CN110749517A - 一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置及方法，其中模拟试验装置包括：组合模型箱；路基模型，填筑在组合模型箱内；降雨模拟***，用于对路基模型上部进行喷雾加湿；蒸发干燥模拟***，用于使路基模型减湿；水位控制***，用于向路基模型内部供水，并控制路基模型内部水位高度；路基湿度监测***，用于监测路基模型内部不同深度处的路基土湿度；动力加载***，用于对路基模型进行动力加载；动应力和动变形测试***，用于检测路基模型在动力加载条件下的动应力和动变形情况。该模型试验装置及方法能够分析湿度循环变化下路基土动力特性的变化规律，为湿热地区路基长期性能保障提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及道路与铁道路基工程技术领域，具体而言，涉及一种降雨蒸发与水位升降导致的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置及方法。
背景技术
路基在施工完成后长期暴露于自然环境中，特别是南方湿热多雨地区，由于降雨和蒸发交替作用，以及地下水位不断升降，引起路基内部不断经历增湿减湿的循环湿化过程。每个循环过程中路基土的强度和变形会随湿度发生变化，在经历多个循环湿化路径后路基土会呈现一定的性能衰变。同时随着修建的高速公路、高速铁路规模越来越大，且趋于高速化、重载化，路基土的动力特性对路基结构服役性能影响越来越显著。近年来，由于湿度循环变化和交通动载的联合作用，南方湿热地区在役路基不均匀沉降、纵裂、沉陷等病害问题日益突出，道路维护工作量剧增，严重影响了行车安全和舒适度。
基于此，不少学者开展了路基土静动力学特性的三轴试验和模型试验研究。针对三轴试验研究，目前大多都是采用直接制备不同湿度试样进行试验，其湿度变化与实际工程很不相符，会影响试验结果的真实性。而针对路基模型试验，目前关于增湿减湿循环对路基影响的研究大多集中于静力特性方面，主要是涉及路基表面裂缝演变、抗剪强度衰减、边坡稳定性等。而由于考虑湿度变化对路基动力特性的模型试验主要存在以下问题：(1)是如何保证经历多次增湿减湿循环后路基土含水率与第一次循环时相同；(2)是如何减小由于路基表面与路基内部湿度不均匀降低引起的路基开裂；(3)是如何精确测定路基动应力及动变形，所以关于路基动力特性的研究通常没有考虑到湿度变化的影响。
因此，有必要开发一种能模拟降雨蒸发及地下水位升降导致的循环湿化对路基土动力特性(加速度、动土压力及动位移)影响的模型试验装置及方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置及方法，该模型试验装置及方法能够分析湿度循环变化下路基土动力特性的变化规律，为湿热地区路基长期性能保障提供理论依据。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，该模拟试验装置包括：
组合模型箱，组合模型箱的底部设有出水口；
路基模型，填筑在组合模型箱内；
降雨模拟***，架设在组合模型箱的上部，降雨模拟***用于对路基模型的上部进行喷雾加湿；
蒸发干燥模拟***，蒸发干燥模拟***用于将路基模型内的水分进行蒸发，使路基模型减湿；
水位控制***，水位控制***的出水端伸入路基模型的内部，水位控制***用于向路基模型的内部供水，并控制路基模型内部的水位高度；
路基湿度监测***，埋设在路基模型的内部，路基湿度监测***用于监测路基模型内部不同深度处的路基土湿度；
动力加载***，设置在路基模型上，用于对路基模型进行动力加载；
动应力和动变形测试***，设置在路基模型的上部和内部，用于检测路基模型在动力加载条件下的动应力和动变形情况。
进一步地，组合模型箱由外侧的钢板以及设置于钢板内侧的铝板组成。
进一步地，蒸发干燥模拟***包括电加热板，电加热板设置在钢板和铝板之间。
进一步地，降雨模拟***包括架设在组合模型箱上部的支架，支架上安装有多根降雨模拟进水管，降雨模拟进水管上安装有多个雾化喷头，降雨模拟进水管上设有水表和水阀开关。
进一步地，蒸发干燥模拟***还包括多个太阳灯，太阳灯安装在降雨模拟进水管上，且太阳灯与雾化喷头交替间隔设置。
进一步地，水位控制***包括埋设于路基模型内部的砂槽，砂槽中埋设有缠纱带孔水管，缠纱带孔水管的一端通过管道与一供水箱连接，管道上安装有水位控制开关。
