一种堆载-振动水袋联合预压试验方法与流程

1.本发明属于地基预压试验技术领域，具体涉及一种堆载-振动水袋联合预压试验方法。


背景技术：

2.地基预压是对软土地基施加压力，使其排水固结来达到加固地基的目的。在原状土上加载，使土中水排出，以实现土的预先固结，减少建筑物地基后期沉降和提高地基承载力。按加载方法的不同，分为堆载预压、真空预压、降水预压三种不同方法。
3.建筑企业在施工过程中，地基预压常用的方式是堆载预压法，堆载预压法相关的施工要求如下：在建造建筑物之前，用临时堆载(砂石料、土料、其他建筑材料、货物等)的方法对地基施加荷载，给予一定的预压期。使地基预先压缩完成大部分沉降并使地基承载力得到提高后，卸除荷载再建造建筑物。
4.但是堆载预压的效率较低，需要等待较长的预压期时间。在堆载预压基础上，进一步联合采用其它方式进行预压以提高预压效率是本领域技术人员所进一步研究的方向。


技术实现要素：

5.本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种堆载-振动水袋联合预压试验方法，该联合预压试验方法通过在模型箱土体表面水平设置环形静压水袋进行堆载预压，并在模型箱土体内竖向设置超声波水袋以进行超声波振动挤密土体。
6.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种堆载-振动水袋联合预压试验方法，其特征在于所述联合预压试验方法包括以下步骤：在一模型箱内铺设土体并预固结；在完成预固结的所述土体内竖向设置一超声波水袋，所述超声波水袋内沿竖向间隔布置若干超声波激振器；在所述土体的上表面铺设一环形加载板并于所述环形加载板上设置环形静压水袋，以对所述土体施加竖向静力荷载；控制所述超声波水袋内的所述超声波激振器进行超声波激振以挤密所述土体，使所述土体沉降。
7.所述模型箱内铺设所述土体的方法包括以下步骤：在所述模型箱内逐层铺设试验土体，所述模型箱内预设有位于不同高度的若干监测层，每铺设至预设的所述监测层高度时，在所述土体中埋设多点位移计、土压力盒以及加速度计。
8.对所述模型箱内的所述土体进行预固结的方法包括以下步骤：在完成所述模型箱内所述土体的铺设后，在所述土体的上表面铺设一刚性板，对所述刚性板施加竖向荷载以对所述土体进行预固结，施加竖向荷载的过程中所述土体中的水通过所述模型箱各侧壁面上间隔分布的排水孔向外流出。
9.在所述土体内设置所述超声波水袋的方法包括以下步骤：将一内外侧涂满润滑油的空心薄壁钢管垂直插入所述土体中至所述超声波水袋的埋设标高位置，之后利用掏土器将所述空心薄壁钢管内的土体掏空；清理所述空心薄壁钢管内壁面并再次涂刷润滑油；在
呈圆柱形的所述超声波水袋内间隔布置所述超声波激振器并充填水，并于所述超声波水袋的外侧涂抹润滑油；将所述超声波水袋送入所述空心薄壁钢管内，之后将所述空心薄壁钢管拔出所述土体，留所述超声波水袋于所述土体中。
10.所述环形加载板由两个半环钢板对拼组成，所述环形加载板的中心孔与所述超声波水袋同轴设置。
11.所述模型箱的外侧设置有一水箱，所述水箱上接通有第一管路和第二管路；所述第一管路将所述水箱与所述环形静压水袋上的排水口相连通以将所述环形静压水袋内的水抽吸至所述水箱内；所述第二管路的一端与所述水箱接通、另一端分叉为两个支管以分别与所述超声波水袋的注水口以及所述环形静压水袋的注水口连通。
12.所述第一管路的两端分别设置有阀门，且所述第一管路的两所述阀门之间还设置有电动抽水器。
13.所述第二管路与所述水箱的连接端安装有水泵并沉入至所述水箱底部，所述第二管路上设置有水袋反压控制组件，所述水袋反压控制组件包括增压器、流量计、水压计以及控制器，所述水压计实时监测所述超声波水袋内的水压并传输至所述控制器上，若所述水压计的压力监测值小于预设的压力阈值，则所述控制器向所述增压器发出控制指令，以使所述增压器和所述水泵从所述水箱内抽水以向所述超声波水袋内注水增压，直至所述超声波水袋内的水压力与其外侧的孔壁土压力平衡时停止注水，此时所述超声波水袋与外侧孔壁之间密贴。
