一种用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土试验技术领域，特别是一种用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法。

背景技术

随着我国的经济快速化和城市化发展，交通运输资源的需求日益增大，城市生活垃圾的产量急剧增加，需在复杂条件下建设基础设施，如建造桩承式路堤，桩体模量远大于桩间土模量，因此桩体沉降远小于桩间土沉降，路堤内部发生应力重新分配和不均匀沉降。

1、为了满足日益产生的生活垃圾填埋需求，垃圾填埋场的建设规模及扩建工程日渐兴起，在建设过程中，垃圾填埋场成分复杂，存在高压缩性、空间分布不均匀和局部腐蚀固废物，填埋场衬垫系统下卧土体易产生局部不均匀沉降或局部沉陷。

2、为满足日益增大的公路交通需求，公路改扩建工程逐渐增多，而新老路基和道桥过渡段等结合部位变形的不协调导致路基产生不均匀沉降、错位和挡墙的大规模滑移均时有发生。

而在这些工程不仅仅需考虑自重或填筑荷载作用，也需考虑复杂荷载的作用，如重载卡车和其他车辆所产生的长期交通动荷载对结构内部的影响也不容忽视。

上述桩承式路堤、垃圾填埋场衬垫系统、新老路基拼接和道桥过渡段等工程均存在受力和变形不均匀的问题。此外，考虑工程施工填筑过程和施工结束后表面复杂荷载的作用是必要的。因此研究此类问题的受力和变形机理是亟需的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法，该用于模拟差异性沉降的试验装置及试验方法不但能够通过控制升降位移量较为适宜的研究填筑过程中路基和垃圾填埋场等工程的力学和变形性能，还能模拟交通振动等循环动荷载作用下的对路基和垃圾填埋场内部的应力和变形影响。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于模拟差异性沉降的试验装置，包括安装框、土体填筑室、预沉降控制组件、称重传感器和竖向载荷施加组件。

安装框包括底座、横梁和两侧立柱；横梁位于底座正上方，两侧立柱用于连接底座以及横梁。

土体填筑室设置在两侧立柱中部，包括土体刚性支撑组件和两块侧板。

土体刚性支撑组件包括沿底座长度方向交错排列的m个长刚性块和n个短刚性块。

每个长刚性块和每个短刚性块的横截面均为矩形，且所有侧壁面均为光滑壁面；长刚性块的高度大于短刚性块的高度，长刚性块的宽度与短刚性块的宽度相等。

两块侧板密封贴设在土体刚性支撑组件的两侧，且与两侧立柱相连接。

待沉降土体填筑在土体刚性支撑组件正上方的两块侧板之间。

预沉降控制组件的数量为m+n个，位于m个长刚性块和n个短刚性块的正下方。

每个预沉降控制组件均包括针筒、活塞、活塞杆和活塞驱动组件。

针筒竖向布设在底座上，活塞能在针筒滑动升降；活塞杆底端与活塞相连接，活塞杆顶端各通过一个所述称重传感器与正上方的长刚性块或短刚性块底端可拆卸连接。

活塞驱动组件能驱动活塞升降并控制活塞升降速度。

竖向载荷施加组件能向位于土体填筑室内的待沉降土体施加竖向荷载。

针筒上沿高度方向设置有刻度，且刻度精度能达到0.01mm；通过观察活塞在针筒上停留时的刻度值，能够直接获取对应活塞正上方土体的沉降值。

还包括沉降观测相机，土体填筑室的至少一块侧板为透明板，沉降观测相机架设在透明板外侧。

还包括数据采集仪和计算机；数据采集仪与称重传感器相连接，计算机与数据采集仪、预沉降控制组件和竖向载荷施加组件相连接。

每个活塞驱动组件均包括气管、外接气源、启闭阀和流量调节阀；气管顶端设置在针筒底部，尾端与外接气源相连接；气管上从上至下依次布设所述启闭阀和所述流量调节阀。

每个活塞底部均设置有橡胶垫。

一种用于模拟差异性沉降的试验方法，包括如下步骤。

步骤1、选择沉降相似土：选用铝棒进行真实土颗粒的模拟，不同尺寸规格的铝棒按照设定配比进行混合，形成平均粒径为

步骤2、布桩：根据待模拟沉降工况中真实桩间距，确定长刚性块的数量m、短刚性块的数量n和布设位置，相邻两个长刚性块之间的间距等于真实桩间距；长刚性块和短刚性块之间的高度差需大于待模拟真实土体的沉降值，但小于沉降相似土的填筑高度H。