进一步地，路基模型包括由上至下依次填筑在组合模型箱内的水泥稳定碎石层、灰土层和红黏土层，路基模型的坡脚侧设置有一排水沟。
进一步地，动应力和动变形测试***包括位移传感器、加速度计、动土压力盒和动位移计，位移传感器和加速度计安装在水泥稳定碎石层的上表面，动土压力盒和动位移计的数量均为多个，多个动土压力盒和动位移计安装在水泥稳定碎石层和灰土层之间、灰土层和红黏土层之间以及红黏土层的不同深度处。
进一步地，路基湿度监测***包括多个埋设在路基模型不同深度处的湿度传感器；动力加载***为一MTS电液伺服***。
根据本发明的另一方面，提供了一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验方法，采用上述的路基土动力特性的模型试验装置进行模拟试验，该模型试验方法包括以下步骤：
S1：根据组合模型箱的大小确定所需土量，采用分层压实的方法填筑各层路基填料，在预埋位置埋设好路基湿度监测***、动应力和动变形测试***以及水位控制***，直至达到预定高度，完成路基模型填筑，形成路基模型；
S2：开启水位控制***向路基模型内注水，当路基模型内达到预设的最低水位时停止注水；同时启用降雨模拟***对路基模型的上部进行喷雾加湿；
S3：组装好红外热像仪，将红外热像仪的镜头置于路基模型所在区域之内进行红外热成像；启动动力加载***，依据现场实际交通量水平设置加载参数，模拟不同频率和幅值的交通荷载，完成预设的最低水位工况动力加载；
S4：重复步骤S2和步骤S3，完成从最低预设水位到最高预设水位各工况动力加载，模拟地下水位对路基动力特性的影响；
S5：完成最高水位动力加载后，打开出水口将路基模型内部的水排出；依据现场实测温度和实测蒸发量，启用蒸发干燥模拟***对路基模型的内部和上表面进行蒸发干燥，使内部和上表面温度均接近实测温度；当路基湿度监测***的读数达到实际湿度时，关闭蒸发干燥模拟***，静置，直至路基湿度监测***的读数不再变化，完成路基减湿过程；
S6：路基模型经历最高预设水位至蒸发干燥过程即完成一次增湿减湿循环，从第二次增湿减湿循环开始，不再考虑水位高度影响，重复步骤S2和步骤S5，完成多次交替循环过程，在每次循环完成后，实时监测路基湿度监测***的读数，确保与第一次循环时相同；
S7：达到指定增湿减湿循环次数后，重复步骤S3和步骤S4，模拟增湿减湿循环对路基动力特性的影响；
S8：通过对比红外热像仪获取的热成像图和动应力和动变形测试***的测试结果，建立两者的数学关系，进而分析湿度循环变化下整个路基部分动力特性的变化规律。
应用本发明的技术方案，通过水位控制***和降雨模拟***实现路基土的增湿；通过水位控制***和蒸发干燥模拟***可降低路基土的湿度；利用路基湿度监测***实时监测土体含水率变化；通过动应力和动变形测试***监测路基土动应力、动加速和累积变形的变化规律；该模型试验装置能够分析湿度循环变化下路基土动力特性的变化规律，为湿热地区路基长期性能保障提供理论依据。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的模型试验装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的模型试验装置中降雨模拟***的结构示意图。
图3为本发明实施例的模型试验装置中水位控制***砂槽的布置示意图。
图4为本发明实施例的模型试验装置增湿减湿循环水位变化示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、组合模型箱；11、出水口；12、钢板；13、铝板；20、路基模型；21、水泥稳定碎石层；22、灰土层；23、红黏土层；24、排水沟；30、降雨模拟***；31、支架；32、降雨模拟进水管；33、雾化喷头；34、水表；35、水阀开关；41、电加热板；42、太阳灯；50、水位控制***；51、砂槽；52、管道；53、供水箱；54、水位控制开关；60、湿度传感器；70、动力加载***；81、位移传感器；82、加速度计；83、动土压力盒；84、动位移计。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。
