一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试装置及方法

1.本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试装置及方法。


背景技术：

2.我国地域辽阔，地形地质情况复杂，分布着广泛的软土地基。由于软土地基较低的抗剪强度和低渗透性、高含水量，在该类软土路基地区修建公路工程时，易发生路基整体结构不稳而造成不均匀沉降和失稳等问题，严重影响道路施工质量和正常运营。针对此问题，在目前常见的处理方法中，桩网复合地基因其固结速度快、差异沉降小、施工方便等优点，已被广泛用于深厚软土地基的处理工程中。
3.然而，当前我国道路交通突出呈现交通量增加、车载增大、车速加快的趋势，交通荷载的影响范围和深度正在扩大，加之现在广泛使用的低矮路堤设计理念，使得交通荷载对天然软土地基及桩网复合地基的影响程度正越来越大。
4.为探究交通荷载作用对桩网复合地基的影响，目前主要采用现场试验或小比例桩网复合地基模型试验。但现场试验由于其周期长、成本巨大等原因，常常不易开展；小比例桩网复合地基模型试验因其受边界条件影响较大，试验模型受力状态与原型实际受力情况不符以及交通荷载模拟加载相似度低，导致测试无法准确反映桩网复合地基在实际交通荷载作用下的动力响应特性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试装置及方法，以满足交通荷载对桩网复合地基的影响研究需求。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试装置，包括模型箱、路基模拟组件、施力组件、土工离心组件和数据采集仪，所述路基模拟组件设置在所述模型箱内部的下侧，所述施力组件设置在所述模型箱的上侧且与所述路基模拟组件配合，所述模型箱设置在所述土工离心组件上，所述路基模拟组件、所述施力组件和所述土工离心组件均与所述数据采集仪电连接；
8.所述施力组件包括遥控式千斤顶、下承载板、荷载振动器、传力杆、底座和反力部件，所述遥控式千斤顶的上端作用在所述反力部件上，所述遥控式千斤顶的下端作用在所述下承载板上，所述下承载板依次通过所述传力杆和所述底座后作用在所述路面层上，所述荷载振动器固定设置在所述下承载板上，所述遥控式千斤顶和所述传力杆均竖直设置，所述遥控式千斤顶和所述荷载振动器均与所述数据采集仪电连接；
9.所述反力部件包括固定板、反力梁和上承载板，所述模型箱的相对侧呈对称设置有限位式的第一导向槽，所述固定板滑动设置在所述第一导向槽中，两个所述固定板之间通过两个互相平行的所述反力梁固定相连，两个所述反力梁的相对侧呈对称设置有限位式
的第二导向槽，所述上承载板滑动设置在所述第二导向槽上，所述上承载板与所述遥控式千斤顶的上端接触。
10.进一步地，所述路基模拟组件包括持力层、地基加固区、垫层、低矮路堤层、路面层和桩基部件，所述模型箱内从下至上依次设置有所述持力层、所述地基加固区、所述垫层、所述低矮路堤层和所述路面层，所述路面层与所述施力组件接触，所述模型箱内竖直设置有若干所述桩基部件，所述桩基部件的下端延伸至所述持力层内，所述桩基部件的上端作用在所述垫层上。
11.进一步地，所述桩基部件包括模型桩、桩帽和沉降检测传感器，所述模型桩竖直设置在所述模型箱内，所述模型桩的下端延伸至所述持力层内，所述模型桩的上端通过所述桩帽与所述垫层接触，所述沉降检测传感器设置在所述模型桩之间，且所述沉降检测传感器设置在所述地基加固区，所述沉降检测传感器与所述数据采集仪电连接。
12.进一步地，所述桩基部件在所述模型箱呈矩阵排列，每组所述桩基部件包括四个所述模型桩和一个所述沉降检测传感器，四个所述模型桩呈正方形设置，所述沉降检测传感器设置在所述正方形的中心位置。
13.进一步地，所述地基加固区包括软土层和表土层，所述表土层设置在所述软土层的上侧。
14.进一步地，所述模型桩的侧壁和顶部均安装高精度应变片，所述高精度应变片与所述数据采集仪电连接，所述高精度应变片的外侧设置有防水防潮层。
15.进一步地，所述土工离心组件包括土工离心机、吊篮和配重，所述土工离心机的一端设置有所述吊篮，所述模型箱设置在所述吊篮中，所述土工离心机的另一端设置有所述配重，所述吊篮及所述吊篮中装入所述模型箱后与所述配重的质量相等，所述土工离心机与所述数据采集仪电连接。