步骤3、顶桩：在每个长刚性块和每个短刚性块底部均充气，使其均上升至设定高度后停止充气；此时，所有长刚性块和所有短刚性块底部均位于同一高度。

步骤4、填筑沉降相似土：将步骤1选择的沉降相似土填筑在步骤3完成的所有长刚性块和所有短刚性块顶部，直至达到设定填筑高度H；此时，记录m个长刚性块顶部沉降相似土的初始重量和n个短刚性块顶部沉降相似土的初始重量；其中，m个长刚性块顶部沉降相似土的初始重量分别记为：W

步骤5、预沉降：在每个长刚性块和每个短刚性块底部均匀速放气，使其预沉降至设定高度后停止放气；预沉降用于模拟真实土体在自重作用下的沉降；

步骤6、沉降：在沉降相似土顶部施加竖向荷载，沉降相似土发生沉降。

步骤7、沉降观测：在步骤5的预沉降和步骤6的沉降过程中，对沉降量进行实时观测；当沉降相似土每沉降设定值a时，均记录一次m个长刚性块顶部沉降相似土的实时重量和n个短刚性块顶部沉降相似土的实时重量；其中，m个长刚性块顶部沉降相似土的实时重量分别记为：W

步骤8、计算荷载传递效率：在步骤7中，当沉降相似土每沉降设定值a时，对每个长刚性块均计算一次荷载传递效率E；其中，第i个长刚性块对应的荷载传递效率E的计算公式为：

其中：

F

F

式中，F

步骤1中，平均粒径

式中，A、B和C为拟合系数，通过直剪试验数据拟合得到。

步骤5中，通过控制每个短刚性块底部的放气速率和放气量，能模拟真实沉降工况中不同位置的沉降，能实现差异性沉降；真实沉降工况包括垃圾填埋场沉降工况、新老路基结合部位沉降工况和桩承式路堤沉降工况。

步骤7中，沉降量的观测方式包括刻度观测和图像观测；其中，刻度观测能够直接读出沉降相似土在当前时刻的沉降位移；图像观测通过实时拍摄沉降相似土的沉降图像，间接观测到沉降相似土的沉降分布。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的预沉降控制组件采用针管式设计，可调整不同的初始位置，以不同的沉降速率产生差异性预沉降。

2、本发明中采用长刚性块模拟桩体，通过变换长短刚性块的位置，能实现不同桩间距待沉降土体的模拟。本发明通过更换长短交替排列刚性块，可以进行桩承式路堤的试验研究；当统一更换为同一尺寸的刚性块，可以进行垃圾填埋场衬垫系统和新老路基过渡段等不均匀沉降问题的试验研究。

3、本发明采用铝棒模拟真实土体，具有试验可控和不产生压缩变形的特点；岩土本身是一种颗粒材料，颗粒间相互作用力决定了力学性质，采用铝棒形成的沉降相似土模拟了真实土颗粒间的接触特征，具有操作性强、便于位移场监测和成本低的特点。另外，沉降相似土的平均粒径根据真实土体内摩擦角进行确定，因而，与真实土体相似度高。

