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制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A test device and operation method for flexible operation of three-dimensional soil arch effect

The invention discloses a three-dimension soil arching effect test device and operation method which can be flexibly operated. The device comprises a model slot, a sand storage box, and various test assisting devices, so as to ensure the operability and accuracy of the test. The invention reveals the vertical and horizontal stress distribution along the embankment height in the embankment, so as to determine whether the embankment packings are in the state of active or passive earth pressure, and make the outline of soil arching. By changing the height of the embankment, the distance between piles and the size of the pile caps, the change of the stress state in the embankment is analyzed, so as to study the mechanism of the three-dimensional soil arching effect in the pile supported reinforced embankment. Reinforcement is placed at different heights of embankment, and the effect of multi-layer reinforcement on soil arching effect is analyzed to determine effective reinforcement area of reinforcement. The position change of sand embankment settlement observation images, determine the settlement size and trend of embankment filling, to evaluate the soft soil in the pile bearing vertical reinforced embankments in bearing capacity.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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；所述彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁和可放置在轨道上移动的铺设漏斗，铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁可活动架于模型槽上；所述路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网、高度控制柱、垂直交叉的搭接横梁与水平尺，其中高度控制柱的下端与正方形格栅网固定连接，且高度控制柱与正方形格栅网所在平面垂直，高度控制柱与搭接横梁活动连接，且高度控制柱可沿着垂直方向上下移动，水平尺固定在正方形格栅网上，搭接横梁可活动放置于模型槽上；所述土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁和激光投射器组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁可活动架于模型槽上。所述的土压力盒放置位置为：在桩上方和软土上方不同高度处放置水平向、竖直向的土压力盒，以测量路堤中竖向及水平向应力随路堤高度的分布规律，由此计算出土压力系数，从而判断路堤中不同位置的土体处于主动或被动土压力状态。根据Hewlett&Randolph理论（拱顶处土体处于被动土压力状态，桩帽处土体处于主动土压力状态，三维情况下拱的形状为半球形），结合试验结果做出土拱轮廓线。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不产生、部分产生、完全产生的机理。判断标准为：当路堤中竖向应力测量值与直线(为路堤的重度；h为路堤的填筑高度)基本重合时，土拱效应没有产生；当路堤中竖向应力测量值在直线的下方，并且在路堤填土表面存在差异沉降时，土拱部分产生；当路堤中竖向应力测量值在直线的下方，并且在路堤填土中观察到等沉面时，土拱完全产生。还包括至少一层加筋体，所述每层加筋体左右两侧及后侧分别设有带孔洞的钢框架，且加筋体的边界固定于钢框架的孔洞中，所述钢框架通过固定架固定于模型槽的内壁上，所述加筋体位于隔砂层上方，且其表面上均匀设有若干个应变片。在路堤不同高度处放置加筋体，分析不同工况下的桩土应力比的变化，分析多层加筋体对土拱效应产生了促进或抑制的影响，从而确定加筋体的有效加固区域。在路堤不同高度处分层铺设彩砂，通过彩砂的位置变化观察路堤填料的沉降云图，从而判断路堤填料的沉降变形大小与趋势，并由此计算出三维情况下，软土在桩承式加筋路堤中的竖向承载力。所述砂土模拟路堤填料靠近观察面一侧铺设有彩砂。所述观察面为钢化钢化玻璃制得。所述模型槽和储砂箱棱边内外设有刻度尺。本专利技术提供了一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，所述方法包括如下步骤：（1）将模型槽放置于水平场地，将槽内清理干净，在观察面内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，土压力盒的布置位置；（2）固定桩体、桩帽，并在桩体四周填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，布置隔砂层；（3）布置土压力盒：在模型槽上安装土压力盒安放辅助装置，根据试验的具体要求确定土压力盒的横向、纵向位置，固定激光发射器位置，将激光射在底层上表面，进行土压力盒的精确布置，土压力盒与数据采集仪连接采集土压力数据；（4）填筑砂土：将路堤填筑辅助装置架于模型槽上，之后在填筑漏斗中装入砂土，在螺旋型轨道上移动漏斗，进行砂土的填筑；（5）路堤填土上平面整平：砂土填筑完成后，拆下路堤填筑辅助装置，然后将路堤填土上平面整平辅助装置设置与模型槽上，调整正方形格栅网的高度至此次填筑高度，通过观察填土上平面与正方形格栅网的高度差和水平尺，用刷子进行整平；（6）铺设彩砂：砂土整平完成后，拆下路堤填土上平面整平辅助装置，在模型槽上安装彩砂铺设辅助装置，在铺设漏斗中加入彩砂，将直线型轨道靠近模型槽的观察面，移动直线型轨道上的移动漏斗，在砂土上表面靠近观察面一侧进行彩砂铺设；（7）根据具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：试验装置主要由模型槽（1）、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（1）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（8），且排砂口（8）上装有排砂口闸门（9），与观察面相对的后侧面上设有试验操作门（18），所述试验操作门（18）为多层带有把手的钢板门上下排布拼接形成，所述模型槽（1）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（2），方桩（2）顶端上设有桩帽（3），方桩（2）下部周围设有方桩支座（4），方桩（2）桩体周围填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒（5），且上层与下层之间设有防止模拟路堤填料的砂土漏进模拟地基软土的隔砂层（13）；所述模型槽（1）外接有储砂箱（7），储砂箱（7）环绕模型槽（1）外部左侧、右侧和后侧，且储砂箱（7）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（20）和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗（19），所述填筑漏斗（19）上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗（19）上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，平面框架（20）可活动架于模型槽（1）上；所述彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁（27）和可放置在轨道上移动的铺设漏斗（28），铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁（27）可活动架于模型槽（1）上；所述路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网（22）、高度控制柱（23）、垂直交叉的搭接横梁（21）与水平尺（24），其中高度控制柱（23）的下端与正方形格栅网（22）固定连接，且高度控制柱（23）与正方形格栅网（22）所在平面垂直，高度控制柱（23）与搭接横梁（21）活动连接，且高度控制柱（23）可沿着垂直方向上下移动，水平尺（24）固定在正方形格栅网（22）上，搭接横梁（21）可活动放置于模型槽（1）上；所述土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁（26）和激光投射器（25）组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁（26）可活动架于模型槽（1）上。...

