CN116446470A - 降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置及方法，该装置包括模型箱高度可调的单元式模型箱***、模型箱单元块竖向加固***、模型箱单元块横向加固***、降雨控制装置以及结合电压控制和电阻丝高度控制的干燥体系；其中，模型箱单元块竖向加固***和模型箱单元块横向加固***，可对单元式模型箱***进行竖向和横向加固；通过降雨控制装置的降雨控制管和降雨控制阀门，可实现雨水输送管同时通水以模拟降雨。本发明可模拟自然环境降雨和干燥过程，实现降雨及干湿循环作用下桩承式路堤工作性状的研究；且同时适用于端承桩和悬浮桩的模型试验，其实用性更为广泛；本发明具有操作简单、成本低、周期短、受环境影响小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置及方法，可用于模拟降雨及干湿循环作用对桩承式加筋路堤的影响规律，研究降雨及干湿循环条件下桩承式加筋路堤土拱效应发挥特性、路堤承载特性及沉降变形机理，完善桩承式路堤相关理论和施工技术。
背景技术
随着我国经济发展和社会进步，我国高速铁路和高速公路基础设施快速发展。路堤作为高速铁路和高速公路基础设施的重要组成部分，其安全性和稳定性直接影响高速铁路和高速公路基础设施的安全性，对我国经济和城镇化的进一步发展具有关键性作用。
我国地质形态复杂多样，在不良地基区域进行高速公路和高速铁路等基础设施的建设难以避免，因此，地基承载力不足、路堤局部失稳、沉降及不均匀沉降过大等工程问题在上述工程中时有发生。桩承式加筋路堤作为由竖向桩体和水平加筋体构成的新型软基处理形式，因施工简单、进度较快、安全经济等优势在高速公路和高速铁路等基础设施建设中得到了广泛的应用。
但是，在桩承式加筋路堤施工和长期服役运营过程中，受到降雨、地下水位变化等自然因素的影响，路堤内土体性质发生变化，进而对路堤工作性能和使用寿命产生影响。目前，国内外专家学者对桩承式加筋路堤的荷载传递与沉降变形已开展了大量的研究，但涉及到降雨及干湿循环等复杂环境条件影响的研究仍相对较少，其相关理论与技术仍需完善。相比于理论解析方法和数值方法的研究采用既定的模型，计算所得的数据对计算参数的选取具有较大依赖性；而工程实测的方法实测成本高，技术要求指标高，监测难度大，对环境条件依赖大。
因此，为完善在降雨及干湿循环等复杂环境下桩承式加筋路堤的相关理论研究，针对理论解析方法和数值模型无法较完善考虑实际条件、工程实测监测难度大、成本高的研究现状，亟需一种简单、有效成本较低的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置及试验方法。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，包括：
单元式模型箱***，包括模型箱单元体、单元体榫头、单元体榫槽和模型箱底板；所述模型箱单元***于所述模型箱底板侧面，并以此为基础逐层向上拼接，以构成所述单元式模型箱***；所述单元体榫槽内设置有遇水膨胀橡胶；所述单元体榫槽位于所述单元体榫头的下方，两者榫接；
模型箱单元块竖向加固***，包括第一焊接型钢和第一对拉钢筋；所述第一焊接型钢分别焊接于所述单元式模型箱***两侧板的顶部与底部，所述第一焊接型钢设置有第一孔洞；所述第一对拉钢筋穿过所述第一孔洞，所述第一对拉钢筋的两端设置有第一螺纹；所述第一螺纹上安装有第一螺母；
模型箱单元块横向加固***，包括第二焊接型钢和第二对拉钢筋；所述第二焊接型钢分别焊接于所述单元式模型箱***两侧板的左右两侧，所述第二焊接型钢设置有第二孔洞；所述第二对拉钢筋穿过所述第二孔洞，所述第二对拉钢筋的两端设置有第二螺纹；所述第二螺纹上安装有第二螺母；
