地震作用下透水性混凝土桩堵塞试验装置及方法

摘要

本发明涉及一种地震作用下透水性混凝土桩堵塞试验装置及方法，通过测试地震作用下可液化土中透水性混凝土试件渗透系数以及饱水试件电阻率的变化对透水性混凝土桩堵塞全过程进行模拟，为研究地震作用下可液化土中透水性混凝土桩的堵塞机理奠定基础。它包括一个模拟地震作用的振动台，在振动台上放置套筒，套筒内填装可液化土试件，可液化土试件下部填装透水性混凝土试件；在透水性混凝土试件上下侧位置的套筒壁分别设有压力表预留孔，其上安装压力表用于测量透水性混凝土试件上下侧压力差；同时在透水性混凝土试件上下端还设有电阻率检测装置；在套筒下部设有用于控制排水的排水管，排水管上设有流量检测装置，套筒上部还设有进水口和溢水口。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种地震作用下透水性混凝土桩堵塞试验装置及方法，属于土木工程领域。

背景技术：

砂土液化是指饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象。若用透 水性混凝土桩处置可液化土地基，在地震作用发生时，砂土颗粒会进入透水性混凝土桩中进 而堵塞透水性混凝土桩，影响其使用性能。因此研究可液化土中透水性混凝土桩在地震作用 下的堵塞机理是非常有必要的，但目前缺乏地震作用下可液化土中透水性混凝土桩堵塞试验 模拟装置与方法。

发明内容：

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种地震作用下透水性混凝土桩堵塞试验装置 及方法，通过测试地震作用下可液化土中透水性混凝土试件渗透系数以及饱水试件电阻率的 变化对透水性混凝土桩堵塞全过程进行模拟，为研究地震作用下可液化土中透水性混凝土桩 的堵塞机理奠定基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种地震作用下透水性混凝土桩堵塞试验装置，它包括一个模拟地震作用的振动台，在 振动台上放置套筒，套筒内填装可液化土试件，可液化土试件下部填装透水性混凝土试件； 在透水性混凝土试件上下侧位置的套筒壁分别设有压力表预留孔，其上安装压力表用于测量 透水性混凝土试件上下侧压力差；同时在透水性混凝土试件上下端还设有电阻率检测装置； 在套筒下部设有用于控制排水的排水管，排水管上设有流量检测装置，套筒上部还设有进水 口和溢水口。

所述电阻率检测装置包括设置在透水性混凝土试件上端和下端的铁丝网，两铁丝网与万 用表和电源连接。

所述透水性混凝土试件外部包裹橡胶套，橡胶套至于内套筒内，内套筒置于套筒内。

所述排水管末端设有可调节高度的塑料管，用于测量不同排水高度下可可液化土对透水 性混凝土的堵塞情况。

所述振动台采用超低频信号发生器发出的电磁波激振驱动台面，发生器采用输入矩形波、 三角波、正弦波或真实的地震波；振动输入出频率为1-100Hz，台面允许最大位移为8-20mm， 水平向最大激振加速度为0.5g-2g。

