CN114441435B - 模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置及试验方法，包括以下步骤：S1、采用砂雨法在模型箱中制备模型砂样，通过调节落砂高度控制模型砂样中砂土的初始密度和相对密实度；S2、对模型砂样施加竖向应力，实现模型砂样的固结，以模拟砂土的原位应力状态；S3、固结完成后，采用振冲器对模型砂样施加振冲荷载，调节振冲器在模型砂样中的贯入、上拔速度和分段留振时间，以模拟实际的振冲加固过程；S4、在振冲加固过程中，通过多通道的动态信号测试分析系统、阵列的孔压传感器、土压传感器、加速度传感器实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量。本发明能够模拟实际应力状态砂土的振冲试验过程。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程地基处理技术领域，尤其是指一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置及试验方法。
背景技术
振冲法广泛用于加固软弱地基，由于该法具有工艺简单、施工便捷、工期短、经济实用和效果显著等优点，在港口工程、水利工程、交通工程、建筑工程中得到了广泛的应用。
无填料振冲法是振冲法的一种，因其经济实用和不用“三材”(钢筋、水泥、砂子)等优点，目前已成为砂土地基最为常用的加固方法之一。无填料振冲法是利用振冲器的自重和水平振动贯入到砂土层中，依靠振冲器的强力重复水平振动使得砂层发生液化，砂土颗粒重新排列，孔隙减少，砂土层由松变密。已有研究结果表明，砂土的无填料振冲加固效果取决于砂土的性质(如初始相对密实度、应力状态)和振冲器性能(如振动力、振动频率等)等。
砂土振冲过程中，振冲器对地基土层的冲击或振动是一个能量转换、传递与耗散的复杂过程。现有技术中对于无填料振冲法对砂土的加固机制及其影响因素的研究仍然不够深入，部分学者采用室内模型试验进行研究，也有部分学者从波和能量的传播、动力液化、循环密实或者复合地基等角度进行研究，其中室内模型试验是一种重要的手段。
然而现有报道的振冲模型试验文献中，模型试验土样主要采用砂雨法制样，土样应力水平较低，远低于实际砂土地基的应力状态，模型试验加固后砂样的相对密实度指标偏低，不能有效反映现场实际情况。
因此急需开发一种模型试验装置，能够模拟实际应力状态砂土的振冲加固过程，从而确定最佳的振冲控制参数，为原位砂土的加固提供可靠依据。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中现有振冲模型试验无法满足实际要求的问题，提供一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置及试验方法，可用于在室内模拟实际应力状态砂土的振冲试验过程，为研究砂土地基的振冲加固效果和加固机理提供可靠的技术支撑。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，包括以下步骤：
S1、采用砂雨法在模型箱中制备模型砂样，通过调节落砂高度控制模型砂样中砂土的初始密度和相对密实度；
S2、对模型砂样施加竖向应力，实现模型砂样的固结，以模拟砂土的原位应力状态；
S3、固结完成后，采用振冲器对模型砂样施加振冲荷载，调节振冲器在模型砂样中的贯入、上拔速度和分段留振时间，以模拟实际的振冲加固过程；
S4、在振冲加固过程中，通过多通道的动态信号测试分析系统、阵列的孔压传感器、土压传感器、加速度传感器实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量。
在本发明的一个实施例中，所述S1包括以下步骤：
S1-1、对砂土密度与落砂距离的关系进行标定，得到落砂高度与砂土相对密实度的关系；
S1-2、分多层向模拟箱内装入砂土，根据落砂高度与砂土相对密实度的关系控制落砂位置与落砂面的距离，使砂土的初始密度为松散或中密状态，其砂土对应的密实度为Dr＝0.3～0.75；
S1-3、在模型砂样制备完成后，在模型箱内从模型砂样的底部注水，直到水面到达模型砂样表面，使模型砂样缓慢饱和。