降雨控制装置，包括降雨控制管、雨水输送管、压力表、进水阀和进水管；所述进水管与水箱相连；所述压力表和所述进水阀安装于所述进水管上；所述降雨控制管套设于所述进水管内，所述降雨控制管的一侧连接降雨控制阀门；和
干燥体系，包括固定梁、电阻丝、安全盒、电压控制装置、伸缩立杆和固定立杆；所述固定立杆的底部设置有第三螺纹，所述固定立杆通过所述螺纹与所述单元式模型箱***连接，所述固定立杆自上而下均匀设置有多个连接孔；所述伸缩立杆的底部上设置有第三孔洞，所述第三孔洞与所述连接孔对齐后，通过连接螺栓连接；所述伸缩立杆的顶部与所述固定梁可拆卸连接；所述电阻丝均匀设置在所述固定梁的底部，所述电阻丝的外部安装有安全盒，所述电阻丝与所述电压控制装置连接。
可选地，所述单元式模型箱***的侧面设置有多个排水***，所述排水***包括排水阀门、排水管和土工布，所述排水阀门安装在所述排水管上。
可选地，所述排水***的数量大于等于2个，且必有一个位于所述单元式模型箱***侧面的底部，其余排水***位于所述单元式模型箱***的侧面不同高度。
可选地，所述模型箱底板的底部设置有移动体系，所述移动体系包括滚轮挡板、固定孔洞和滚轮；所述滚轮安装在所述滚轮挡板上，所述固定孔洞位于所述滚轮挡板的中心。
可选地，所述进水管的内部设有进水通道，所述雨水输送管的内部设有雨水输送通道，当所述降雨控制阀门开启时，所述进水通道与所述雨水输送通道连接；当述降雨控制阀门关闭时，所述进水通道与所述雨水输送通道断开连接。
可选地，所述雨水输送管的底部均匀设置有多个降雨孔；所述降雨孔与所述雨水输送管连接处设置安装螺纹，以实现所述降雨孔与所述雨水输送管的可拆卸连接。
本发明实施例第二方面提供了一种采用上述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、在模型箱底板内均匀布置桩体，并沿桩身两侧均匀布置桩身应变片；
S2、基于模型箱底板逐层叠装模型箱单元体，每装完一层模型箱单元体，在围成的空间内进行地基软土或路基土的填筑，并布置TDR探头传感器、土压力盒、孔隙水压力传感器和沉降板；
S3、待路基土、地基软土和各类传感器布置完毕后，从单元式模型箱***侧面的底部设置的排水***注入水，以模拟模型箱内地基软土的地下水位；
S4、地下水注入完毕并静置一段时间后，先打开降雨控制装置的进水阀并根据压力表控制降雨强度，然后打开降雨控制阀门以实现各降雨孔同时排水，以模拟降雨过程；
S5、降雨过程模拟结束后，静置一段时间后，待雨水入渗到地基土体，且达到试验设定的水位条件后，利用土体内埋入的各类传感器对试验过程的各数据进行采集并记录；
S6、打开模型箱***的排水***，将土体中的水排出，并调整伸缩立杆的高度，利用电压控制装置为电阻丝提供电压，以对土体进行干燥，并利用除湿机调整模型箱***内的湿度；
S7、待土体中湿度达到试验设定的要求后，利用土体内埋入的各类传感器对试验过程各数据进行采集并记录，对比分析排水前后记录的各数据；
S8、试验完成后，由上而下逐层卸出路基土、地基软土和各类传感器，并将单元式模型箱***拆卸。
可选地，所述步骤S2中所述布置TDR探头传感器、土压力盒、孔隙水压力传感器和沉降板具体为：在桩帽和桩间土上方的路基土中每5cm均匀埋设土压力盒和沉降板；沿路基土高度每10cm均匀埋设孔隙水压力传感器；在路堤边坡沿坡度方向埋设三排TDR探头传感器；在面层顶部和路堤填料顶部每10cm均匀埋设位移传感器；在桩间土每隔10cm的位置埋设土压力盒、孔隙水压力传感器和沉降板，将各测量元件与数据采集仪连接并读取各测量元件采集的数据。
可选地，所述步骤S4中所述根据压力表控制降雨强度具体为：根据压力表调节进水阀以调节水压，根据需要的降雨强度和降雨速率调节降雨孔的尺寸。
可选地，所述步骤S6中，在对土体进行干燥之前，需对伸缩立杆的高度和对电阻丝施加的电压进行测试。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用降雨控制装置和干燥体系，相较于传统桩承式加筋路堤模型试验装置，本发明可模拟降雨和干燥过程，可进行降雨及干湿循环作用下桩承式路堤工作性状的研究，且可同时适用于端承桩和悬浮桩的模型试验，其实用性更为广泛。