16.一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
17.s1：确定土工离心组件的试验加速度、模型箱和试验模型的几何尺寸；
18.s2：所述试验模型的用土应取于实际待检测地基以保证土体特征的相似性，试验前检测现场土体含水率、湿密度指标，并配制相同指标的试验用土；
19.s3：在所述模型箱内分层填筑持力层、软土层和表土层后形成地基土模型，每填筑一层，需要进行整平和压实，压实度应与实际复合地基状态保持一致，填筑完成后，用塑料膜覆盖其并表面静置一周；
20.s4：向所述地基土模型中锤击贯入模型桩，然后在所述模型桩的侧壁和顶部安装高精度应变片，并将所述高精度应变片通过防水防潮层进行包裹，然后将所述高精度应变片与数据采集仪进行电连接；
21.s5：在所述地基土模型上开设检测孔，并将沉降检测传感器埋设在所述检测孔中，然后将所述沉降检测传感器与数据采集仪进行电连接；
22.s6：当所述高精度应变片和所述沉降检测传感器安装完成后，在所述地基土模型上铺设垫层；
23.s7：在所述垫层上铺设路堤模型，所述路堤模型设置一定的坡度比，并依次进行分层压实，保证所述路堤模型压实度应与实际检测路堤压实度保持一致，然后在所述路堤模
型上设置路面层；
24.s8：在所述模型箱安装施力组件，并调整遥控式千斤顶和荷载振动器，并通过遥控式千斤顶设置静轮载加载，通过荷载振动器设置荷载频率及荷载幅值；
25.s9：将所述模型箱装入到吊篮中，再配上等质量的配重，启动土工离心机，待土工离心机达到稳定的加速度后，开始进行实验并采集数据；
26.s10：所述数据采集后进行存储。
27.进一步地，所述s7步骤中，所述坡度比为1:1.5。
28.进一步地，所述s9步骤中，所述土工离心机达到稳定的加速度为30g。
29.本发明的有益效果是：
30.1)本发明能够有效解决桩网复合地基试验模型受力状态与原型实际受力情况不符的问题，由于模型缩尺导致的自重应力损失，传统的小比尺模型试验在动荷载的加载方式下，往往会引起较大的实验误差，测试的准确性下降，本方案结合土工离心机在超重力环境场下的试验克服了存在的此问题。
31.2)本发明通过可调控改变静轮载、荷载幅值及荷载频率等物理量的车辆荷载模拟结构实现的，相比于以往的交通荷载加载方式，本方案进一步考虑到了车辆类型、行驶速度以及路面类型等因素，更加切合实际地实现交通荷载的加载；同时，通过改变车辆荷载模拟结构施加作用力的车道位置，可实现不同车道荷载对桩网复合地基的影响测试；通过增大车辆荷载模拟结构循环加载次数，可实现长期交通荷载作用下桩网复合地基的累积变形影响测试。
32.3)本发明可改变桩网复合地基模型中所采用的软土类型、土层厚度和桩体类型及尺寸，以满足不同实际工程的需求，通过试验测试准确量化了实际工程中动力响应特性，为相关实际工程的设计和施工提供参考。
33.4)本发明通过改变试验所用路堤模型，可适用于深厚软土地区的路基改扩建工程试验测试，以评估工后由于交通荷载动力影响引起的新老路基差异沉降，为确保道路工程安全性问题提供科学依据。
34.5)本装置能够有效解决桩网复合地基试验模型受力状态与原型实际受力情况不符以及交通荷载模拟加载相似度低等问题，可准确测定不同交通荷载对桩网复合地基的影响范围及程度，为道路工程中桩网复合地基和低路堤的设计和施工提供科学依据。
附图说明
35.图1为本装置的连接结构示意图；
36.图2为上承载板与反力梁之间的连接结构示意图；
37.图3为模型箱、固定板及反力梁之间的连接结构示意图；
38.图4为模型桩和沉降检测传感器的连接结构示意图；
39.图5为低矮路堤层的结构示意图；
40.图6为模型箱、固定板、反力梁及上承载板之间的连接结构示意图；
41.图7为路面层上的车道结构示意图；
42.图中，1-模型箱，2-遥控式千斤顶，3-下承载板，4-荷载振动器，5-传力杆，6-底座，7-固定板，8-反力梁，9-上承载板，10-第一导向槽，11-第二导向槽，12-持力层，13-垫层，
14-低矮路堤层，15-路面层，16-模型桩，17-桩帽，18-沉降检测传感器，19-软土层，20-表土层。