在本发明的一个实施例中，在步骤S1中，用于制备模型砂样的砂土包括粗砂、中砂、细沙和粉砂。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，在施加竖向应力的过程中，对模型砂样的竖向变形进行监测，使模型砂样受到的应力状态与原位应力状态相同。
在本发明的一个实施例中，在步骤S2中，施加竖向应力的大小为10kPa～400kPa。
在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，所述振冲器完成振冲加固的过程包括：
S3-1、控制所述振冲器匀速贯入到装满模型砂样模型箱的底部，在模型箱底部留振；
S3-2、控制所述振冲器从模型箱底部分段匀速上拔到模型砂样表面，完成一次振冲；在上拔的过程中，每次分段上拔后留振，控制分段长度为0.1～0.15m，控制留振时间为10～15s；
S3-3、在完成一次振冲后，间隔24h重复上述S3-1和S3-2进行下一次振冲。
在本发明的一个实施例中，在步骤S3中，所述振冲器的直径为50mm或75mm,功率为2.2kW-10kW，振动频率为50Hz-200Hz。
在本发明的一个实施例中，所述孔压传感器分层设置在模型箱不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器振冲路径不同的孔压传感器，所述孔压传感器实时监测振冲试验过程的超静孔压发展和消散过程；
所述土压传感器分层设置在模型箱不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器振冲路径不同的土压传感器，所述土压传感器实时监测振冲过程中的动土压力变化过程；
所述加速度传感器分层设置在模型箱不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器振冲路径不同的加速度传感器，所述加速度传感器实时监测振冲过程中砂土的振动特性。
在本发明的一个实施例中，还包括步骤S5，在振冲前和振冲后的24h，分别在距离振冲器振冲路径不同间距的位置开展静力触探实验，所述静力触探检测深度从模型砂样表面到模型箱底部，进而对原位应力状态砂土的振冲加固效果进行评估。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置，用于实现试验方法，所述试验装置包括：
模型箱；
砂雨制样系统，在所述模型箱内制备模型砂样；
竖向应力加载系统，向所述模型砂样施加竖向固结应力；
振冲器，对模型砂样施加振冲荷载；
振冲器编码控制器，调节振冲器在模型砂样中的贯入、上拔速度和分段留振时间；
饱和水箱，与模型箱的底部连通，向模型箱内注水，实现模型砂样的缓慢饱和；
传感器及动态信号测试分析系统，包括阵列的孔压传感器、土压传感器、加速度传感器，通过孔压传感器、土压传感器、加速度传感器采集信号上传至动态信号测试分析系统，实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1、本发明的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法采用砂雨法在模型箱中制备模型砂样，通过调节落砂高度控制模型砂样中砂土的初始密度和相对密实度、并对模型砂样施加竖向应力，实现模型砂样的固结，通过上述处理可用于制作与天然地基应力状态和饱和度一致的模型砂样。
2、本发明的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，通过对振冲器的控制，可用于模拟模型砂样振冲器的匀速下沉、留振和上拔过程，并可以精确调节和控制振冲器贯入到模型砂样的速度和分段留振时间。
3、本发明的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，通过在模型箱中布置阵列的孔压传感器、土压传感器、加速度传感器采集原位实施数据，通过连接动态信号测试分析系统，可实现砂土振冲过程中多物理量的实时监测。
4、本发明的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法在试验过程中可对模型砂样试样施加不同竖向应力，通过测试分析砂土的孔压发展消散规律，动土压力变化规律，加速度峰值等参数，掌握不同应力状态砂土地基的振冲加固机理。