参见图1至图3，一种本发明实施例的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，该模拟试验装置主要包括：组合模型箱10、路基模型20、降雨模拟***30、蒸发干燥模拟***、水位控制***50、路基湿度监测***、动力加载***70和动应力和动变形测试***。其中，组合模型箱10的底部设置有一个出水口11；路基模型20填筑在组合模型箱10内；降雨模拟***30架设在组合模型箱10的上部，该降雨模拟***30用于对路基模型20的上部进行喷雾加湿；蒸发干燥模拟***用于将路基模型20内的水分进行蒸发，使路基模型20减湿；水位控制***50的出水端伸入路基模型20的内部，该水位控制***50用于向路基模型20的内部供水，并控制路基模型20内部的水位高度；路基湿度监测***埋设在路基模型20的内部，该路基湿度监测***用于监测路基模型20内部不同深度处的路基土湿度；动力加载***70设置在路基模型20上，用于对路基模型20进行动力加载；动应力和动变形测试***设置在路基模型20的上部和内部，用于检测路基模型20在动力加载条件下的动应力和动变形情况。
上述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，通过水位控制***50和降雨模拟***30实现路基土(路基模型20)的增湿；通过水位控制***50和蒸发干燥模拟***可降低路基土的湿度；利用路基湿度监测***实时监测土体含水率变化；通过动应力和动变形测试***监测路基土动应力、动加速和累积变形的变化规律；该模型试验装置能够分析湿度循环变化下路基土动力特性的变化规律，为湿热地区路基长期性能保障提供理论依据。
具体来说，参见图1、图2和图3，在本实施例中，组合模型箱10由外侧的钢板12以及设置于钢板12内侧的铝板13共同组成。蒸发干燥模拟***包括电加热板41，该电加热板41设置在钢板12和铝板13之间；该蒸发干燥模拟***还包括多个太阳灯42，太阳灯42连接有温控开关(图中未示出)，太阳灯42安装在降雨模拟进水管32上，且太阳灯42与雾化喷头33交替间隔设置。如此设置，将蒸发干燥模拟***分为两部分，一部分为位于路基模型20上方的太阳灯42，另一部分为位于钢板12和铝板13之间的电加热板41，通过太阳灯42和电加热板41一起对路基模型20进行蒸发干燥，可以减小路基土内外湿度降低不均匀引起的路基开裂，同时可以加快路基土的减湿速度。
参见图1和图2，在本实施例中，降雨模拟***30包括架设在组合模型箱10上部的支架31，该支架31上安装有多根降雨模拟进水管32，每根降雨模拟进水管32上均安装有多个雾化喷头33，降雨模拟进水管32上还设置有水表34和水阀开关35，供水源采用自来水。这样设置，可以向路基模型20的上表面均匀地雾化增湿，还可方便地控制雾化喷水的量。
参见图1和图3，在本实施例中，水位控制***50包括埋设于路基模型20内部的砂槽51，该砂槽51中埋设有缠纱带孔水管，该缠纱带孔水管的一端通过管道52与一个供水箱53连接，在管道52上安装有水位控制开关54。具体来说，砂槽51为多层，多层砂槽51埋设在路基模型20内部不同深度处。如此，可以方便快速地向路基模型20的内部注水。在埋设砂槽51时，要控制砂槽51的埋设深度和缠纱带孔水管的埋设位置，使黏土无法进入槽内水管中，这样，能够加快水分注入且能保证路基土吸水均匀。
参见图1，在本实施例中，路基模型20包括由上至下依次填筑在组合模型箱10内的水泥稳定碎石层21、灰土层22和红黏土层23，并且在路基模型20的坡脚侧设置有一个排水沟24。路基模型的路基坡率设置为1:1.5。
参见图1，在本实施例中，动应力和动变形测试***包括位移传感器81、加速度计82、动土压力盒83和动位移计84；其中，位移传感器81和加速度计82安装在水泥稳定碎石层21的上表面，动土压力盒83和动位移计84的数量均为多个，且多个动土压力盒83和动位移计84安装在水泥稳定碎石层21和灰土层22之间、灰土层22和红黏土层23之间以及红黏土层23的不同深度处。如此设置，有利于精确测定路基土的动应力及动变形。
参见图1，在本实施例中，路基湿度监测***包括多个埋设在路基模型20不同深度处的干湿度传感器60，通过多个干湿度传感器60与水位控制***50、蒸发干燥模拟***共同作用，可保证经历多次增湿减湿循环后路基土含水率与第一次循环时相同；动力加载***70采用一套MTS电液伺服***。
采用该模型试验装置进行降雨蒸发与水位升降共同作用下路基土动力特性的模型试验方法如下：
