一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统及试验方法与流程

发明涉及岩土工程，特别涉及一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统及试验方法。

背景技术：

对桥墩基础承载机理及受力特性的研究是进行承载力研究、内力位移分析的基础，也是建立合理设计理论的前提。对于平地上的各类桩基，国内外学者进行了深入研究，并获得了大量研究成果，对此类型基桩的承载机理及荷载传递过程已形成了一套较为完整和成熟的理论体系，并为广大工程技术人员所接受。而受地理位置、荷载及桩周岩土材料等因素的影响，高陡边坡上桥墩基础的承载机理与受力特性与常规桩基相比，存在诸多不同，因而常规理论的应用将受到一定的限制。

室内相似模型试验，是研究高陡边坡桥墩基础受力特性的常用研究手段。高陡边坡桥墩基础的侧向荷载主要是由滑体的侧向变形引起的，对桥墩基础周围土体变形的监测对研究高陡边坡桥墩基础的受力特性具有非常重要的意义。而以往研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验中，仅能对桥墩基础自身的受力与变形进行测试。究其原因在于：(1)常见的坡体内部位移监测手段(如：多点位移计、测斜管等)，主要用于室外的大尺寸模型试验或野外实地监测，传统的监测手段往往无法满足室内模型试验的精度要求；(2)三维激光扫描仪和高速摄像机测量只能测量边坡坡体表面的位移，且设备价格昂贵不易获取。

因此，现有的高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验测试系统仍不够完善，特别是模型试验中桥墩基础周围土体水平变形的测量亟待补充。

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题是提供一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统，以实现模型试验过程中桥墩基础自身受力与变形、桥墩基础周围土体水平位移和坡体表面特征点水平位移的实时监测，且具有简单方便和准确可靠的特点。

发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统，其特征是它包括：缩尺高陡边坡体土体模型，填筑于模型箱内，由滑体和滑床构成，两者之形成滑动面；缩尺桥墩基础模型，埋设于桥墩基础周围土体模型内，其下部的桥墩基础穿过滑体进入滑床内；千斤顶加载系统，通过加载挡板沿滑动面方向分级加载于滑体后端；测试器件，包括桥墩基础受力与变形测试器件、桥墩基础周围土体水平变形测试器件和坡体表面特征点水平位移测试器件，设置于桥墩基础上和缩尺桥墩基础周围土体模型内。

本发明所要解决的另一技术问题是提供采用上述一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统的试验方法，该方法包括如下步骤：

①按照相似原理，制作缩尺桥墩基础模型，于模型箱

内填筑缩尺高陡边坡体土体模型，并将缩尺桥墩基础模型埋设于其内；

②布设桥墩基础受力与变形测试器件、桥墩基础周围土体水平变形测试器件和坡体表面特征点水平位移测试器件；

③在反力装置上安装千斤顶加载系统，其前端的加载挡板垂直于滑动面；

④对模型进行五分钟以上的预加载，预加荷载为最大设计荷载的1/10～1/5；

⑤卸除荷载、调试试验仪器，做好试验准备工作；

⑥千斤顶加载系统，通过加载挡板对滑体进行分级加载，使整个高陡边坡体系逐渐变形直到最终破坏，在此过程中通过采集仪和计算机做好数据的记录工作。

本发明的有益效果是，解决了以往高陡边坡桥墩基础的模型试验中坡体内部水平变形难以获取的问题，可同时满足桥墩基础自身受力与变形的测试、桥墩基础周围土体水平变形的测试及坡体表面特征点水平位移的测试；该方法简单方便、准确可靠、便于实施；粘贴应变片的磷青铜带可以埋入高陡边坡模型的任何位置处，获得整个高陡边坡体系空间上的水平位移变化情况，将桥墩基础的受力变形与其周围土体的变形联系起来。