2、本发明采用的单元式模型箱***，相较于传统装置，模型箱高度可调，可满足模拟不同高度的软土、桩基、路堤的需要；同时，采用高度不同的钢板组成模型箱，可便于土体填筑，利于实现地基土或路基土压实度和桩基垂直度。
3、本发明采用的结合电压控制和电阻丝高度控制的干燥体系，相较于传统调温体系，本发明的装置温度调节范围更广且更灵活，可弥补因电阻丝温度过高所造成的部分传感器损坏的缺陷。
4、本发明的降雨控制装置采用套筒结构，利用降雨控制管和降雨控制阀门，相较于现有模拟降雨装置，可实现雨水输送管同时通水并模拟降雨，避免了因进水管内水流进入雨水输送管顺序不同所造成的同一降雨截面上的短暂时差，保证了同一降雨截面上降雨同步性，进而提高雨水分布均匀性。
5、本发明的降雨控制装置采用可拆卸式的降雨孔，可根据不同试验的需要，改变降雨孔尺寸以调整雨滴直径和降落速率。
6、本发明采用的模型箱单元块竖向加固***和模型箱单元块横向加固***，可对单元式模型箱***进行竖向和横向加固，以避免模型箱单元体拼接处出现过大缝隙，且可避免在试验过程中土体侧向压力和水压力作用引起的模型箱变形，减小试验误差。
7、本发明采用的位于模型箱底部的排水***可便于土体内水体排出，提高干燥过程的效率；同时，位于模型箱上部的排水***可对土体内最高水位进行限制以更精准、便捷调节土体内水位，以弥补难以通过直观观察确定土体内水位的缺陷。
8、本发明采用的单元式模型箱***、降雨控制装置和干燥体系都可进行灵活拆卸，便于装置运输和保存。
附图说明
图1为降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置俯视图；
图2为降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置剖面图；
图3为降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置侧视图；
图4为模型箱单元体详图的正视图；
图5为模型箱单元体详图的俯视图；
图6为模型箱单元体详图的仰视图；
图7为降雨控制装置开启状态详图；
图8为降雨控制装置开启状态详图的侧视图；
图9为降雨控制装置关闭状态详图；
图10为降雨控制装置关闭状态详图；
图11为雨水输送管详图；
图12为仪器布置平面示意图(软土地基表面处)。
图中，单元式模型箱***1、模型箱单元体1-1、单元体榫头1-2、遇水膨胀橡胶1-3、单元体榫槽1-4、模型箱底板1-5；
模型箱单元块竖向加固***2、第一焊接型钢2-1、第一螺纹2-2、第一螺母2-3、第一对拉钢筋2-4；
模型箱单元块横向加固***3、第二焊接型钢3-1、第二对拉钢筋3-2、第二螺纹3-3、第二螺母3-4；
排水***4、排水阀门4-1、排水管4-2、土工布4-3；
降雨控制装置5、降雨控制阀门5-1、降雨控制管5-2、雨水输送管5-3、压力表5-4、进水阀5-5、进水管5-6、进水通道5-7、雨水输送通道5-8、安装螺纹5-9、降雨孔5-10；
干燥体系6、固定梁6-1、电阻丝6-2、安全盒6-3、电压控制装置6-4、伸缩立杆6-5、连接螺栓6-6、连接孔6-7、固定立杆6-8、第三螺纹6-9；
移动体系7、滚轮挡板7-1、固定孔洞7-2、滚轮7-3；
除湿机8；
传感器***9、TDR探头传感器9-1、土压力盒9-2、孔隙水压力传感器9-3、沉降板9-4、桩身应变片9-5；
桩土体系10、桩帽10-1、路基土10-2、地基软土10-3；
水箱11。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
