CN102519811B - 强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型，包括模型体，所述模型体内为空腔结构，该空腔结构通过一竖直隔断分成两部分，一部分为竖向水井，另一部分底部铺设有一层碎石垫层，且碎石垫层与竖向水井底部连通，碎石垫层上面设有与半幅路基构造相同的粉土路基。本发明同时还公开了该模型的试验方法。本发明能够分析强度衰减路基的受力与变形特征以及袖管注浆微型桩的加固机理，明确袖管微型桩注浆加固技术对提高路基承载力、防止不均匀沉降以及提高边坡的稳定性的效果，为路基加固维修提供合理的技术借鉴和理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及一种土建技术，尤其是一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型及试验方法。
背景技术
路基稳定性主要包含路基不均匀沉降和路基边坡的稳定。对路基不均匀沉降的研究主要集中在分析不均匀沉降的原因及其对路面结构层受力的影响；对路基边坡稳定性的分析主要集中在边坡稳定性的计算方法及稳定性的影响因素等方面，且对降雨条件下考虑非饱和土体基质吸力作用及边坡渗流作用的研究较多。但缺乏对粉土路基在毛细水上升造成路基强度衰减的条件下其稳定性规律性的认识，没有针对强度衰减路基造成的病害提出适当的加固技术，对公路运营期间的预防性养护管理缺乏指导意义。
现阶段主要是通过理论分析、数值计算和部分现场试验等手段对路基稳定性进行研究。由于理论分析和数值计算受参数选定、模型选取、本构关系等因素的影响极大，分析结果的合理性和代表性较难确定。现场试验工作受建设工期、环境因素、人为因素等方面影响较大，难以对研究内容进行控制变量的多工况试验分析。因此进行室内模型试验不仅能够有效验证理论计算结果并进行可控的规律性探讨，还能够对相关技术及其实施工艺进行优化设计和改进提高。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型及试验方法。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型，包括模型体，所述模型体内为空腔结构，该空腔结构通过一竖直隔断分成两部分，一部分为竖向水井，另一部分底部铺设有一层碎石垫层，且碎石垫层与竖向水井底部连通，碎石垫层上面设有与半幅路基构造相同的粉土路基。
所述粉土路基的边坡坡率为1∶1.5。
一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型试验方法，步骤如下：
1)试验路基的填筑及设备仪器的安装与埋设；
2)试验工况加载与数据的采集；
3)进行数据处理分析。
所述步骤1)中试验路基的填筑分12层填筑，包括以下步骤：
A.第一层为碎石垫层，填筑厚度为20cm，填筑完后整平，上铺一层土工布；
B.第二层至第十二层填筑粉土，采用电动冲击夯分层夯实，并检测每层填土的含水量、密度及压实度物理指标；
C.同时路基填筑过程中，根据各层填土的不同夯实遍数，通过土壤刚度/模量测试仪测量压实土的弹性模量，建立粉土压实度与弹性模量的关系。
所述步骤1)中的设备仪器的安装与埋设，包括在路基填筑过程中根据实际设计在路基的不同位置埋设检测仪器，检测仪器埋设过程中通过水准测量精确标定仪器的具体深度；同时，路基填筑完成后，在路基边坡中间部分设置若干位移观测点，通过钢尺和水准仪检测边坡的水平及竖向位移。