14.所述超声波水袋内的所述超声波激振器进行超声波激振时，所述土体中的所述多点位移计、所述土压力盒以及所述加速度计实时采集数据。
15.本发明的优点是：联合预压试验将堆载与振动方式组合使用，比单纯只用水袋在地基表面堆载预压的方法，在土层内部振动荷载的施加能使土体挤密的速度更快，能达到的密实度也更大，而且对深层土层的预压效果也比地表堆载法更好。
附图说明
16.图1为本发明中堆载-振动水袋联合预压试验装置的结构示意图；图2为本发明中联合预压试验装置的平面视图；图3为本发明中环形加载板的组合拼装示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：如图1-3，图中各标记分别为：模型箱1、土体2、集水槽3、排水管4、排水孔5、环形加载板6、环形静压水袋7、超声波水袋8、超声波激振器9、控制器10、土压力盒11、加速度计12、多点位移计13、水箱14、第一管路15、第二管路16、电动抽水器17、阀门18、阀门19、水泵20、阀门21、增压器22、流量计23、控制器24、阀门25、水压计26、旁通阀27、注水口28、注水口29。
18.实施例：如图1、2、3所示，本实施例具体涉及一种堆载-振动水袋联合预压试验方法，该联合预压试验方法将堆载预压与超声波振动这两种方式进行组合使用，以实现高效的土体预压，主要包括以下步骤：
（1）制备试验用土，在土样模型箱1内侧铺设一层土工布，将制备好的试验用土体2分层装入模型箱1内，每铺设一层进行平整，在铺设后一层时将前一层的表面进行刮毛处理，当铺设到监测点位置高度时，埋设多点位移计13、土压力盒11和加速度计12。其中：用于装载土样的模型箱1的主体呈立方体箱型构造，其四周侧壁面上开设有若干排水孔5，排水孔5在竖向和横向上间隔分布；模型箱1内填充装满土体2。在模型箱1的底部四周设置有一圈集水槽3，用于收集从模型箱1侧壁面上个排水孔5所排出的水，且集水槽3底部设置有一排水管4。
19.多点位移计13、土压力盒11和加速度计12共同组成模型箱1内的监测装置，监测内容主要包括预压土层内部的土压力、加速度和土层沉降变形，监测装置包括在土体2内深度方向和水平方向间隔布置的土压力盒11、加速度计12、多点位移计13；其中，土层不同深度的沉降量通过埋设于环形加载板6下方的多点位移计13进行监测。预压土层内部的土压力通过土压力盒11监测。通过加速度计12监测超声波水袋8振动在下部土层中的传播衰减规律。
20.（2）模型箱1内土体2铺填完成后，在土体2表面铺上刚性板，在刚性板上施加荷载对土层进行预固结，预固结过程中土层中的水通过模型箱1侧壁上的排水孔5排至底部集水槽3，然后由连接集水槽3的排水管4排出。预固结完成后，撤去该刚性板。
21.（3）用内外侧都涂满润滑油的空心薄壁钢管垂直插入土体2中，并用特制的掏土器将空心薄壁钢管内的土掏除。
22.（4）清理空心薄壁钢管的内壁，用长柄刷在空心薄壁钢管内壁再刷一次润滑油。
23.（5）将分段连接有超声波激振器9的连接线装入超声波水袋8，拧紧密封盖，然后启动水箱14内的水泵20以对超声波水袋8内进行充水，注意不能充太多，使超声波水袋8基本成型即可。并在超声波水袋8外侧涂抹润滑油。
24.超声波水袋8呈圆柱形，采用耐磨耐折抗侵蚀材料制作，超声波水袋8中沿长度方向分段悬挂若干超声波激振器9，利用超声波的振动频率，带动超声波水袋8内的水变成有节奏的波动水，对周围土体施加动荷载，配合土层表面的堆载，共同挤压土体中的孔隙，加快地基沉降。各超声波激振器9经导线串联并由外部的控制器10连接控制。
25.（6）圆柱形超声波水袋8送入土体2中的空心薄壁钢管中，待超声波水袋8底部落入孔底后，慢慢拔出薄壁钢管，尽量减少拔管对孔周围土体的扰动。
26.（7）为防止在土压力作用下孔内出现塌孔，挤压圆柱形超声波水袋8发生变形，超声波水袋8需要向孔壁上施加一个反压与孔内壁上的土压力互相平衡。因此，需要根据孔内土压力对超声波水袋8内水压进行调节。