参见图1-图12，本发明实施例提供了一种降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，该试验装置包括单元式模型箱***1、模型箱单元块竖向加固***2、模型箱单元块横向加固***3、降雨控制装置5和干燥体系6。
本实施例中，单元式模型箱***1包括模型箱单元体1-1、单元体榫头1-2、单元体榫槽1-4和模型箱底板1-5。其中，模型箱单元体1-1位于模型箱底板1-5侧面，并以此为基础逐层向上拼接，以构成单元式模型箱***1；单元体榫槽1-4内设置有遇水膨胀橡胶1-3，可以有效避免模型箱内水从拼接缝隙处渗出；单元体榫槽1-4位于单元体榫头1-2的下方，两者榫接，如图1-图6所示。
应当理解的是，以模型箱底板1-5为基础，逐层向上拼接模型箱单元体1-1、单元体榫头1-2、遇水膨胀橡胶1-3和单元体榫槽1-4，以构成单元式模型箱***1。
进一步地，单元式模型箱***1的侧面设置有多个排水***4。
进一步地，排水***4的数量大于等于2个，且必有一个位于单元式模型箱***1侧面的底部，用于输入和排出水；其余排水***4位于单元式模型箱***1的侧面不同高度，用于控制模型箱内水位高度。
参见图1-图3，排水***4由排水阀门4-1、排水管4-2和土工布4-3组成，其中，排水阀门4-1安装在排水管4-2上，可以控制输入水和排出水。
参见图2-图3，模型箱底板1-5的底部设置有移动体系7，移动体系7包括滚轮挡板7-1、固定孔洞7-2和滚轮7-3。其中，滚轮7-3安装在滚轮挡板7-1上，固定孔洞7-2位于滚轮挡板7-1的中心。当单元式模型箱***1移动至指定位置后，可将插销固定***固定孔洞7-2内，使得滚轮挡板7-1和滚轮7-3固定连接，从而能有效够避免单元式模型箱***1在使用过程中发生移动。
本实施例中，模型箱单元块竖向加固***2包括第一焊接型钢2-1和第一对拉钢筋2-4。其中，第一焊接型钢2-1分别焊接于单元式模型箱***1两侧板的顶部与底部，第一焊接型钢2-1设置有第一孔洞；第一对拉钢筋2-4穿过第一焊接型钢2-1设置的第一孔洞，第一对拉钢筋2-4的两端设置有第一螺纹2-2；第一螺纹2-2上安装有第一螺母2-3，如图2-图3所示。通过第一螺纹2-2和第一螺母2-3可以对单元式模型箱***1进行竖向加固，进一步避免了模型箱单元体1-1拼接处出现过大缝隙。
参见图1-图3，模型箱单元块横向加固***3包括第二焊接型钢3-1和第二对拉钢筋3-2。其中，第二焊接型钢3-1分别焊接于单元式模型箱***1两侧板的左右两侧，第二焊接型钢3-1设置有第二孔洞；第二对拉钢筋3-2穿过第二焊接型钢3-1设置的第二孔洞，第二对拉钢筋3-2的两端设置有第二螺纹3-3；第二螺纹3-3上安装有第二螺母3-4。通过第二螺纹3-3和第二螺母3-4可以对单元式模型箱***1进行横向加固。
本实施例中，降雨控制装置5包括降雨控制管5-2、雨水输送管5-3、压力表5-4、进水阀5-5和进水管5-6。其中，进水管5-6与水箱11相连；进水阀5-5和压力表5-4安装于进水管5-6上，通过进水阀5-5和压力表5-4可以控制水压，进而实现降雨强度的模拟；降雨控制管5-2套设于进水管5-6内，降雨控制管5-2的一侧连接有降雨控制阀门5-1，通过降雨控制阀门5-1可以控制降雨控制管5-2旋转，进而控制模拟降雨的开启与关闭，如图1和图2所示。
参见图7-图10，进水管5-6的内部设有进水通道5-7，雨水输送管5-3的内部设有雨水输送通道5-8，当降雨控制阀门5-1开启时，进水通道5-7与雨水输送通道5-8连接；当降雨控制阀门5-1关闭时，进水通道5-7与雨水输送通道5-8断开连接。
降雨控制阀门5-1用于控制模拟降雨过程的开始和结束。具体地，当降雨控制阀门5-1开启时，进水管5-6内的进水通道5-7与雨水输送管5-3内的雨水输送通道5-8连接，二者呈连通状态，实现模拟降雨过程的开启；当降雨控制阀门5-1关闭时，进水管5-6内的进水通道5-7与雨水输送管5-3内的雨水输送通道5-8断开连接，实现模拟降雨过程的结束。