【技术特征摘要】
1.一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：试验装置主要由模型槽（1）、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（1）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（8），且排砂口（8）上装有排砂口闸门（9），与观察面相对的后侧面上设有试验操作门（18），所述试验操作门（18）为多层带有把手的钢板门上下排布拼接形成，所述模型槽（1）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（2），方桩（2）顶端上设有桩帽（3），方桩（2）下部周围设有方桩支座（4），方桩（2）桩体周围填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒（5），且上层与下层之间设有防止模拟路堤填料的砂土漏进模拟地基软土的隔砂层（13）；所述模型槽（1）外接有储砂箱（7），储砂箱（7）环绕模型槽（1）外部左侧、右侧和后侧，且储砂箱（7）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（20）和可放置在轨道上沿轨道移动的填筑漏斗（19），所述填筑漏斗（19）上设有控制砂土的下落速度的开关阀门，填筑漏斗（19）上有滚轮，滚轮可沿着螺旋型轨道上移动，平面框架（20）可活动架于模型槽（1）上；所述彩砂铺设辅助装置包括一个直线型轨道横梁（27）和可放置在轨道上移动的铺设漏斗（28），铺设漏斗中可放置彩砂，铺设漏斗外周上有滚轮，滚轮可在直线型轨道上移动，铺设漏斗上设有控制彩砂的下落速度的开关阀门，直线型轨道横梁（27）可活动架于模型槽（1）上；所述路堤填土上平面整平辅助装置包括正方形格栅网（22）、高度控制柱（23）、垂直交叉的搭接横梁（21）与水平尺（24），其中高度控制柱（23）的下端与正方形格栅网（22）固定连接，且高度控制柱（23）与正方形格栅网（22）所在平面垂直，高度控制柱（23）与搭接横梁（21）活动连接，且高度控制柱（23）可沿着垂直方向上下移动，水平尺（24）固定在正方形格栅网（22）上，搭接横梁（21）可活动放置于模型槽（1）上；所述土压力盒安放辅助装置由两条互相垂直且可左右前后移动的可活动搭接横梁（26）和激光投射器（25）组成，激光投射器设于两条横梁相交处，且激光投射器的发射口竖直朝下，可活动搭接横梁（26）可活动架于模型槽（1）上。2.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：还包括至少一层加筋体（6），所述每层加筋体（6）左右两侧及后侧分别设有带孔洞的钢框架（15），且加筋体（6）的边界固定于钢框架（15）的孔洞中，所述钢框架（15）通过固定架（16）固定于模型槽（1）的内壁上，所述加筋体（6）位于隔砂层（13）上方，且其表面上均匀设有若干个应变片（12）。3.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：所述砂土模拟路堤填料靠近观察面一侧铺设有彩砂。4.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：所述观察面为钢化玻璃（11）制得。5.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置，其特征在于：所述模型槽（1）和储砂箱（7）棱边内外设有刻度尺。6.根据权利要求1所述的一种可灵活操作的三维土拱效应研究试验装置的操作方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：（1）将模型槽放置于水平场地，将槽内清理干净，在观察面内壁上涂抹凡士林，另外3侧面的内壁铺设PVC膜，根据试验的具体要求，设置路堤高度，桩间距，桩体位置，桩帽尺寸，土压力盒的布置位置；（2）固定桩体、桩帽，并在桩体四周填筑用于模拟地基软土的泡沫颗粒，布置...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄妍，崔晓艳，刘奂孜，梁栋，李嘉俊，吴敏，陶志威，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32