本發(fā)明涉及樁承式路堤樁間土土拱效應(yīng)模擬試驗(yàn)，具體涉及一種三維路堤樁間土土拱效應(yīng)裝置及實(shí)施方法。

背景技術(shù)：

1、在我國(guó)沿海地區(qū)，富含地下水的粉砂地層分布較廣，樁承式路堤作為一種在沿海地區(qū)被廣泛運(yùn)用的地下結(jié)構(gòu)，其竣工后往往會(huì)伴隨著樁間土的不均勻沉降從而在樁間形成土拱效應(yīng)，地下水的滲流作用會(huì)使路堤樁間土中的細(xì)顆粒流失（滲蝕）并伴隨土體骨架的坍塌，加之多種復(fù)雜荷載作用于路堤表面，從而誘發(fā)路面塌陷、沉降等災(zāi)害。探明樁間土體內(nèi)受滲流和土體表面受復(fù)雜荷載作用過程中路堤的承載性能及土拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是地下工程滲蝕災(zāi)害防治的關(guān)鍵，由于路堤填料回填后內(nèi)部形成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其周圍地下水滲流又具有多向性，而路堤施工完成后會(huì)周期性地受到多種復(fù)雜荷載的作用，且在路堤竣工之后路堤樁間土所形成的土拱演化規(guī)律往往難以有效監(jiān)測(cè)，這種情況導(dǎo)致了樁間土受到的滲流作用方向與荷載的形式具有隨機(jī)性且竣工后的工況監(jiān)測(cè)難度較大。

2、當(dāng)前樁承式路堤樁間土土拱效應(yīng)的研究主要關(guān)注單一方向的水平滲流對(duì)土拱效應(yīng)的影響，即只考慮一個(gè)水平方向滲流對(duì)土拱效應(yīng)的干擾，忽略了滲流的多向性的影響，與實(shí)際工程不符，且在實(shí)際工程竣工后樁間土土拱的演化規(guī)律往往難以有效監(jiān)測(cè)，所以如何在室內(nèi)試驗(yàn)中控制多水平、豎直方向滲流及復(fù)雜豎向荷載以開展樁間土體侵蝕和土拱效應(yīng)研究及數(shù)據(jù)自動(dòng)化收集、分析與預(yù)測(cè)是當(dāng)前土體內(nèi)土拱效應(yīng)滲蝕與受荷問題研究的重大挑戰(zhàn)。因此，迫切需要設(shè)計(jì)新型試驗(yàn)裝置，克服現(xiàn)有研究方法的局限，以在多水平及豎直方向滲流條件下研究樁承式路堤樁間土拱效應(yīng)土體侵蝕和受復(fù)雜荷載的現(xiàn)象并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化收集、分析與預(yù)測(cè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種三維路堤樁間土土拱效應(yīng)裝置，目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)缺乏用于研究多水平、豎直方向滲流及復(fù)雜豎向荷載條件下的試驗(yàn)裝置的問題；目的之二在于提供一種三維路堤樁間土土拱效應(yīng)裝置的實(shí)施方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種三維路堤樁間土土拱效應(yīng)裝置，包括模型箱和至少一組水箱單元，所述模型箱內(nèi)填充有試驗(yàn)土樣，所述模型箱的內(nèi)部四周開設(shè)有滲水孔；所述水箱單元包括兩水箱，兩所述水箱分別安裝在所述模型箱相對(duì)的兩側(cè)；

4、各所述水箱上均設(shè)置有給排水控制系統(tǒng)，所述給排水控制系統(tǒng)用于控制所述水箱內(nèi)水頭的預(yù)設(shè)高度，并通過所述滲水孔向所述模型箱內(nèi)滲水；

5、所述模型箱的頂部和底部分別設(shè)置有加載系統(tǒng)和活動(dòng)門系統(tǒng)，所述加載系統(tǒng)位于所述模型箱的上方用于對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行施加載荷；

6、所述活動(dòng)門系統(tǒng)包括多個(gè)活動(dòng)門組件，各所述活動(dòng)門組件可單獨(dú)執(zhí)行上升或下降動(dòng)作；或同步協(xié)作，共同執(zhí)行上升或下降動(dòng)作，以進(jìn)行擬靜態(tài)位移模擬；

7、還包括收納裝置和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，所述收納裝置用于對(duì)滲流的試驗(yàn)土樣進(jìn)行收集，所述數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)用于對(duì)所述收納裝置內(nèi)收集的試驗(yàn)土樣進(jìn)行分析。

8、進(jìn)一步地，所述模型箱包括支撐柱、覆土承載板、多個(gè)豎向?yàn)V板卡條和多個(gè)濾板，所述覆土承載板安裝在所述支撐柱上，各所述豎向?yàn)V板卡條均固接在所述覆土承載板上，其一所述的濾板可拆卸地安裝在相鄰所述的豎向?yàn)V板卡條之間，各所述濾板共同圍合形成框架結(jié)構(gòu)；