4、土体填筑室中透明板和沉降观测相机的设置，能间接观察到沉降相似土的沉降分布。

5、本发明能定量计算荷载传递效率，从而能清晰得到填料内部应力转移情况。

6、刚性块两侧均匀涂抹凡士林，能减小刚性块接触部位的摩擦，提高试验结果量测精度。

7、上述竖向载荷施加组件能实现单调加载、分级加载、加卸载、循环加载等功能，进而能够满足不同工况的需求。

附图说明

图1显示了本发明一种用于模拟差异性沉降的试验装置的结构示意图。

图2显示了本发明中安装框的结构示意图。

图3显示了本发明中预沉降控制组件的放大结构图。

图4显示了本发明中称重传感器的安装结构放大图。

图5显示了本发明中沉降相似土的沉降图像示意图。

图6显示了本发明中桩顶荷载及桩间荷载与相对位移的关系曲线图。

图7显示了本发明中外接气源压强与力的关系曲线。

其中有：

10、安装框；11、横梁；12、立柱；13、底座；

21、透明板；

30、土体刚性支撑组件；31、长刚性块；32、短刚性块；

40、预沉降控制组件；

41、针筒； 411、刻度； 412、三脚架；

42、活塞； 421、滑轨； 422、橡胶垫；

43、活塞杆； 431、漏斗型连接座； 432、活塞连接螺母；

44、活塞驱动组件；441、气管；442、启闭阀；443、流量调节阀；

45、固定角铁；

50、称重传感器；

60、竖向载荷施加组件；61、加载板；62、加载电缸；63、刚性连接座；

70、沉降观测相机；

80、数据采集仪；

90、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种用于模拟差异性沉降的试验装置，包括安装框10、土体填筑室、预沉降控制组件40、称重传感器50、竖向载荷施加组件60、沉降观测相机70、数据采集仪80和计算机90。

如图2所示，安装框包括横梁11、两侧立柱12和底座13、。

横梁位于底座正上方，两侧立柱用于连接底座以及横梁。

土体填筑室设置在两侧立柱中部，包括土体刚性支撑组件30和两块侧板。其中，至少一块侧板为透明板21，本发明中，两块侧板均优选为有机玻璃板，在其中一块有机玻璃板外侧架设有沉降观测相机。

土体刚性支撑组件包括沿底座长度方向交错排列的m个长刚性块31和n个短刚性块32。

每个长刚性块和每个短刚性块的横截面均为矩形，且所有侧壁面均为光滑壁面；长刚性块的高度大于短刚性块的高度，长刚性块的宽度与短刚性块的宽度相等。

本实施例中，长刚性块的高度优选为10cm，短刚性块的高度优选为5cm；每个长刚性块和每个短刚性块的横截面均优选是边长为5cm的正方形。

两块侧板密封贴设在土体刚性支撑组件的两侧，且与两侧立柱相连接。

待沉降土体填筑在土体刚性支撑组件正上方的两块侧板之间。

预沉降控制组件的数量为m+n个，位于m个长刚性块和n个短刚性块的正下方，与m个长刚性块和n个短刚性块一一对应。

如图3所示，每个预沉降控制组件均包括针筒41、活塞42、活塞杆43、活塞驱动组件44和固定角铁45。

针筒竖向布设，其底端优选通过三脚架412放置在底座上，其顶端优选按照在固定角铁45上；固定角铁45优选水平设置，两端分别与两侧立柱相连接，高度位置固定，在固定角铁的中心设置有穿孔。

针筒上沿高度方向设置有刻度411，且刻度精度能达到0.01mm；通过观察活塞在针筒上停留时的刻度值，能够直接获取对应活塞正上方土体的沉降值。

针筒内优选设置有竖直方向的滑轨421。

活塞能在针筒沿着滑轨进行竖直滑动升降，活塞底部优选设置橡胶垫422，能防止活塞滑动速度过快。

活塞杆底端优选通过漏斗型连接座431和活塞连接螺母432与活塞可拆卸连接，活塞杆顶端均穿过固定角铁中的穿孔，并与长刚性块或短刚性块底端可拆卸连接。

位于固定角铁上方的每根活塞杆上分别安装一个称重传感器50，具体如图4所示，称重传感器优选为“S”形拉压力传感器，材质采用合金钢制成，量程为0～20kg，灵敏度为2.0mV/V，通过上下螺孔所承受的拉压力来进行量测。

活塞驱动组件能驱动活塞升降并控制活塞升降速度。

每个活塞驱动组件均包括气管441、外接气源、启闭阀442和流量调节阀443；气管顶端设置在针筒底部，尾端与外接气源相连接；气管上从上至下依次布设启闭阀和流量调节阀。

上述启闭阀优选为一字阀门，当启闭阀的一字与气管平行时阀门是打开的，当启闭阀的一字与气管垂直时阀门是关闭的。

上述流量调节阀为可调节进出气量与速率的阀门，进而调节活塞下降速率，实现不同位置的差异性沉降。

竖向载荷施加组件能向位于土体填筑室内的待沉降土体施加竖向荷载。竖向载荷施加组件优选包括加载板61、加载电缸62和刚性连接座63。

加载板61位于土体刚性支撑组件正上方，顶部与加载电缸62相连接，加载电缸62顶部通过刚性连接座63与横梁相连接。

上述加载电缸的行程优选为50cm，加载载荷为100kg，加载频率为0～10Hz，可以实现单调加载、循环加卸载、等频循环荷载和变频循环荷载等加载方式；加载电缸内置压力传感器，量程为0～100kg。

