CN101819105A - 低路堤防排水试验系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低路堤防排水试验系统及其方法，属于检验高速公路细粒土低路堤防排水效果的试验技术领域。本发明是在有机玻璃模型箱和带刻度的水箱底部连接一根透水玻璃管组成，利用水箱水位模拟地下水位的升降，利用模型槽内铺设防排水设施并分层填筑路堤模拟实际工程中防排水材料的工作状况。本发明可直观地获得低路堤在铺设各种防排水材料前后的含水量、孔隙水压力及吸力的变化规律，从而检验不同防排水设施的使用效果，具有接近实际工程、规模合理及可模拟的工况多等优点，可为低路堤防排水设计和施工提供科学技术保障。

Description

低路堤防排水试验系统及其方法

技术领域

本发明属于检验高速公路细粒土低路堤防排水效果的试验技术领域，具体涉及一种低路堤防排水试验系统及其方法。

背景技术

目前我国公路用地指标偏高，平原地区高速公路路基平均填土高度3.7m～5m，路基过高将造成土石方数量增加，桥涵、排水和防护工程数量增加，公路用地面积增大，工程规模大，造价高，对周围自然环境也产生负面影响。随着国家高速公路网和农村公路建设的全面实施，环境和资源约束的矛盾更加突出。节约土地是公路建设必须优先考虑的问题。我国平原地区高速公路路基平均填土高度较大，已不能适应建设资源节约型和环境友好型社会的要求。降低路基高度，采用低路堤方案是实现土地节约的有效措施。

虽然低路堤方案具有“节约土地、降低工程规模、节省工程投资、路侧安全性好、与自然、人文环境和谐”的优点；但低路堤也存在排水困难问题，气候环境、地下水等对路基土性能产生显著影响，不仅造成路基土长期强度衰减，而且含水量较高的路基在重型汽车动荷载作用下将产生较大的塑性变形，并加剧软土地基的沉降变形，导致路基路面产生过早的变形破坏。因此，要保证低路堤在抵抗环境影响和汽车荷载作用时具有足够的强度，就必须采取十分有效的防排水技术措施，但目前尚无成熟的低路堤防排水设计方法与技术措施。为此，寻求一种科学有效的检验低路堤防排水效果的试验方法和设备，已经成为低路堤防排水设计乃至整个低路堤工程建设中一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低路堤防排水试验系统及其方法，用于检验高速公路细粒土低路堤防排水效果，为低路堤防排水设计和施工提供科学的依据。

本发明的目的是这样实现的：

地下水位、土的类型以及环境因素是影响低路基湿度的主要因素，而路基湿度对路基回弹模量具有重要的影响。随着湿度的增大路基回弹模量将会降低，其抵抗变形的能力会大大减弱，从而影响路基的使用寿命。对于一般粘质土和粉质土路基，毛细水上升高度为地下水位线以上0.5～1.0m，通常毛细水高度范围内这部分路基含水量过高。若在路基内部设置一定厚度的沙石垫层，由于沙石垫层孔径较大，不易形成毛细带，从而可以阻止毛细水的上升，起到防水的效果；若在路基内部设置透水性较好的PVC软式透水管或三维复合排水网等，再设置相应排水通道，则可将渗入路基的地面水和部分地下水排出，从而降低地下水位，到达排水的目的。然而，如何检验路基中防排水设施的效果，反过来指导低路堤防排水设计显得十分重要。

为检验低路基中防排水设施的效果，本发明设计了三个模型槽，分别模拟三种工况，用以比较。工况一，不设防排水设施；工况二，设置普通沙垫层防水材料；工况三，设置新型复合防排水材料。

地下水在粘质土或粉质土压实路基中上升缓慢，为加快试验速度，在模型槽底部铺设一层10cm厚的碎石层作为持水层，其上铺设一层透水土工布，防止地基细粒土落入碎石孔隙中。同时在通入模型槽的进水口处设置滤网，防止碎石堵塞进水管道。

为了消除温度对试验结果的影响，试验要求在(25±2℃)的恒温试验室中进行。

具体地说，本发明包括低路堤防排水试验系统和低路堤防排水试验方法。

一、低路堤防排水试验系统(简称系统)

