动力排水固结模型试验装置的研制.pdf

工程地质 学报 1 0 0 4 9 6 6 5 2 0 0 9 1 7 ( 4 ) - 0 5 7 4 - 0 6 动力排水 固结模型试验装置 的研 制 李丽慧 王珊珊 魏 欣 余文龙 胡瑞林 ( 中国科学院工程地质力学重点实验室北京1 0 0 0 2 9 ) 摘要为了实现大尺度室内模拟动力排水固结法来加固吹填粘性土， 本文特设计了室内试验装置。该装置由模型槽、 动力 装置、 夯锤以及监测和数据采集系统等 4部分组成， 其主要特点有 ： ( 1 ) 可同时实现半模和全模试验 ， 可模拟单点夯和全夯 ， 弥 补了目前只有半模或 1 4模和单点夯等小尺度模型试验的缺陷； ( 2 ) 可实现实时观察立面裂隙、 特征点的变化， 对孔压、 位移、 动应力等进行实时监测和采集； ( 3 ) 可实现 自动起吊和 自动脱锤 ， 可以很好地模拟现场施工工况 ； ( 4 ) 可实现以下加固工况的 模拟实验： 不同的夯击参数、 不同的加固土层厚度、 不同的排水方式等， 从而达到不同加固方案的对比， 优化加固方案； ( 5 ) 拆 装方便， 还可用于模拟边坡、 路基、 挡墙、 滑坡等， 适用性较广。目前利用该模型装置已进行了两组不同排水系统的模型夯击 试验， 试验设备运行良好， 可满足试验要求。 关键词动力排水固结软粘土室内模型试验模型装置 中图分类号 ： P 6 4 2 文献标识码 ： A DEVELoP=MENT oF EXPER】 c c ENTAL APPRAPUS FoR LARGE DYNAM I CAL CoNS oLI DATI oN T ES T W I TH DRAD LI L i h u i WANG S h a ns ha n W EI Xi n YU W e n l o n g HU Ru i l i n ( K e y L a b o r a t o r y o fG e o l o g y a n d G e o p h y s w a s ，C A S ， B e n g 1 0 0 0 2 9 ) Ab s t r a c t An e x p e ri me n t a l a p p a r a t u s f o r l arg e d y n a mi c al c o n s o l i d a t i o n wi t h d r a i n i s d e v e l o p e d I t c a n b e u s e d t o c a r r y o u t t h e l a b o r a t o r y mo de l t e s t t o c o n s o l i da t e t h e d r e d g e r f i UTh e a pp ara t u s i n c l u d e s s o i l c o n t a i n e r ，l i f t i n g a p - p l i a n c e ，h a mm e r t a n s ， m e a s u r i n g a n d d a t a a c q u i s i t i o n u n i t s T h e m a i n c h a r a c t e ri s t i c s o f the e q u i p me n t are ： ( 1 ) I t c a n r e ali z e b o th h a l f mo d e l a n d c o mp l e t e mo d e l t e s t s a n d c a n s i mu l a t e mu l t i - p o i n t s r a mme r b e s i d e s o n e 。 p o i n t r a m m e r ( 2 )I t c a n r e a l i z e r e alt i me o b s e r v a t i o n o f t h e v e r t i c a l f r a c t u r e s i n s o i l a n d the mo v e me n t s o f m e a s u ri n g p o i n t s I t als o c a n t a k e r e a lt i me me a s u rin g a n d d a t a a c q ui s i t i o n o f p o r e p r e s s。d i s p l a c e me n t a n d a c t i v e s t r e s s ( 3 ) I t c a n s i m u l a t e the fi e l d c o n s t r u c t i o n q u i t e w e l l t h r o u g h a u t o ma t i c l i f t i n g and r a m mi n g ( 4 )D i ff e r e n t c o n s o l i d a t i 0 n me t h o d s s u c h a s t e s t s wi t h d iff e r e n t r a mmi n g pa r a me t e r s 。 