所述步骤2)中的试验工况加载采用千斤顶通过反力架进行分级循环加载，荷载大小采用锚索计进行分级控制；具体的试验工况加载及数据采集包括以下内容：
A.新建路基，按模型实际设计要求采用四次循环加载，每次循环间隔时间为24小时；其中每一循环分为五级加载，每级间隔时间为30分钟；每次循环加载前、每级荷载加载及每次循环卸载，分布采集锚索计读数、路基顶面及边坡位移观测点的高程、边坡位移观测点到试槽的水平位移、土压力盒的读数、土壤水分计的读数、单点沉降仪的读数、路基顶面百分表的读数以及监测边坡内水平位移百分表的读数，全部数据均采用人工读数方式采集；
B.强度衰减路基，分两种强度衰减工况进行加载试验情况：
第一种强度衰减情况为在竖向水井中加水20cm使之与碎石垫层顶面平齐，随着毛细水上升，竖向水井中的水位下降，间隔不断向竖向水井加水使之保持在20cm，直到水位基本不变化，测量路基不同深度的含水量，然后同新建路基工况按四次循环分级加载，并采集试验数据；
第二种强度衰减情况为在竖向水井中加水至碎石垫层顶面30cm；随着毛细水上升，竖向水井中的水位下降，间隔不断向竖向水井加水使之保持在30cm，直到水位不变化，测量路基不同深度的含水量，然后同第一种强度衰减情况按四次循环分级加载，并采集试验数据；
C.袖管注浆微型桩加固路基，路基加固布置六根微型桩，袖管注浆微型桩加固路基施工工艺如下：
1)、钻孔：采用洛阳铲成孔，成孔深度1800mm，孔径100mm，垂直孔；
2)、钢管加工：钢管长度1700mm，钢管上每隔300mm设置出浆孔，每孔位打四个孔，孔径5mm，然后在钢管外套橡胶封闭圈封住出浆孔；
3)、下花管：插入花管，底部要封闭，并保持在钻孔中心，管口低于路基顶面10mm；
4)、封孔：灌入封闭泥浆，封闭泥浆采用粘土水泥浆或膨润土水泥浆，水泥含量占土料的30％，泥浆的主要作用是封闭花管和孔壁之间的环状空间，并使浆液只在一个灌浆段范围内挤破封闭泥浆而进入地层；封闭泥浆浇注的好坏是保证注浆成功与否的关键，它要求既能在一定的压力下，压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表，即要防止串浆又要兼顾开环；封闭泥浆灌满后，孔口顶部用水泥砂浆封孔30cm；
5)、制浆：浆液选用纯水泥浆液，浆液水灰质量比采用0.5～0.55，搅拌均匀；
6)、注浆：待封闭泥浆凝固后，在花管内插入带封孔器的注浆管至预定灌浆段，自下而上分段注浆，施工中注浆压力水泥浆液0.15Mpa；
7)、终孔：灌浆压力逐级达到设计压力或吸浆量小于5L/min，注浆压力稳定20分钟后即可终止灌浆；
灌浆微型桩施工完成7天以后，采用四次循环分级加载，并采集试验数据。
本发明的模型材料及尺寸
原型和模型的相似常数包括：
几何相似常数：CL＝LP/Lm 位移相似常数：Cδ＝δP/δm
应力相似常数：Cσ＝σP/σm 应变相似常数：Cξ＝ξP/ξm
重度相似常数：Cγ＝γP/γm 弹模相似常数：CE＝(ES)P/(ES)m
泊松比相似常数：Cμ＝uP/um 粘聚力相似常数：CC＝CP/Cm
内摩擦角相视常数：
若将应力、应变、位移分别代入结构平衡方程、几何平衡方程和物理平衡方程可得如下相似准则：
CLCξ＝Cδ CξCE＝Cσ
通过查阅大量文献资料，由于道路工程的填土弹性模量很小，很难根据弹性模量相似找到替代的材料，所以在大型的道路工程相关的模型试验中，往往采用原状土进行试验，所以本实验模型采用实体工程所用的填料，则Cγ＝1、Cξ＝1、Cf＝1、Cu＝1、
。同时为协调路基材料相似比，试验中加固用钢管桩及注浆材料也于实际工程相同。
