包裹式非承重加筋土桥台模型试验的模拟装置及使用方法

1.本发明涉及岩土工程模型试验装置，具体涉及一种包裹式非承重加筋土桥台模型试验的模拟装置及使用方法。


背景技术：

2.自从法国工程师vidal正式提出加筋土理论以来，加筋土技术已广泛应用于公路与铁路工程建设当中，不仅用于加固路基，也用于桥台。世界上第一座加筋土桥台于1969年建于法国；1974年建于内华达州的加筋土桥台是美国的第一座；目前加筋土桥台在国际上的应用非常普遍。从技术原理上，加筋土桥台可划分为承重式和非承重式两种，前者直接支撑桥梁荷载，后者不承担桥梁荷载。从形式上，二者都可以看作加筋土挡墙。总体上，加筋土桥台具有收坡减跨、节约造价、快速施工的优点，能够有效解决桥头差异沉降的问题。
3.对于非承重式加筋土桥台，桥梁仍由桩基承担，加筋土结构往往包裹住桩柱，这种结构形式又称为包裹式非承重加筋土桥台。在这种结构中，由于墙后土压力作用和地基的压缩变形等因素，存在加筋土体与桩柱之间的相互作用。加筋土体对桩柱的作用力大小和分布特征对桩柱有明显的影响；桩柱对加筋土体的作用力对加筋土体稳定性和变形分析也至关重要。为了通过室内缩尺模型试验揭示加筋土体与桩柱之间的相互作用机理、相互作用力的分布特征及其大小，需要一种能够模拟墙后土压力和地基压缩变形的机构。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种包裹式非承重加筋土桥台模型试验中侧向土压力、地基和墙趾水平约束的模拟装置。
5.本发明的目的通过以下技术方案实现：
6.一种包裹式非承重加筋土桥台模型试验的模拟装置，包括：
7.地基模拟组件，用于模拟加筋土桥台，包括地基支撑架、桩体、承载板以及竖向压缩弹簧，所述竖向压缩弹簧布置在所述承载板的下方，所述桩体穿过所述承载板竖向设置在所述地基支撑架的中央；
8.侧向土压力模拟组件，用于模拟模型后侧填土的水平土压力；
9.墙趾水平约束模拟组件，用于模拟模型底部的水平约束；
10.数据采集组件，用于采集各试验数据。
11.进一步地，所述侧向土压力模拟组件包括多个加载板、与所述加载板连接的液压缸，所述液压缸安装在侧向支撑架上，所述侧向支撑架通过连接杆安装在所述地基支撑架上，所述加载板分层布置，模拟侧向土压力随深度的变化情况。
12.进一步地，所述液压缸与外部的液压机构连接，所述液压机构包括手动加压泵、分流块以及油管，所述手动加压泵与液压缸之间通过油管连接，所述分流块设置在与手动加压泵相接的管路上用于分流油路，所述液压缸尾部设有电控阀，用于控制液压缸内液压油的进出。
13.进一步地，所述手动加压泵设有两个，分别对两侧和中部的加载板施加压力；所述加载板与模型之间设置垫层，所述垫层通过木螺钉固定于加载板之上。
14.进一步地，所述墙趾水平约束模拟组件包括水平约束支撑架、固定螺栓、水平压缩弹簧和木条；
15.所述水平约束支撑架与所述地基支撑架焊接在一起，所述固定螺栓焊接在所述水平约束支撑架上，所述水平压缩弹簧套设在所述固定螺栓上，所述木条置于所述水平压缩弹簧的前方。
16.进一步地，所述数据采集组件包括：
17.拉线式位移计，布置在所述承载板的下方以及水平约束支撑架上，用于测量所述承载板的竖向位移和模型底部的水平位移；
18.压力传感器，布置在所述液压缸的前端与加载板之间，用于获得每块加载板的推力大小；
19.竖向位移数控箱，通过数据采集线与测量地基沉降的拉线式位移计相连；
20.水平位移数控箱，通过数据采集线与测量模型底部水平位移的拉线式位移计相连；
21.压力数控箱，与所述压力传感器连接用于实时监测、反馈试验过程中加载板受到的压力变化；
22.数据记录电脑，通过光纤与所述竖向位移数控箱、水平位移数控箱和压力数控箱连接，对实时采集的数据进行记录。
