一种实时测定DCM桩复合地基工作性状的离心模型装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程，具体涉及一种实时测定dcm桩复合地基工作性状的离心模型装置及试验方法。

背景技术：

1、在海洋工程中，由于天然地基条件的限制和海底环境的复杂性，深层水泥搅拌法(dcm)被广泛应用于地基加固和改良工程中。作为软土地基处理的一种有效形式，已经成为地基加固领域的研究热点。根据深层水泥搅拌法复合地基中水泥加固体布置形式的不同，可将加固形式分为块式、壁式、格栅式和桩式等。其中，桩式dcm地基加固因其置换率与造价相对较低而受到广泛应用，但桩式水泥加固土柱具有较低的抗拉强度，容易发生弯曲破坏，极易导致整体失稳破坏发生。因此，针对不同布置形式和不同位置的水泥土搅拌桩复合地基破坏机理的研究是工程上很重要的一个问题。

2、中国的《复合地基技术规范gb/t50783-2012》中将桩土模量比与对抗力的贡献进行折减，但未对其作出详细的说明，目前均靠经验来对其进行折减。大部分中国铁路和公路项目使用水泥土搅拌桩以定距布桩的形式加固地基。美国联邦公路管理局(fhwa)编制了《深层水泥搅拌桩在路基及基础工程中的设计指南》，用以指导深层水泥土搅拌桩地基处理技术的应用和推广，但指南中缺少对于分区且设置桩式布置的形式的破坏机理解释。总体来说，鉴于dcm桩复合地基失稳破坏问题的复杂性，各国针对dcm桩复合地基的规范也存在差异性，因此亟须水泥土搅拌桩复合地基破坏机理的相关研究。

3、在离心超重力环境下，土颗粒之间的应力和接触作用增强，可以在小尺度介质中产生原型介质自重应力，还原现场工况，是岩土工程领域一种有效的研究手段。众多学者对于水泥土搅拌桩复合地基的破坏模式开展一系列的离心机模型试验，发现稳定性不仅取决于荷载条件，还取决于桩的位置。

4、目前大多数1g下的模型试验和离心模型试验研究的都是复合地基破坏后的形状，无法得到具体的复合地基实时的破坏发展情况。

技术实现思路

1、本发明提供一种实时测定dcm桩复合地基工作性状的离心模型装置及试验方法，弥补现有离心模型试验研究对dcm桩承载状态实时监测的匮乏，能够有效还原现场深地层封存工程的应力状态，探究dcm桩复合地基实时的破坏发展情况。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种实时测定dcm桩复合地基工作性状的离心模型装置，包括离心机以及试验箱，所述试验箱包括：

4、填充层，所述填充层包括沿试验箱底部自下至上依次设置的持力层、被加固层以及岸坡层；

5、dcm桩，所述dcm桩设为多个，且多个dcm桩以矩阵形式竖向设置在被加固层内部，所述dcm桩的顶部延伸至被加固层与岸坡层交接处，所述dcm桩的底部延伸至持力层内；

6、破坏判别电路，所述破坏判别电路包括沿dcm桩轴向分布的导电棒、与dcm桩串联的电阻以及用于检测电阻电压的电压表；以及

7、加载电机，所述加载电机设置在岸坡层上方的试验箱顶部，用于向所述岸坡层施加超载。

8、优选的，所述试验箱的侧壁设有观测窗口；所述持力层的厚度为h9，且150mm≤h9≤200mm；所述被加固层的厚度为h8，且200mm≤h8≤300mm；所述岸坡层的厚度为h7，且100mm≤h7≤150mm，所述岸坡层包括平面段以及自平面段向被加固层倾斜延伸的斜坡段，所述平面段宽度为h4，且200mm≤h4≤300mm，斜坡段宽度为h3，且150mm≤h3≤200mm。

9、优选的，所述dcm桩的直径为d，且20mm≤d≤40mm；所述dcm桩的长度为h10，且200mm≤h10≤350mm；相邻两所述dcm桩之间的间距为s，且20mm≤s≤30mm；多个所述dcm桩沿试验箱宽度方向延伸的距离为h12，且200mm≤h12≤300mm。

10、优选的，所述破坏判别电路还包括电源以及用于将嵌入有导电棒的dcm桩接入所述电源电路的导线；所述导电棒的直径d1与dcm桩的直径d满足以下关系：且导电棒的长度h13与dcm桩的长度h10满足以下关系：h13＞h10。

11、优选的，所述加载电机延伸至试验箱内部的输出端连接有加载板，所述加载板与岸坡层顶部平面面积相同且位置重合。

12、优选的，所述的离心模型装置还包括测量机构，所述测量机构包括设置在dcm桩桩顶的土压力传感器、安装在试验箱内顶壁的位移传感器、置于试验箱外部用于拍摄不同时段土体成相的高分辨率相机以及设置在加载电机输出端的压力传感器。

13、一种根据前述的实时测定dcm桩复合地基工作性状的离心模型装置的试验方法，包括以下步骤：

14、s10：通过超重力场离心模拟自重固结获得持力层与需要被加固层的初始应力状态；

15、s20：通过超重力离心加速度还原现场工况的应力状态，采用升g法模拟岸坡修筑过程，达到试验所需的离心加速度后，使用慢速加载电机对岸坡层顶面进行超载加载；

16、s30：通过采集与dcm桩串联的电阻两端的电压变化来反映dcm桩的承载性能以及破坏情况。

17、优选的，所述s10包括以下步骤：

18、s110：在试验箱内依次埋置持力层与被加固层，以100g的离心加速度进行固结至少8小时；

19、s120：将预先按照试验要求的位置进行打孔的塑料板放置于被加固层的上表面，使用取土器将打孔位置内的土体取走，进而将嵌入有导电棒的dcm桩埋置于孔洞内，并以100g的离心加速度进行固结；

20、s130：在dcm桩顶以及dcm桩间土顶上布置土压力传感器，再将dcm桩埋置与岸坡层，并在试验箱顶部安装加载电机。

21、优选的，所述的试验方法还包括制作dcm桩的步骤，所述制作dcm桩的步骤包括：

22、s01：将配比好的水泥浆液倒入准备好的dcm桩模具中，并在振动台上振捣密实；

23、s02：将导电棒从底部插入dcm桩中，并用胶带密封，随后将导电棒和dcm桩一同放入振动台中振动密实；

24、s03：s02振动密实后的dcm桩用保鲜膜封好口部后静置48h后脱模，并将dcm桩放入水中养护；

25、s04：待养护完成后，将嵌入导电棒的dcm桩的两端用锡焊将导线与导电棒焊接牢固。

26、优选的，所述s130还包括在试验箱外壁安装高分辨率相机的步骤。

27、由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：本发明的实时测定dcm桩复合地基工作性状的离心模型试验装置，采用上述装置可以在超重力场环境下还原现场持力层、被加固层以及岸坡层的应力状态，并通过dcm桩破坏判别电路可以实时监测离心试验过程中dcm桩的承载状态以及破坏情况，同时通过加载电机与升g法可以实现岸坡逐步修筑过程以及超载加载，通过预埋的试验测试仪器、激光位移传感器以及高分辨率相机实时摄像并进行的粒子图像测速以取得试验过程中的相关数据。试验测试包括对持力层与被加固层以及岸坡层的竖向位移、土压力、dcm桩破坏区域与破坏时间进行监测。本发明的试验装置能通过在超重力场离心模型试验中监测嵌入碳棒的dcm桩的电压变化，起到对dcm桩承载状态以及破坏情况实时的监测，达到研究现场工程dcm桩复合地基工作性态与破坏模式的目的。