d iff e r e n t t h i c k n e s s o f c o n s o l i d a t e d s o i l ， d iffe r e n t d r a i n a g e s y s t e m e t c c a n b e mo d e l e d wi th the a p p ara t us Th e mo de l t e s t r e s ul t s c a n p r o v i d e t h e be s t d e s i g n p a r a me 。 t e rs。 i e t I l e b e s t p ara m e t e rs u s e d i n t h e fi e l d d y n am i c c o n s o l i d a t i o n wit h d r a i n s t o c o n s o l i d a t e s o f t c l a y s o i l ；( 5 ) Th e e q u i p me n t i s v e ry c o nv e n i e n t t o d i s man t l e a n d c o mb i n e I t c a n be u s e d t o s i mu l a t e man y s i t u a t i o n s s uc h a s s l o p e，r o a d b e d-r e t a i n i n g wa l l a n d l and s l i d e T w o mo d e l t e s t s with d i ff e r e n t d r ain a g e s y s t e ms h a v e b e e n c a r r i e d o u t u s i n g t h e a p p a r a t u s Th e a p p ara t u s k e p t a g o o d w o r k i n g s t a t e d u r i n g the l o n g t e s t p e ri o d o f 6 mo n t h s Ke y wo r d s Dy na mi c c o n s o l i d a t i o n wi th d r ain。S o ft c l a y，L a b o r a t o ry mo d e l t e s t ，S o f t s o i l t r e a t me n t 收稿日期： 2 0 0 8 1 2 0 3 ； 收到修改稿 13 期： 2 0 0 9 - 0 2 1 2 基金项 目： 国家 自然科学基金( N o 4 0 5 7 2 1 5 6 ) ， 中国博 士后科学基金 ( N o 2 0 0 6 0 3 9 0 5 1 9) 第一作者简介 ： 李 丽慧， 主要从事工程地质学 、 土力学和岩石力学方面的研究 E ma i l ： l h l i2 9 4 2 ma i l i g c a s a c - c n 1 7 ( 4 ) 李丽慧等： 动力排水固结模型试验装置的研帝 】 5 7 5 1 引 言 动力排水固结法( 又称静动力排水固结法) 是 近年来发展起来的一种软土地基处理新技术 ， 具有 处理质量好 、 投资低、 工期短 的显著特点 ， 对于淤泥 与淤泥质土的处理， 具有显著优势。它是在传统的 强夯( 动力 固结 ) 法和堆载预压及排水固结法基础 上发展起来的。该法是在软土地基中设置竖向排水 体( 砂桩、 袋装砂井、 塑料排水板等) ， 表面铺设砂垫 层 ， 利用夯锤给地基土施加冲击荷载 ， 在土体中形成 超静孔隙水压力， 并使水沿着设 置在土体中的排水 通道排出， 引起土体快速固结， 从而达到地基加固的 目的 】 。该方法 自 2 0世纪 9 0年代初推 出以来 ， 已在我国沿海地区、 甚至于内陆地区都得到了成功 的应用， 特别适合于大面积软土地基 ( 如机场、 大型 厂房、 高速公路、 铁路等地基) 的处理 卜 m 。 该方法自产生之后便具有了强大的生命力和广 泛的适用性 ， 并得到了国内外有关学者和工程界人 士的关注。众多学者对该方法的加 固机 理、 加 固效 果、 计算理论、 数值模拟、 现场试验以及室内试验等 方面进行了较深 入的研究 ， 并取得了显著的成果。 在室内试验方面 ， 白冰、 刘祖德 利用 自行设计改 造 的允许试样有侧 向变形的动力排水固结装置 ， 对 不同围压 、 不同冲击能作用下饱和粘土的变形、 孔隙 水压力的增长和消散， 再固结体应变的发生和强度 增长等问题进行了大量的室内试验； 孟庆山 在应 变式三轴剪力仪加入了冲击装置、 量测系统和采集 系统， 研究了不同夯击参数下饱和软粘土的性状， 得 出该条件下淤泥的不同深度 、 距离的孔隙水压力、 土 压力的变化规律。