本系统包括有机玻璃模型箱、带刻度水箱、联结管路、进水阀门、排水阀门、滤网、自来水、碎石持水层、透水土工布、地基填土、路堤填土、渗水土工织物、沙垫层防水设施、PVC渗沟、新型复合防排水板、孔隙水压力计、土壤吸力传感器、含水率探头、带排水孔的隔板和综合测试仪；

带刻度水箱、联结管路和有机玻璃模型箱前后依次连接成一个整体；

在带刻度水箱内盛有自来水；

在联结管路上设置有进水阀门和排水阀门，在联结管路插入有机玻璃模型箱内的端口连接有滤网；

在有机玻璃模型箱内设置有两块带排水孔的隔板，将有机玻璃模型箱分隔成三个大小一样的第1、2、3模型槽；

在第1模型槽内，底部铺设碎石持水层和透水土工布，下部填筑地基填土，上部填筑路堤填土；

在第2模型槽内，从下到上依次铺设有碎石持水层、透水土工布、地基填土、渗水土工织物、沙垫层防水设施和填筑路堤填土；

在第3模型槽内，从下到上依次铺设有碎石持水层、透水土工布、地基填土、PVC渗沟、新型复合防排水板和填筑路堤填土；

在第1、2、3模型槽内埋设传感仪器：

在地基填土内的同一高度埋设有两组孔隙水压力计、土壤吸力传感器和含水率探头；

在路堤填土内上下不同高度内分别埋设有两组孔隙水压力计、土壤吸力传感器和含水率探头。

用导线引出传感仪器如孔隙水压力计、土壤吸力传感器和含水率探头到有机玻璃模型箱外的综合测试仪。

二、低路堤防排水试验方法(简称方法)

本方法基于上述的低路堤防排水试验系统，包括以下步骤：

①以实际工程中的最优含水率为控制标准，用三个模型槽分别进行路基分层填筑，可同时模拟三种不同防排水设施情况；

②利用带刻度水箱控制地下水位升降；

③用导线引出传感仪器如孔隙水压力计、土壤吸力传感器和含水率探头到有机玻璃模型箱外的综合测试仪进行含水量、孔压和吸力读数的数据观测和记录；

④将观测数据按力学有关分析处理后为低路堤防排水设计和施工提供科学依据。

本发明具有下列优点和积极效果：

①可较好地模拟实际工程，直观地获得低路堤在铺设各种防排水材料前后含水量、孔隙水压力及吸力的变化规律，从而检验不同防排水设施的使用效果；

②可以精确模拟地下水位升降对于路基性能影响；

③为制定我国低路堤防排水设计和施工技术规范提供科学依据；

④试验成本低，经济效益巨大，有利于节约土地、降低工程规模、节省工程投资、路侧安全性好，与自然、人文环境和谐。

总之，本发明可直观地获得低路堤在铺设各种防排水材料前后的含水量、孔隙水压力及吸力的变化规律，从而检验不同防排水设施的使用效果，具有接近实际工程、规模合理及可模拟的工况多等优点，可为低路堤防排水设计和施工提供科学技术保障。

附图说明

图1是低路堤防排水试验系统主视图；

图2是图1的I-I剖视图；

图3是图1的II-II剖视图。

其中：

1-有机玻璃模型箱；     2-带刻度的水箱；       3-联结管路；

4-进水阀门；           5-排水阀门；           6-滤网；

7-自来水；             8-碎石持水层；         9-透水土工布；

10-地基填土；          11-路堤填土；          12-渗水土工织物；

13-沙垫层防水设施；    14-PVC渗沟；           15-新型复合防排水板；

16-孔隙水压力计；      17-土壤吸力传感器；    18-含水率探头；

19-带排水孔的隔板；

A、B、C-第1、2、3模型槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1、2、3，本系统包括有机玻璃模型箱1、带刻度水箱2、联结管路3、进水阀门4、排水阀门5、滤网6、自来水7、碎石持水层8、透水土工布9、地基填土10、路堤填土11、渗水土工织物12、沙垫层防水设施13、PVC渗沟14、新型复合防排水板15、孔隙水压力计16、土壤吸力传感器17、含水率探头18、带排水孔的隔板19和综合测试仪；