进一步地，雨水输送管5-3的底部均匀设置有多个降雨孔5-10，如图11所示。降雨孔5-10与雨水输送管5-3的连接处设置有安装螺纹5-9，以实现降雨孔5-10与雨水输送管5-3的可拆卸连接。另外，还可以根据不同的试验要求改变降雨孔5-10的孔洞尺寸，进而改变雨滴的直径和降雨速度。
应当理解的是，由于降雨孔5-10与雨水输送管5-3可拆卸连接，可以根据试验要求更换不同尺寸的降雨孔5-10，进而改变雨滴的直径和降雨速度。
本实施例中，干燥体系6包括固定梁6-1、电阻丝6-2、安全盒6-3、电压控制装置6-4、伸缩立杆6-5和固定立杆6-8。其中，固定立杆6-8的底部设置有第三螺纹6-9，固定立杆6-8通过第三螺纹6-9与单元式模型箱***1连接；固定立杆6-8上自上而下均匀设置有多个连接孔6-7；伸缩立杆6-5的底部设置有第三孔洞，第三孔洞与固定立杆6-8上设置的连接孔6-7对齐后，通过连接螺栓6-6将伸缩立杆6-5连接在固定立杆6-8上，伸缩立杆6-5的顶部与固定梁6-1可拆卸连接，另外，还可以根据实际需要调节伸缩立杆6-5的高度；电阻丝6-2均匀设置在固定梁6-1的底部，电阻丝6-2外部安装有安全盒6-3，由保护安全盒6-3电阻丝6-2，可以有效避免电阻丝6-2遇水或灰尘损坏，同时避免在操作工程中操作人员不当触碰到电阻丝6-2造成安全隐患；电阻丝6-2与电压控制装置6-4连接，可以通过控制电压进而改变电阻丝6-2的温度，如图1-图3所示。
应当理解的是，固定立杆6-8上设置有多个连接孔6-7，可以根据实际需要将伸缩立杆6-5底部设置的第三孔洞与相应的连接孔6-7对齐后，通过连接螺栓6-6将伸缩立杆6-5连接在固定立杆6-8上。
本发明实施例中的试验装置包括单元式模型箱***1、模型箱单元块竖向加固***2、模型箱单元块横向加固***3、降雨控制装置5和干燥体系6。其中，单元式模型箱***1中模型箱高度可调，满足模拟不同高度的软土、桩基、路堤的需要，且便于土体填筑，有助于实现地基土或路基土压实度和桩基垂直度；模型箱单元块竖向加固***2和模型箱单元块横向加固***3，可对单元式模型箱***1进行竖向和横向加固，以避免模型箱单元体1-1拼接处出现过大缝隙，也可避免在试验过程中土体侧向压力和水压力作用引起的模型箱变形；通过降雨控制装置5的降雨控制管5-2和降雨控制阀门5-1，可实现雨水输送管5-3同时通水以模拟降雨，保证了同一降雨截面上降雨同步性，可提高雨水分布均匀性；采用可拆卸式的降雨孔5-10，可根据不同试验的需要，改变降雨孔5-10尺寸以调整雨滴直径和降落速率；结合电压控制和电阻丝6-2高度控制的干燥体系6，使得温度调节范围更广且更灵活，弥补因电阻丝6-2温度过高造成部分传感器损坏的缺陷。本发明采用降雨控制装置5和干燥体系6，相较于传统桩承式加筋路堤模型试验装置，可模拟自然环境降雨和干燥过程，实现降雨及干湿循环作用下桩承式路堤工作性状的研究，且本发明可同时适用于端承桩和悬浮桩的模型试验，其实用性更为广泛，相较于工程实测的方法，本发明具有操作简单、成本低、周期短、受环境影响小等优点。
值得一提的是，本发明实施例还提供了一种采用上述降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置的试验方法，如图1-图12所示，具体包括以下步骤：
S1、在模型箱底板1-5内均匀布置桩体，并沿桩身两侧均匀布置桩身应变片。
本实施例中，可以根据试验方案均匀布置桩体，例如，相邻的两个桩体的中心间距为0.2m，也可以为0.3m，具体根据实际需求确定。
应当理解的是，沿桩身两侧均匀布置桩身应变片，例如，可以每隔5cm布置桩身应变片，具体可以根据试验方案确定，均匀设置在桩身两侧即可。
