一种超声波水袋预压平面应变试验方法与流程

1.本发明涉及土体预压的技术领域，尤其是一种超声波水袋预压平面应变试验方法。


背景技术：

2.在岩土工程中，路基问题是一个很典型的平面应变问题。在修筑路基时，为了防止工后沉降过大，在路基处理完之后需要进行加载预压，达到设计沉降要求之后方可进行后续施工。超声波水袋预压路基是利用超声波振动将水袋中的静态水变成波动水，土层在这种静荷载和动荷载综合作用下被挤密，路基的沉降量和沉降速率加快。
3.把三维问题简化为平面应变问题可以提高研究的针对性，对于路基预压问题的研究，平面应变试验可以更直观的得到预压荷载下路基沉降变形的发展规律，但目前的平面应变装置大多是基于静力加载，还未有能适用于超声波水袋预压路基研究的平面应变试验装置和方法。
4.基于此，本领域技术人员急需一种能够针对超声波水袋预压路基方式的平面应变试验方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种超声波水袋预压平面应变试验方法，通过在水袋内设置超声波激振器，可以实现对土体的振动预压，并通过图像采集系统对土体图像情况进行采集，用于研究土体沉降变形规律。
6.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种超声波水袋预压平面应变试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：在土样箱内装入土样并对所述土样进行预固结处理；将所述土样箱分成两个区域，其中，所述土样箱包括前面板、后面板、底板、中隔板、左侧板以及右侧板，所述土样箱通过所述中隔板分成两个区域，所述前面板在两个所述区域对应位置处分别预留有用于观察所述水袋和所述水袋下方土样的矩形观察口且所述矩形观察口上安装有刚性亚克力透明板，所述刚性亚克力透明板正前方设置有图像采集系统；在每个所述区域的土样的上表面铺设水袋并在所述水袋内安装超声波激振器；往所述水袋内注水，启动所述超声波激振器，通过所述水袋内的水对所述土样进行振动预压，并通过所述图像采集系统对两个所述区域内的图像数据进行采集；排出所述水袋内的水并取出所述水袋内的所述超声波激振器，将所述水袋折叠收纳并整理所述土样箱。
7.所述土样箱内铺设所述土样的方法包括以下步骤：在所述土样箱内底面铺设有土工布，在所述土样箱内逐层铺设所述土样。
8.对所述土样箱内的所述土样进行预固结的方法包括以下步骤：在完成所述土样箱内所述土样的铺设后，在所述土样的上表面铺设一加载板，对所述加载板施加竖向荷载以对所述土样进行预固结，施加竖向荷载的过程中所述土样中的水通过所述土样箱的左侧
板、右侧板上间隔分布的排水孔向外流出。
9.所述水袋内的超声波激振器通过连接线同控制器电连接。
10.所述超声波激振器通过所述水袋上的超声波激振器安装口安装在所述水袋内，其中，所述超声波激振器安装口通过密封盖进行密封，所述超声波激振器通过穿过所述密封盖的所述连接线悬吊于所述水袋内部。
11.所述水袋上设置有注水口和排水口，所述注水口同主管道连接，所述主管道通过出水管同水箱内的水泵连接，所述主管道通过气路管道同充气泵连接，所述排水口通过进水管同所述水箱连接；所述出水管上设置有流量计，所述水箱内设有水位计。
12.所述水袋同大气连通管道连接。
13.所述前面板和所述后面板之间通过对拉钢筋和螺栓进行固定连接；所述前面板和所述后面板均分别同支撑架连接以固定所述土样箱。
14.本发明的优点是：基于平面应变问题的相关假设开发，可用于研究不同土性、水袋不同水量、超声波不同激振频率（包括与激振器关闭的静压条件下的对比）、不同激振时间等试验条件下，下部土层的沉降变形规律。
附图说明
15.图1为本发明中超声波水袋预压平面应变试验装置的结构示意图；图2为本发明中超声波水袋预压平面应变试验装置的俯视图；图3为本发明中超声波水袋预压平面应变试验装置的侧视图。
具体实施方式
