过程以及水在其中的影响；

土样在无水时试验，向土样施加一级荷载后，观察压力盒的数据，待到数据稳定后施加下一级荷载，不断逐级施加荷载，并记录监测数据，直至试验箱11内土样发生较大位移，局部破坏，关闭压力盒，撤下施加的荷载，并在土样的不同位置取样测定孔隙度，每一级荷载为10kg，以测力计119的测量为准。

土样在饱水或渗流时试验，向土样施加一级荷载后，启动水泵，向土样施加二级荷载后，打开试验箱11的进水道112阀门，并根据渗压计的数据调整水箱21的高度，再打开排气孔，将试验箱11内的残留气体排出，并关闭排气孔，逐渐加大水进入试验箱11的流速至设定流速，位移计122、压力盒和渗压计的数据稳定后，施加下一级荷载，并记录试验箱11出水道113流出的水流速，当压力盒监测的数据呈减小趋势，位移计122监测的数据增速呈变大趋势时，土拱已失效，停止试验，先关闭压力盒和渗压计，停止水循环系统，关闭试验箱11进水道112阀门，打开排气孔和试验箱出水道113的阀门，使试验箱11内的水流出，试验箱11内水流出部分后在土样的不同位置取样测定孔隙度。

s6.改变试验箱11中模拟桩117的类型、形状、尺寸以及桩间距，重复步骤s3-s5，分析不同模拟桩117条件下渗流对土拱形成、发展、失效的作用机制；

s7.更换土样，重复步骤s2-s6，探究不同土类环境下的土拱效应。

请参考图2，本发明一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法的试验装置，包括被动桩桩土作用模拟系统1和水循环系统2。

被动桩桩土作用模拟系统1包括试验箱11、移动支架12、吊篮13和配重14，所述试验箱11内放置土样(图中未示出)和模拟桩117用于模拟被动桩桩土作用环境，所述试验箱11设置在移动支架12上，所述试验箱11的一侧连接吊篮13，所述配重14放置在吊篮13中，并通过增减所述吊篮13内的配重14模拟滑坡推力。

试验箱11连接水循环系统2，并通过所述水循环系统2模拟渗流，水循环系统2包括水箱21、支架22、水桶23和水泵24，所述水箱21设在支架22上，所述支架22的高度可调节。

水箱21上开有进水口211、出水口212和溢流口213，所述进水口211通过水泵24连通水桶21，所述水泵24将水桶21内的水通过进水口211泵入水箱21，所述溢流口213连通试验箱11的一侧，通过所述溢流口213向试验箱11内溢水模拟渗流，所述水桶23放置在试验箱11的另一侧下方，所述出水口211连通水桶23。

请参考图3和图4，试验箱11包括罩体111，罩体111的中间设有密封橡圈1111，罩体111的上方罩有透明盖板(图中未示出)，所述透明盖板的上方设有拍照设备(图中未示出)，所述罩体111的侧面设有密封走线孔(图中未示出)和可开关的排气孔(图中未示出)，所述罩体111的一侧上方设有进水道112，所述罩体111的另一侧底部设有出水道113，所述罩体111内靠近进水道112的一侧设有推土板114，所述罩体111内靠近出水道113的一侧设有过滤板115。

出水道112包括第一横道1121、第一竖道1122、第二横道1123和第二竖道1124，所述第一横道1121设在试验箱11的下方，所述第二横道1123与试验箱11的上端相平齐，所述第一横道1121、第一竖道1122、第二横道1123和第二竖道1124依次连通，所述第二竖道1124的下方放置水桶23，使水流得以水平均匀渗流，便于清理排水，所述第一竖道1122和第二竖道1124的下方均设有阀门1125，所述进水道113上设有阀门1125，

过滤板115和推土板114之间设有挡土板116，模拟桩117设在挡土板116和推土板114之间，土样放置在挡土板116和推土板114之间，土样内埋设有压力盒(图中未示出)和渗压计(图中未示出)，所述压力盒和渗压计的数据线通过密封走线孔穿出，在一实施例中，所述推土板114和挡土板116上均开有过水孔1141，并覆盖有纱布(图中未示出)，能有效防止土样渗出，同时保证水流可均匀通过。

推土板114的外侧设有传力轴118、测力计119和转向轴轮120，所述传力轴118连接位移计122，传力轴118的外侧设有密封圈1181，转向轴轮120的两端绕有缆绳121，所述缆绳121的水平方向连接传力轴118，所述缆绳121的竖直方向连接吊篮13，在所述吊篮13中放置配重14，所述测力计119测量配重14的质量。

从溢流口213流出的水依次流经进水道112、推土板114、土样、模拟桩117和挡土板116模拟渗流。

向吊篮13中放置配重14，配重14的具体质量通过测力计119测量，随着配重14的增加吊篮13竖直向下移动，并通过缆绳121拉动传力轴118水平推动推土板114，所述推土板114进而将推力传递给土样和模拟桩117模拟滑坡推力。

试验中，通过打开所述排气孔将试验箱11内的残留气体排出，拍照设备拍摄土样的表面变化，位移计122监测土样的位移，所述压力盒监测土样的内部应力场，所述渗压计监测土样的内部渗流场。

试验后，从所述挡土板116中流出的水经过滤板115过滤后从出水道113流出，并进入水桶23中。

本实例在0.45m(即桩后土样长度)水头以及较高的渗透流速下，模拟土拱效应，和无水、饱水条件形成对比。

在无水条件下，初始加载开始，荷载经由传力轴118、推土板114施加给土样，推土板114推动土样向前移动，压力逐渐传递至土样及模拟桩117上，土体内部应力增加，模拟桩117承担荷载大于土体内部应力并增幅更大，土拱形成；随荷载进一步增加，推土板114位移增加，增幅较之前小，模拟桩117承担荷载依旧大于土体内部应力，但二者增速基本一致，土拱进一步发展，土拱效应逐渐加强；当荷载增加到一定程度时土拱效应达到最大，之后推土板114位移增幅加大，模拟桩117承担荷载减小，土拱处于失效阶段；但随着推土板114位移进一步增加，土拱又一次形成，模拟桩117承担荷载，但较最前所承担荷载峰值小；试验进行时，随加载开始，推土板114推动土样，桩后土体由于模拟桩阻挡被挤密，桩间及其后土体向前移动，桩间及其后土体位移于大于桩后土体，土体出现不均匀位移；土体内部应力传递至桩身，土拱形成，土拱拱身区域挤密；拱身后部土体由于土拱拱身挟制，位移小于桩间及桩前土体。

在饱水及渗流条件下，土拱的形成、发展、失效规律与无水时基本一致，但随着水头增加，即渗透压力增大，模拟桩117承受的荷载峰值降低，同时土体位移增大；在加载过程中，渗压计记录水压力大多呈减小趋势，这是由于挡土板前土样逐步挤密，土样渗透性变差，水头损失变大。而桩后土体以及土样中间局部位置，即土拱拱脚、拱身处，应力集中，土体较其他位置更加密实，孔隙中水体被锁住而无法排走，孔隙水压力反而增大。进一步，随着土拱发展、失效，同时水压力过大，导致局部土体颗粒错动，孔隙中水体顺势排走，水压力降低，由此部分渗压计检测数据在总体减小趋势中有所波动。

本发明首次通过模拟在无水、饱水、渗流条件下土拱形成、发展、失效过程，揭示了在土拱效应中水土作用的机理，丰富了斜坡防治方面的研究，补充了现有土拱效应与水相关方面理论。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。