路基为带状结构物，受力状态属于平面应变问题；同时，常见路堤为对称形式，因此可选用半幅路基进行试验研究；填土路基的高度虽各不相同，但是路基强度衰减后，路基在车辆荷载作用下具有相似的受力特征。因此，本实验模型选用常见路基结构形式及尺寸(路基长度12m；半幅路基顶面宽度：12m；填土高度：7.5m；边坡坡率：1∶1.5)，取几何相似常数：CL＝1∶3，因此，试验模型尺寸为：路基长度3m；半幅路基顶面宽度：3m；填土高度：2.5m；边坡坡率：1∶1.5。试验用微型钢管桩也遵循该几何相似系数。
模型路基采用粉土分层填筑并夯实；为模拟地下水及毛细水上升现象，模型路基的地基开始首先填筑20cm的碎石垫层，碎石垫层与竖向水井联通，通过竖向水井的水位变化，模拟地下水位的波动，从而实现模型路基不同高度含水量的变化。
路基在工后运营过程中含水量的情况表明，路基在运营初期基本处于最佳含水量状态，以后路基在长期运营过程中，由于降雨和地下水的毛细水上升等因素的影响，路基含水量增大，是路基强度衰减的主要原因。通过对现场病害路段的地质钻探，运营多年后路基含水量通常在20％-30％。因此，试验方案设计三种工况分别进行加载试验，如表1所示，分别测试新筑路基、强度衰减路基、灌浆微型桩加固路基三种工况的路基的受力特征，分析路基的变形和应力变化规律。
表1试验方案
实验测试内容
测试内容包括：路基竖向压力的分布、路基边坡侧向压力的分布、路基竖向含水量的变化、路基分层竖向位移的变化以及路基边坡侧向位移的变化。
路基竖向压力及路基边坡侧向压力的分布通过JMZX-5003B土压力盒测量，路基竖向含水量的变化通过YT-DY-0100土壤温湿度计测量，路基分层竖向位移的变化通过YT-DG-0120A单点沉降计测量，路基边坡竖向截面侧向位移通过自制水平位移计测量。
试验荷载作用形式
公路工程技术标准(JTGB01-2003)规定车辆荷载的形式及其荷载标准值，试验模型路基荷载模拟后轴单侧车轮加载，综合考虑车辆荷载在路面结构层的扩散情况，荷载的作用形式采用2.4m×1.7m的矩形均布荷载。
加载方式
试验采用反力架通过千斤顶加载。
试验采用分级循环加载方式，见表2所示：
表2试验加载分级情况表
与现有技术相比，本发明的有益效果是，
根据试验模型、方案及工艺，能够分析强度衰减路基的受力与变形特征以及袖管注浆微型桩的加固机理，明确袖管微型桩注浆加固技术对提高路基承载力、防止不均匀沉降以及提高边坡的稳定性的效果，为路基加固维修提供合理的技术借鉴和理论指导。
附图说明
图1是本发明模型路基结构示意图；
图2(a)是测试仪器布置平面图；
图2(b)是测试仪器布置剖面图；
图3是试验路基加载示意图；
图4是弹性模量与压实度的关系图；
其中1.模型体，2.竖直隔断，3.竖向水井，4.碎石垫层，5.粉土路基，6.反力架，7.千斤顶，8.钢垫板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型，包括模型体1，所述模型体1内为空腔结构，该空腔结构通过一竖直隔断2分成两部分，一部分为竖向水井3，另一部分底部铺设有一层碎石垫层4，且碎石垫层4与竖向水井3底部连通，碎石垫层4上面设有与半幅路基构造相同的粉土路基5。粉土路基5的边坡坡率为1∶1.5。
本发明的模型材料及尺寸
原型和模型的相似常数包括：
几何相似常数：CL＝LP/Lm 位移相似常数：Cδ＝δP/δm
应力相似常数：Cσ＝σP/σm 应变相似常数：Cξ＝ξP/ξm
重度相似常数：Cγ＝γP/γm 弹模相似常数：CE＝(ES)P/(ES)m
泊松比相似常数：Cμ＝uP/um 粘聚力相似常数：CC＝CP/Cm
内摩擦角相视常数：
