[发明专利]一种桩承式路堤透明土模型试验装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于一种软土地基处理技术领域中的一种模型试验装置，特别涉及一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验的装置及方法。

背景技术

软土地区，由于土体含水量高，土体压缩模量小，土体强度低，基础设施，如高速铁路，高速公路建设时，常常会遇到沉降过大，地基承载力不够等问题。因此，软土地区工程建设多数需要进行地基处理。

刚性桩桩承式路堤是在用带桩帽的刚性桩作为路基的一种路堤形式。工程实践中刚性桩中心距一般在2.5到5倍桩径之间。在这种路堤结构中，桩和桩间土体会产生差异沉降，使路堤中土体应力重分布，大主应力的方向可以近似为悬链线的形状，这种应力分布可以使大部分路堤填土自重传向桩顶，这种现象是桩承式路堤中的土拱效应。

由于桩承式路堤中的土拱应力传递，桩间土分担的路堤土自重被大大减小，从而使地基沉降大大减小；加了桩帽以后，可以加大刚性桩中心距，减少了刚性桩的数量，从而桩承式路堤还可以降低造价。基于沉降小，造价低等优点，桩承式路堤广泛应用于高速铁路和高速公路建设。在刚性桩(帽)顶铺设土工格栅或高强度筋材，然后现浇一定高度的混凝土固定端，受约束的土工格栅可以充分发挥材料抗拉强度，加筋作用将一部分桩间土自重传至桩顶，可以大幅度减小路堤沉降。

然而，在本发明之前，对桩承式路堤中土拱形成过程的研究方法并不成熟，路堤土内部宏观变形过程尚不清楚。模型试验一直是岩土工程中很常用的研究手段，然而本发明以前的桩承式路堤模型试验一般通过观察路堤土外表面的土位移来研究土拱，不能直接观测到路堤土体内部的变形；也不能较好地模拟实际工程中空间土拱的变形；本发明以前的桩承式路堤试验装置尺寸很大，试验成本高，试验时间长。

透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔 隙液体混合，排出空气得到的透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场，可以用工业相机拍出高精度的图片。PIV技术是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术，通过对比不同时刻的图片灰度值，利用关联函数可以得到不同时刻的相对位移，从而得到桩承式路堤中路堤土内部的宏观变形过程。

发明内容

本发明的目的在于克服传统桩承式路堤模型试验不能直接观测路堤土体内部变形和空间土拱的宏观位移形态，提出一种桩承式路堤透明土模型试验装置的试验方法，能实现多种工况，包括不同桩帽尺寸，有无挂网加筋，桩刺穿软土层和未刺穿等实际工程中常见工况；该模型试验使用PIV技术观测透明土体内部位移，精度高；装置尺寸小，试验准备时间短，试验操作方便，不仅提高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种桩承式路堤土拱效应透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)设计桩体和桩帽尺寸，确定桩间距和路堤高度；

(2)清洗有机玻璃模型槽、桩和桩帽，并用干毛巾擦净；

(3)在有机玻璃模型槽底部放入箱型水袋，将桩体插入箱型水袋的预留桩孔中。其中，所述桩体的桩顶设置有盖板，箱型水袋顶部与桩顶盖板平齐，用于模拟地基土体。所述预留桩孔布置在箱型水袋的上表面。预留桩孔采用贯穿箱型水袋上下表面模拟桩刺穿软土层工况，未贯穿箱型水袋上下表面模拟未刺穿软土层工况。所述箱型水袋上还设置有孔洞。导水管一端与水袋孔洞连接，另一端伸出到模型槽外。这些导水管上设置有阀门。所述阀门可控制出水速率。

(4)在有机玻璃模型槽底部倒入配好的白油和正十二烷混合液，液面高度至水袋顶部高度下方5-10cm；

(5)在桩顶上安装桩帽；

(6)根据需要在桩帽和水袋上方设置加筋材料，加筋材料与桩帽粘结固定；

(7)缓慢配置透明土至设计路堤高度；其中，所述箱型水袋的上表面为透明土路堤配置起始面。

(8)布置激光器，使激光器发射的激光形成平面穿透透明土路堤；

(9)布置并调试相机，相机拍摄方向垂直于激光平面，使相机保持自动拍照模式，每隔10-15秒拍照；

(10)打开导水管上的阀门，水袋中的水在透明土路堤的自重压力作用下缓慢流出。在放水过程中，相机自动拍摄整个过程中透明土内部激光平面的图片。试验过程中，转动激光发射器，从不同角度形成不同的平面。

(11)水袋中的水基本放尽时，控制箱型水袋导水管停止放水，用量杯测量出水量。保存图片，关闭激光，整理试验器材。

(12)用PIV技术处理实验数据。