一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法技术

本发明专利技术公开了一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，包括以下步骤：制备土样；设计桩间距，并设置位移计；模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；模拟滑坡推力，建立水循环系统模拟渗流，并通过压力盒、位移计和渗压计分别监测土样的各处应力、位移以及孔隙水压力变化，建立土样内部应力场、表面位移场和渗流场；改变土样的水环境；改变试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距；更换土样，探究不同环境下的土拱效应。本发明专利技术首次通过模拟在无水、饱水、渗流条件下土拱形成、发展、失效过程，揭示了在土拱效应中水土作用的机理，丰富了基坑支护和斜坡防治等方面的研究，补充了现有土拱效应在渗流作用下的相关方面理论。

【技术实现步骤摘要】
一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法
本专利技术涉及基坑、水利、交通和边坡等支挡工程
，尤其涉及一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法。
技术介绍
被动桩广泛应用于斜坡、边坡治理和基坑等工程支护中，其能发挥出色的挡土效果的原因便是土拱效应——桩后土体发生不均匀位移，土体中的下滑推力传至桩身，同时桩间土体被挤密。自1943年太沙基通过活动门试验证实土拱效应的存在以来，随着岩土工程领域不断的深入发展，与土拱效应有关的工程数据、实验和理论研究也越来越多。随着土拱理论的不断进步，研究成果也逐渐付诸实践，开始指导、优化工程应用，取得不错的应用效果。土拱效应理论发展至今，已取得了很多优秀的成果，对工程实践亦起到积极指导的作用，但仍有许多值得深入探讨的问题。其一，即是土拱的“形态”，包括拱形、拱厚、拱脚形状等。其二，即是水的影响，许多地质灾害、工程事故中，如滑坡失稳、基坑支护失效等，皆与水有较大关系。渗流、管涌等水的不良影响导致的土体软化、土体结构强度降低，同样会使土拱效应减弱，限制被动桩挡土功能的发挥。目前，关于土拱效应的研究主要建立在连续均匀介质上，而土体实质上是一种非连续、非均质的散粒体。同时，以往在关于渗流问题的研究中，大多基于连续介质假设，直接把渗流力的作用加在连续土体上进行分析。这与流体只在土体孔隙中流动的实际情况不符，对于考虑土颗粒与水相互作用的渗透机理有较大局限性。当渗流发生时，常常会引发严重的渗流破坏，即流土和管涌。发生管涌破坏时，土体中的细粒土随水流被带走，土骨架发生破坏；并且，细粒土随水在大颗粒孔隙中移动时，可能会淤堵孔隙，在淤堵处则会产生较大的渗透力，导致土体破坏。由于水对土体的影响巨大且作用机理复杂，需着重研究在饱水及渗流条件下的土拱效应。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的实施例提供了一种首次研究渗流对土拱效应的影响，完善土拱效应研究的基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法。本专利技术的实施例提供一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，包括以下步骤：S1.选取待研究的土类，制备土样，并测定土样的物理力学指标；S2.设计试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，并设置位移计；S3.将步骤S1制备的土样填充在试验箱中模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；S4.向土样施加荷载模拟滑坡推力，建立水循环系统模拟渗流，并通过压力盒、位移计和渗压计分别监测土样的各处应力、位移以及孔隙水压力变化，建立土样内部应力场、表面位移场和渗流场；S5.改变土样的水环境，重复步骤S4，并分析对照不同水环境下土样的内部应力场、表面位移场和渗流场，了解土拱效应的形成、发展、失效过程以及水在其中的影响；S6.改变试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，重复步骤S3-S5，分析不同模拟桩条件下渗流对土拱形成、发展、失效的作用机制；S7.更换土样，重复步骤S2-S6，探究不同土类环境下的土拱效应。进一步，所述步骤S1中，所述土类包括土样、黏土和粉土，所述土样的物理力学指标包括天然密度、干密度、颗粒密度、渗透系数、粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效摩擦角。进一步，所述步骤S2中，所述模拟桩的类型包括埋入桩和悬臂桩，所述模拟桩的形状包括方形和圆形。进一步，所述步骤S3中，土样在无水时试验，在试验箱中分层装填密实的土样，确保土样填充均匀，埋设压力盒，静置8h后密封；土样在饱水或渗流时试验，边分层装填土样，边注水，埋设压力盒和渗压计，静置12小时后密封；填充土样完毕后可加盖透明盖板，在透明盖板上设置拍照设备，所述拍照设备拍摄土样表面的变化。进一步，所述步骤S4中，荷载通过在吊篮中施加配重实现，配重的质量通过测力计测量。进一步，所述步骤S4中，土样在无水时试验，向土样施加一级荷载后，观察压力盒的数据，待到数据稳定后施加下一级荷载，不断逐级施加荷载，并记录监测数据，直至试验箱内土样发生较大位移，局部破坏，关闭压力盒，撤下施加的荷载，并在土样的不同位置取样测定孔隙度。进一步，所述步骤S4中，土样在饱水或渗流时试验，向土样施加一级荷载后，启动水循环系统的水泵，向土样施加二级荷载后，打开试验箱的进水道阀门，并根据渗压计的数据调整水循环系统中水箱的高度，再打开试验箱上的排气孔，将试验箱内的残留气体排出，并关闭排气孔，逐渐加大水进入试验箱的流速至设定流速，位移计、压力盒和渗压计的数据稳定后，施加下一级荷载，并记录试验箱的出水道流出的水流速，当压力盒监测的数据呈减小趋势，位移计监测的数据增速呈变大趋势时，土拱已失效，停止试验，先关闭压力盒和渗压计，停止水循环系统，关闭试验箱进水道阀门，打开排气孔和试验箱出水道的阀门，使试验箱内的水流出，试验箱内水流出部分后在土样的不同位置取样测定孔隙度。进一步，所述荷载的每一级为10kg。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：首次通过模拟在无水、饱水、渗流条件下土拱形成、发展、失效过程，揭示了在土拱效应中水土作用的机理，丰富了斜坡防治方面的研究，补充了现有土拱效应与水相关方面理论。附图说明图1是本专利技术一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法的一流程图。图2是本专利技术一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法中所用装置的示意图。图3是图2中试验箱的一示意图。图4是图2中试验箱的侧视图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。请参考图1，一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，包括以下步骤：S1.选取待研究的土类，制备土样，并测定土样的物理力学指标；所述土类包括土样、黏土和粉土，所述土样的物理力学指标包括天然密度、干密度、颗粒密度、渗透系数、粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效摩擦角；在一实施例中，待研究土类选择土样，取粒径0.5mm-2mm粗砂组制备成孔隙度为0.7的土样进行试验，测定其物理力学性质：密度、摩擦角、渗透系数等。S2.设计试验箱11中模拟桩117的类型、形状、尺寸以及桩间距，并设置位移计122；所述模拟桩117的类型包括埋入桩和悬臂桩，所述模拟桩117的形状包括方形和圆形，其他形状亦可；需注意模拟桩117尺寸及桩间距，如若桩间距过大、桩身尺寸过小，可能导致土拱无法形成，而桩间距过小、桩身尺寸过大，又会使得土拱承载能力大大加强，从而无法研究土拱失效过程。在一实施例中，模拟桩117选用埋入桩，模拟桩117桩身尺寸为10×10cm方桩，长度为30cm，桩间距为35cm。S3.将步骤S1制备的土样填充在试验箱11中模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；土样在无水时试验，在试验箱11中分层装填密实的土样，确保土样填充均匀，土样中埋设压力盒，静置8h后密封；土样在饱水或渗流时试验，边分层装填土样，边注水，土样中埋设压力盒和渗压计，静置12小时后密封。在一实施例中，土样在无水时试验，每填充10cm厚土样均匀压密，保证试验箱11内土样尽量均匀分布，并注意填土量保持试验箱内土样孔隙度0.7，填充土样时在土样内部均匀布置压力盒，同时注意压力盒走线，避免因走线不当导致试验失败，试验箱内土样填充完毕后需静置8小时释放土样内部应力，之后封盖，可加盖透明盖板，在透明盖板上设置拍照设备，所述拍照设备拍摄土样表面的变化；土样在饱水或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.选取待研究的土类，制备土样，并测定土样的物理力学指标；S2.设计试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，并设置位移计；S3.将步骤S1制备的土样填充在试验箱中模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；S4.向土样施加荷载模拟滑坡推力，建立水循环系统模拟渗流，并通过压力盒、位移计和渗压计分别监测土样的各处应力、位移以及孔隙水压力变化，建立土样内部应力场、表面位移场和渗流场；S5.改变土样的水环境，重复步骤S4，并分析对照不同水环境下土样的内部应力场、表面位移场和渗流场，了解土拱效应的形成、发展、失效过程以及水在其中的影响；S6.改变试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，重复步骤S3‑S5，分析不同模拟桩条件下渗流对土拱形成、发展、失效的作用机制；S7.更换土样，重复步骤S2‑S6，探究不同土类环境下的土拱效应。