27.前述的水箱14布置于模型箱1的外侧，水箱14用于储存和收集水。水箱14上外接有两条管路，其中，第一管路15将水箱14和环形静压水袋7进行连通，第二管路16将水箱14和超声波水袋8以及环形静压水袋7进行连通。
28.第一管路15的一端接入水箱14、另一端接入环形静压水袋7上的出水口，在第一管路15的两端位置分别设置有用于控制管路通断的阀门18和阀门19，且在第一管路15中还设置有一电动抽水器17，通过电动抽水器17可在试验结束后将环形静压水袋7内的水排出至水箱14内进行循环利用。
29.第二管路16的一端接入至水箱14内沉底并通过在其端头设置水泵20实现对水箱
14内水的抽吸，第二管路16的另一端经注水口29接入至超声波水袋8内，第二管路16靠近其两端口位置分别安装有用于控制管路通断的阀门21和阀门25，在阀门21和阀门25之间的管路上依次设置有增压器22、流量计23和水压计26，且增压器22与水压计26均同控制器24相连接以实现联动控制。第二管路16用于实现超声波水袋8的反压控制，为防止在土压力作用下孔内出现塌孔，挤压圆柱形超声波水袋8发生变形，超声波水袋8需要向孔壁上施加一个反压与孔内壁上的土压力互相平衡。因此，需要根据孔内土压力对超声波水袋8内水压进行调节。水袋反压控制系统原理：第二管路16中的水压计26实时监测超声波水袋8内的水压，并将所测得的水压传输给控制器24，控制器24内预设有相应的控制逻辑和压力阈值，若超声波水袋8内水压小于压力阈值，则发出控制指令给增压器22向超声波水袋8内进行注水增压，直至水压力与孔壁土压力平衡时停止注水，此时超声波水袋8与孔壁也已经密切贴合。
30.如图1所示，在第二管路16连接超声波水袋8的端口处设置有一支管且该支管上设置有旁通阀27，支管同环形静压水袋7上的注水口28相连通，旁通阀27开启时，第二管路16可向环形静压水袋7内进行注水作业。
31.（8）用环形钢板作为环形加载板6，环形钢板对称分割为两部分，两半钢板以上一步骤中孔口的中心为中心对齐放置，在环形加载板6之上再放置加载用的环形静压水袋7。
32.环形加载板6由两半拼装而成，可在不影响中心管线的情况下方便的进行安装；环形静压水袋7放置于环形加载板6上，以使环形静压水袋7的静力荷载能够更均匀的传递到模型箱1内的土体2上。环形静压水袋7主要是靠水袋的重力在地基表面对土层施加竖向静力荷载，荷载大小可通过注入水量进行精确调节，配合土层中竖向布置的圆柱形超声波水袋8产生的动荷载，共同作用使土体沉降。当然环形静压水袋7也可换成其他重物，如石块、土块等，但都不如本实施例中的水袋来的方便，而且水袋拆装都省时省力。需要说明的是，环形加载板6的外径应确保大于环形静压水袋7的外径，以使其能够承托环形静压水袋7平稳放置，环形加载板6和环形静压水袋7的中心位置同轴预留出供超声波水袋8布置的空间，且由于环形静压水袋7的加载范围内沿径向的荷载条件一致，更有利于研究静荷载和动荷载的耦合作用规律，包括荷载影响范围半径和衰减规律等。
33.（9）打开环形静压水袋7的注水口28，启动水箱14内水泵20向环形静压水袋7内注水，达到设计水量后停止注水。
34.（10）设定超声波激振器9的频率和激振时间，开始试验，同时各传感器开始采集土层数据。
35.（11）试验结束后，关闭仪器，打开环形静压水袋7上的阀门19进行排水，启动电动抽水器17，将环形静压水袋7内的水抽回至水箱14内。
36.（12）待水完全排出后，断开超声波激振器9和水箱14与各水袋的连接管道、环形加载板6，撤去环形静压水袋7及圆柱形超声波水袋8，清理模型箱1，准备下次试验。
37.本实施例的有益效果在于：联合预压试验将堆载与振动方式组合使用，比单纯只用水袋在地基表面堆载预压的方法，在土层内部振动荷载的施加能使土体挤密的速度更快，能达到的密实度也更大，而且对深层土层的预压效果也比地表堆载法更好。