[发明专利]一种恢复原型状态和强度的黏土模型地基制备方法

说明书

本发明公开了一种恢复原型状态和强度的黏土模型地基制备方法。包括确定原型地基、模型地基的总厚度和分层；获得原型地基各层土体的不排水抗剪强度；计算获得原型地基各层土体中部的状态参数和模型地基各层土体的平均有效固结压应力；确定原型地基土体的室内压缩固结线和卸载回弹线斜率，并通过反推得到模型地基各层土体的初始孔隙比；以及进行模型地基分层制备。本发明在恢复原型地基状态和强度的前提下，提高了模型地基制备的经济性和易操作性，扩大了模型地基制备范围，克服了离心模型制备过程中可能出现的传感器错位问题，提高了模型制备的经济性和传感器布置的灵活性，保证了离心模型试验的准确性。

技术领域

本发明属于物理模型试验理论技术领域，具体涉及一种恢复原型状态和强度的黏土模型地基制备方法。

技术背景

在我国的工程建设中存在大量的软黏土地基，且大部分软黏土地基分布在珠江三角洲、长江三角洲等我国东南沿海地区，这些地区经济较为发达，大量的基础设施已经建成或正在建设。而由于软黏土本身的天然含水量高，孔隙比、灵敏度、触变性较大，渗透性较差，且具有明显的结构性、抗剪强度较低、物理力学性质较差等原因，黏土地基失稳破坏等情况时有发生。因此在黏土地基上进行诸如堤坝填筑、高边坡路堤、机场高填方等大型土工构筑物的建设时如果地基承载力不足，往往会造成更大的灾难，导致不可挽回的生命和财产损失。鉴于上述原因，人们往往通过物理模型试验的手段对原型地基的响应进行研究。而超重力离心模型试验具有重现原型应力场的优势，因此用它来重现原型软黏土地基在大型土工构筑物建设或极端工况影响下的原型响应是十分合理且有效的试验段。

离心模型试验是指通过将试验原型按照一定几何相似比例缩尺λ倍，通过采用满足相似率的材料制备相应缩尺模型。将缩尺模型置于离心机旋转产生的N倍原重力场中，进而再现原型中的应力平，得到与原型相同的模型破坏情况和破坏机理，从而根据模型的响应反演原型的响应，实现对原型稳定性的评价与设计。该方法克服了传统常重力场下模型试验中存在的诸多问题，如常重力下应力水平不等、应力应变特性不等，具有明显的优点。

而离心模型试验中模型的物理力学性质能否在超重力场下还原是决定离心模型试验结果准确性与否的关键因素。模型在进行离心试验时不仅要满足强度特性与原型相同，还应满足密度和应力状态与原型一致。因此制备黏土地基的离心模型不仅要控制其在原应力场下的状态与原型之间一致，还要控制离心状态下的模型与原型的强度相同，从而得到真实的原型地基土响应规律。

目前，黏土地基模型制备的通常做法是先在常重力(1g)下从泥浆状态预压固结制备模型，然后在超重力(ng)下超载预压固结直至模型沉降稳定。该方法通过离心机进行压缩固结可以较为快速地制备正常固结黏土地基模型，但该方法存在若干缺点：

(1)离心固结制备黏土地基模型将使用离心机进行持续十几个小时的离心固结。而离心机操作的复杂性不仅对操作人员提出较高的技术要求，还会导致较高的能耗，产生较高的成本开支。

(2)离心固结制备所得黏土地基模型通常是正常固结模型地基或土体强度连续变化的模型地基，所制备离心模型地基的应力历史难以正确恢复，对于原型地基土体的状态和强度非连续分布的情况无法还原，模型制备适用范围有限。

(3)离心固结制备模型时需提前埋置传感器，然后进行离心固结。这可能会导致模型中的传感器在离心固结过程中会随着土体固结沉降发生较大位置偏移，造成较大试验误差。

为克服上述黏土地基模型离心固结制备方法的缺点，本发明基于分层等效替代的思想，通过分层控制模型黏土地基的状态和强度与原型各层地基土体中部相同，进而保证模型地基的离心试验结果是对原型地基的真实响应。

发明内容

为了解决超重力物理模型试验模拟原型场地大尺度问题中存在的黏土模型地基制备问题，本发明公开了一种恢复原型状态与强度的黏土模型地基制备方法，其基本思想是通过控制黏土模型地基的强度、应力状态和密度与原型地基土体在相同的应力场下等价，进而实现模型地基的离心试验结果是对原型地基的真实响应。