所述透水性混凝土试件高度为被模拟的透水性混凝土桩的壁厚，透水性混凝土桩采用空 心圆壁桩。

所述可液化土高度h_s为：

$h_s=\frac{d_e-d}{2}$

式中：d-被模拟的透水性混凝土桩桩径，d_e-单桩等效影响圆直径；

其中，在模拟透水性混凝土桩插入可液化土中并按正方形布置时，d_e＝1.13s，s为桩间距；

在模拟透水性混凝土桩插入可液化土中并按三角形布置时，d_e＝1.05s，s为桩间距。

具体过程为：

（1）制作透水性混凝土桩试件及可液化土试件；

（2）用体积法测出透水性混凝土试件的孔隙率；

（3）测定透水性混凝土试件的渗透系数；

（4）可液化土堵塞试验

4-1）在渗透系数测定后，保持进水流量不变，将制作好的可液化土试件侧壁包裹上柔性 橡胶电层后，放入装置中，静止一段时间；

4-2）打开振动台，输入设定的波，开始震动过程；

4-3）观察在线纪录的排出水管的流量Q₁，利用达西定律，求地震过程中透水混凝土试件 的渗透系数k₁；

（5）试件堵塞过程中电阻率变化试验

在试验（4）开始时，计算出相应的电阻率λ；

仅改变下面试验参数中的某一个，研究相应参数对透水混凝土试件的抗堵塞能力的影 响，。这些参数包括：透水性混凝土试件孔隙率、可液化土的级配、地震波的波形；

通过上述实验，得到透水性混凝土试件被可液化土堵塞全过程中渗透系数的变化、电阻 率的变化这2个指标，通过分析这2个指标的变化，研究透水性混凝土路面的堵塞规律。

所述步骤（2）中孔隙率测定过程为：

用游标卡尺量取试件的直径和高度，按照式（1）计算孔隙率：

$n_e=(1-\frac{m_2-m_1}{{\mathrm{v\rho }}_w})\times 100---\left(1\right)$

式中：n_e——试件孔隙率，%；

m₁——试件浸水24小时后在水中测得的质量，g；

m₂——试件从水中取出后在的60℃烘箱内烘24小时后的质量，g；

v——体积法测出的试件体积，cm³；

ρ_w——水的密度，g/cm³；

所述步骤（3）中渗透系数测定过程为：

3-1）根据透水性混凝土试件直径，计算出透水性混凝土试件横截面积A；

3-2）将透水性混凝土试件放入NaCl溶液中浸泡一定时间，保证所有连通的孔隙都能浸 透；

3-3）将透水性混凝土试件取出，擦干表面并在侧面涂抹黄油，然后敷以柔性橡胶垫层， 安装在套筒内；

3-4）向套筒内开始缓慢注水，水流自上而下灌满整个试件套筒，且套筒上口开始溢流； 打开出水口阀门，使水渗流一段时间，待水流稳定且气泡排净后开始测试；

3-5）读取在线纪录的渗流排出水管上的流量，取曲线平稳时的Q值；根据在线纪录的试 件上、下表面的压力之差确定水力坡度J，

$J=\frac{h_w}{l}=\frac{h_1-h_2}{l}$

式中：h₁和h₂-透水性混凝土试件上下表面压力；

h_w-流经试件后的水头损失；

l-试件高度；

3-6）利用达西定律求渗透系数k

$k=\frac{Q}{\mathrm{AJ}}$

式中：A-透水性混凝土试件横截面积。

所述电阻率测定过程为：给透水性混凝土试件上下表面通交流电压U，并通过在线记录的 万用表测量通过试件上下表面的电流I，利用R=U/I，得到试件电阻R，利用电阻率计算公式（5） 求得试件的电阻率λ

λ=RA/I    （5）。

本发明装置分为三个部分，套筒部分、排水管以及振动台。套筒部分用于安放透水性混 凝土试件、可液化土土试件。在透水性混凝土试件位置处上下两侧钻有压力表预留孔，用于 连接加压力表，测量试件上下两侧压力差。排水管用于控制排水，在排水管上安装电磁流量 计来测量流量。排水管末端加可调节高度的塑料管，用于测量不同排水高度下可可液化土对 透水性混凝土的堵塞情况。振动台用于模拟地震作用。

其工作原理如下：

可液化土在地震作用下会有变得更密实的趋势，孔隙水压力上升，使原来由土颗粒间接接 触点传递压力减小。当压力完全丧失后土体变得象液体一样。若用透水性混凝土桩处置可液化 土地基，在地震作用发生时，砂土颗粒会进入透水性混凝土桩中进而堵塞透水性混凝土桩，影 响其使用性能。为了模拟整个堵塞过程，发明了如图1所示的实验装置。试验时在套筒中上侧 放置可液化土试件，下侧放置透水性混凝土试件。地震作用发生时，砂土颗粒在渗流水的带动 下会堵塞于放置在可液化土试件下方的透水性混凝土试件内，通过观测透水性混凝土试件的渗 透系数及电阻率的变化，可以确定透水性混凝土试件的堵塞情况。

本发明的有益效果是：本发明为研究地震作用下液化土中透水性混凝土桩的堵塞机理提 供了一种科学的研究方法和相关设备。实现了地震作用下可液化土中透水性混凝土桩堵塞全 过程的模拟，通过测量不同排水高度及振动加速度下可液化土对透水性混凝土的堵塞情况， 可得到透水性混凝土堵塞全过程中渗透系数及电阻率的变化。实验设备结构简单，测量结果 准确有效，为研究透水性混凝土桩的堵塞机理奠定了基础。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为正方形布桩的示意图；