23.一种包裹式非承重加筋土桥台模型试验的模拟装置的使用方法，包括以下步骤：
24.(1)将地基模拟组件、侧向土压力模拟组件、墙趾水平约束模拟组件和数据采集组件组装完成，放在现有刚性模型箱当中，使模型两侧受到支撑；
25.(2)开启侧向土压力模拟组件和数据采集组件；
26.(3)填筑模型，按照码放面层模块—回填填料—碾压震实—铺设筋材的流程逐层进行模型填筑工作；
27.(4)加载阶段，采用手动加压泵加载，达到设定值时停止加载，保持压力稳定，加载过程中，每隔一定时间记录一次桥台水平向位移；
28.(5)观察数据是否正常，当数据正常时，一组试验结束，根据具体试验要求改变模型材料参数、约束条件进行多组试验。
29.进一步地，步骤(1)对承载板之间的缝隙采用密封胶泥进行密封，在加载板前覆一层特氟龙膜，桩身贴一层特氟龙膜。
30.进一步地，步骤(4)加载板上的力值通过压力传感器实时传输到压力数控箱上，加载时需缓缓按动加压杆，直至压力数控箱显示力值达到设定值时停止加载，保持压力稳定。
31.进一步地，步骤(4)当连续多次位移读数差均不大于0.01mm时，视为一级加载平台稳定，继续加压至下一级，每加载一级，需在桥台上部堆载与侧向土压力相对应的质量。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
33.1、地基模拟组件通过配置特定数量和刚度的弹簧，模拟地基模量和在附加应力下的压缩量，可以更好地反映地基变形对包裹式非承重加筋土桥台工作特性的影响。
34.2、侧向土压力模拟组件通过施加侧向土压力，能够模拟半无限体空间中桥台的侧
向土压力。
35.3、侧向土压力模拟组件采用电控阀控制油量进出，可以对某个未达到设定值的加载板持续补压，同时不影响已达到预设压力的加载板。
36.4、采用两个手动加压泵，分别对两侧和中部的加载板施加压力，避免局部土体变形不协调引发临近加载板的压力突变。
附图说明
37.图1为模拟装置的结构示意图；
38.图2为图1中a-a’结构剖视图；
39.图3为图2中b-b’结构剖视图；
40.图4为图1中c-c’结构剖视图；
41.图5为图2中d细部图；
42.图6为图2中e细部图；
43.图中数字标记：
44.0-模型，1-地基模拟组件，2-承载板，3-水平压缩弹簧，4-桩体，5-地基支撑架，6-加载板，7-液压缸，8-电控阀，9-分流块，10-手动加压泵，11-垫层，12-侧向支撑架，13-油管，14-拉线式位移计，15-压力传感器，16-竖向位移数控箱，17-水平位移数控箱，18-压力数控箱，19-数据记录电脑，20-模型箱，21-侧向土压力模拟组件，22-木条，23-连接杆，24-固定螺栓，25-裙板，26-竖向压缩弹簧，27-墙趾水平约束模拟组件，28-水平约束支撑架。
具体实施方式
45.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
46.包裹式非承重加筋土桥台模型试验装置(参照图1)包括地基模拟组件1、侧向土压力模拟组件21、墙趾水平约束模拟组件27和数据采集组件组成。
47.如图1所示，地基模拟组件1上部为承载板2，用于支撑桥台结构，每块承载板下配置竖向压缩弹簧26用于模拟地基变形。试验中地基模量为一定值，因每块承载板面积不一，故其下方所布设压缩弹簧数量也不一样，具体配置如图3所示。地基使用的竖向压缩弹簧26也采用圆柱形固定螺栓24分别固定在地基支撑架5和承载板2上，如图5所示。桩体4用于模拟模型试验中加筋土桥台的承重桩，采用空心铁管制作，底部直接焊在地基支撑架5上，在桩体4与承载板2平行的面上四周焊有裙板25，避免模型试验填筑时漏沙造成的影响。
