[發明專利]一種恢復原型狀態和強度的黏土模型地基制備方法

有效

• 申請號: 202110346425.8
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN112964533B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 周燕國;張東超;楊嘯天
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N1/28
• 分類號: G01N1/28;G01N3/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種恢復原型狀態和強度的黏土模型地基制備方法。包括確定原型地基、模型地基的總厚度和分層；獲得原型地基各層土體的不排水抗剪強度；計算獲得原型地基各層土體中部的狀態參數和模型地基各層土體的平均有效固結壓應力；確定原型地基土體的室內壓縮固結線和卸載回彈線斜率，并通過反推得到模型地基各層土體的初始孔隙比；以及進行模型地基分層制備。本發明在恢復原型地基狀態和強度的前提下，提高了模型地基制備的經濟性和易操作性，擴大了模型地基制備范圍，克服了離心模型制備過程中可能出現的傳感器錯位問題，提高了模型制備的經濟性和傳感器布置的靈活性，保證了離心模型試驗的準確性。

技術領域

本發明屬于物理模型試驗理論技術領域，具體涉及一種恢復原型狀態和強度的黏土模型地基制備方法。

技術背景

在我國的工程建設中存在大量的軟黏土地基，且大部分軟黏土地基分布在珠江三角洲、長江三角洲等我國東南沿海地區，這些地區經濟較為發達，大量的基礎設施已經建成或正在建設。而由于軟黏土本身的天然含水量高，孔隙比、靈敏度、觸變性較大，滲透性較差，且具有明顯的結構性、抗剪強度較低、物理力學性質較差等原因，黏土地基失穩破壞等情況時有發生。因此在黏土地基上進行諸如堤壩填筑、高邊坡路堤、機場高填方等大型土工構筑物的建設時如果地基承載力不足，往往會造成更大的災難，導致不可挽回的生命和財產損失。鑒于上述原因，人們往往通過物理模型試驗的手段對原型地基的響應進行研究。而超重力離心模型試驗具有重現原型應力場的優勢，因此用它來重現原型軟黏土地基在大型土工構筑物建設或極端工況影響下的原型響應是十分合理且有效的試驗段。

離心模型試驗是指通過將試驗原型按照一定幾何相似比例縮尺λ倍，通過采用滿足相似率的材料制備相應縮尺模型。將縮尺模型置于離心機旋轉產生的N倍原重力場中，進而再現原型中的應力平，得到與原型相同的模型破壞情況和破壞機理，從而根據模型的響應反演原型的響應，實現對原型穩定性的評價與設計。該方法克服了傳統常重力場下模型試驗中存在的諸多問題，如常重力下應力水平不等、應力應變特性不等，具有明顯的優點。

而離心模型試驗中模型的物理力學性質能否在超重力場下還原是決定離心模型試驗結果準確性與否的關鍵因素。模型在進行離心試驗時不僅要滿足強度特性與原型相同，還應滿足密度和應力狀態與原型一致。因此制備黏土地基的離心模型不僅要控制其在原應力場下的狀態與原型之間一致，還要控制離心狀態下的模型與原型的強度相同，從而得到真實的原型地基土響應規律。

目前，黏土地基模型制備的通常做法是先在常重力(1g)下從泥漿狀態預壓固結制備模型，然后在超重力(ng)下超載預壓固結直至模型沉降穩定。該方法通過離心機進行壓縮固結可以較為快速地制備正常固結黏土地基模型，但該方法存在若干缺點：

(1)離心固結制備黏土地基模型將使用離心機進行持續十幾個小時的離心固結。而離心機操作的復雜性不僅對操作人員提出較高的技術要求，還會導致較高的能耗，產生較高的成本開支。

(2)離心固結制備所得黏土地基模型通常是正常固結模型地基或土體強度連續變化的模型地基，所制備離心模型地基的應力歷史難以正確恢復，對于原型地基土體的狀態和強度非連續分布的情況無法還原，模型制備適用范圍有限。

(3)離心固結制備模型時需提前埋置傳感器，然后進行離心固結。這可能會導致模型中的傳感器在離心固結過程中會隨著土體固結沉降發生較大位置偏移，造成較大試驗誤差。

為克服上述黏土地基模型離心固結制備方法的缺點，本發明基于分層等效替代的思想，通過分層控制模型黏土地基的狀態和強度與原型各層地基土體中部相同，進而保證模型地基的離心試驗結果是對原型地基的真實響應。

發明內容

為了解決超重力物理模型試驗模擬原型場地大尺度問題中存在的黏土模型地基制備問題，本發明公開了一種恢復原型狀態與強度的黏土模型地基制備方法，其基本思想是通過控制黏土模型地基的強度、應力狀態和密度與原型地基土體在相同的應力場下等價，進而實現模型地基的離心試驗結果是對原型地基的真實響應。