一種樁承式路堤透明土模型試驗裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于一種軟土地基處理技術領域中的一種模型試驗裝置，特別涉及一種粧承式路堤土拱效應透明土模型試驗的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]軟土地區，由于土體含水量高，土體壓縮模量小，土體強度低，基礎設施，如高速鐵路，高速公路建設時，常常會遇到沉降過大，地基承載力不夠等問題。因此，軟土地區工程建設多數需要進行地基處理。
[0003]剛性粧粧承式路堤是在用帶粧帽的剛性粧作為路基的一種路堤形式。工程實踐中剛性粧中心距一般在2.5到5倍粧徑之間。在這種路堤結構中，粧和粧間土體會產生差異沉降，使路堤中土體應力重分布，大主應力的方向可以近似為懸鏈線的形狀，這種應力分布可以使大部分路堤填土自重傳向粧頂，這種現象是粧承式路堤中的土拱效應。
[0004]由于粧承式路堤中的土拱應力傳遞，粧間土分擔的路堤土自重被大大減小，從而使地基沉降大大減小；加了粧帽以后，可以加大剛性粧中心距，減少了剛性粧的數量，從而粧承式路堤還可以降低造價。基于沉降小，造價低等優點，粧承式路堤廣泛應用于高速鐵路和高速公路建設。在剛性粧(帽)頂鋪設土工格柵或高強度筋材，然后現澆一定高度的混凝土固定端，受約束的土工格柵可以充分發揮材料抗拉強度，加筋作用將一部分粧間土自重傳至粧頂，可以大幅度減小路堤沉降。
[0005]然而，在本發明之前，對粧承式路堤中土拱形成過程的研究方法并不成熟，路堤土內部宏觀變形過程尚不清楚。模型試驗一直是巖土工程中很常用的研究手段，然而本發明以前的粧承式路堤模型試驗一般通過觀察路堤土外表面的土位移來研究土拱，不能直接觀測到路堤土體內部的變形；也不能較好地模擬實際工程中空間土拱的變形；本發明以前的粧承式路堤試驗裝置尺寸很大，試驗成本高，試驗時間長。
[0006]透明土的基本原理是利用透明顆粒材料和具有相同折射率的孔隙液體混合，排出空氣得到的透明的飽和土，該土體與天然土體具有相似的巖土工程性質。利用激光器可以在透明土中形成散斑場，可以用工業相機拍出高精度的圖片。PIV技術是基于圖像匹配技術發展起來的一種流體速度測量技術，通過對比不同時刻的圖片灰度值，利用關聯函數可以得到不同時刻的相對位移，從而得到粧承式路堤中路堤土內部的宏觀變形過程。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服傳統粧承式路堤模型試驗不能直接觀測路堤土體內部變形和空間土拱的宏觀位移形態，提出一種粧承式路堤透明土模型試驗裝置，該裝置能實現多種工況，包括不同粧帽尺寸，有無掛網加筋，粧刺穿軟土層和未刺穿等實際工程中常見工況；該模型試驗使用PIV技術觀測透明土體內部位移，精度高；裝置尺寸小，試驗準備時間短，試驗操作方便，不僅提高了科研效率，還可以作為教學儀器使用。另外，本發明還提出了與粧承式路堤模型試驗裝置配套的試驗方法。
[0008]本發明采用以下技術方案實現:
[0009]一種粧承式路堤透明土模型試驗裝置，包括模型槽、透明土、粧體、水袋、導水管、工業相機、激光發射器，其特征在于:在有機玻璃模型試驗槽中進行粧承式路堤模型試驗；在該有機玻璃模型試驗槽中配置透明土作為地基和路堤填土材料；粧體位于模型槽底部，采用正方向或梅花形排列方式，粧頂設置蓋板；水袋放置于粧體之間，頂部與粧頂蓋板平齊，用于模擬地基土體；蓋板頂面和水袋頂部設置加筋材料，加筋材料與蓋板固定；透明土路堤位于加筋材料上方，填滿整個模型槽；水袋上設置孔洞；導水管一端與水袋孔洞連接，另一端伸出到模型槽外，導水管上設置閥門，可控制出水速率；激光發射器發射的激光形成一個平面，穿透透明土 ；工業相機拍攝方向位于激光平面的法線方向。