具体实施方式
43.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：
45.一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试装置，包括模型箱1、路基模拟组件、施力组件、土工离心组件和数据采集仪，路基模拟组件设置在模型箱1内部的下侧，施力组件设置在模型箱1的上侧且与路基模拟组件配合，模型箱1设置在土工离心组件上，路基模拟组件、施力组件和土工离心组件均与数据采集仪电连接。数据采集仪为现有技术设设备，主要用来收集数据，然后将收集到的数据传递给电脑。模型箱1的作用是用来承载路基模拟组件和施力组件，路基模拟组件用来模拟路基的结构，施力组件模拟车辆施加压力，土工离心组件用来提供加速度。
46.施力组件包括遥控式千斤顶2、下承载板3、荷载振动器4、传力杆5、底座6和反力部件，遥控式千斤顶2的上端作用在反力部件上，遥控式千斤顶2的下端作用在下承载板3上，下承载板3依次通过传力杆5和底座6后作用在路基模拟组件上，荷载振动器4固定设置在下承载板3上，遥控式千斤顶2和传力杆5均竖直设置，遥控式千斤顶2和荷载振动器4均与数据采集仪电连接。遥控式千斤顶2和荷载振动器4均为现有技术的设备。传力杆5和底座6作为一个整体连接，下承载板3的下侧设置有至少两个传力杆5，荷载振动器4安装在传力杆5之间，遥控式千斤顶2提供压力，反力部件为遥控式千斤顶2提供反向压力。遥控式千斤顶2的上下两端分别作用在上承载板9和下承载板3的中部。底座6的作用是增大接触面的面积。
47.反力部件包括固定板7、反力梁8和上承载板9，模型箱1的相对侧呈对称设置有限位式的第一导向槽10，固定板7滑动设置在第一导向槽10中，两个固定板7之间通过两个互相平行的反力梁8固定相连，两个反力梁8的相对侧呈对称设置有限位式的第二导向槽11，上承载板9滑动设置在第二导向槽11上，上承载板9与遥控式千斤顶2的上端接触。其中，第一导向槽10和第二导向槽11均为截面为凹字型的槽，在槽的两侧均设置有内凹槽，固定板7的上下两边均设置在内凹槽中，上承载板9的端部设置在内凹槽中。固定板7通过沉头螺栓固定在反力梁8的端部。固定板7与反力梁8之间的连接截面呈t字型，上承载板9的端部呈t字型。在第一导向槽10和第二导向槽11的底部均设置有多个贯穿的螺纹孔，螺纹孔中安装有与螺纹孔配合的螺栓，固定板7在第一导向槽10中会滑动，不需要滑动时通过螺栓锁紧；上承载板9在第二导向槽11中会滑动，不需要滑动时通过螺栓锁紧。
48.在一些实施例中，路基模拟组件包括持力层12、地基加固区、垫层13、低矮路堤层14、路面层15和桩基部件，模型箱1内从下至上依次设置有持力层12、地基加固区、垫层13、低矮路堤层14和路面层15，路面层15与施力组件接触，模型箱1内竖直设置有若干桩基部件，桩基部件的下端延伸至持力层12内，桩基部件的上端作用在垫层13上。桩基部件包括模型桩16、桩帽17和沉降检测传感器18，模型桩16竖直设置在模型箱1内，模型桩16的下端延
伸至持力层12内，模型桩16的上端通过桩帽17与垫层13接触，沉降检测传感器18设置在模型桩16之间，且沉降检测传感器18设置在地基加固区，沉降检测传感器18与数据采集仪电连接。桩基部件在模型箱1呈矩阵排列，每组桩基部件包括四个模型桩16和一个沉降检测传感器18，四个模型桩16呈正方形设置，沉降检测传感器18设置在正方形的中心位置。地基加固区包括软土层19和表土层20，表土层20设置在软土层19的上侧。沉降检测传感器18为现有技术中的沉降计，路基模拟组件的设置完全模拟桩网复合地基的结构。
49.在一些实施例中，模型桩16的侧壁和顶部均安装高精度应变片，高精度应变片与数据采集仪电连接，高精度应变片的外侧设置有防水防潮层。高精度应变片表面采用sb胶带或vm胶带保护，以达到防潮和防水的效果。
50.在一些实施例中，土工离心组件包括土工离心机、吊篮和配重，土工离心机的一端设置有吊篮，模型箱1设置在吊篮中，土工离心机的另一端设置有配重，吊篮及吊篮中装入模型箱1后与配重的质量相等，土工离心机与数据采集仪电连接。土工离心机为现有技术设备，吊篮、模型箱1以及模型箱1中安装的路基模拟组件、施力组件和数据采集仪属于一端，而配重属于另一端，为了使得两边在旋转后更平稳，所以要配重与量一端的质量相等。