5、本发明的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法可操作性强，模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方装置可重复性强，可控制变量多，可以根据实际的状态，通过对变量的控制模拟不同的原位砂土的状态，并且能够通过对单一变量的调整进行对比试验。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1本发明的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法的步骤流程图；
图2是本发明的模型箱中采用砂雨法制样的试验装置构造图；
图3是本发明的向模型砂样施加竖向应力的加载装置构造图；
图4是本发明的砂样无填料振冲模型试验装置图。
说明书附图标记说明：1、模型箱；2、撒砂支架；3、电葫芦；4、钢丝绳；5、砂筒；6、砂嘴；7、撒砂导引装置；8、撒砂支架导轮；9、进水阀；10、出水阀；11、气缸；12、调压阀；13、反力架；14、数显百分表；15、加载杆；16、金属透水石；17、空气压缩机；18、模型砂样；19、振冲器；20、振冲器编码控制器；21、饱和水箱；22、振冲支架；23、滑轮；24、孔压传感器；25、土压传感器；26、加速度传感器；27、动态信号测试分析系统；28、振冲支架导轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
参照图1所示，本发明的一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，包括以下步骤：
S1、采用砂雨法在模型箱1中制备模型砂样18，通过调节落砂高度控制模型砂样18中砂土的初始密度和相对密实度；
在本实施例中，采用制备模型砂样18的具体过程为：
首先，采用人工制备的模型砂样18想要与实际地基中的砂土状态相似，就需要控制模型砂样18中砂土的密度和初始密实度，经过多次试验研究，分别采用不同的落砂方式制备模型砂样18，发现通过砂雨法落砂制备的模型砂样18与原位砂土最为相似，并且，在实验中控制砂雨法中的落砂变量，包括落砂高度、落砂速度和落砂角度，发现通过改变落砂高度对制备的模型砂样18中砂土的密度和初始密实度的影响最大，并且，发现落砂高度的变化与砂土的密度和初始密实度变化的情况也呈现一定的对应关系，其落砂高度越高，其砂土的密度和初始密实度越大，通过多次的实验，采用不同高度落砂后，对模型砂样18中砂土的密度和初始密实度进行测量，对砂土密度和初始密实度与落砂高度的关系进行标定，从而得到落砂高度与砂土相对密实度的关系；
然后，根据已经得到落砂高度与砂土相对密实度的关系控制落砂位置与落砂面的距离，使砂土的初始密度为松散或中密状态，其砂土对应的密实度Dr＝0.3～0.75，具体地，在通过砂雨法向模型箱1中落砂的过程中，分多层向模型箱1中装入砂样，控制落砂的位置在模型箱1上方不断的移动，保证在模型箱1内均匀落砂，并且，根据实际情况，确定想要得到砂土的密实度，根据密实度的值确定落砂高度的值，在落砂的过程中，根据落砂的速度，不断向上调节落砂高度，保证落砂的位置与模型箱1中模型砂样18的高度始终保持在预设的高度值；
最后，通过上述砂雨法制备的模型砂样18，实际上是一种干砂样，与实际的原位砂土状态还存在一定的差异，为了尽可能的模拟原位砂土的状态，在模型砂样18制备完成后，在模型箱1内从模型砂样18的底部注水，直到水面到达模型砂样18表面，使模型砂样18缓慢饱和。
具体地，在原位地基中，不同位置的地基砂土的状态也不同，在步骤S1中，用于制备模型砂样18的砂土包括粗砂、中砂、细沙和粉砂等，可用于制作与天然地基应力状态和饱和度一致的模型砂样18。
S2、对模型砂样18施加竖向应力，实现模型砂样18的固结，以模拟砂土的原位应力状态；
具体地，通过上述砂雨法制备的模型砂样18，砂样应力水平较低，远低于实际砂土地基的应力状态，模型试验加固后砂样的相对密实度指标偏低，不能有效反映现场实际情况，因此，本发明在施加振冲荷载前，对模型砂样18进行竖向应力的施压，并且在施加竖向应力的过程中，对模型砂样18的竖向变形进行监测，根据竖向变形的情况判断模型砂样18受到的应力状态，通过控制施加竖向应力的大小为10kPa～400kPa，使模型砂样受到的应力状态与原位应力状态相同。
S3、固结完成后，采用振冲器19对模型砂样18施加振冲荷载，调节振冲器19在模型砂样18中的贯入、上拔速度和分段留振时间，以模拟实际的振冲加固过程；
