一种交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤的试验系统

摘要

本实用新型公开了一种交通荷载下固结软土‑碎石桩地基路堤的试验系统。所述试验系统包括模型箱、路堤模型、材料平台、集水槽、电力加载装置、力学传感器、数据采集仪和图像采集设备；其中，在模型箱顶部吊装电力加载装置，在模型箱中铺设路堤模型，所述力学传感器埋设在路堤模型内部，数据采集仪放置在模型箱外部并与力学传感器连接，所述模型箱中至少一个侧壁板为透明板，图像采集设备面向所述透明板设置；所述材料平台用于将路堤模型的原料进行混合配置或临时存储；所述电力加载装置用于向路堤模型施加静荷载或动荷载。试验系统操作简便、成本低、匹配度高、可视性强，且对固结和加载过程的考虑准确可靠。

说明书

技术领域

本实用新型属于路堤动力试验技术领域，更具体地，涉及一种交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤的试验系统。

背景技术

新建公路路堤集中在软土大量分布的沿海地区和南部地区。而软土强度低、工程性质差、地质灾害多，因此，对软土地基路堤进行加固处理十分必要。速度和载重的增加又对公路路堤平顺性提出了更高的要求。

碎石桩是以碎石或卵石为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩属于散体材料桩的一种，因其取材丰富、节约成本、施工便捷、排水性能优越、工后沉降较小的特点，常用于加固软土地基。

路堤在交通荷载下的动力响应和累积变形机理复杂、细分影响因素和研究对象众多，研究尚未成熟。现场试验成本较高、周期过长，单元体试验尺寸效应较大，而模型试验操作简便、真实可靠，也能为数值模拟和理论研究提供参数支持和验证，而现有研究采用的试验系统存在过程简化误差大、场地条件成本高且限制多、操作复杂、针对性弱、可视性差等问题，所以，设计一种匹配的高精度可视化模型试验系统显得尤为重要。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤的试验系统，其目的在于针对软土地基路堤提供一种操作简便、节约成本、可视性强的交通载荷试验系统，以实现对路堤模型的动力响应与累积变形的测试，了解其规律与机理。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤的试验系统，所述试验系统包括模型箱、材料平台、电力加载装置、力学传感器、数据采集仪和图像采集设备；其中，在模型箱顶部吊装电力加载装置，在模型箱底部设置排水组件，在模型箱中铺设路堤模型，所述力学传感器埋设在路堤模型内部，数据采集仪设置在模型箱外部并与力学传感器连接，所述模型箱中至少一个侧壁板为透明板，图像采集设备面向所述透明板设置；所述材料平台用于将路堤模型的原料进行混合配置或临时存储；所述电力加载装置用于向路堤模型施加静荷载或动荷载。

优选地，所述模型箱前板为透明钢化玻璃，背板为可拆卸钢板，左右两侧壁板为钢板，在左右两侧壁板中的其中一块板上开设出线孔。

优选地，在模型箱的顶部设置安装孔，通过螺栓将设有对应孔位的钢支架横梁固定在所述安装孔上，同时通过螺栓将电力加载装置固定于横梁上。

优选地，所述排水组件包括围绕模型箱底部设置的排水阀和集水槽，所述排水阀为等间距设置。

优选地，所述路堤模型包括三层，底层为石英砂下卧层，中间层为复合地基层，所述复合地基层包括软黏地基土和固结后置换的碎石桩，上层为级配砂土路基层；其中所述软黏地基土通过搅拌高岭土和水得到。

优选地，所述电力加载装置包括用于预压固结的伺服电机、用于交通动载的伺服电缸、及与二者分别配套的控制器和加载板。

优选地，所述力学传感器，包括土压力盒、位移传感器、孔隙水压力计、加速度传感器和应变片。

优选地，所述材料平台的高度高于所述模型箱，所述材料平台包括搅拌机。材料平台上放置有砂石填料和带有滑板的小型搅拌机，搅拌机用于拌合与工程实际相似的材料高岭土和水，作为固结前的均质软黏地基土。

优选地，图像采集设备包括高速摄像机及固定架，所述图像采集设备面向模型箱的透明钢化玻璃前板设置，用于连续拍摄整个试验过程中所述路堤模型的变化情况。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。

(1)本实用新型将路堤模型原料混合用的材料平台和试验用模型箱集成在一个系统中，非常适用于需现场混合原料以模拟软土的模型，并且软黏地基土的统一制备保证了多组试验间的一致性，使结果更加准确。此外，对预压固结过程的考虑接近工程实际，使结果更加可靠，不致过于简化。

(2)本实用新型中的电力加载装置直接吊装在模型箱顶部，无需额外设置大型反力架或反力墙，故不仅拆卸方便，而且空间占用较小。加载设备均由电力驱动，无需专人操控，无需目前大部分动力试验所采用的油缸及其配套导管和地下室，对试验场地的条件要求较低，且无需消耗和更换储油，节约成本，更可持续。其中交通动载用伺服电缸具有足够模拟实际的加载范围、激振频率、位移行程和波形种类，具备模拟交通荷载的能力，适配性高。

