一种用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法

本发明涉及岩土试验，特别是一种用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法。

背景技术：

1、随着我国的经济快速化和城市化发展，交通运输资源的需求日益增大，城市生活垃圾的产量急剧增加，需在复杂条件下建设基础设施，如建造桩承式路堤，桩体模量远大于桩间土模量，因此桩体沉降远小于桩间土沉降，路堤内部发生应力重新分配和不均匀沉降。

2、1、为了满足日益产生的生活垃圾填埋需求，垃圾填埋场的建设规模及扩建工程日渐兴起，在建设过程中，垃圾填埋场成分复杂，存在高压缩性、空间分布不均匀和局部腐蚀固废物，填埋场衬垫系统下卧土体易产生局部不均匀沉降或局部沉陷。

3、2、为满足日益增大的公路交通需求，公路改扩建工程逐渐增多，而新老路基和道桥过渡段等结合部位变形的不协调导致路基产生不均匀沉降、错位和挡墙的大规模滑移均时有发生。

4、而在这些工程不仅仅需考虑自重或填筑荷载作用，也需考虑复杂荷载的作用，如重载卡车和其他车辆所产生的长期交通动荷载对结构内部的影响也不容忽视。

5、上述桩承式路堤、垃圾填埋场衬垫系统、新老路基拼接和道桥过渡段等工程均存在受力和变形不均匀的问题。此外，考虑工程施工填筑过程和施工结束后表面复杂荷载的作用是必要的。因此研究此类问题的受力和变形机理是亟需的。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法，该用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法不但能够通过控制升降位移量较为适宜的研究填筑过程中路基和垃圾填埋场等工程的力学和变形性能，还能模拟交通振动等循环动荷载作用下的对路基和垃圾填埋场内部的应力和变形影响。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于模拟差异性沉降的试验装置，包括安装框、土体填筑室、预沉降控制组件、称重传感器和竖向载荷施加组件。

4、安装框包括底座、横梁和两侧立柱；横梁位于底座正上方，两侧立柱用于连接底座以及横梁。

5、土体填筑室设置在两侧立柱中部，包括土体刚性支撑组件和两块侧板。

6、土体刚性支撑组件包括沿底座长度方向交错排列的m个长刚性块和n个短刚性块。

7、每个长刚性块和每个短刚性块的横截面均为矩形，且所有侧壁面均为光滑壁面；长刚性块的高度大于短刚性块的高度，长刚性块的宽度与短刚性块的宽度相等。

8、两块侧板密封贴设在土体刚性支撑组件的两侧，且与两侧立柱相连接。

9、待沉降土体填筑在土体刚性支撑组件正上方的两块侧板之间。

10、预沉降控制组件的数量为m+n个，位于m个长刚性块和n个短刚性块的正下方。

11、每个预沉降控制组件均包括针筒、活塞、活塞杆和活塞驱动组件。

12、针筒竖向布设在底座上，活塞能在针筒滑动升降；活塞杆底端与活塞相连接，活塞杆顶端各通过一个所述称重传感器与正上方的长刚性块或短刚性块底端可拆卸连接。

13、活塞驱动组件能驱动活塞升降并控制活塞升降速度。

14、竖向载荷施加组件能向位于土体填筑室内的待沉降土体施加竖向荷载。

15、针筒上沿高度方向设置有刻度，且刻度精度能达到0.01mm；通过观察活塞在针筒上停留时的刻度值，能够直接获取对应活塞正上方土体的沉降值。

16、还包括沉降观测相机，土体填筑室的至少一块侧板为透明板，沉降观测相机架设在透明板外侧。

17、还包括数据采集仪和计算机；数据采集仪与称重传感器相连接，计算机与数据采集仪、预沉降控制组件和竖向载荷施加组件相连接。

18、每个活塞驱动组件均包括气管、外接气源、启闭阀和流量调节阀；气管顶端设置在针筒底部，尾端与外接气源相连接；气管上从上至下依次布设所述启闭阀和所述流量调节阀。

19、每个活塞底部均设置有橡胶垫。

20、一种用于模拟差异性沉降的试验方法，包括如下步骤。

21、步骤1、选择沉降相似土：选用铝棒进行真实土颗粒的模拟，不同尺寸规格的铝棒按照设定配比进行混合，形成平均粒径为的沉降相似土；其中，平均粒径根据真实土体内摩擦角进行确定。

22、步骤2、布桩：根据待模拟沉降工况中真实桩间距，确定长刚性块的数量m、短刚性块的数量n和布设位置，相邻两个长刚性块之间的间距等于真实桩间距；长刚性块和短刚性块之间的高度差需大于待模拟真实土体的沉降值，但小于沉降相似土的填筑高度h。