在本实施例中，采用振冲器19施加振冲荷载的具体过程为：
对通过上述步骤制备的模型砂样18采用从下到上的留振的方式施加振冲荷载，首先控制所述振冲器19从模型砂样18上方正中心的位置匀速贯入到装满模型砂样18的模型箱1底部，在模型箱1底部留振，具体的贯入速度为：0.5～1.5m/s，具体的留振时间为30s～60s，所述贯入速度和留振时间根据实际的模型砂样18的情况进行调节；
在对模型砂样18的底部完成留振后，控制所述振冲器19从模型箱1底部分段匀速上拔到模型砂样18表面，完成一次振冲；在上拔的过程中，每次分段上拔后留振，具体的，上拔速度为：0.5～1.5m/s，分段上拔长度为0.1～0.15m，留振时间为10～15s，所述上拔速度、上拔长度和留振时间根据实际的模型砂样18的情况进行调节；
在完成一次振冲后，间隔24h重复上述步骤S3-1和S3-2进行下一次振冲，根据实际的测试需求，复振的次数可选取5～10次，用于研究不同振冲次数对模型砂样的加固效果。
具体地，为了达到振冲的要求，步骤S3中，选取的振冲器19的直径为50mm或75mm，功率为2.2kW-10kW，振动频率为50Hz-200Hz，所述振冲器19采用振捣器作为振冲激励源，是由偏心转子高速转动产生偏心力和振动，并通过壳体传递给周围砂土。
S4、在振冲加固过程中，通过多通道的动态信号测试分析系统27、阵列的孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量；
具体地，所述孔压传感器24分层设置在模型箱1不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器19振冲路径不同的孔压传感器24，所述孔压传感器24实时监测振冲试验过程的超静孔压发展和消散过程；
所述土压传感器25分层设置在模型箱1不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器19振冲路径不同的土压传感器25，所述土压传感器25实时监测振冲过程中的动土压力变化过程；
所述加速度传感器26分层设置在模型箱1不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器19振冲路径不同的加速度传感器26，所述加速度传感器26实时监测振冲过程中砂土的振动特性；
通过阵列的孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26采集距离振冲器19不同位置的土壤状态，将采集的数据上传至多通道的动态信号测试分析系统27，通过多通道的动态信号测试分析系统27，测试和分析模型砂样振冲过程中位于不同位置的动态应力、孔压、变形和加速度等物理量。
具体地，本实施例的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，不仅能够研究振冲过程中地基的振冲加固机理，还可以对对振冲效果进行研究，为此，本实施例中还包括步骤S5，在振冲前和振冲后的24h，分别在距离振冲器19振冲路径不同间距的位置开展静力触探实验，所述静力触探检测深度从模型砂样18表面到模型箱1底部，进而对原位应力状态砂土的振冲加固效果进行评估。
本实施例的一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲模型试验方法：首先采用砂雨法在模型箱1中制样，通过落砂高度可控制砂土的初始密度和相对密实度；采用应力加载系统对模型砂样18施加竖向应力，以模拟砂土的实际应力状态；采用振冲器19匀速贯入到模型箱1底部并进行留振，然后分段匀速提升到砂样表面，完成一遍振冲，并且在每遍振冲结束后24h后进行下一遍振冲；在振冲的过程中，通过多通道的动态信号测试分析系统27、阵列的孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量，对振冲加固机理进行研究；在振冲前和每遍振冲结束后24小时，分别在距离振冲器19不同位置的砂土中开展静力触探试验，对振冲加固效果进行评估。
具体地，采用本实施例的试验方法，试验过程中可以采用控制变量法，可对模型砂样18施加不同竖向应力，通过测试分析砂土的孔压发展消散规律，动土压力变化规律，加速度峰值等参数，掌握不同应力状态模型砂样的振冲加固机理；也可以采用数据对比的方法通过比较振冲加固效果，可评估应力状态对砂土振冲加固效果的影响规律。