(3)本实用新型中设置的数据采集仪和图像采集设备有助于实时观察路堤土体的变形演化过程，可视性强。

(4)本实用新型适用范围较广，可推广应用于岩土工程、道路工程等相关科研领域，克服了所述现场试验经济性差、周期过长，单元体试验尺寸效应过大的缺点，同时能为数值模拟和理论研究提供参数支持和验证。

附图说明

图1是本实用新型提供的交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤试验系统的结构俯视图；

图2是本实用新型提供的交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤试验系统的路堤模型与加载装置配合的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-模型箱，101-透明钢化玻璃，102-可拆卸钢板，103-出线孔，104-排水阀，105-安装孔，2-路堤模型，201-石英砂下卧层，202-复合地基层，2021-软黏地基土，2022-碎石桩，203-级配砂土路基层，3-材料平台，301-砂石填料，302-搅拌机，4-集水槽，5-电力加载装置，6-力学传感器，7-数据采集仪，8-图像采集设备。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例提供了一种交通荷载下固结软土-碎石桩地基路堤的试验系统，参见图1和图2，所述试验系统包括模型箱1、路堤模型2、材料平台3、集水槽4、电力加载装置5、力学传感器6、数据采集仪7和图像采集设备8；其中，在模型箱1顶部吊装电力加载装置5；在模型箱1中铺设路堤模型2，所述力学传感器6埋设在路堤模型2内部，数据采集仪7设置在模型箱1外部并与力学传感器6连接，所述模型箱1中至少一个侧壁板为透明板，图像采集设备8面向所述透明板设置；所述材料平台3用于将路堤模型2的原料进行混合配置或临时存储；所述电力加载装置5用于向路堤模型2施加静荷载或动荷载。

在一种可行的方式中，所述模型箱1前板为透明钢化玻璃101，背板为可拆卸钢板102，左右两侧壁板为钢板，在左右两侧壁板中的其中一块板上开设出线孔103。在模型箱1的顶部设置安装孔105，通过螺栓将设有对应孔位的钢支架横梁固定在所述安装孔105上，同时通过螺栓将电力加载装置5固定于横梁上。

具体地，排水阀104围绕模型箱1底部设置，集水槽4设置在模型箱1外侧四周，所述排水阀104为等间距设置。在实际应用过程中，可以从模型箱1的4个侧壁板底部伸出等间距的管道，各管道并联后通过一个排水阀进行排水，也可以从模型箱1的4个侧壁板底部伸出等间距的管道，每个管道上设置排水阀。

本实用新型实施例中所述路堤模型2包括三层，底层为石英砂下卧层201，中间层为复合地基层202，所述复合地基层包括软黏地基土2021和固结后置换的碎石桩2022，上层为级配砂土路基层203；其中所述软黏地基土2021通过搅拌成比例的高岭土和水得到。

进一步地，所述电力加载装置5包括用于预压固结的伺服电机、用于交通动载的伺服电缸、及与二者分别配套的控制器和加载板；所述力学传感器6，包括土压力盒、位移传感器、孔隙水压力计、加速度传感器和应变片，土压力盒与加速度传感器均匀布设在路堤模型2中，孔隙水压力计均匀置于软黏地基土2021中，位移传感器位于路堤模型2的上表面，应变片粘贴于可能存在的土工合成材料上。

所述材料平台3的高度高于所述模型箱1，所述材料平台3包括搅拌机302。图像采集设备8包括高速摄像机及固定架，所述图像采集设备面向模型箱的透明钢化玻璃前板设置，用于连续拍摄整个试验过程中所述路堤模型的变化情况。

本实用新型尤其适用于对固结软土-碎石桩地基路堤模型进行交通循环荷载下的试验以及数据采集。

在使用本实用新型提供的试验系统时，包括下列步骤：

(1)从材料平台上向模型箱填筑石英砂下卧层和软黏地基土层，并在预设位置处埋设力学传感器，并将力学传感器通过导线连接到数据采集仪；

(2)启动电力加载装置中的用于预压固结的伺服电机，打开排水阀使水排入集水槽，使软黏地基土层逐渐排水固结；

(3)待软黏地基土层固结后，对软黏地基土层进行开挖置换，完成碎石桩成桩，再继续填筑级配砂土路基层，并在预设位置处埋设力学传感器，并将力学传感器通过导线连接到数据采集仪；

(4)启动电力加载装置中的用于交通动载的伺服电缸，对路堤模型施加交通激振荷载；

(5)获取数据采集仪和图像采集设备中数据。

在施工时，软黏地基土层2021的统一制备保证了多组试验间的一致性，使结果更加准确；预压固结过程的考虑接近工程实际，使结果更加可靠；电力加载设备5均由电力驱动，无需油缸及其配套导管和地下室，无需消耗和更换储油，更具有可持续性；电力加载设备5与模型箱1顶部通过螺栓和安装孔105直接架装，拆卸方便，无需采用反力架或反力墙，对试验场地的条件要求较低；交通动载用伺服电缸具有足够模拟实际的加载范围、激振频率、位移行程和波形种类，具备模拟交通荷载的能力，适配性高；数据采集仪7和图像采集设备8有助于观察路堤土体的变形演化过程，可视性强。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。