若将应力、应变、位移分别代入结构平衡方程、几何平衡方程和物理平衡方程可得如下相似准则：
CLCξ＝Cδ CξCE＝Cσ
通过查阅大量文献资料，由于道路工程的填土弹性模量很小，很难根据弹性模量相似找到替代的材料，所以在大型的道路工程相关的模型试验中，往往采用原状土进行试验，所以本实验模型采用实体工程所用的填料，则Cγ＝1、Cξ＝1、Cf＝1、Cu＝1、
。同时为协调路基材料相似比，试验中加固用钢管桩及注浆材料也于实际工程相同。
路基为带状结构物，受力状态属于平面应变问题；同时，常见路堤为对称形式，因此可选用半幅路基进行试验研究；填土路基的高度虽各不相同，但是路基强度衰减后，路基在车辆荷载作用下具有相似的受力特征。因此，本实验模型选用常见路基结构形式及尺寸(路基长度12m；半幅路基顶面宽度：12m；填土高度：7.5m；边坡坡率：1∶1.5)，取几何相似常数：CL＝1∶3，因此，试验模型尺寸为：路基长度3m；半幅路基顶面宽度：3m；填土高度：2.5m；边坡坡率：1∶1.5。试验用微型钢管桩也遵循该几何相似系数。
模型路基采用粉土分层填筑并夯实；为模拟地下水及毛细水上升现象，模型路基的地基开始首先填筑20cm的碎石垫层，碎石垫层与竖向水井联通，通过竖向水井的水位变化，模拟地下水位的波动，从而实现模型路基不同高度含水量的变化。
路基在工后运营过程中含水量的情况表明，路基在运营初期基本处于最佳含水量状态，以后路基在长期运营过程中，由于降雨和地下水的毛细水上升等因素的影响，路基含水量增大，是路基强度衰减的主要原因。通过对现场病害路段的地质钻探，运营多年后路基含水量通常在20％-30％。因此，试验方案设计三种工况分别进行加载试验，如表1所示，分别测试新筑路基、强度衰减路基、灌浆微型桩加固路基三种工况的路基的受力特征，分析路基的变形和应力变化规律。
表3试验方案
实验仪器布置及测试内容
试验仪器布置如图2(a)、图2(b)所示。
测试内容包括：路基竖向压力的分布、路基边坡侧向压力的分布、路基竖向含水量的变化、路基分层竖向位移的变化以及路基边坡侧向位移的变化。
路基竖向压力及路基边坡侧向压力的分布通过JMZX-5003B土压力盒测量，路基竖向含水量的变化通过YT-DY-0100土壤温湿度计测量，路基分层竖向位移的变化通过YT-DG-0120A单点沉降计测量，路基边坡竖向截面侧向位移通过自制水平位移计测量。
试验荷载作用形式
公路工程技术标准(JTGB01-2003)规定车辆荷载的形式及其荷载标准值，试验模型路基荷载模拟后轴单侧车轮加载，综合考虑车辆荷载在路面结构层的扩散情况，荷载的作用形式采用2.4m×1.7m的矩形均布荷载。
加载方式
试验采用反力架6通过千斤顶7加载，在路基顶部与千斤顶7之间设置2.4m×1.7m的矩形钢垫板8，用于按照设计要求对路基顶部施加矩形均布荷载，如图3所示。
试验采用分级循环加载方式，见表2所示：
表4试验加载分级情况表
强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型试验方法如下：
一、试验路基的填筑及设备仪器的安装与埋设；
试验路基的填筑分12层填筑，包括以下步骤：
A.第一层为碎石垫层4，填筑厚度为20cm，填筑完后整平，上铺一层土工布；
B.第二层至第十二层填筑粉土，采用电动冲击夯分层夯实，并检测每层填土的含水量、密度及压实度物理指标；
C.同时路基填筑过程中，根据各层填土的不同夯实遍数，通过土壤刚度/模量测试仪测量压实土的弹性模量，建立粉土压实度与弹性模量的关系。如图4所示。