实施例2
为了能够完成上述试验方法，本发明还提供了一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置，用于实现试验方法，所述试验装置包括：
模型箱1；
砂雨制样系统，在所述模型箱1内制备模型砂样18；
竖向应力加载系统，向所述模型砂样18施加竖向固结应力；
振冲器19，对模型砂样18施加振冲荷载；
振冲器编码控制器20，调节振冲器19在模型砂样18中的贯入、上拔速度和分段留振时间；
饱和水箱21，与模型箱1的底部连通，向模型箱1内注水，实现模型砂样18的缓慢饱和；
传感器及动态信号测试分析系统27，所述传感器包括阵列的孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26，通过孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26采集信号上传至动态信号测试分析系统27，实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量。
参照图2和图4所示，本实施例所述的模型箱1为半封闭式箱体，在所述箱体的上方设置有敞口，在所述箱体的底部设置有进水阀9和出水阀10，其中所述进水阀9与饱和水箱21连通，通过饱和水箱21能够向箱体内注水，从而能够完成上述试验方法中，在模型箱1内从模型砂样18的底部注水，直到水面到达模型砂样18表面，使模型砂样18缓慢饱和；
具体地，所述箱体的材质为钢板，具有足够的刚度，在砂样固结和后续振冲作用下不会产生变形；箱体的上边外沿布置预留孔，便于后期架设静力触探检测仪器；箱体的底部和四周贴有泡沫材料，以减少振冲反射波对测试数据的影响。
为了完成砂雨法制备模型砂样18的要求，本实施例中所述砂雨制样系统包括撒砂支架2，设置撒砂支架2上的电葫芦3，所述电葫芦3通过钢丝绳4连接有悬挂的砂筒5，所述砂筒5底部设置有能够落砂的砂嘴6，所述砂嘴6设置在模型箱1的上方，通过所述砂嘴6向模型箱1内落砂；
具体地，在落砂的过程中，控制落砂的位置在模型箱1上方不断的移动，保证在模型箱1内均匀落砂，本实施例中，在所述撒砂支架2的下方还设置有撒砂支架导轮8，并且在所述模型箱1的上方设置有撒砂导引装置7，通过撒砂导引装置7带动砂筒5移动，从而达到控制落砂位置的目的。
参照图3所示，为了能够对模型砂样18施加竖向应力，实现模型砂样18的固结，以模拟砂土的原位应力状态，本实施例公开了一种竖向应力加载系统，所述竖向应力加载系统包括能够架设在模型箱1上方的反力架13，在所述反力架13上设置有向所述模型箱1中施加竖向压力的加载杆15，在所述加载杆15远离模型箱1的一端设置有气缸11和调压阀12，所述气缸11连接有空气压缩机17，所述空气压缩机17为气缸11提供驱动力，通过调压阀12控制驱动力的大小，从而调节施加竖向压力的大小，在所述加载杆15靠接模型箱1的一端设置有与所述模型箱1的敞口大小相同的压板，在所述模型砂样18上放置金属透水石16，所述压板能够通过所述敞口插入到模型箱1中压在金属透水石16上，对模型箱1中的模型砂样18进行施压；
具体地，为了能够对模型砂样18的形变进行监控，在所述加载杆15上还设置有数显百分表14，实时测量模型砂样18高度的变化情况，确定模型砂样18的形变情况，从而确定模型砂样18受到的应力变化情况。
参照图4所示，为了完成上述试验方法中施加振冲荷载的步骤，在本实施例中公开了一种振冲试验装置，所述振冲试验装置包括能够架设在模型箱1上方的振冲支架22，设置在所述振冲支架22上的滑轮23，所述滑轮23上设置有滑轮绳，所述滑轮绳的一端连接有振冲器19，所述滑轮绳的另一端连接有振冲器编码控制器20，通过振冲器编码控制器20控制所述振冲器19在模型砂样18中的贯入、上拔速度和分段留振时间，以模拟实际的振冲加固过程；
具体地，为了能够控制所述振冲器19从模型砂样18的正中心位置贯入，在所述振冲支架22的下方设置有带动所述振冲支架22移动的振冲支架导轮28，通过所述振冲支架导轮28带动振冲支架22移动，将所述振冲器19移动到模型砂样18的正中心位置的上方。