带刻度水箱2、联结管路3和有机玻璃模型箱1前后依次连接成一个整体；

在带刻度水箱2内盛有自来水7；

在联结管路3上设置有进水阀门4和排水阀门5，在联结管路3插入有机玻璃模型箱1内的端口连接有滤网6；

在有机玻璃模型箱1内设置有两块带排水孔的隔板，将有机玻璃模型箱1分隔成三个大小一样的第1、2、3模型槽A、B、C；

在第1模型槽A内，底部铺设碎石持水层8和透水土工布9，下部填筑地基填土10，上部填筑路堤填土11；

在第2模型槽B内，从下到上依次铺设有碎石持水层8、透水土工布9、地基填土10、渗水土工织物12、沙垫层防水设施13和填筑路堤填土11；

在第3模型槽C内，从下到上依次铺设有碎石持水层8、透水土工布9、地基填土10、PVC渗沟14、新型复合防排水板15和填筑路堤填土11；

在第1、2、3模型槽A、B、C内埋设传感仪器：

地基填土10内的同一高度埋设有两组孔隙水压力计16、土壤吸力传感器17和含水率探头18；

在路堤填土11内上下不同高度内分别埋设有两组孔隙水压力计16、土壤吸力传感器17和含水率探头18。

用导线引出传感仪器如孔隙水压力计16、土壤吸力传感器17和含水率探头18到有机玻璃模型箱1外的综合测试仪。

工作原理：

该系统主要由有机玻璃模型箱1和带刻度水箱2两大部件组成。两大部件由联结管路3相互连通，为了控制有机玻璃模型箱1内水位升降并保证刻度水箱2排水操作方便，在联结管路3上安装了进水阀门4和排水阀门5。为保证有机玻璃模型箱1在路堤填筑过程中不产生过大变形而破坏，在有机玻璃模型箱1四周利用角钢进行加固。地下水在粘质土或粉质土压实路基中上升缓慢，为加快试验速度，在有机玻璃模型箱1底部铺设一定厚度的碎石持水层8，其上铺设一层透水土工布9，防止地基土颗粒落入碎石孔隙中。因设置有带排水孔的隔板19，保证了碎石持水层8底部水流通畅；同时在通入有机玻璃模型箱1的进水口处设置滤网6，防止碎石堵塞进水管道。为了形成密闭条件，保证试验过程中有机玻璃模型箱1不漏水，在有机玻璃模型箱1和联结管路3接口处涂上玻璃胶或真空脂。为了模拟真实的公路路基情况，在有机玻璃模型箱1内按不同压实度分层填筑地基填土10和路堤填土11。

为比较不同防排水设施下的防排水效果，试验时分三种工况：

工况一，在第1模型槽A内，不设防排水设施；

工况二，在第2模型槽B内，设置沙垫层防水设施13；

工况三，在第3模型槽C内，设置新型复合防排水板15。

防排水设施铺设在地基填土10和路堤填土11之间，以模拟实际工程情况。为保证沙垫层防水设施13阻隔毛细水上升的效果，在沙垫层防水设施13周围包裹一层渗水土工织物12。对于新型复合防排水板15，需设置排水通道，即PVC渗沟14，PVC渗沟14周围用细沙包裹，作用是在路堤压实过程中保证PVC渗沟14不被破坏。模型填筑过程中，根据需要在不同深度处埋设传感仪器如孔隙水压力计16、土壤吸力传感器17和含水率探头18。传感仪器分别在防排水设施上部和下部分层埋设，以观测不同高度处路基土体的含水量、孔隙水压力和基质吸力，从而检验防排水设施的防排水效果。

2、功能部件

本系统的功能部件均为常用件。

1、有机玻璃模型箱1

有机玻璃模型箱1是一个由10mm厚的有机玻璃粘结而成的模型箱，大小为240cm×80cm×160cm左右，可以根据试验容量的大小作出调整。另外利用30mm×30mm×4mm角钢焊接而成的框架，用于加固有机玻璃模型箱1，保证模型箱在路基填筑过程中不被破坏，角钢框架大小及角钢规格可根据玻璃模型箱作适当调整。