步骤一、根据模型大小确定所需土量，采用土分层压实方法填筑各层路基填料，分层层填筑高度控制在20cm，压实度控制为96％；埋设砂槽51时，砂槽51的深度为20cm，缠纱带孔水管的直径为6cm，埋设在中间位置，即距砂槽51上下均为7cm，能加快水分注入且能保证路基土吸水均匀；在预埋位置埋设好其他测试元件，直至达到预定高度，即完成模型填筑；其中水泥稳定碎石层21的厚度为20cm，灰土层的厚度为40cm，红黏土层的厚度为245cm；
步骤二、开启水位控制开关54进行注水，注水过程中保持供水箱53水位高度不变，同时启用降雨模拟***30对路基模型20的上部进行加湿；具体为，通过控制水阀开关35，使水表34读数换算值达到实际降雨量，达到预设水位-2.55m时停止注水，预设水位以上干湿度传感器60读数与水位以下干湿度传感器60读数基本一致时，停止喷雾，静置12h；
步骤三、组装好红外热像仪，将镜头置于路基模型20所在区域之内，调整距离、角度及焦距，使成像效果达到最佳后固定仪器并开启仪器；启动MTS电液伺服***，设置循环加载参数，具体如表2所示，完成预设水位-2.55m动力加载；
步骤四、重复步骤二、步骤三，完成如表1所示各工况动力加载，可模拟地下水位对路基动力特性的影响；
步骤五、完成水位-0.6m动力加载后，首先打开组合模型箱10的出水口11，将地下水排出，依据现场实测温度和湿度情况，同时启用太阳灯42照射和电加热板41加热，太阳灯42和电加热板41的温度均控制在30℃左右，当干湿度传感器60的读数达到实际湿度时，关闭蒸发干燥模拟***，静置24h，直至干湿度传感器60的读数不再变化，即完成路基减湿过程；
步骤六、路基土经历最高预设水位至蒸发干燥过程即完成一次增湿减湿循环，从第二次增湿减湿循环开始，每个循环内直接将地下水位升至-0.6m后进行蒸发干燥，不再进行其他两个水位工况动力加载，重复步骤二和步骤五，完成多次交替循环过程；
步骤七、达到指定增湿减湿循环次数后，重复步骤三，可模拟增湿减湿循环对路基动力特性的影响；增湿减湿循环水位变化如图4所示；
步骤八、结果分析，通过对比热成像图和动力测试***结果，建立两者数学关系，进而分析湿度循环变化下整个路基部分动力特性的变化规律。
表1水位上升及增湿减湿循环试验工况
表2不同荷载工况
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述模拟试验装置包括：
组合模型箱(10)，所述组合模型箱(10)的底部设有出水口(11)；
路基模型(20)，填筑在所述组合模型箱(10)内；
降雨模拟***(30)，架设在所述组合模型箱(10)的上部，所述降雨模拟***(30)用于对所述路基模型(20)的上部进行喷雾加湿；
蒸发干燥模拟***，所述蒸发干燥模拟***用于将所述路基模型(20)内的水分进行蒸发，使所述路基模型(20)减湿；
水位控制***(50)，所述水位控制***(50)的出水端伸入所述路基模型(20)的内部，所述水位控制***(50)用于向所述路基模型(20)的内部供水，并控制所述路基模型(20)内部的水位高度；
路基湿度监测***，埋设在所述路基模型(20)的内部，所述路基湿度监测***用于监测所述路基模型(20)内部不同深度处的路基土湿度；
动力加载***(70)，设置在所述路基模型(20)上，用于对所述路基模型(20)进行动力加载；
动应力和动变形测试***，设置在所述路基模型(20)的上部和内部，用于检测所述路基模型(20)在动力加载条件下的动应力和动变形情况。
2.根据权利要求1所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述组合模型箱(10)由外侧的钢板(12)以及设置于所述钢板(12)内侧的铝板(13)组成。
3.根据权利要求2所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述蒸发干燥模拟***包括电加热板(41)，所述电加热板(41)设置在所述钢板(12)和所述铝板(13)之间。
4.根据权利要求1所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述降雨模拟***(30)包括架设在所述组合模型箱(10)上部的支架(31)，所述支架(31)上安装有多根降雨模拟进水管(32)，所述降雨模拟进水管(32)上安装有多个雾化喷头(33)，所述降雨模拟进水管(32)上设有水表(34)和水阀开关(35)。