设备仪器的安装与埋设，包括在路基填筑过程中根据实际设计在路基的不同位置埋设检测仪器，检测仪器埋设过程中通过水准测量精确标定仪器的具体深度；同时，路基填筑完成后，在路基边坡中间部分设置若干位移观测点，通过钢尺和水准仪检测边坡的水平及竖向位移。
二、试验工况加载与数据的采集；
试验工况加载采用千斤顶7通过反力架6进行分级循环加载，荷载大小采用锚索计进行分级控制；具体的试验工况加载及数据采集包括以下内容：
A.新建路基，按模型实际设计要求采用四次循环加载，每次循环间隔时间为24小时；其中每一循环分为五级加载，每级间隔时间为30分钟；每次循环加载前、每级荷载加载及每次循环卸载，分布采集锚索计读数、路基顶面及边坡位移观测点的高程、边坡位移观测点到试槽的水平位移、土压力盒的读数、土壤水分计的读数、单点沉降仪的读数、路基顶面百分表的读数以及监测边坡内水平位移百分表的读数，全部数据均采用人工读数方式采集；
B.强度衰减路基，分两种强度衰减工况进行加载试验情况：
第一种强度衰减情况为在竖向水井中加水20cm使之与碎石垫层顶面平齐，随着毛细水上升，竖向水井中的水位下降，间隔不断向竖向水井加水使之保持在20cm，直到水位基本不变化，测量路基不同深度的含水量，然后同新建路基工况按四次循环分级加载，并采集试验数据；
第二种强度衰减情况为在竖向水井中加水至碎石垫层顶面30cm；随着毛细水上升，竖向水井中的水位下降，间隔不断向竖向水井加水使之保持在30cm，直到水位不变化，测量路基不同深度的含水量，然后同第一种强度衰减情况按四次循环分级加载，并采集试验数据；
C.袖管注浆微型桩加固路基，路基加固布置六根微型桩，袖管注浆微型桩加固路基施工工艺如下：
1)、钻孔：采用洛阳铲成孔，成孔深度1800mm，孔径100mm，垂直孔；
2)、钢管加工：钢管长度1700mm，钢管上每隔300mm设置出浆孔，每孔位打四个孔，孔径5mm，然后在钢管外套橡胶封闭圈封住出浆孔；
3)、下花管：插入花管，底部要封闭，并保持在钻孔中心，管口低于路基顶面10mm；
4)、封孔：灌入封闭泥浆，封闭泥浆采用粘土水泥浆或膨润土水泥浆，水泥含量占土料的30％，泥浆的主要作用是封闭花管和孔壁之间的环状空间，并使浆液只在一个灌浆段范围内挤破封闭泥浆而进入地层；封闭泥浆浇注的好坏是保证注浆成功与否的关键，它要求既能在一定的压力下，压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表，即要防止串浆又要兼顾开环；封闭泥浆灌满后，孔口顶部用水泥砂浆封孔30cm；
5)、制浆：浆液选用纯水泥浆液，浆液水灰质量比采用0.5～0.55，搅拌均匀；
6)、注浆：待封闭泥浆凝固后，在花管内插入带封孔器的注浆管至预定灌浆段，自下而上分段注浆，施工中注浆压力水泥浆液0.15Mpa；
7)、终孔：灌浆压力逐级达到设计压力或吸浆量小于5L/min，注浆压力稳定20分钟后即可终止灌浆；
灌浆微型桩施工完成7天以后，采用四次循环分级加载，并采集试验数据。
三、进行数据处理分析。
Claims (3)
1.一种强度衰减路基变形和应力变化规律试验模型试验方法，
该方法所采用的模型包括模型体，所述模型体内为空腔结构，该空腔结构通过一竖直隔断分成两部分，一部分为竖向水井，另一部分底部铺设有一层碎石垫层，且碎石垫层与竖向水井底部连通，碎石垫层上面设有与半幅路基构造相同的粉土路基；
所述方法步骤如下：
1）试验路基的填筑及设备仪器的安装与埋设；
2）试验工况加载与数据的采集；
3）进行数据处理分析；
其特征在于，所述步骤2）中的试验工况加载采用千斤顶通过反力架进行分级循环加载，荷载大小采用锚索计进行分级控制；具体的试验工况加载及数据采集包括以下内容：