[0010]所述粧承式路堤透明土模型試驗裝置，通過粧帽與土工格柵粘接，可以模擬粧承式掛網路堤宏觀變形過程；
[0011]所述粧承式路堤透明土模型試驗裝置，尺寸可以根據研究需要進行調整，既可用于粧承式路堤相關課題研究，也可作為教學儀器。
[0012]本發明還涉及一種粧承式路堤土拱效應透明土模型試驗的試驗方法，包括以下步驟:
[0013](I)設計粧體和粧帽尺寸，確定粧間距和路堤高度；
[0014](2)清洗有機玻璃模型槽、粧和粧帽，并用干毛巾擦凈；
[0015](3)將粧體按照設計的粧間距在模型槽底部布置好，粧底與模型槽底部用膠水固定;
[0016](4)將充滿水的水袋放入有機玻璃模型槽底部粧體之間，在底部倒入配好的白油和正十二烷混合液，液面高度至水袋頂部高度下方5-lOcm ;
[0017](5)在粧頂上安裝粧帽；
[0018](6)在粧帽和水袋上方設置加筋材料，加筋材料與粧帽粘結固定；
[0019](7)緩慢配置透明土至設計路堤高度；
[0020](8)布置激光器，使激光器發射的激光形成平面穿透透明土路堤；
[0021](9)布置并調試相機，相機拍攝方向垂直于激光平面，使相機保持自動拍照模式，每隔10-15秒拍照;
[0022](10)打開導水管上的閥門，水袋中的水在透明土路堤的自重壓力作用下緩慢流出；
[0023](11)用量杯測量出水量，可換算出水袋減少的體積，以模擬粧間土體發生的沉降；
[0024](12)在放水過程中，相機自動拍攝整個過程中透明土內部激光平面的圖片，通過分析圖片中散斑場的變化得到土體變形；
[0025](13)試驗過程中，可轉動激光發射器，從不同角度形成不同的平面，分析得到三維變形特性；
[0026](14)水袋中的水基本放盡時，控制箱型水袋導水管停止放水，保存圖片，關閉激光，整理試驗器材；
[0027](15)用PIV技術處理實驗數據。
[0028]本發明的優點和效果在于:本發明提出的粧承式路堤透明土模型試驗裝置及方法可以實現土體內部變形的高精度實時測量，可以觀測到空間土拱的宏觀形態變化；可以模擬多種工況，包括不同粧帽尺寸，有無掛網加筋，粧刺穿軟土層和未刺穿等工況；試驗裝置尺寸小，試驗操作方便，提高了科研效率，還可作為教學儀器使用。而以上優點中，傳統模型試驗難以進行掛網加筋模擬，也很難模擬刺穿軟土層和未刺穿工況，尤其土體部變形的高精度實時測量和小尺寸特征，是傳統粧粧承式路堤試驗很難做到的。
[0029]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細描述。本發明的保護范圍并不以【具體實施方式】為限，而是由權利要求加以限定。
【附圖說明】
[0030]圖1試驗設備布置圖；
[0031]圖2水袋位置示意圖；
[0032]圖3水袋(打穿)示意圖；
[0033]圖4水袋(打穿)剖面圖；
[0034]圖5水袋(未打穿)示意圖；
[0035]圖6水袋(未打穿)剖面圖；
[0036]圖7剪孔土工格柵示意圖；
[0037]圖8粧承式掛網加筋路堤示意圖
[0038]圖中:
[0039]1:有機玻璃模型槽、2:高精度工業相機、3:激光線性發生器、4:透明土散斑場、5:粧、6:粧帽、7:剪孔土工格柵、8 ;箱型水袋、9:箱型水袋預留粧孔、10:透明土路堤、11:箱型水袋進出水管、12:燒杯、13:透明土光學平臺、14:鋼架激光平臺、15:軟土層、16:路堤填土、17:水
【具體實施方式】
[0040]如圖1-圖8示，一種粧承式路堤透明土試驗裝置，由有機玻璃模型槽(I)，透明土路堤(10)，高精度工業相機(2)，激光線性發生器(3)，箱型水袋(8)，粧(5)等部分組成。在有機玻璃模型槽(I)底部放入箱型水袋(8)，將粧(5)插入箱型水袋預留粧孔(9)中，將土工格柵剪孔，用有機玻璃膠將剪孔剪孔土工格