S2、基于模型箱底板1-5逐层叠装模型箱单元体1-1，每装完一层模型箱单元体1-1，在围成的空间内进行地基软土10-3或路基土10-2的填筑，并布置TDR探头传感器9-1、土压力盒9-2、孔隙水压力传感器9-3和沉降板9-4。
具体地，在桩帽10-1和桩间土上方的路基土10-2中每5cm均匀埋设土压力盒9-2和沉降板9-4；沿路基土10-2高度每10cm均匀埋设孔隙水压力传感器9-3；在路堤边坡沿坡度方向埋设三排TDR探头传感器9-1；在面层顶部和路堤填料顶部每10cm均匀埋设位移传感器；在桩间土每隔10cm的位置埋设土压力盒9-2、孔隙水压力传感器9-3和沉降板9-4，将各测量元件与数据采集仪连接并读取各测量元件采集的数据。
S3、待路基土10-2、地基软土10-3和各类传感器布置完毕后，从单元式模型箱***1侧面的底部设置的排水***4注入水，以模拟模型箱内地基软土10-3的地下水位。
S4、地下水注入完毕并静置一段时间后，先打开降雨控制装置5的进水阀5-5并根据压力表5-4控制降雨强度，然后打开降雨控制阀门5-1以实现各降雨孔5-10同时排水，实现降雨过程的模拟。
具体地，根据压力表5-4调节进水阀5-5以改变水压，通过使用不同尺寸的降雨孔5-10，实现对不同降雨强度、降雨速率的模拟。
S5、降雨过程模拟结束后，静置一段时间后，待雨水入渗到地基土体，且达到试验设定的水位条件后，利用土体内埋入的各类传感器对试验过程的各数据进行采集并记录。
S6、打开模型箱***1的排水***4，将土体中的水排出，并调整伸缩立杆6-5的高度，利用电压控制装置6-4为电阻丝6-2提供电压，进行土体干燥过程模拟，同时利用除湿机8进行模型箱***1内湿度调整。
本实施例中，在对土体进行干燥之前，需对伸缩立杆6-5高度和对电阻丝6-2施加的电压进行测试，进而得出在不同伸缩立杆6-5高度和不同电压下电阻丝6-2所传递至路基土的温度，避免因土体表面温度过高造成各仪器损坏或土体表面温度过低造成干燥效率低下甚至无法到达预期干燥效果。
应当理解的是，在对土体进行干燥之前对伸缩立杆6-5高度和对电阻丝6-2施加的电压进行测试，干燥之后，同样对伸缩立杆6-5高度和对电阻丝6-2施加的电压进行测试，根据干燥前后的伸缩立杆6-5高度和对电阻丝6-2施加的电压可以分析得出在不同伸缩立杆6-5高度和不同电压下电阻丝6-2所传递至路基土的温度。
S7、待土体中湿度达到试验设定的要求后，利用土体内埋入的各类传感器对试验过程各数据进行采集并记录，对比分析排水前后记录的各数据。
应当理解的是，通过对比排水前后的试验结果，可以分析得到降雨对桩承式路堤应力和变形的影响规律。
S8、试验完成后，由上而下逐层卸出路基土10-2、地基软土10-3和各类传感器，并将单元式模型箱***1拆卸。
需要说明的是，可以根据试验方案重复若干次上述试验过程，通过对试验结果的分析，研究干湿循环对桩承式路堤应力和变形的影响规律。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，其特征在于，包括：
单元式模型箱***(1)，包括模型箱单元体(1-1)、单元体榫头(1-2)、单元体榫槽(1-4)和模型箱底板(1-5)；所述模型箱单元体(1-1)位于所述模型箱底板(1-5)侧面，并以此为基础逐层向上拼接，以构成所述单元式模型箱***(1)；所述单元体榫槽(1-4)内设置有遇水膨胀橡胶(1-3)；所述单元体榫槽(1-4)位于所述单元体榫头(1-2)的下方，两者榫接；
模型箱单元块竖向加固***(2)，包括第一焊接型钢(2-1)和第一对拉钢筋(2-4)；所述第一焊接型钢(2-1)分别焊接于所述单元式模型箱***(1)两侧板的顶部与底部，所述第一焊接型钢(2-1)设置有第一孔洞；所述第一对拉钢筋(2-4)穿过所述第一孔洞，所述第一对拉钢筋(2-4)的两端设置有第一螺纹(2-2)；所述第一螺纹(2-2)上安装有第一螺母(2-3)；
