[发明专利]一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及操作方法

说明书

本发明公开了一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及操作方法，该装置包括模型槽、储砂箱、以及多种试验辅助装置，以保证试验的可操作性与准确性。本发明揭示路堤中竖向及水平向应力随路堤高度的分布规律，从而判断路堤填料处于主动或被动土压力状态，做出土拱轮廓线。通过变换路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，分析路堤中应力状态的变化，从而研究桩承式加筋路堤中三维土拱效应的产生机理。在路堤不同高度处放置加筋体，分析多层加筋体对土拱效应产生促进或抑制作用，以确定加筋体的有效加固区域。通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，从而评估软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。

技术领域

本发明涉及公路及铁路工程室内模型试验研究的试验装置，特别涉及一种桩承式加筋路堤中可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及其操作方法。

背景技术

桩承式路堤中，由于桩的强度远大于软土的强度，路堤填土层中会产生不均匀沉降，促使剪应变或者剪切面的产生，从而产生应力重分布的现象，来自于路堤以及上部荷载的竖向应力会重新分布，使得传递到桩顶的竖向应力增加，而传递到软土的竖向应力会等量减少，这种由于不均匀沉降而引起的应力重分布的现象被定义为“土拱效应”。Hewlett &Randolph 通过室内模型试验分析土拱效应，指出平面土拱形状为半圆形，空间土拱形状为半球形，土拱的破坏只发生在桩帽和拱顶处，并以极限状态分析了两处上单元土体，分别得出两个桩体荷载分担比表达式，并取小值作为实际桩体荷载分担比。当桩承式路堤中没有土拱效应发生时，所有的土体均处于静止土压力状态；当土拱效应发生时，在摩擦力的作用下，拱顶部土体水平方向上的应力逐渐增大，此时，土压力系数将大于1，拱顶处土体承受被动土压力，在极限条件下该处土体处于被动土压力破坏状态；而桩帽处的土体在竖直方向上的应力逐渐增大，土压力系数小于1，桩帽处的土体承受主动土压力，在极限条件下该处土体将处于主动土压力破坏状态。因此，有必要提供一种研究试验装置，通过该装置能更好地研究桩帽和土体上方竖向应力和水平应力，可以计算出该处土体的土压力系数，再运用极限平衡方法，可以判断土体是否处于极限破坏状态，从而研究桩承式加筋路堤中土拱效应的产生机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置及操作方法，可以快速有效地分层填筑与整平砂土、铺设彩砂、以及精确安放土压力盒、卸土。通过变换路堤高度、桩间距、桩帽尺寸，可以分析路堤中竖向与水平方向应力状态的变化，计算出土压力系数的分布规律，从而研究桩承式加筋路堤中三维土拱效应的产生机理。本发明可研究加筋体的有效加固区域，还可通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，从而评估三维情况下，软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，试验装置主要由模型槽、路堤填筑辅助装置、彩砂铺设辅助装置、路堤填土上平面整平辅助装置、以及土压力盒安放辅助装置组成；

其中，所述模型槽呈立方体型，其中一侧面为透明材料制成的观察面，与观察面相邻的左右两侧面上分别设有排砂口，且排砂口上装有排砂口闸门，与观察面相对的后侧面上设有试验操作门，所述试验操作门为多层带有把手的钢板门上下排布拼接形成，所述模型槽内上层放置用于模拟路堤填料的砂土，且砂土内设有若干个土压力盒，下层放置方桩，方桩顶端上设有桩帽，方桩下部周围设有方桩支座，方桩桩体周围填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，且上层与下层之间设有防止路堤填料漏进模拟地基软土的隔砂层；

所述模型槽外接有储砂箱，储砂箱环绕模型槽外部左侧、右侧和后侧，且储砂箱上方设置盖板；

所述路堤填筑辅助装置包括一个带螺旋型轨道的平面框架和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗，所述填筑漏斗上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，平面框架可活动架于模型槽上；