图2a为单桩等效影响面积示意图；

图3为三角形布桩的示意图；

图3a为单桩等效影响面积示意图；

图4为砂样级配曲线；

图5为A、B两组试件电阻率变化图。

其中，1.套筒，2.压力表预留孔I，3.内套筒，4.电源和万用表，5.压力表预留孔II，6.振动 台，7.铁丝网，8.连接法兰，9.透水混凝土试件，10.橡胶套，11.可液化土试件，12.溢水口， 13.排水管，14.阀门，15.电磁流量计，16.塑料管，17.透水性混凝土桩，18.可液化土。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1中，本发明装置包括一个套筒1，它分为两部分由连接法兰8连接而成。在套筒1内还 设有一个内套筒3（可采用有机玻璃或其它透明材料），内套筒3内填充有外部由橡胶套10包裹 的透水性混凝土试件9，在透水性混凝土试件9的上部套筒1填充可液化土试件11，套筒1上部 设有进水口（图中未画）和溢水口12。

透水性混凝土试件9的上下端是铁丝网7，铁丝网7与电源和万用表4连接；同时在透水性 混凝土试件9的上部和下部还设有压力表，压力表通过套筒1的压力表预留孔I2和压力表预留 孔II5安装在套筒1上。

套筒1下部与排水管13连接，排水管13上设有阀门14，在排水管13上还连接有电磁流量计 15，排水管与可调节高度的塑料16连接，用于测量不同排水高度下可可液化土对透水性混凝 土的堵塞情况。

整个套筒1置于振动台6上，振动台用于模拟地震作用。实验采用超低频信号发生器发 出的电磁波激振驱动台面，发生器可以输入矩形波、三角波、正弦波等波形，也可输入真实 的地震波。振动输入出频率为1-100Hz，台面允许最大位移为8-20mm，水平向最大激振加速 度为0.5g-2g。

试验流程为：

（1）制作透水性混凝土试件9及可液化土试件11。

透水性混凝土桩17采用空心圆壁桩，则透水性混凝土试件9的高度为透水性混凝土桩的壁 厚。

透水性混凝土桩17插入可液化土18中，若透水性混凝土桩17按正方形布置，其布置如 图2、图2a所示。根据规范，桩间距宜取3-5倍桩径d。则一根透水性混凝土桩17分担的 地基处理面积的等效圆直径按式（6）计算。

d_e＝1.13s    （6）

式中：d_e-单桩等效影响圆直径；

s-桩间距。

由上式可知，实验时，可液化土18的高度h_s按式（7）确定。

$h_s=\frac{d_e-d}{2}---\left(7\right)$

式中：d-桩径。

若透水性混凝土桩17按三角形布置，其布置如图3、图3a所示。则一根透水性混凝土桩 17分担的地基处理面积的等效圆直径按式（8）计算。

d_e＝1.05s    （8）

式中：d_e-单桩等效影响圆直径；

s-桩间距。

由上式可知，实验时，可液化土的高度h_s按式（9）确定。

$h_s=\frac{d_e-d}{2}---\left(9\right)$

式中：d-桩径。

（2）测定透水性混凝土试件9的孔隙率：将透水性混凝土试件9两端分别切去一部分， 以消除透水性混凝土试件9上下表面振捣不均匀产生的影响，并测得切去后的透水性混凝土 试件9高度。采用量体积法测定透水性混凝土试件9孔隙率，用游标卡尺量取透水性混凝土 试件9的直径和高度，按照式（1）计算孔隙率：

$n_e=(1-\frac{m_2-m_1}{{\mathrm{v\rho }}_w})\times 100---\left(1\right)$

式中：n_e——透水性混凝土试件孔隙率，%；

m₁——透水性混凝土试件浸水24小时后在水中测得的质量，g；

m₂——透水性混凝土试件从水中取出后在的60℃烘箱内烘24小时后的质量，g；

v——体积法测出的透水性混凝土试件体积，cm³；

ρ_w——水的密度，g/cm³。

（3）测定透水性混凝土试件9的渗透系数：

3-1）根据透水性混凝土试件9直径，计算出透水性混凝土试件9横截面积A。

3-2）将透水性混凝土试件9放入NaCl溶液中浸泡一定时间，保证所有连通的孔隙都能 浸透。

3-3）将透水性混凝土试件9取出，擦干表面并在侧面涂抹黄油，然后敷以柔性橡胶垫层， 安装在有机玻璃的内套筒3处。将上下两段套筒1用连接法兰8连接，连接法兰8处加橡胶 垫。

3-4）向套筒1内缓慢注水，水流自上而下灌满整个试件套筒1，且套筒1溢水口12开始 溢流；打开排水管13的阀门14，使水渗流一段时间，待水流稳定且气泡排净后开始测试。

