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离心模型试验模拟塑料排水板处理软土地基的方法和应用

  • 刘*阳
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第22卷第1期2016年3月地质力学学报JOURNALOFGEOMECHANICSV01.22No.1Mai.2016文章编号:1006-6616(2016)01-0125—10离心模型试验模拟塑料排水板处理软土地基的方法和应用王存,侯瑜京,刘国宝,彭仁(1.中国水利水电科学研究院岩土T程研究所,北京100048;2.中交水运规划设计院有限公司,北京100007:3.北京航空航天大学土木T程系.北京100191)摘要:采用大型土工离心机对某工程近海软土地基上堤坝施工期及运行期进行了模拟。试验中采用停机加载法模拟分级施工加载过程,原型中采用塑料排水板固结法处理软土地基,模型中则根据固结过程相似的原理,换算成等效圆截面排水体.在模型制作中采用等效透水滤芯进行模拟。根据激光位移传感器和孔隙水压力传感器数据可以得出相应原型软土地基的沉降特性和孔隙水压力变化情况。根据试验得到的沉降曲线,采用“经验双曲线法”推算出了地基最终沉降。然后得出按沉降推算的分层地基平均固结度随时间的变化。对比试验模拟得到的软土地基固结度和理论计算结果,二者基本接近,表明塑料排水板模拟方法用于离心模型试验是可行的。关键词:塑料排水板;离心模型试验;软土地基;固结度中图分类号:P642.1文献标识码:A0引言离心模型试验利用离心力场和重力场相似的原理,考虑到土工材料的非线性和自重应力对土工结构物的影响,使模型中各点的应力状态与原型一一对应,从而满足物理条件的相似性。例如将几何比尺缩小了Ⅳ倍的模型,置于Ⅳ倍重力加速度g的离心力场中,若使用相同的土料,则土体中对应点的应力相等,应变相同,模型的变形为原型的1/N倍,模型固结时间为原型的1/倍。利用这一特点,可以在实验室内模拟软土地基经过多年的固结过程¨1]。在模拟土与结构物相互作用等复杂问题方面,离心模拟方法与数值模拟相比更具有优势。塑料排水板是软基处理中常用的加速排水措施,然而对于塑料排水板加固软土地基的效果分析,无论数值模拟或物理模拟都比较困难。离心模型试验中常用的模拟塑料排水板的方法有2类:一类是将塑料排水板换算成等直径的砂井,并按相同井径比制作砂井进行模收稿日期:2015—10-26基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB719803)作者简介:王存(1990一),硕士研究生,主要从事土工离心模型试验相关研究。E-mail:1261821773@qq.eom126地质力学学报2016拟[;另一类采用透水纤维或织物进行模拟。SharmaJs等3采用直径1.5mm的聚酯纤维绳模拟,该材料渗透系数约为2×10~m/s。卢国胜_4]、饶锡保等l5]用直径2mm的普通毛线模拟.但毛线材质较软,插入过程中易发生弯曲。本次试验所用原型塑料排水板的渗透系数约为5×10~m/s,综合考虑渗透系数及模型制作等因素,试验时用透水性良好的滤芯模拟塑料排水板,停机加载法模拟原型分级加载过程_6]。根据模型布置的激光位移传感器和孑L压传感器观测数据可以得出沉降曲线和孔压变化曲线,由实测的沉降曲线推得原型分层地基的最终沉降,并给出分层地基的平均固结度变化过程。通过对比试验得到的软基固结度和理论计算的软基固结度,表明本文中塑料排水板的模拟方法用于离心模型试验是可行的l试验方案与材料模拟试验在中国水利水电科学研究院的大型土工离心机上进行,该离心机具有以下特点:有效模型负载1.5ton,最大加速度300g;最大转动半径5.03IIl;具有大尺寸吊篮(长、宽、高分别为1.5m、1.0m、1.5m)。试验采用单面20mm厚有机玻璃板大模型箱,模型箱内部长、宽、高分别为1.32m、0.62m、0.8Om;装有2个摄像头,用于从模型箱侧面和顶部观察模型变化。1.1原型地基特性根据勘察资料,该工程护岸处地基自上而下依次为淤泥层、粉细砂层。淤泥层性质为:灰褐色,饱和,流塑,土质细腻,含少量贝壳碎片,带有腥臭味;场区普遍分布,厚度2.90~14.50m,平均9.40m,从岸边向深水区逐渐增厚;层底标高一20.8l~一11.41m。粉细砂层性质如下:灰黄色,饱和,中密一密实,砂质较均匀,局部含有少量砾石,主要矿物成分为石英和长石:场区普遍分布,厚度1.O0~9.O0m,平均6.05m,层底标高一26.86~一20.81m。地基各层物理力学性质指标见表1。表1地基层物理力学性质指标Table1Thephysicalandmechanicalindexesof~undation注:一含水率;y一重度;eo一孔隙比;G一土粒比重;C一竖向固结系数;ch一水平固结系数;c~固结快勇试验粘聚力;一固结快剪试验内摩擦角;E~压缩模量1.2模型设计方案及制作根据原型护岸断面尺寸,考虑模型箱尺寸以及模型制作过程,将原型缩尺1/100,即模型率N=100,

刘*阳
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