模型箱单元块横向加固***(3)，包括第二焊接型钢(3-1)和第二对拉钢筋(3-2)；所述第二焊接型钢(3-1)分别焊接于所述单元式模型箱***(1)两侧板的左右两侧，所述第二焊接型钢(3-1)设置有第二孔洞；所述第二对拉钢筋(3-2)穿过所述第二孔洞，所述第二对拉钢筋(3-2)的两端设置有第二螺纹(3-3)；所述第二螺纹(3-3)上安装有第二螺母(3-4)；
降雨控制装置(5)，包括降雨控制管(5-2)、雨水输送管(5-3)、压力表(5-4)、进水阀(5-5)和进水管(5-6)；所述进水管(5-6)与水箱(11)相连；所述压力表(5-4)和所述进水阀(5-5)安装于所述进水管(5-6)上；所述降雨控制管(5-2)套设于所述进水管(5-6)内，所述降雨控制管(5-2)的一侧连接降雨控制阀门(5-1)；和
干燥体系(6)，包括固定梁(6-1)、电阻丝(6-2)、安全盒(6-3)、电压控制装置(6-4)、伸缩立杆(6-5)和固定立杆(6-8)；所述固定立杆(6-8)的底部设置有第三螺纹(6-9)，所述固定立杆(6-8)通过所述螺纹(6-9)与所述单元式模型箱***(1)连接，所述固定立杆(6-8)自上而下均匀设置有多个连接孔(6-7)；所述伸缩立杆(6-5)的底部上设置有第三孔洞，所述第三孔洞与所述连接孔(6-7)对齐后，通过连接螺栓(6-6)连接；所述伸缩立杆(6-5)的顶部与所述固定梁(6-1)可拆卸连接；所述电阻丝(6-2)均匀设置在所述固定梁(6-1)的底部，所述电阻丝(6-2)的外部安装有安全盒(6-3)，所述电阻丝(6-2)与所述电压控制装置(6-4)连接。
2.根据权利要求1所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，其特征在于，所述单元式模型箱***(1)的侧面设置有多个排水***(4)，所述排水***(4)包括排水阀门(4-1)、排水管(4-2)和土工布(4-3)，所述排水阀门(4-1)安装在所述排水管(4-2)上。
3.根据权利要求2所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，其特征在于，所述排水***(4)的数量大于等于2个，且必有一个位于所述单元式模型箱***(1)侧面的底部，其余排水***(4)位于所述单元式模型箱***(1)的侧面不同高度。
4.根据权利要求1所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，其特征在于，所述模型箱底板(1-5)的底部设置有移动体系(7)，所述移动体系(7)包括滚轮挡板(7-1)、固定孔洞(7-2)和滚轮(7-3)；所述滚轮(7-3)安装在所述滚轮挡板(7-1)上，所述固定孔洞(7-2)位于所述滚轮挡板(7-1)的中心。
5.根据权利要求1所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，其特征在于，所述进水管(5-6)的内部设有进水通道(5-7)，所述雨水输送管(5-3)的内部设有雨水输送通道(5-8)，当所述降雨控制阀门(5-1)开启时，所述进水通道(5-7)与所述雨水输送通道(5-8)连接；当述降雨控制阀门(5-1)关闭时，所述进水通道(5-7)与所述雨水输送通道(5-8)断开连接。
6.根据权利要求5所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置，其特征在于，所述雨水输送管(5-3)的底部均匀设置有多个降雨孔(5-10)；所述降雨孔(5-10)与所述雨水输送管(5-3)连接处设置安装螺纹(5-9)，以实现所述降雨孔(5-10)与所述雨水输送管(5-3)的可拆卸连接。