51.本发明所采用的技术方案包括模型箱、土工离心机和数据采集仪，在模型箱内填筑有桩网复合地基模型、路堤模型以及上部装有车辆荷载模拟结构，模型箱置于土工离心机的离心机挂篮上，数据采集系统由计算机和动态采集仪组成；动态采集仪可自动、准确测试应变、应力等多个物理量，动态采集仪通过网线与计算机相连，将采集到的应变数据输入到计算机中存储。
52.桩网复合地基模型由地基软土、多根模型桩及砂垫层共同组成；模型桩可为水泥土搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩等适用于软土地基处理桩型中的任意一种，试验中桩身采用刚度相似的实心钢柱或铝柱代替，桩顶和桩壁贴有高精度应变片，桩帽采用刚度相似的钢块或铝块代替，桩身和桩帽通过焊接形成整体；砂垫层采用细砂进行填铺；路堤为低矮路堤(填土高度小于1.5m)，填土可采用砾类土、砂类土等粗砾土中的任意一种；地基模型从下往上依次为持力层、软土层和表土层，分别由粉质黏土、淤泥质黏土、高液限黏土填筑。
53.一种交通荷载对桩网复合地基动力影响的测试方法，测试方法包括以下步骤：
54.(1)确定土工离心组件的试验加速度、模型箱1和试验模型的几何尺寸。实际基坑尺寸为18m
×
24m，单桩桩径尺寸为450mm，桩长9m，桩间距为5倍桩径，即2.25m，砂垫层厚度为30cm，路堤高度6m，坡度比1:1.5，为确保模型尺寸大小合理，试验中土工离心机采用离心加速度30g，根据相似比，试验模型与实际比为1:30，所对应的模型尺寸如表1所示。
55.表1试验模型尺寸表
56.57.(2)试验模型的用土应取于实际待检测地基以保证土体特征的相似性，试验前检测现场土体含水率、湿密度指标，并配制相同指标的试验用土。试验模型用土应取于实际待检测地基以保证土体特征的相似性，试验前检测现场土体含水率，湿密度指标，并配制相同指标的试验用土。各土体指标参数如表2所示。配制完成后，闷料24h以上，以备待用。
58.表2土体指标参数
59.土体类别干密度(g/cm3)含水率(％)湿密度(g/cm3)高液限黏土1.7132.52.27淤泥质黏土1.6838.62.33粉质黏土1.7424.82.17
60.(3)在模型箱1内分层填筑持力层12、软土层19和表土层20后形成地基土模型，每填筑一层，需要进行整平和压实，压实度应与实际复合地基状态保持一致，填筑完成后，用塑料膜覆盖其并表面静置一周。在模型箱内分层填筑地基土模型，其中粉质黏土填筑11cm、淤泥质黏土18cm和高液限黏土6cm，每填筑一层，进行整平和压实，压实度应与实际复合地基状态保持一致，地基土模型填筑完成后，塑料膜覆盖表面静置一周。
61.(4)向地基土模型中锤击贯入模型桩16，然后在模型桩16的侧壁和顶部安装高精度应变片，并将高精度应变片通过防水防潮层进行包裹，然后将高精度应变片与数据采集仪进行电连接。在静置一周后的地基模型上，通过锤击贯入64根模型桩，每根模型桩桩壁和桩顶处通过胶粘剂装有高精度应变片(试验采用bf120-5aa型应变片，基底尺寸9.0mm
×
4.0mm，敏感栅尺寸5.0mm
×
3.0mm，阻值120ω，灵敏系数2.0mv/v，工作温度-20～80℃)，应变片表面采用sb胶带或vm胶带保护，以达到防潮和防水的效果。
62.(5)在地基土模型上开设检测孔，并将沉降检测传感器18埋设在检测孔中，然后将沉降检测传感器18与数据采集仪进行电连接。贯桩完成后，通过钻检测孔的方式埋设沉降计(试验采用的沉降计为定制款小型沉降计，外形尺寸长30cm，法兰盘直径35mm，量程0-100mm，综合误差≤0.2％fs，精度0.1mm，工作温度-20～80℃)。高精度应变片和沉降计均通过引线与动态的数据采集仪(试验采用dh5937型动态采集仪，通道数为32，分辨率为0.01hz，频率精度
±
0.05hz，工作温度-30～70℃)相连接。
63.(6)当高精度应变片和沉降检测传感器18安装完成后，在地基土模型上铺设垫层13。在桩网顶部铺设1cm厚度的砂垫层，桩网复合地基模型装备工作完成。