附图说明

本说明书包括如下七幅附图：

图1为本发明所选取实施例的工点原型剖面示意图；

图2为模型试验装置剖面示意图；

图3为高陡边坡桥墩基础相似模型剖面示意图；

图4为高陡边坡桥墩基础相似模型俯视示意图；

图5为微型土压力计布设示意图；

图6为应变片布设示意图；

图7为磷青铜带应变片粘贴示意图。

图中示出构件和对应的标记：滑体1，滑动面2，滑床3，桥墩基础4，桥墩基础承台5，模型箱6，千斤顶加载系统7，反力装置8，加载挡板9，高陡边坡坡脚10，水平位移计11，磷青铜带12，土压力测试基桩13，应变测试基桩14，微型土压力计15，应变片16，桩身应变片16a。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

参照图1和图2，发明的一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统包括：缩尺高陡边坡体土体模型，填筑于模型箱6内，由滑体1和滑床3构成，两者之形成滑动面2；缩尺桥墩基础模型，埋设于桥墩基础周围土体模型内，其下部的桥墩基础4穿过滑体1进入滑床3内；千斤顶加载系统7，通过加载挡板9沿滑动面2方向分级加载于滑体1后端；测试器件，包括桥墩基础受力与变形测试器件、桥墩基础周围土体水平变形测试器件和坡体表面特征点水平位移测试器件，设置于桥墩基础4上和缩尺桥墩基础周围土体模型内。本发明采用在滑体1后缘沿滑动面3方向分级加载的方式，通过三维仿真计算得到模型后部的加载作用点，模拟后部滑体1产生的滑坡推力及外力因素下(如降雨等)引起的滑坡推力增大的情况，解决了以往高陡边坡桥墩基础的模型试验中坡体内部水平变形难以获取的问题，可同时满足桥墩基础自身受力与变形的测试、桥墩基础周围土体水平变形的测试及坡体表面特征点水平位移的测试。

参照图4，所述桥墩基础4上于各桥墩基桩中选择确定土压力测试基桩13和应变测试基桩14，以后排桥墩基桩作为应变测试基桩14，其对应的前排桥墩基桩作为土压力测试基桩13。参照图5和图6，所述桥墩基础受力与变形测试器件包括微型土压力计15和桩身应变片16a，微型土压力计15竖向间隔粘贴于土压力测试基桩13的前侧面上和应变测试基桩14的前侧面、后侧面上，桩身应变片16a成组竖向间隔粘贴于应变测试基桩14的表面上，每组包括有多个环向间隔的桩身应变片16a。

参照图6和图7，所述桥墩基础周围土体水平变形测试器件为竖向间隔粘贴于磷青铜带12的应变片16，磷青铜带12以一定距离竖直埋置在桥墩基础4周围，其底端固定在模型箱6底部，上端自由伸出滑体1表面。

参照图3，所述坡体表面特征点水平位移测试器件为水平位移计11，设置于滑体1和滑床3前端交汇处和滑体1与桥墩基础4上部的桥墩基础承台5的前端交汇处。

参照图2，所述模型箱6内固定设置反力装置8，千斤顶加载系统7安装在该反力装置8上。

本发明一种研究高陡边坡桥墩基础受力变形特性的模型试验系统的试验方法，包括如下步骤：

①按照相似原理，制作缩尺桥墩基础模型，于模型箱6内填筑缩尺高陡边坡体土体模型，并将缩尺桥墩基础模型埋设于其内；

②布设桥墩基础受力与变形测试器件、桥墩基础周围土体水平变形测试器件和坡体表面特征点水平位移测试器件；

③在反力装置8上安装千斤顶加载系统7，其前端的加载挡板9垂直于滑动面2；

④对模型进行五分钟以上的预加载，预加荷载为最大设计荷载的1/10～1/5；

⑤卸除荷载、调试试验仪器，做好试验准备工作；

⑥千斤顶加载系统7，通过加载挡板9对滑体1进行分级加载，使整个高陡边坡体系逐渐变形直到最终破坏，在此过程中通过采集仪和计算机做好数据的记录工作。

试验完成后拆除模型，并做好拍照、摄像等记录工作，清理模型箱，进行数据分析处理工作。

所述步骤③中，通过三维仿真计算得到千斤顶加载系统7的加载作用点。所述步骤⑥中，根据预设最大荷载分级施加荷载，每级荷载施加后应保持该荷载五分钟以上，待测试数据稳定后方可进行下一级荷载。