16.以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：如图1-3所示，图中标记1-30分别表示为: 土样1、前面板2、后面板3、底板4、中隔板5、左侧板6、右侧板7、刚性亚克力透明板8、图像采集系统9、水袋10、超声波激振器11、连接线12、控制器13、超声波激振器安装口14、注水口15、水箱16、水泵17、主管道18、出水管19、进水管20、流量计21、排水孔22、气路管道23、充气泵24、阀门25、对拉钢筋26、螺栓27、支撑架28、固定螺栓29、大气连通管道30。
17.实施例：如图1-3所示，本实施例涉及一种超声波水袋预压平面应变试验方法，该预压平面应变试验方法包括以下步骤：1、制备土样1，将土样1捣碎后加入适量的水，搅拌均匀后备用。
18.2、平整试验场地，通过固定螺栓29将支撑架28分别同前面板2、后面板3连接在一起，使前面板2、后面板3保持直立，使对拉钢筋26的安装口一一对齐，安装除了中间上部对拉钢筋26之外的其余全部对拉钢筋26，但螺栓27不拧紧。
19.其中，土样箱由前面板2、后面板3、底板4、中隔板5、左侧板6、右侧板7以及支撑架28组成，并且前面板2、后面板3、底板4、中隔板5、左侧板6、右侧板7以及支撑架28均采用刚性材料板制作，可方便进行安装和拆卸，以及个别构件的更换。土样箱通过中隔板5分成两个区域，可同时进行两组对比试验，由于箱中的土样1是一次填铺的，可以很好的控制两组试验的土层条件一致，避免分两次试验时填铺原因导致的土层条件不能保持相同对试验结
果的影响，同时也提高了试验效率，降低了材料和配套仪器的损耗。每个区域的土样1的上表面均铺设有水袋10且水袋10内安装有超声波激振器11，前面板2在两个区域对应位置处分别预留有用于观察水袋10和水袋10下方土样1的矩形观察口且矩形观察口上安装有刚性亚克力透明板8，用于对土层深层位移进行直接监测，克服了沉降板、多点位移计等无法监测水袋正下方土体沉降变形的缺点，而且能得到整个断面上位移场的分布。后面板3为整块刚性板。前面板2和后面板3之间采用对拉钢筋26加螺栓27的方式进行固定连接，在面板的两侧边缘和底部间隔设置，面板中间上部位置也设置一个。在前面板2和后面板3的底部对拉钢筋安装孔上方设置水平向凹槽，凹槽槽宽略大于底板4厚度，将底板4嵌入前面板2和后面板3的凹槽中，固定在底部对拉钢筋的上方。前面板2和后面板3内侧分别在左边、右边和中间设置三个略宽于侧板厚度的竖向凹槽，用于安装左侧板6、右侧板7和中间隔板5。左侧板6、右侧板7上设置有排水孔22，便于土层压缩固结过程中孔隙水的排出，中间隔板5为不透水板，防止两侧区域孔隙水压力的互相干扰。在土样箱的两端和中部对称设置8个支撑架28，与模型箱面板通过固定螺栓29连接，增强土样箱的稳定性，防止前后方向的倾倒，在土样箱的组装过程中也能使前面板2和后面板3能自立，方便安装。
20.3、沿前面板2、后面板3底部和两侧的凹槽将底板4和两个侧板插入对应位置，然后将上一步中已安装的对拉钢筋26的螺栓27拧紧。
21.4、检查调整土样箱使其放置水平无倾斜，箱内侧铺设土工布，防止土样预固结过程中堵塞排水孔22。将制备好的土样1分层装入土样箱内，逐层铺设平整。在铺设后一层土样1时将前一层土样1的表面进行刮毛处理，以使层间具有较好的连续性。
22.5、土样箱内土层填筑完成后，在土层表面铺上加载板（刚性板），在加载板上逐级施加荷载，对土层进行预固结，使土体达到设计的密实度，预固结过程中土层中的水通过土样箱上的排水孔22排出。预固结完成后，撤去加载板。
23.6、在土样箱的中间位置沿前面板2、后面板3的预留凹槽插入竖直向的中间隔板5，防止两个试验区域的互相干扰。然后将中间上部的对拉钢筋26安装并拧紧螺栓27，以增加土样箱中间部分的刚度。
24.7、前面板2在两个区域对应位置处分别预留有用于观察水袋10和水袋10下方土样1的矩形观察口且矩形观察口上安装有刚性亚克力透明板8，用于对土层深层位移进行直接监测，克服了沉降板、多点位移计等无法监测水袋正下方土体沉降变形的缺点，而且能得到整个断面上位移场的分布。具体地，在两个试验区域的土层表面正对刚性亚克力透明板8位置分别摊开铺设水袋10，通过主管道18将水袋10上的注水口15、水箱10的出水管19及充气泵24的气路管道23进行三通连接，将6个超声波激振器11通过水袋10顶部对应的超声波激振器安装口14放入水袋10内，调整好连接线12长度并旋紧超声波激振器安装口14的密封盖，连接线12另一端连接控制器13。