48.如图2、图4所示，侧向加压组件主要由液压缸7产生推力，液压缸固定在侧向支撑架12上，前部固定着木制加载板6，为了保证施加在模型上的是柔性荷载，木制加载板6前固定着橡胶制成的垫层11。如图6所示，电控阀8安装在液压缸7尾部用于控制液压缸7内液压油的进出，在加载过程中，通过手动加压泵10的控制，液压油从液压缸7后部进入，从液压缸7前部流出；在卸载过程中，液压油从液压缸7前部进入，从液压缸7后部流出。如图2所示，分流块9设置在与手动加压泵10相接的管路上用于将油路分流，该装置采用两个手动加压泵10分别对中间及两侧的液压缸进行控制。侧向支撑架12用于支撑整个侧向加压组件，油管13用于液压油的传递。为了保证加载过程中侧向支撑架12不发生倾倒，侧向支撑架12采用连接杆23与地基支撑架5进行固定，固定方式均为螺栓固定。
49.如图2所示，墙趾水平约束模拟组件27左侧为水平约束支撑架28，水平约束支撑架28与地基支撑架5焊在一起，水平约束支撑架28上焊着圆柱形固定螺栓24，水平压缩弹簧3可套在固定螺栓24上，右侧放着木条22，用于模拟模型0底部处的水平约束，如图5所示。
50.数据采集组件包括拉线式位移计14、压力传感器15、竖向位移数控箱16、水平位移数控箱17、压力数控箱18和数据记录电脑19。如图3所示，拉线式位移计14斜对角布置在每块承载板2下方测量每块板的竖向位移，通过数据采集线与竖向位移数控箱16相连。如图1所示，有3个拉线式位移计14布置在水平约束支撑架28上，用于测量模型底部的水平位移，通过数据采集线与水平位移数控箱17相连。压力传感器15布置在液压缸7前端与加载板6之间，用于获得每块加载板6的实际推力大小，采用数据线与压力数控箱18连接用于实时监测、反馈试验过程中每块加载板6受到的压力变化。电控阀8也通过继电器连接在压力数控箱18上，当压力传感器15测得的推力大小达到设定值时，电控阀8关闭。数据记录电脑19通过光纤与竖向位移数控箱16、水平位移数控箱17和压力数控箱18相连，对实时采集的数据进行记录。
51.通过非承重加筋土桥台模型试验装置进行试验的具体操作过程，通过以下几个步骤完成：
52.第一，按照图纸要求将地基模拟组件1、侧向土压力模拟组件21、墙趾水平约束模拟组件27和数据采集组件组装完成，放在现有刚性模型箱20当中，使得模型两侧可以受到支撑。对承载板2之间的缝隙采用密封胶泥进行密封，避免试验过程中产生漏砂现象。在加载板6前覆一层特氟龙膜，不仅避免侧向漏砂，也减小摩阻力，同时为了避免张力膜效应的影响，贴膜时注意相邻板之间留出一定余量。桩身也贴一层特氟龙膜，模拟实际工程中光滑包膜的情况。
53.第二，开启侧向土压力模拟组件21和数据采集组件的电源。
54.第三，开始填筑模型，按照码放面层模块—回填填料—碾压震实—铺设筋材的流程逐层进行模型填筑工作。模型填筑过程中注意是否有漏砂现象以及各个数控箱读数有无异常情况。
55.第四，进入加载阶段，加载采用手动加压泵10加载。加载板6上的力值可通过压力传感器15实时传输到压力数控箱18上，加载时需缓缓按动加压杆，直至压力数控箱18显示力值达到设定值时停止加载，保持压力稳定。由于加压时模型两侧的压力远大于模型中部的压力，为了保持压力稳定，采用两个手动加压泵10分别控制中部加载板和两侧加载板。加载过程中，每隔10min记录一次桥台水平向位移，当连续三次位移读数差均不大于0.01mm时，视为一级加载平台稳定，可继续加压至下一级。每加载一级，需在桥台上部堆载与侧向土压力相对应的质量。
56.第五，观察数据记录电脑19上的数据是否正常，当数据正常时，一组试验结束，可根据具体试验要求改变模型材料参数、约束条件等进行多组试验。
57.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。