上述研究均取得了有意义 的研究 成果 ， 但由于三轴仪本身的局限性 ， 实验成果并不能 反映土体的真实性状。曾庆军 等利用圆形钢桶 ( 直径2 6 m ， 高3 4 c m ) 的模型试验， 研究了冲击荷载 在不同击数、 落高下饱和软粘土孔压增长和消散规 律的一维模 型 试 验； 薛 茹 等 人设 计 了模 型 箱 ( 3 0 c m3 0 e ra x 4 0 c m) 对不同夯击参数下孔隙水压 力的长消规律进行了研究。但上述模型试验只能进 行一维 、 半模或 1 4模试验 ， 且为单点夯试验， 与现 场实际工况有较大的差距。 基于以上考虑 ， 本文设计了大尺度动力排水 固 结模型试验装置， 期望对动力排水 固结试验机理能 有更深入的了解和认识 。 2 试验装置 设计的试验装置主要包括 ： 模型槽、 起 吊装置 、 夯锤和监测及数据采集设备等( 图 1 ) 。 图 l 模型装置图 F i g 1 T h e ma p o f t h e mo d e l t e s t e q u i p me n t a p p a r a t u s 1 模型槽； 2 支撑架； 3 轨道； 4 横梁； 5 吊具( 电葫芦) ； 6 电磁式自动脱锤装置； 7 夯锤； 8 定位杆； 9 转动手柄； 1 O 支撑底座 5 7 6 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质 学报2 0 0 9 2 1 模型槽 根据试验要求和模型相似理论， 模型槽尺寸设 计为长 X 宽 X 高 = 1 0 0 c m x 1 0 0 c m 1 2 0 c m 。模型槽 的底板采用钢板， 其余各侧板采用有机玻璃。其中 钢板的厚度为 g ra m， 有机玻璃厚度为 1 0 m m， 模型槽 2 2 动力装置 排 水孔 扁 钢 角 钢 ： _ L I l - L L L L l I “-LL 一 斗_ _ ： 上， ： l I -LL LL l 1 ： L L I l ： _ L l I 一 - L L LL l 1 ： l I ： l l f f LL - LL f ： l I ： L L l I 士 吐J 亡 白 I I ： _ L I I LL t I l ： f f f I I I L L I l f L L I l ： - L l l 四周的骨架采用角钢， 以固定有机玻璃 ， 模型槽的侧 板均可拆卸 ， 且可以互相连接。 玻璃侧板上有3排排水孔， 每排4个孔， 孔径 = 1 8 5 m m， 孔距 1 9 0 mm。排水孔 分别布在距 模型 槽底板 0 c m、 5 0 c m和 1 0 0 c m高处。排水孔设置内 丝 ， 用 以与排水管连接( 图 2 ) 。 图2 模型槽示意图( 单位： In l n ) F i g 2 T h e s k e t c h o f t h e s o i l c o n t a i n e r a 模 型槽正视 图； b 立体效果 图 动力装置由夯架 、 吊具 ( 电葫芦 ) ， 电磁式 自动 脱锤装置和定位杆 4部分组成 ( 图 3 ) 。夯架由支撑 架、 轨道 、 横梁 和转 动手柄组成 。吊具安置在横梁 上， 转动手柄可使横梁沿着轨道转动， 横梁上的吊具 可沿着横梁作水平运动， 两者联合作用可实现夯点 的精确定位。吊具为电动葫芦 ， 可 以自动升 降和做 水平运动。脱锤装置为电磁式 自动脱锤装置， 可与 定位杆用螺丝连接， 使夯锤沿着定位杆 自由下落。 2 3 夯锤 夯锤采用圆形锤和半圆形锤( 图 4 ) 。根据模 型 相似 比， 共制作 了 2 4个夯锤 ， 各夯锤 的尺寸和重 量 见表 1 。 2 4 监测和数据采集设备 监测设备主要包括： 土压力计、 孔隙水压力计、 沉降标和集水器等。土压力计为微型 Y T一 2 0 0 G型 应变式微型土压力计， 孔压计为 Y T一 3 0 0 A标准型 钢弦式渗压计 ， 沉降标和集水器均 由有机玻璃制成 ， 数据采集仪为 Y D一 2 8 A型动态电阻应变仪和北京 波谱 WS U 6 0 1 1 6 数据采集仪， 部分监测和数据采 集装置如 图5所示。 图3动力装置示意图 F i g 3 T h e s k e t c h o f the l i f t i n g a p p l i a n c e 1 支撑架 ； 2 轨道 ； 3 横梁 ； 4 吊具 ( 电葫芦) ； 5 电磁式 自动脱锤装置； 6 定位杆； 7 转动手柄； 8 支撑底座 1 7 ( 4 ) 李丽慧等： 动力排水固结模型试验装置的研制 图 4夯锤照片 F i g 4 T h e p h o t o o f t h e h a mme r碍n s 表 1 夯锤的原型与模型参数 T a b l e 1 T h e p a r a me t e r s o f t h e h a mme r r a il u s e d i n mo d e l t e s t a n d s i t e w o r k 图5 监测和数据采集装置图 F i g 5 T h e a p p ara t u s o f me a s u r i n g an d d a t a a c q u i s i t i o n u n i t s a 沉降标 b 集水器； c 数据采集设备 3 试验设备功能与特点 助于 埋设的 仪 器 进行观测 外， 在紧 贴模型 槽侧壁处 可以布设特征观测点， 用来观测土体沉降量的变化 、 土体裂缝的变化以及水分的迁移规律等。 