25.其中，刚性亚克力透明板8正前方设置有图像采集系统9（高分辨率相机），利用图像采集系统9对刚性亚克力透明板8内的（水袋10和水袋10下方土样1）图像数据进行全程自动采集，通过相关的图像处理技术和搜索算法，得到土层在预压全过程中的变形发展演化规律。
26.土样箱的两个区域各设有一个水袋10，水袋10采用耐磨抗折抗侵蚀材料制作，每个水袋10的顶部设置三个连接通道，共包含了3个超声波激振器安装口14、1个注水口15和1
个大气连通管道30，水袋10的底部设置有1个排水口。超声波激振器11穿过水袋10顶部的超声波激振器安装口14悬吊于水袋10内部，通过连接线12固定在超声波激振器安装口14的密封盖上。每个水袋10设3个超声波激振器11，并联后与控制器13相连，每个水袋10的超声波激振频率可单独控制。关闭超声波激振器11后也可作为常规静压水袋，可用于对照组试验。
27.注水口15同主管道18连接，主管道18通过出水管19同水箱16内的水泵17连接，排水口通过进水管20同水箱16连接。出水管19上设置有流量计21，用于精确控制水袋10水量，可实施不同水量的分级加载。水箱16内设有水位计，可通过水位变化对水袋10的注水量或排水量进行大致估算。出水管19和进水管20上均设置阀门25，其中，出水管19两端均设置有一个阀门25，流量计21靠近注水口15设置且位于出水管19的两个阀门25之间，进水管20两端均设置有一个阀门25。
28.主管道18通过气路管道23同充气泵24连接，充气泵24同时与两个水袋10连接，两根气路管道23上各设有一个阀门25，通过阀门25的关闭可同时或单独控制两个水袋10的充气。进行试验时，在向水袋10注水之前，先通过充气泵24向水袋10内充气，一方面用于检查水袋10是否破损泄露，以便及时维修或更换，另一方面可通过充气使水袋10摊开成型，便于对水袋10放置位置进行微调以及后续注水。充气之后关闭气路管道23上的阀门25，打开进水管20上的阀门25进行注水，在试验结束之后，也可以通过向水袋10内充气，使袋内气压增大，加快水的排出速度。大气连通管道30上也设置有一个阀门25，通过大气连通管道30上的阀门25控制水袋10与大气的连通，可以保持水袋10内的气压平衡，防止充水和排水过程中水袋10内部压力变化影响试验。
29.8、关闭两个水袋10的出水管19上的阀门25、进水管20上的阀门25和大气连通管道30上的阀门25，打开气路管道23上的阀门25，然后启动充气泵24向两个水袋10内充气。
30.9、待两个水袋10充气至饱满后，关闭气路管道23上的阀门25和充气泵24，静置检查水袋10是否有漏气，微调水袋10至设计的放置区域。
31.10、分别打开两个水袋10的出水管19上的阀门25和大气连通管道30上的阀门25，启动水箱16内水泵17对水袋10进行注水，同时通过流量计21观测注水流量。
32.11、达到试验设计的注水量之后，关闭出水管19上的阀门25和大气连通管道30上的阀门25。
33.12、根据试验方案设置超声波激振器参数，开始试验，同时通过架设在两个试验区域刚性亚克力透明板8前方的图像采集系统9（高分辨率相机）对区域内的图像数据进行全程自动采集。
34.13、试验结束后，关闭仪器，打开进水管20上的阀门25和气路管道23上的阀门25，启动充气泵24，水在重力及气压作用下排至水箱16。
35.14、待水完全排出后，撤去超声波激振器11、水箱16、充气泵24及相应的连接管，将水袋10折叠收纳，依次拆除土样箱上的对拉钢筋26，移除土样，清理土样箱各部分面板，以备下次试验。
36.本实施例的有益技术效果为：基于平面应变问题的相关假设开发，可用于研究不同土性、水袋不同水量、超声波不同激振频率（包括与激振器关闭的静压条件下的对比）、不同激振时间等试验条件下，下部土层的沉降变形规律。
37.虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本
领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。