5.根据权利要求4所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述蒸发干燥模拟***还包括多个太阳灯(42)，所述太阳灯(42)安装在所述降雨模拟进水管(32)上，且所述太阳灯(42)与所述雾化喷头(33)交替间隔设置。
6.根据权利要求1所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述水位控制***(50)包括埋设于所述路基模型(20)内部的砂槽(51)，所述砂槽(51)中埋设有缠纱带孔水管，所述缠纱带孔水管的一端通过管道(52)与一供水箱(53)连接，所述管道(52)上安装有水位控制开关(54)。
7.根据权利要求1所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述路基模型(20)包括由上至下依次填筑在所述组合模型箱(10)内的水泥稳定碎石层(21)、灰土层(22)和红黏土层(23)，所述路基模型(20)的坡脚侧设置有一排水沟(24)。
8.根据权利要求7所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述动应力和动变形测试***包括位移传感器(81)、加速度计(82)、动土压力盒(83)和动位移计(84)，所述位移传感器(81)和所述加速度计(82)安装在所述水泥稳定碎石层(21)的上表面，所述动土压力盒(83)和所述动位移计(84)的数量均为多个，多个所述动土压力盒(83)和所述动位移计(84)安装在所述水泥稳定碎石层(21)和所述灰土层(22)之间、所述灰土层(22)和所述红黏土层(23)之间以及所述红黏土层(23)的不同深度处。
9.根据权利要求1所述的循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验装置，其特征在于，所述路基湿度监测***包括多个埋设在所述路基模型(20)不同深度处的湿度传感器(60)；所述动力加载***(70)为一MTS电液伺服***。
10.一种循环湿化作用下路基土动力特性的模型试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任意一项所述的路基土动力特性的模型试验装置进行模拟试验，所述模型试验方法包括以下步骤：
S1：根据预设路基模型(20)的大小确定所需土量，采用分层压实的方法填筑各层路基填料，在预埋位置埋设好所述路基湿度监测***、所述动应力和动变形测试***以及所述水位控制***(50)，直至达到预定高度，完成路基模型填筑，形成所述路基模型(20)；
S2：开启所述水位控制***(50)向所述路基模型(20)内注水，当所述路基模型(20)内达到预设的最低水位时停止注水；同时启用所述降雨模拟***(20)对所述路基模型(20)的上部进行喷雾加湿；
S3：组装好红外热像仪，将所述红外热像仪的镜头置于所述路基模型(20)所在区域之内进行红外热成像；启动所述动力加载***(70)，依据现场实际交通量水平设置加载参数，模拟不同频率和幅值的交通荷载，完成预设的最低水位工况动力加载；
S4：重复步骤S2和步骤S3，完成从最低预设水位到最高预设水位各工况动力加载，模拟地下水位上升对路基动力特性的影响；
S5：完成最高水位动力加载后，打开所述出水口(11)将所述路基模型(20)内部的水排出；依据现场实测温度和实测蒸发量，启用所述蒸发干燥模拟***对所述路基模型(20)的内部和上表面进行蒸发干燥，使内部和上表面温度均接近实测温度；当所述路基湿度监测***的读数达到实际湿度时，关闭所述蒸发干燥模拟***，静置，直至所述路基湿度监测***的读数不再变化，完成路基减湿过程；
S6：所述路基模型(20)经历最高预设水位至蒸发干燥过程即完成一次增湿减湿循环，从第二次增湿减湿循环开始，不再考虑水位高度影响，重复所述步骤S2和所述步骤S5，完成多次交替循环过程，在每次循环完成后，实时监测所述路基湿度监测***的读数，确保与第一次循环时相同；
S7：达到指定增湿减湿循环次数后，重复步骤S3和步骤S4，模拟增湿减湿循环对路基动力特性的影响；
S8：通过对比所述红外热像仪获取的热成像图和所述动应力和动变形测试***的测试结果，建立两者的数学关系，进而分析湿度循环变化下整个路基部分动力特性的变化规律。
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