7.一种采用权利要求1-6中任一项所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在模型箱底板(1-5)内均匀布置桩体，并沿桩身两侧均匀布置桩身应变片；
S2、基于模型箱底板(1-5)逐层叠装模型箱单元体(1-1)，每装完一层模型箱单元体(1-1)，在围成的空间内进行地基软土(10-3)或路基土(10-2)的填筑，并布置TDR探头传感器(9-1)、土压力盒(9-2)、孔隙水压力传感器(9-3)和沉降板(9-4)；
S3、待路基土(10-2)、地基软土(10-3)和各类传感器布置完毕后，从单元式模型箱***(1)侧面的底部设置的排水***(4)注入水，以模拟模型箱内地基软土(10-3)的地下水位；
S4、地下水注入完毕并静置一段时间后，先打开降雨控制装置(5)的进水阀(5-5)并根据压力表(5-4)控制降雨强度，然后打开降雨控制阀门(5-1)以实现各降雨孔(5-10)同时排水，以模拟降雨过程；
S5、降雨过程模拟结束后，静置一段时间后，待雨水入渗到地基土体，且达到试验设定的水位条件后，利用土体内埋入的各类传感器对试验过程的各数据进行采集并记录；
S6、打开模型箱***(1)的排水***(4)，将土体中的水排出，并调整伸缩立杆(6-5)的高度，利用电压控制装置(6-4)为电阻丝(6-2)提供电压，以对土体进行干燥，并利用除湿机(8)调整模型箱***(1)内的湿度；
S7、待土体中湿度达到试验设定的要求后，利用土体内埋入的各类传感器对试验过程各数据进行采集并记录，对比分析排水前后记录的各数据；
S8、试验完成后，由上而下逐层卸出路基土(10-2)、地基软土(10-3)和各类传感器，并将单元式模型箱***(1)拆卸。
8.根据权利要求7所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S2中所述布置TDR探头传感器(9-1)、土压力盒(9-2)、孔隙水压力传感器(9-3)和沉降板(9-4)具体为：在桩帽(10-1)和桩间土上方的路基土(10-2)中每5cm均匀埋设土压力盒(9-2)和沉降板(9-4)；沿路基土(10-2)高度每10cm均匀埋设孔隙水压力传感器(9-3)；在路堤边坡沿坡度方向埋设三排TDR探头传感器(9-1)；在面层顶部和路堤填料顶部每10cm均匀埋设位移传感器；在桩间土每隔10cm的位置埋设土压力盒(9-2)、孔隙水压力传感器(9-3)和沉降板(9-4)，将各测量元件与数据采集仪连接并读取各测量元件采集的数据。
9.根据权利要求7所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S4中所述根据压力表(5-4)控制降雨强度具体为：根据压力表(5-4)调节进水阀(5-5)以调节水压，根据需要的降雨强度和降雨速率调节降雨孔(5-10)的尺寸。
10.根据权利要求7所述的降雨及干湿循环作用下桩承式路堤模型试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤S6中，在对土体进行干燥之前，需对伸缩立杆(6-5)的高度和对电阻丝(6-2)施加的电压进行测试。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117470695A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-30 | 湖南大学 | 动载-干湿循环耦合作用下路基服役状态评估方法及*** |
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2023
- 2023-03-13 CN CN202310266226.5A patent/CN116446470A/zh active Pending
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