为了能够实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量，参照图4所示，本实施例中，所述孔压传感器24分层设置在模型箱1不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器19振冲路径不同的孔压传感器24，所述孔压传感器24实时监测振冲试验过程的超静孔压发展和消散过程；所述土压传感器25分层设置在模型箱1不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器19振冲路径不同的土压传感器25，所述土压传感器25实时监测振冲过程中的动土压力变化过程；所述加速度传感器26分层设置在模型箱1不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器19振冲路径不同的加速度传感器26，所述加速度传感器26实时监测振冲过程中砂土的振动特性，所述孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26均与动态信号测试分析系统27电连接，将采集的数据上传至多通道的动态信号测试分析系统27，通过多通道的动态信号测试分析系统27，测试和分析模型砂样振冲过程中位于不同位置的动态应力、孔压、变形和加速度等物理量。
使用实施例2公开的试验装置，采用实施例1公开的试验方法，对本发明具体的试验方法进一步说明，包括以下步骤：
(1)首先通过撒砂支架导轮8调整撒砂支架2与模型箱1的相对位置，采用砂雨法制样，将砂土装入到砂筒5中，采用电葫芦3和钢丝绳4起吊砂筒5，并封住砂嘴6的出砂口。
(2)对砂土密度与落雨距离的关系进行标定，得到砂土落雨高度与砂土相对密实度的关系。
(3)分8层向模型箱1中装入砂土，使每层砂土的高度保持在10cm左右，撒砂过程中采用撒砂导引装置7来控制砂嘴6的行进路径，通过电葫芦3丝拉动钢丝绳4调节砂嘴6和砂面的距离来控制模型箱1中模型砂样18的密实度，所述密实度可取为0.3～0.75，装样过程中关闭进水阀9和出水阀10。
(4)在砂土装样过程中布置阵列的孔压传感器24、土压传感器25、加速度传感器26，其中，孔压传感器24和土压传感器25的高度分别为距离模型箱1底部0.2m、0.4m、0.6m，水平位置距离振冲中心0.2m、0.35m，加速度传感器26的高度为距离模型箱1底部0.5m，水平位置距离振冲中心0.1m、0.2m、0.3m、0.35m，传感器的布置位置采用直尺测量，确保位置准确。
(5)采用导管连接饱和水箱21和模型箱1，打开进水阀9，关闭出水阀10，从底部使模型砂样18缓慢饱和，当水头到达模型箱1砂土表面后，关闭进水阀9。
(6)对模型砂样18施加竖向固结应力，调节反力架13和模型箱1的相对位置，连接空气压缩机17和气缸11，通过气缸11推动加载杆15向模型砂样18施加竖向应力，通过调节调压阀12控制施加竖向压力的大小，在模型砂样18表面放置金属透水石16，采用数显百分表14测试模型砂样18的竖向变形量，试验过程中进行单向固结，固结应力可取为10kPa-400kPa，保证模型砂样18在竖向应力作用下固结完成。
(7)通过振冲支架导轮28调节振冲支架22和模型箱1的相对位置，保证振冲器19位于模型箱1中模型砂样18的正中心的上方，通过滑轮23和滑轮绳调节振冲器19的高度，打开振冲器编码控制器20，振冲器19在水平振动、自重和振冲器编码控制器20的控制下以1m/min的速度贯入到模型箱1底部留振30s，然后以0.1m的间隔以1m/mi n的上升速度分段匀速上拔振冲器19，在每段上拔位置均进行留振15s，完成一次振冲。
(8)在每遍振冲结束后，间隔24h后进行下一遍振冲，复振次数可取为5-10次。
(9)试验过程中采用多通道的动态信号测试分析系统27，自动记录振冲器19下沉、留振和上拔过程中的超静孔压、水平土压力和加速度等物理量，进而分析原位应力状态砂土的振冲加固机理。
(10)在振冲前和每遍振冲结束后24小时，分别在距离振冲器19长度分为为0.2、0.3m、0.4m处开展静力触探试验，静力触探检测深度从模型砂样18表面到模型箱1底部，进而对原位应力状态砂土的振冲加固效果进行评估。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用砂雨法在模型箱中制备模型砂样，通过调节落砂高度控制模型砂样中砂土的初始密度和相对密实度；
S2、对模型砂样施加竖向应力，实现模型砂样的固结，以模拟砂土的原位应力状态；
S3、固结完成后，采用振冲器对模型砂样施加振冲荷载，调节振冲器在模型砂样中的贯入、上拔速度和分段留振时间，以模拟实际的振冲加固过程；