验设备与其他国内外有关设备相比， 具有 3 3 夯点精确定位 以下特点 ： 3 1 全模试验 本模型槽尺寸为 1 0 0 c m x 1 0 0 c m1 2 0 c m， 夯锤 的最大直径为 2 5 c m， 最小为 1 0 c m。根据夯点布置 原则( 图6 ) 。从 图 6中可以看出， 该模型槽完全可 以实现群夯试验。 3 2实时观测 模型槽的四壁均为有机玻璃 ， 提供了实时观测 的有利条件。除了土体内部的特征值的变化需要借 本装置采用水平和垂直双重定位方法来达到夯 点的精确定位( 图7 ) 。横梁沿轨道作水平移动的运 动轨迹近似为弧线 ， 电葫芦沿横梁作水平运动的运 动轨迹为射线， 两者的交点即为夯点位置。由于横 梁和电葫芦 的运动为任意尺度 的， 因此可 以进行任 意位置处的夯点定位。横梁在轨道上的移动通过转 动手柄来完成， 电葫芦在横梁上的移动可由电动开 关控制。 5 7 8 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程 地质学报2 0 0 9 夯 锤直 径 2 0 c m 夯 锤直 径 1 0 c m O 第 一 遍 夯 夯 坑 位 置 第 二 遍 夯 夯 坑 位 置 第 三 遍 夯 夯 坑 位 置 图6 模型试验夯坑位置( 单位 ： 1 3 fl i n ) F i g 6 T h e s k e t c h o f t h e d i s t r i b u t i o n o f t a mp i n g p o i n t s 葫芦 图7 模型试验装置夯点定位方法 Fi g 7 Th e po s i ti o ni ng o f t am p i n g po i n t s 3 4 自动脱锤功能 本模型装置的动力装置由吊具( 电葫芦) 和电 磁式 自动脱锤装置构成 ， 夯锤 的起 吊和脱锤完全可 以用电动开关控制 ， 达到 自动起 吊和 自动脱锤。 3 5 多工况模拟 该模型装置中特考虑了现场不同的施工工艺 ， 即可以模拟不同的排水设施、 不同的夯击参数， 不同 的土层厚度等工况。 夯击参数 ： 本模型装置的最大落距为 2 5 m， 锤 重和底面半径如表 1 所示。可以实现不同落矩和锤 重的组合 ， 以实现不 同夯击能参数 ， 实际夯击能参数 应乘上相似系数 。 排水系统 ： 模型槽四壁均布有三排排水孔 ， 每排 4个孔 。可以实现底部 、 中部和上部 水平排水系统 的布设 ， 也可 以插设竖 向排水系统 ， 组成水平与垂直 联合排水系统等 。 不 同的加 固厚度 ： 由于模型槽布设 了三排排水 孔 ， 最小加 固厚度 为 5 0 c m， 最大加固厚度为 1 2 m， 实际加固厚度应乘上相似系数。 3 6 适用性广 本实验设备的密封性好 ， 且易于拆卸 ， 除可以满 足多种土质的动力排水 固结模型试验外 ， 还可以模 拟边坡 、 路基 、 挡墙、 滑坡等的相关试验 ， 具有较广的 适用性 。 4 结论 ( 1 ) 该试验设备可以很好地模拟室内动力排水 固结大尺度模型试验 ， 可同时实现半模和全模试验 ， 可模拟单点夯和群夯， 弥补了目前只有半模或 1 4 模和单点夯等小尺度模型试验的缺陷； 1 7 ( 4 ) 李丽慧等： 动力排水固结模型试验装置的研制 5 7 9 ( 2 ) 该设备可实现 自动起吊和 自动脱锤， 且采 用双重定位方法保证夯击无盲区， 可以很好地模拟 现场施工工况； ( 3 ) 可实现实时观察立面裂隙、 特征点的变化 ， 对孔压、 位移、 动应力等进行实时监测和采集 ； ( 4 ) 可实现 以下加 固工况 的模拟实验 ： 不同的 夯击参数、 不同的加固土层厚度、 不同的排水方式 等 ， 从而达到不同加 固方案的对 比， 优化加固方案 ； ( 5 ) 该模型装置拆装方便， 还可用于模拟边坡、 路基 、 挡墙、 滑坡等的相关试验 ， 适用性较广。 