A.新建路基，按模型实际设计要求采用四次循环加载，每次循环间隔时间为24小时；其中每一循环分为五级加载，每级间隔时间为30分钟；每次循环加载前、每级荷载加载及每次循环卸载，分布采集锚索计读数、路基顶面及边坡位移观测点的高程、边坡位移观测点到试槽的水平位移、土压力盒的读数、土壤水分计的读数、单点沉降仪的读数、路基顶面百分表的读数以及监测边坡内水平位移百分表的读数，全部数据均采用人工读数方式采集；
B.强度衰减路基，分两种强度衰减工况进行加载试验情况：
第一种强度衰减情况为在竖向水井中加水20cm使之与碎石垫层顶面平齐，随着毛细水上升，竖向水井中的水位下降，间隔不断向竖向水井加水使之保持在20cm，直到水位基本不变化，测量路基不同深度的含水量，然后同新建路基工况按四次循环分级加载，并采集试验数据；
第二种强度衰减情况为在竖向水井中加水至碎石垫层顶面30cm；随着毛细水上升，竖向水井中的水位下降，间隔不断向竖向水井加水使之保持在30cm，直到水位不变化，测量路基不同深度的含水量，然后同第一种强度衰减情况按四次循环分级加载，并采集试验数据；
C.袖管注浆微型桩加固路基，路基加固布置六根微型桩，袖管注浆微型桩加固路基施工工艺如下：
（1）、钻孔：采用洛阳铲成孔，成孔深度1800mm，孔径100mm，垂直孔；
（2）、钢管加工：钢管长度1700mm，钢管上每隔300mm设置出浆孔，每孔位打四个孔，孔径5mm，然后在钢管外套橡胶封闭圈封住出浆孔；
（3）、下花管：插入花管，底部要封闭，并保持在钻孔中心，管口低于路基顶面10mm；
（4）、封孔：灌入封闭泥浆，封闭泥浆采用粘土水泥浆或膨润土水泥浆，水泥含量占土料的30%，泥浆的主要作用是封闭花管和孔壁之间的环状空间，并使浆液只在一个灌浆段范围内挤破封闭泥浆而进入地层；封闭泥浆浇注的好坏是保证注浆成功与否的关键，它要求既能在一定的压力下，压开填料进行横向注浆，又能在高压注浆时，阻止浆液沿孔壁或管壁流出地表，即要防止串浆又要兼顾开环；封闭泥浆灌满后，孔口顶部用水泥砂浆封孔30cm；
（5）、制浆：浆液选用纯水泥浆液，浆液水灰质量比采用0.5～0.55，搅拌均匀；
（6）、注浆：待封闭泥浆凝固后，在花管内插入带封孔器的注浆管至预定灌浆段，自下而上分段注浆，施工中注浆压力水泥浆液0.15Mpa；
（7）、终孔：灌浆压力逐级达到设计压力或吸浆量小于5L/min，注浆压力稳定20分钟后即可终止灌浆；
灌浆微型桩施工完成7天以后，采用四次循环分级加载，并采集试验数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中试验路基的填筑分12层填筑，包括以下步骤：
A.第一层为碎石垫层，填筑厚度为20cm，填筑完后整平，上铺一层土工布；
B.第二层至第十二层填筑粉土，采用电动冲击夯分层夯实，并检测每层填土的含水量、密度及压实度物理指标；
C.同时路基填筑过程中，根据各层填土的不同夯实遍数，通过土壤刚度/模量测试仪测量压实土的弹性模量，建立粉土压实度与弹性模量的关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中的设备仪器的安装与埋设，包括在路基填筑过程中根据实际设计在路基的不同位置埋设检测仪器，检测仪器埋设过程中通过水准测量精确标定仪器的具体深度；同时，路基填筑完成后，在路基边坡中间部分设置若干位移观测点，通过钢尺和水准仪检测边坡的水平及竖向位移。
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