【技术特征摘要】
1.一种基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.选取待研究的土类，制备土样，并测定土样的物理力学指标；S2.设计试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，并设置位移计；S3.将步骤S1制备的土样填充在试验箱中模拟被动桩桩土作用环境，并在土样中埋设压力盒或渗压计；S4.向土样施加荷载模拟滑坡推力，建立水循环系统模拟渗流，并通过压力盒、位移计和渗压计分别监测土样的各处应力、位移以及孔隙水压力变化，建立土样内部应力场、表面位移场和渗流场；S5.改变土样的水环境，重复步骤S4，并分析对照不同水环境下土样的内部应力场、表面位移场和渗流场，了解土拱效应的形成、发展、失效过程以及水在其中的影响；S6.改变试验箱中模拟桩的类型、形状、尺寸以及桩间距，重复步骤S3-S5，分析不同模拟桩条件下渗流对土拱形成、发展、失效的作用机制；S7.更换土样，重复步骤S2-S6，探究不同土类环境下的土拱效应。2.根据权利要求1所述的基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述土类包括土样、黏土和粉土，所述土样的物理力学指标包括天然密度、干密度、颗粒密度、渗透系数、粘聚力、摩擦角、有效粘聚力和有效摩擦角。3.根据权利要求1所述的基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述模拟桩的类型包括埋入桩和悬臂桩，所述模拟桩的形状包括方形和圆形。4.根据权利要求1所述的基于渗流作用的被动桩土拱效应试验方法，其特征在于，所述步骤S3中，土样在无水时试验，在试验箱中分层装填密实的土样，确保土样填充均匀，埋设压力盒，静置8h后密封；土样在饱水或渗流时试验...

【专利技术属性】
技术研发人员：向先超，宋伯石，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42