64.(7)在垫层13上铺设低矮路堤层14后形成路堤模型，路堤模型设置一定的坡度比，并依次进行分层压实，保证路堤模型压实度应与实际检测路堤压实度保持一致，然后在路堤模型上设置路面层15；坡度比为1:1.5。砂垫层上部采用砾石土填筑4cm厚度、坡度比为1:1.5的路堤模型，填筑过程中进行分层压实，路堤模型压实度应与实际检测路堤压实度保持一致。路堤模型顶部铺设尺寸大小为6mm厚度的路面层15(塑料板)，塑料板中心线与路堤中心线保持一致，塑料板用于模拟实际中与汽车直接接触的路面层，塑料板表面有缩尺后的双向四车道的行车道标示线。
65.(8)在模型箱1安装施力组件，并调整遥控式千斤顶2和荷载振动器4，并通过遥控式千斤顶2设置静轮载加载，通过荷载振动器4设置荷载频率及荷载幅值。车辆荷载模拟结构中的遥控式千斤顶调整实现不同大小的静轮载加载。试验所用车辆荷载模拟结构中的荷载振动器需对其设置不同的荷载频率及荷载幅值。试验中所设定的静轮载、荷载频率及荷
载幅值是根据动频率计算公式(1)、车辆荷载简化公式(2)，同时结合《公路工程技术标准》(jtg b01-2014)中标准车型的车身长度和公路的设计速度，通过计算所确定。对应具体值如表3所示。
66.表3车辆荷载幅值及荷载频率对应表
[0067][0068]
将车辆荷载模拟结构置于塑料板某一行车道标示线内，车辆荷载模拟结构中的荷载振动器由计算机控制启动和停止，并可调节荷载频率、荷载幅值和循环作用次数；车辆荷载模拟结构中的遥控式千斤顶由遥控器控制启动和停止，并可调整荷载大小，计算公式如下：
[0069][0070]
式中：f——荷载频率，hz；
[0071]
v——车辆行驶速度，m/s；
[0072]
l——车身长度，m。
[0073]
f(t)＝f0 f1sin(ωt)
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(2)
[0074]
式中：f——车辆荷载，kn；
[0075]
f0——静轮载，kn；
[0076]
f1——振动荷载幅值，kn，f1＝mαω2；
[0077]
m——簧下质量，kg；
[0078]
α——几何不平顺矢高，反映路况；
[0079]
ω——振动圆频率，
[0080]
v——汽车速度，m/s；
[0081]
l——几何曲线波长(车身长度)，m。
[0082]
(9)将模型箱1装入到吊篮中，再配上等质量的配重，启动土工离心机，待土工离心机达到稳定的加速度后，开始进行实验并采集数据；土工离心机达到稳定的加速度为30g。模型箱内的准备工作完成后，将模型箱移入土工离心机的吊篮中，另一端的配重箱进行等质量配重。启动土工离心机，土工离心机达到30g的稳定加速度后，启动车辆荷载模拟结构，车辆荷载依次切换为预先设定好的静轮载、荷载频率、荷载幅值和循环作用次数等，进行交通荷载的模拟加载。
[0083]
(10)数据采集后进行存储。交通荷载作用于桩网复合地基模型所产生的影响，通过应变片和沉降计测得，试验过程中的数据由动态采集仪采集，由计算机储存，其中沉降计测得的数据可反映桩网复合地基受上部结构自重和受行车荷载反复作用的影响所产生的沉降的大小，不同位置处产生的沉降值差异过大，则可能会出现路面开裂的情况；总体沉降值过大则有可能发生路面塌陷的危害。由应变片测得的数据反映交通荷载下的深埋于地基中的桩体受到的动荷载影响，可用于判断实际工程中桩体安全性，若该测试值超出设计允许值，则会出现桩体破坏的危害。
[0084]
本装置能够有效解决桩网复合地基试验模型受力状态与原型实际受力情况不符以及交通荷载模拟加载相似度低等问题，可准确测定不同交通荷载对桩网复合地基的影响范围及程度，为道路工程中桩网复合地基和低路堤的设计和施工提供科学依据。
[0085]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“前部”、“中央”、“两端”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，因此不能理解为对本发明的限制。
[0086]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0087]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。