上述数据采集仪与称重传感器相连接，计算机分别与数据采集仪、预沉降控制组件和竖向载荷施加组件相连接。

一种用于模拟差异性沉降的试验方法，包括如下步骤。

步骤1、选择沉降相似土，优选包括如下步骤。

步骤1-1、真实土体取样

本发明中的真实沉降工况优选包括垃圾填埋场沉降工况、新老路基结合部位沉降工况和桩承式路堤沉降工况等。

本发明需根据不同沉降工况因地制宜的取得真实土体土样。

A、垃圾填埋场沉降工况

采用钻机向土层钻孔取得土样，一般每0.5～1m取原状土样一件。取样时应注意：对于面积小且地势平坦的垃圾填埋场，采用梅花型布点法进行取样，每块布点5～10个；对于填埋场规模中等但土样不均匀时，采用棋盘式布点法进行取样，每块布点10～15个；对于大型垃圾填埋场，采用蛇形布点法，每块布点15～20个。

B、路基

新老路基结合部位沉降工况和桩承式路堤沉降工况，均属于路基范畴，采用钻孔向土层钻孔取得深层土样，每50～100m

步骤1-2、测试真实土体内摩擦角

步骤1-3、确定沉降相似土类型

选取实际工程的土体时，在进行模型试验时，填料如果采用实际土样，实际土体压实度难控制、容易产生变形，试验结果难以信服；为了克服试验时出现的问题，采用铝棒模拟真实土体，具有试验可控和不产生压缩变形的特点。岩土本身是一种颗粒材料，颗粒间相互作用力决定了力学性质，铝棒相似土模拟了真实土颗粒间的接触特征，具有操作性强、便于位移场监测和成本低的特点。

铝棒沉降相似土组合体是由铝棒和中间空隙组成，作用力通过铝棒之间接触点一根一根传递。铝棒是刚性材料，不考虑其自身变形情况，则铝棒相似土变形就只是由于铝棒位移变形造成，其内部变形也是因为位移而造成的。

本发明选用铝棒进行真实土颗粒的模拟，铝棒沉降相似土的使用将试验进一步转化为二维条件，消除了前后侧板的摩擦力，并使得试验准确度与可重复性极大的提高。另外，利用自身加载的1g试验中缩小了模型试验与原型试验的相似性差异。

步骤1-4、确定沉降相似土的平均粒径为

为根据实际土体强度参数反映铝棒规格与比值，因此需要研究铝棒平均配位数与体系内总接触数的关系。

其中Z为平均配位数；N

式中A、B和C为拟合系数，通过直剪试验数据拟合得到。

步骤1-5、确定铝棒规格及配比

根据步骤1-4确定的平均粒径为

本实施例中，采用三种不同直径的铝棒，分别为1.6mm、2mm和3mm，以提高平均接触系数，其重量比为3:3:2，均匀混合。

步骤2、布桩：根据待模拟沉降工况中真实桩间距，确定长刚性块的数量m、短刚性块的数量n和布设位置，相邻两个长刚性块之间的间距等于真实桩间距；长刚性块和短刚性块之间的高度差需大于待模拟真实土体的沉降值，但小于沉降相似土的填筑高度H。

根据确定的室内试验的桩间距，调整长刚性块和短刚性块的数量，以及上部铝棒相似土的填筑高度，长短刚性块的高度差要大于需要调节的沉降值，这样才能满足试验需求。下表为试验方案表。

上述每个刚性块的两侧均匀涂抹一层凡士林，涂抹凡士林是为了减小刚性块两侧的摩擦力以保证刚性块能够无摩擦下滑。

步骤3、顶桩

打开启闭阀和流量调节阀，在每个长刚性块和每个短刚性块底部均充气，使其均上升至设定高度后关闭启闭阀停止充气；此时，所有长刚性块和所有短刚性块底部均位于同一高度。

本实施例中，外接气源压强与力(支撑力)的关系如图7所示。

步骤4、填筑沉降相似土

将步骤1选择的沉降相似土，优选采用分层填筑的方法，填筑在步骤3完成的所有长刚性块和所有短刚性块顶部，直至达到设定填筑高度H。

在填筑过程中，为了方便对试验过程中的填料位移情况进行观察，每层之间均匀撒上一层石膏粉；每层铺设到预定的层高时，将填料整平并均匀反复夯实，反复上述过程直至预定的填筑高度。