参考文献 1 林宗元主编 岩土工程治理手册 s 辽宁： 辽宁科技出版社， 1 9 9 1 k i n Z o n u a n * G e o t ec h n i e al p r o s e s s i n gma n u a 1 Li a o n i n g：L i a o n - i n g S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Pu b li s h i n g Ho u s e， 1 9 91 2 曾国熙等 地基处理手册 S 北京 ： 中国建筑出版社 ， 1 9 9 2 Z e n g Gu o x i F o u n d a ti o n p r o se s s i n g ma n u a1Ch i n a Ar c h i t ect u r e Bu il d i n g Pres s ， 1 9 9 2 3 王发国等 动力排水固结法浅析 J 土工基础 ， 1 9 9 7 ， 1 1 ( 1 ) ： 2l2 4 Wa n g F a g u o ，Q i u J i a n j i n ，Z h a n g D a z h o n g B ri e f a n a l y s i s o f t h e me t h o d o f d y na mi c d r a i n a g e c o n s o l i d a t i o nS o i l E n g a n d F o u n d a t i o n ， 1 9 9 7 ， 1 1 ( 1 ) ： 2 1 2 4 4 雷学文 动力排水 固结法 的研究 及应用 概况 J 土工 基础 ， 1 9 9 9， 1 3 ( 1 4 ) ： 2 l一 2 4 L e i Xu e we n，B a i S h i we i S u mma r y o n the r e s a r c h a n d p r a c tic e o f d y n am i c d r a in a g e c o n so l i d a ti o n So i l E n g i n e e r i n g an d F o u n d a tio n， 1 9 9 9， l 3 ( 1 4 ) ： 2 1 2 4 5 李彰明 软土地基加固的理论、 设计与施工 M 北京： 中国电 力 出版社 ， 2 0 0 6 L i Zh an g mi n g T h e o r y，d e s ig an d c o n s t r u c t o f sof t s o i l i mp r o v e m e n t B e ij i n g ：C h i n a E l ect r i c P o w e r P r e s s ， 2 0 0 6 6 白冰等 软土工程若干理论与应用 M 北京： 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 2 Ba i Bi n g，Xi a o Ho n g b i n S e v e r a l the o r y an d a p p l i c a t i o n f o r s o f t s o i l p m j e c t s B e ij i n g ： C h i n a Wa t e r and Hy d r o p o w e r P r e s s 2 O O 2 7 赵江倩， 陈金昌 强夯加排水法加固软土地基的效果分析 J 江西水利科技 ， 2 0 0 1 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 O一5 3 Z h a o J i a n g q i a n，C h e n J i n c h a n g E ffe c t ana l y s i s o fi mp r o v i n gthe sof t s o i l o u n d a fi o n b ythe d yn a mi c c o mp a c tio n an d d r a i n a g eme th o d J i ang x i Hy d r a u l i c S c i e n c eT h ech n o l o g y ， 2 0 0 1 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 0 5 3 8 冯遗兴， 郭始光， 冯康曾 动力排水固结法加固某工程软土地 基 J 工程 力学 1 9 9 6， ( 增刊)： 4 5 6 4 5 9 F ang Yi x i n g，Gu o S h i g u ang，F e n g K an g z e n g Th e me tho d o f d y n a mi c d r a i n a g e c o n sol i d a t i o n a p p l i e d f o r s o ft soi l f o un d a t i o n p r o - j e c t E n g i n eeri n g Me c h n ic s ， 1 9 9 6 ，( S u p p 1 ) ： 4 5 6 4 5 9 9 郑颖人， 陆新， 李学志， 冯遗兴 强夯加固软枯土地基的理论与 工艺研究 J 岩土工程学报， 2 0 0 0 ， z 2 ( 1 ) ： 1 8 2 2 Zh e n g Yi n g r e n， L u Xi n， L i x u e z h i ， F e n g Yi x i n g Re s e