9、滲水孔的數(shù)量為多個(gè)，多個(gè)滲水孔的孔徑一致且整齊地分布在所述濾板上。

10、進(jìn)一步地，所述給排水控制系統(tǒng)包括多個(gè)水頭控制閥，沿所述水箱的高度方向上，各所述水頭控制閥間隔設(shè)置在所述水箱上用于控制水箱內(nèi)水頭的高度，所述水箱的頂部與底部分別設(shè)置有注水閥與排水閥，所述水箱的側(cè)面設(shè)置有豎直設(shè)置的刻度，所述水箱的底面設(shè)有第一砂土水流收集孔。

11、進(jìn)一步地，所述活動(dòng)門組件的數(shù)量為九個(gè)且按照3×3的方式排布；

12、所述活動(dòng)門組件包括活動(dòng)門位移單元和活動(dòng)塊，所述活動(dòng)塊安裝在所述活動(dòng)門位移單元上方，且所述活動(dòng)門位移單元可帶動(dòng)所述活動(dòng)塊上升或下降。

13、進(jìn)一步地，所述活動(dòng)塊上開設(shè)有完全貫穿的第二砂土水流收集孔，所述第二砂土水流收集孔上方可拆卸連接有濾網(wǎng)。

14、進(jìn)一步地，所述活動(dòng)門位移單元包括伺服電機(jī)和活動(dòng)門位移機(jī)構(gòu)，所述活動(dòng)門位移機(jī)構(gòu)為伸縮支柱，所述伺服電機(jī)位于所述活動(dòng)門位移機(jī)構(gòu)的下方能夠帶動(dòng)所述活動(dòng)門位移機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)或縮短。

15、進(jìn)一步地，所述活動(dòng)門位移機(jī)構(gòu)上設(shè)置有卡扣，所述收納裝置通過所述卡扣固定在所述活動(dòng)門位移機(jī)構(gòu)上，所述收納裝置位于所述第二砂土水流收集孔的底部，用于對(duì)砂土和水流進(jìn)行收集。

16、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器、搭設(shè)有數(shù)據(jù)分析軟件的電腦和數(shù)據(jù)傳輸裝置，所述收納裝置通過所述數(shù)據(jù)傳輸裝置與所述數(shù)據(jù)采集器相連，所述電腦與所述數(shù)據(jù)采集器相連接并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

17、進(jìn)一步地，加載系統(tǒng)包括伺服油源控制箱、第一連接桿、第二連接桿、加載桿、加載板、工裝框架和多根導(dǎo)向控制桿，所述第一連接桿的一端與所述伺服油源控制箱連接，所述第一連接桿的另一端與所述第二連接桿連接，所述第二連接桿與所述加載板之間通過加載桿連接；

18、加載板裝載于所述工裝框架上方，各所述導(dǎo)向控制桿固定在所述加載板的上方，所述導(dǎo)向控制桿用于對(duì)所述加載板進(jìn)行限位；所述伺服油源控制箱可伸長(zhǎng)或縮短，以控制所述加載板上升或下降。

19、另一方面，本發(fā)明還提出一種三維路堤樁間土土拱效應(yīng)裝置的實(shí)施方法，采用如前述的三維路堤樁間土土拱效應(yīng)裝置，所述方法包括以下步驟：

20、試驗(yàn)土樣制備：通過混合粗、細(xì)兩種級(jí)配區(qū)間土樣并烘干、加水?dāng)嚢瑁_(dá)到所需含水量，保存于密封袋中，以均衡試驗(yàn)土樣內(nèi)水分；

21、分層壓實(shí)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件將土壓力盒埋入活動(dòng)塊上表面及模型箱底部，試驗(yàn)土樣分層等厚鋪入模型箱內(nèi)，采用濕夯法鋪設(shè)土樣，使每層試驗(yàn)土樣均壓實(shí)至目標(biāo)孔隙率，最后一層鋪滿后土樣與水箱外側(cè)所述刻度的頂點(diǎn)齊平；

22、測(cè)試步驟：根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)條件選擇合適的濾板，控制伺服電機(jī)將一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)塊以一個(gè)微小的速度向下移動(dòng)，伺服電機(jī)控制活動(dòng)塊擬靜態(tài)位移，模擬土拱發(fā)展的過程，記錄土壓力盒讀數(shù)，分析土拱發(fā)展情況；

23、滲流侵蝕：開啟其中一個(gè)水箱頂部的注水閥，水流通過注水閥填入水箱，逐漸增加水箱內(nèi)與模型箱底部的水頭差并通過水頭控制閥控制水頭高度；模型箱內(nèi)的試驗(yàn)土樣逐漸被滲流所侵蝕，土樣中的細(xì)顆粒不斷地被水流帶入另一個(gè)的水箱內(nèi)，收集細(xì)顆粒砂土和水；