填筑完成后，记录m个长刚性块顶部沉降相似土的初始重量和n个短刚性块顶部沉降相似土的初始重量；其中，m个长刚性块顶部沉降相似土的初始重量分别记为：

W

步骤5、预沉降：在每个长刚性块和每个短刚性块底部均匀速放气，使其预沉降至设定高度后停止放气；预沉降用于模拟真实土体在自重作用下的沉降。

本发明能通过控制每个短刚性块底部的放气速率和放气量，能模拟真实沉降工况中不同位置的沉降，能实现差异性沉降。

实际工程中土的压缩变形曲线是接近于线性的，然后慢慢趋于稳定，沉降速率是匀速的，因此模型试验中的预沉降是以恒定速率进行放气，可模拟垃圾填埋场、新老路基结合部位和桩承式路堤中的土体在自重作用下沉降。不同的短刚性块通过流量调节阀的进气量和速率，来模拟真实工程中不同位置的沉降，以实现差异性沉降。

实际工程中的土体自重作用下的变形，一般路段沉降不大于30cm，以模型相似比为1:10为例，试验中选取3cm为试验停止标志。达到沉降值时，关闭流量调节阀和启闭阀，此时长刚性快和短刚性块均固定不动。

步骤6、沉降：在沉降相似土顶部施加竖向荷载，沉降相似土发生沉降。

施加的竖向载荷，其中可分为几种工况：①恒定静荷载：模拟实际工程的填筑等级；②等频率振动荷载：模拟实际工程中压路机的振动；③变频率振动荷载：模拟实际工程中不同车辆荷载。此时阀门A和阀门B均处于关闭状态。此时不需要记录称重传感器读数。

本实施例中，达到预定下移量后，启动加载系统，电缸伸出，使加载板刚好接触到试验填料表面，将竖向压力清零。开始进行加载，通过加载板对填料表面施加6kPa荷载，保持1min以保证荷载与变形稳定后卸载。卸载后仍然需要等待1min以保证稳定，之后按照相同的步骤施加8kPa和10kPa的荷载。

步骤7、沉降观测：在步骤5的预沉降和步骤6的沉降过程中，对沉降量进行实时观测；当沉降相似土每沉降设定值a(优选为0.2mm)时，均记录一次m个长刚性块顶部沉降相似土的实时重量和n个短刚性块顶部沉降相似土的实时重量；其中，m个长刚性块顶部沉降相似土的实时重量分别记为：W

沉降量的观测方式包括刻度观测和图像观测；其中，刻度观测能够直接读出沉降相似土在当前时刻的沉降位移；图像观测通过沉降观测相机实时拍摄沉降相似土的沉降图像，对沉降图像进行处理，可得到不同沉降范围的颜色色阶，如图5所示，不同颜色代表不同的沉降值，可以间接观察到铝棒相似土的沉降分布，进而可以采集到土样的位移变形分布，从而可定量分析堆积体的力学行为。

本发明中，采集得到的相对位移(也即沉降量)与桩顶荷载和桩间荷载的关系曲线，如图6所示。

通过图5和图6，可以看到本试验方法可较为准确的模拟桩承式路堤的荷载传递和变形过程，随着相对位移的增加，桩间土荷载逐渐向桩顶传递，并对局部位移场进行了监测，可以看出桩顶与桩间土形成“拱效应”，随着相对位移的逐渐增加，路堤内部变形逐渐趋于稳定，最终形成一种稳定的“拱”结构。

步骤8、计算荷载传递效率：在步骤7中，当沉降相似土每沉降设定值a时，对每个长刚性块均计算一次荷载传递效率E；其中，第i个长刚性块对应的荷载传递效率E的计算公式为：

其中：

F

F

式中，F

上述荷载传递效率可代表填料内部应力转移情况。可以看到，随着差异性沉降增加，桩顶荷载逐渐增加，桩间荷载逐渐减小，表示填料内部荷载发生了传递。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。