S4、在振冲加固过程中，通过多通道的动态信号测试分析系统、阵列的孔压传感器、土压传感器、加速度传感器实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量；
所述孔压传感器分层设置在模型箱不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器振冲路径不同的孔压传感器，所述孔压传感器实时监测振冲试验过程的超静孔压发展和消散过程；
所述土压传感器分层设置在模型箱不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器振冲路径不同的土压传感器，所述土压传感器实时监测振冲过程中的动土压力变化过程；
所述加速度传感器分层设置在模型箱不同高度位置上，每层设置有多个距离振冲器振冲路径不同的加速度传感器，所述加速度传感器实时监测振冲过程中砂土的振动特性。
2.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：所述S1包括以下步骤：
S1-1、对砂土密度与落砂距离的关系进行标定，得到落砂高度与砂土相对密实度的关系；
S1-2、分多层向模型箱内装入砂土，根据落砂高度与砂土相对密实度的关系控制落砂位置与落砂面的距离，使砂土的初始密度为松散或中密状态，其砂土对应的密实度为Dr＝0.3～0.75；
S1-3、在模型砂样制备完成后，在模型箱内从模型砂样的底部注水，直到水面到达模型砂样表面，使模型砂样缓慢饱和。
3.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：在步骤S1中，用于制备模型砂样的砂土包括粗砂、中砂、细沙和粉砂。
4.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：在步骤S2中，在施加竖向应力的过程中，对模型砂样的竖向变形进行监测，使模型砂样受到的应力状态与原应力状态相同。
5.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：在步骤S2中，施加竖向应力的大小为10kPa～400kPa。
6.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：在步骤S3中，所述振冲器完成振冲加固的过程包括：
S3-1、控制所述振冲器匀速贯入到装满模型砂样模型箱的底部，在模型箱底部留振；
S3-2、控制所述振冲器从模型箱底部分段匀速上拔到模型砂样表面，完成一次振冲；在上拔的过程中，每次分段上拔后留振，控制分段长度为0.1～0.15m，控制留振时间为10～15s；
S3-3、在完成一次振冲后，间隔24h重复上述S3-1和S3-2进行下一次振冲。
7.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：在步骤S3中，所述振冲器的直径为50mm或75mm，功率为2.2kW-10kW，振动频率为50Hz-200Hz。
8.根据权利要求1所述的模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验方法，其特征在于：还包括步骤S5，在振冲前和振冲后的24h，分别在距离振冲器振冲路径不同间距的位置开展静力触探实验，所述静力触探检测深度从模型砂样表面到模型箱底部，进而对原位应力状态砂土的振冲加固效果进行评估。
9.一种模拟原位应力状态砂土的无填料振冲试验装置，其特征在于：用于实现上述权利要求1-8任意一项所述的试验方法，所述试验装置包括：
模型箱；
砂雨制样系统，在所述模型箱内制备模型砂样；
竖向应力加载系统，向所述模型砂样施加竖向固结应力；
振冲器，对模型砂样施加振冲荷载；
振冲器编码控制器，调节振冲器在模型砂样中的贯入、上拔速度和分段留振时间；
饱和水箱，与模型箱的底部连通，向模型箱内注水，实现模型砂样的缓慢饱和；
传感器及动态信号测试分析系统，包括阵列的孔压传感器、土压传感器、加速度传感器，通过孔压传感器、土压传感器、加速度传感器采集信号上传至动态信号测试分析系统，实时监测振冲作用下模型砂样的动土应力、孔压和加速度的物理量。
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