3-5）由于地震作用发生时，渗流作用对可液化土的液化过程影响较小，因此实验装置上 设计的溢水口与排水口高度相差较小，即水头差较小。读取在线纪录的渗流出排水管13上的 电磁流量计15的流量，取曲线平稳时的Q值。根据在线纪录的透水性混凝土试件9上、下 表面的压力之差确定水力坡度J。

$J=\frac{h_w}{l}=\frac{h_1-h_2}{l}---\left(2\right)$

式中：h₁和h₂-透水性混凝土试件9上下表面压力；

h_w-流经透水性混凝土试件9后的水头损失；

l-透水性混凝土试件9件高度。

3-6）利用达西定律求渗透系数k。

$k=\frac{Q}{\mathrm{AJ}}---\left(3\right)$

式中：A-试件横截面积。

（4）可液化土堵塞试验

4-1）在渗透系数测定后，保持进水流量不变，将制作好的可液化土试件，放入装置中， 静止一段时间。

4-2）打开振动台6，输入地震波，开始震动过程。

4-2）观察在线纪录的排水管13的流量Q₁，利用达西定律，求地震过程中透水混凝土试 件9的渗透系数k₁。

（5）试件堵塞过程中电阻率变化试验

通过观测饱水透水性混凝土试件9贯通空隙的电阻率变化过程，可以判定透水性混凝土 试件9的堵塞情况，电阻率越高表明试件的贯通空隙越少进而说明堵塞于透水性混凝土试件 9内的土颗粒越多。为了测得电阻率变化过程，实验时加入可导电的NaCl溶液，并在透水性 混凝土试件9上下两端各加一张铁丝网7，连接电源和万用表4测量有效功率和视在功率， 实验过程中，在试验（4）开始时，给透水性混凝土试件9上下两侧通交流电压U，，利用该 万用表可测得通过透水性混凝土试件9的电流I。最终利用式（4）可求得透水性混凝土试件 9电阻R。

R=U/I   （4）

在求得电阻R后可利用电阻率计算公式（5）求得透水性混凝土试件9的电阻率λ。

λ=RA/I    （5）

实验过程中由于砂不断堵塞透水性混凝土试件9，堵塞过程中透水性混凝土试件9的孔隙 率逐渐减小，导致测得的电阻率不断增大。

仅改变下面试验参数中的某一个，研究相应参数对透水混凝土试件9的抗堵塞能力的影 响。这些参数包括：透水性混凝土试件孔隙率、可液化土的级配、地震波的波形等。

通过上述实验，可得到透水性混凝土试件9被可液化土堵塞全过程中渗透系数的变化， 电阻率的变化2个指标。通过分析这2个指标的变化，可以研究透水性混凝土路面的堵塞规 律。

实例

本次试验的可液化土样选用了两种砂样进行组合：细砂和粉砂，其参数见表1，级配曲线 见图4。

表1 砂样参数表

试验时制作A、B两组试件，A组试件细砂和粉砂的用量的比例为2:1。B组试件细砂和粉砂 的用量比列为1:2。两组试件质量相同，将称量好的砂样混合均匀后制作试件。

透水性混凝土试件9采用济南产山水牌的42.5的普通硅酸盐水泥，聚氨基类高效减水剂， 以粒径为10-20mm、5-10mm、2.5-5mm等的碎石作为粗骨料用一般洁净自来水作为拌合水制作。 采用经验-体积法确定材料的配合比，根据经验水灰比取0.3，目标孔隙率20%，通过试验确 定强度和透水性均能满足要求的最佳配合比。制作出条件一样，孔隙比相同的一组试件，试 件高度为100mm，直径为100mm。实验时将透水性混凝土试件9两端分别切去5mm，以消除试 件上下表面振捣不均匀产生的影响，所以透水性混凝土试件9的最终高度为90mm。

取桩距为4倍桩径，实验时按正方形布桩，可液化土试件11的直径为100mm，高度为透 水性混凝土试件9的1.76倍，即为158.4mm。

完成实验后观测两组透水性混凝土试件9的电阻率的变化，其结果如图5所示。

由图5可知，A、B两组透水性混凝土试件9的电阻率均随着时间的增长逐渐上升，说明 在实验过程中，不断有砂粒堵塞于与透水性混凝土试件9中，A组试件的电阻率大于B组， 原因是A组透水性混凝土试件9大粒径砂含量较多，容易堵塞于透水性混凝土试件9中，而 B组试件小粒径含量较多，能够通过透水性混凝土试件9而沉淀于装置底部。