a r c h o n the o r y and t e c h n o l o g y o f i mp r o v i n g s o ft c l a y wi m DC MC h i n e s e J o u r n a l o f G e o t ech n i c a l E n gin eeri n g ， 2 0 0 0， 2 2 ( 1 ) ： 1 8 2 2 1 O 雷学文， 王吉利， 白世伟， 等 动力排水固结中孔隙水压力增 长 和消散规律 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 1 ， 20 ( 1 ) ： 7 9 8 2 L e i Xu e we n，Wang J i l l ，B a i S h i we i ，e t a 1 I n c r e me n t and d i s i p a t i o n o f p o r e wa t e r p r e s s u re i n d yn am i c dr a in a g e c o n s o l i d a tio n C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t ech n i c a l E n gi n e e ri n g ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 1 ) ： 7 9 8 2 1 1 白冰等冲击荷载作 用下饱 和软粘土孔压 增长与 消散规律 J 岩土力学， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 2 ) ： 3 3 3 8 Ba i Bi n g ，L i u Zu d c Gr o wt h and d i s s i p a t i o n o f pore wa t e r p res s u r e i n s a t u rat e d soft c l a y u n d e r i mp act l o a d i n g Ro c k and So il Me c h a n i c s ， 1 9 9 8， 1 9 ( 2 ) ： 3 3 3 8 1 2 孟庆山 淤泥质粘土在冲击荷载下固结机理研究及应用 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 1 0 )： 1 7 6 21 7 6 2 Me n g Q i n g s h anR e s e a r c h O n mech a n i s m of s i l ty soft c l a y u n d e r i ma c t l o a d i n g a n d i t s a p p l i c a t io n C h i n e s e J o u r n al o f G eet e c h n i c a l E n gin e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 2 2 ( 1 0) ： 1 7 6 21 7 6 2 1 3 曾庆军， 周波， 龚晓南， 白宁芳 冲击荷载下饱和粘土孔压增 长与消散规律 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 1 2 1 ( 增 1 ) ： l 1 3 7l 1 41 Z e n g Q i n g i u n ， Z h o u B o ，G o n g X i a o n an ， B a i N i n g f ang G row t h an d d i s s i p a t i o n o f p o re wa t e r p r e s s u re i n s a t u r a t e dsoft c l a y u n d e r i m p act l oad C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Mech a n ic s and E n gi n e e r - i n g ， 2 0 0 1 ， 2 1 ( S u p p 1 1 )： 1 1 3 71 1 4 1 1 4 薛茹 动力排水固结法加固机理及土体固结的微结构研究 D 博士学位论文 ， 2 0 0 4 Xu e Ru Re sea r c h o n rei n f o r c e d me c h ani c s o f d yna mi c c o n sol i d a - ti o n wi th p r e - c o mp r e s s i o nan dmi c ro s t r u t u re o fsoi l c o n so l i d a - ti o n，Doc t o r a l Dis s e r t a t i o n，2 0 0 4