24、數(shù)據(jù)分析：利用軟件分析收集的數(shù)據(jù)，訓(xùn)練ai模型預(yù)測(cè)土拱效應(yīng)的發(fā)展與演化。

25、本發(fā)明的有益效果：

26、1、滲流模擬時(shí)，當(dāng)水箱內(nèi)的水位高于模型箱內(nèi)的土樣時(shí)，水流會(huì)通過模型箱四周的滲水孔進(jìn)入儲(chǔ)存腔內(nèi)的試驗(yàn)土樣中，試驗(yàn)土樣逐漸被滲流所侵蝕；一方面，水流攜帶砂土細(xì)粒沿著水平方向移動(dòng)，試驗(yàn)土樣中的細(xì)粒不斷地被水流帶入進(jìn)水箱另一端的出水箱內(nèi)，砂土細(xì)粒以及水流通過第一砂土水流收集孔流入收納裝置，再利用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，研究橫向滲流對(duì)土拱效應(yīng)的影響機(jī)制，模擬土體中發(fā)生的橫向滲蝕實(shí)驗(yàn)。另一方面，由于模型箱下方的第二砂土水流收集孔是完全貫穿的，同時(shí)，水流和砂土細(xì)粒在加載系統(tǒng)或者自身重力的作用下還會(huì)通過第二砂土水流收集孔進(jìn)行滲流，收納裝置對(duì)第二砂土水流收集孔滲流出的砂土和水流進(jìn)行樣本收集，再利用數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，模擬土體中發(fā)生的豎向滲蝕實(shí)驗(yàn)，研究豎向滲流對(duì)土拱效應(yīng)的影響機(jī)制。

27、2、進(jìn)行模擬試驗(yàn)，模型箱中試驗(yàn)土樣會(huì)發(fā)生橫向滲蝕和豎向滲蝕，在模擬試驗(yàn)中設(shè)置橫向和豎向滲流，主要是基于土體在復(fù)雜環(huán)境條件下可能遭遇的實(shí)際滲流情況；自然界中的土體往往受到來自不同方向的滲流作用，包括水平方向的降雨徑流、地下水流動(dòng)，以及垂直方向的滲透壓力等，本實(shí)施例構(gòu)建橫向和豎向滲流可以更真實(shí)地還原這些條件，使試驗(yàn)結(jié)果更具代表性，有助于更深入地理解土體的滲流特性。

28、3、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)水箱和模型箱，水箱內(nèi)的水能夠向模型箱內(nèi)部的土體進(jìn)行入滲，模擬路堤填料及樁間土體處在滲流的環(huán)境，通過水箱外側(cè)的水頭控制閥對(duì)水頭進(jìn)行控制，活動(dòng)塊可擬靜態(tài)緩慢下降模擬路堤土拱效應(yīng)現(xiàn)象，加載系統(tǒng)可對(duì)土體表面施加豎向荷載模擬路堤表面受荷情況，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)能夠通過土壓力盒、采集器所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析并訓(xùn)練ai分析軟件中的ai模型，以達(dá)到預(yù)測(cè)土拱效應(yīng)在復(fù)雜環(huán)境下的發(fā)展與演化，從而模擬在多向滲流及豎向荷載條件下完成土體內(nèi)部三維土拱效應(yīng)的演化、發(fā)展與預(yù)測(cè)試驗(yàn)，在滲蝕發(fā)展的過程中ai分析軟件通過不斷分析并記錄數(shù)據(jù)采集器導(dǎo)入的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來達(dá)到訓(xùn)練ai模型的目的，當(dāng)ai模型收集到的數(shù)據(jù)足夠多之后便可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件與工況對(duì)樁間土土拱在多向滲流與豎向荷載條件下的發(fā)展與演化進(jìn)行預(yù)測(cè)與自動(dòng)分析，為后續(xù)施工過程提供了參考依據(jù)。

29、4、單獨(dú)執(zhí)行活動(dòng)門組件的上升或下降動(dòng)作，讓研究人員能針對(duì)特定區(qū)域或條件進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，模擬復(fù)雜土拱位移，減少其他組件干擾，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，并靈活調(diào)整參數(shù)。單獨(dú)執(zhí)行活動(dòng)門組件同步協(xié)作上升或下降動(dòng)作，則確保整體穩(wěn)定性，快速達(dá)到所需位移狀態(tài)，模擬均勻位移，在模擬整體土層位移和變形時(shí)更為真實(shí)，適用于不同滲流方向或加載速率下的土拱效應(yīng)研究。采用這種設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和需求，無論是研究土拱效應(yīng)在不同方向滲流作用下的變化，還是模擬不同加載速率對(duì)土拱穩(wěn)定性的影響，都可以通過調(diào)整活動(dòng)門組件的運(yùn)動(dòng)方式和參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，能夠應(yīng)用于更廣泛的研究領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

30、本技術(shù)的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本技術(shù)的實(shí)踐中得到教導(dǎo)，本技術(shù)的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的具體實(shí)施方式來實(shí)現(xiàn)和獲得。