23、步骤3、顶桩：在每个长刚性块和每个短刚性块底部均充气，使其均上升至设定高度后停止充气；此时，所有长刚性块和所有短刚性块底部均位于同一高度。

24、步骤4、填筑沉降相似土：将步骤1选择的沉降相似土填筑在步骤3完成的所有长刚性块和所有短刚性块顶部，直至达到设定填筑高度h；此时，记录m个长刚性块顶部沉降相似土的初始重量和n个短刚性块顶部沉降相似土的初始重量；其中，m个长刚性块顶部沉降相似土的初始重量分别记为：w11、w12、w13、……、w1i、……、w1m；n个短刚性块顶部沉降相似土的初始重量分别记为：w21、w22、w23、……、w2j……、w2n；1≤i≤m，1≤j≤n。

25、步骤5、预沉降：在每个长刚性块和每个短刚性块底部均匀速放气，使其预沉降至设定高度后停止放气；预沉降用于模拟真实土体在自重作用下的沉降；

26、步骤6、沉降：在沉降相似土顶部施加竖向荷载，沉降相似土发生沉降。

27、步骤7、沉降观测：在步骤5的预沉降和步骤6的沉降过程中，对沉降量进行实时观测；当沉降相似土每沉降设定值a时，均记录一次m个长刚性块顶部沉降相似土的实时重量和n个短刚性块顶部沉降相似土的实时重量；其中，m个长刚性块顶部沉降相似土的实时重量分别记为：w11′、w12′、w13′、……、w1i′、……、w1m′；n个短刚性块顶部沉降相似土的初始重量分别记为：w21′、w22′、w23′、……、w2j′……、w2n′。

28、步骤8、计算荷载传递效率：在步骤7中，当沉降相似土每沉降设定值a时，对每个长刚性块均计算一次荷载传递效率e；其中，第i个长刚性块对应的荷载传递效率e的计算公式为：

29、

30、其中：

31、f1i＝w1i′-w1i

32、

33、f2j＝w2j′-w2j

34、式中，f1i为第i个长刚性块所承受的桩顶荷载；f2j为第j个短刚性块所承受的桩间荷载；f总为待模拟沉降工况中真实土体的总荷载。

35、步骤1中，平均粒径与真实土体内摩擦角的关系式为：

36、

37、式中，a、b和c为拟合系数，通过直剪试验数据拟合得到。

38、步骤5中，通过控制每个短刚性块底部的放气速率和放气量，能模拟真实沉降工况中不同位置的沉降，能实现差异性沉降；真实沉降工况包括垃圾填埋场沉降工况、新老路基结合部位沉降工况和桩承式路堤沉降工况。

39、步骤7中，沉降量的观测方式包括刻度观测和图像观测；其中，刻度观测能够直接读出沉降相似土在当前时刻的沉降位移；图像观测通过实时拍摄沉降相似土的沉降图像，间接观测到沉降相似土的沉降分布。

40、本发明具有如下有益效果：

41、1、本发明的预沉降控制组件采用针管式设计，可调整不同的初始位置，以不同的沉降速率产生差异性预沉降。

42、2、本发明中采用长刚性块模拟桩体，通过变换长短刚性块的位置，能实现不同桩间距待沉降土体的模拟。本发明通过更换长短交替排列刚性块，可以进行桩承式路堤的试验研究；当统一更换为同一尺寸的刚性块，可以进行垃圾填埋场衬垫系统和新老路基过渡段等不均匀沉降问题的试验研究。

43、3、本发明采用铝棒模拟真实土体，具有试验可控和不产生压缩变形的特点；岩土本身是一种颗粒材料，颗粒间相互作用力决定了力学性质，采用铝棒形成的沉降相似土模拟了真实土颗粒间的接触特征，具有操作性强、便于位移场监测和成本低的特点。另外，沉降相似土的平均粒径根据真实土体内摩擦角进行确定，因而，与真实土体相似度高。

44、4、土体填筑室中透明板和沉降观测相机的设置，能间接观察到沉降相似土的沉降分布。

45、5、本发明能定量计算荷载传递效率，从而能清晰得到填料内部应力转移情况。

46、6、刚性块两侧均匀涂抹凡士林，能减小刚性块接触部位的摩擦，提高试验结果量测精度。

47、7、上述竖向载荷施加组件能实现单调加载、分级加载、加卸载、循环加载等功能，进而能够满足不同工况的需求。