在有机玻璃模型箱1中间利用两块10mm厚的带排水孔的隔板19隔开，形成三个体积相等的模型槽。每块带排水孔的隔板19其底部开设3～5个直径为3cm的圆孔作为排水孔。

2、带刻度水箱2

带刻度水箱2是一个由5mm厚的有机玻璃粘结而成的带刻度水箱。底部开设1个直径为3cm的排水圆孔，水箱大小为30cm×30cm×120cm左右，可以根据试验容量的大小作出调整。

3、联结管路3

联结管路3是一根直径为3cm的有机玻璃水管，用于连接有机玻璃模型箱1和带刻度水箱2。在透联结管路3和有机玻璃模型箱1连接的端口封上滤网6，防止碎石堵塞。

4、碎石持水层8

碎石持水层8是由直径在1cm～3cm之间的碎石或卵石均匀铺设的厚度约10cm一层碎石层，用于加快地下水在路基中的渗透速度。

5、地基填土10

地基填土10是一层80cm厚的压实度在85％左右的压实粘土，用于模拟实际低路堤工程中的地基，其具体厚度可根据有机玻璃模型箱1的容量作出调整。

6、路堤填土11

路堤填土11是一层100cm厚的压实度在93％左右的压实粘土，用于模拟实际低路堤工程中的路堤，其具体厚度可根据有机玻璃模型箱1的容量作出调整。

7、沙垫层防水设施13

沙垫层防水设施13是一层厚度约为10cm的细粒沙层，用于阻隔毛细水的上升，从而达到防水效果。

8、透水土工布9、渗水土工织物12、PVC渗沟14、新型复合防排水板15、孔隙水压力计16、土壤吸力传感器17和含水率探头18等均有上市产品。

9、综合测试仪

综合测试仪有上市产品。

二、方法

步骤①中，关于以实际工程中的最优含水率为控制标准，用三个模型槽分别进行路基分层填筑，可同时模拟三种不同防排水设施情况。

1、仪器设备

1)击实仪：由击实筒、击锤和护筒组成，其尺寸应符合《土工试验规程SL237-1999》的规定；

2)标准筛：孔径为20mm的圆孔筛和5mm标准筛；

3)烘箱：可采用电热烘箱或温度能保持在105～110℃下的其他能源烘箱，也可用红外线烘箱；

4)天平：感重0.1g；

5)土壤水分传感器：量程0～100％，精度1％；

6)孔隙水压力探头：量程0～4MPa，精度0.1KPa；

7)土壤吸力传感器：量程0～500KPa，精度0.1KPa；

8)综合测试仪：可通过连接各传感器进行含水量、孔压和吸力读数；

9)其它：碾土设备、盛土器、喷水设备、修土刀和保湿设备等。

2、试验步骤

①取一定量的代表性风干土样，进行室内轻型击实试验，按照《土工试验规程SL237-1999》的要求确定填土的最优含水量和最大干密度；

②选择直径为5mm～20mm的碎石均匀地铺于有机玻璃模型箱1底部用于做碎石持水层8，碎石厚度为10cm；

③碎石持水层8铺设完成后，在其上铺一层透水土工布9；

④利用击实试验得到的最优含水量为控制标准对路堤进行分层填筑，为了能模拟现场的路堤填筑，尽量达到现场施工的压实度，在分层填筑时，严格控制每层的松铺厚度，填筑厚度采用侧壁画线的方法控制，利用击锤进行夯实，夯实后填土厚度为10～15cm，各层交界面的土面应刨毛；

⑤填筑到指定高度时在第2、3模型槽B、C中分别铺设20cm厚沙垫层防水设施13和新型复合防排水板15，分层填筑的同时，在需要观测的位置进行传感仪器埋设，传感仪器连线沿模型槽内侧壁引出槽外，以方便连接综合测试仪；

⑥填筑完成后关闭进水阀门4和排水阀门5，在带刻度水箱2中注入自来水7到一定高度，记下读数。然后打开进水阀门4，让自来水7充满持水碎石层8，待带刻度水箱2里水头稳定，记下此时读数即为模拟地下水位高度；

⑦进行含水量、孔隙水压力和吸力观测，观测频率为1次/12小时；

⑧根据需要确定观测日期，模拟下一地下水位高度之前，打开排水阀门5，让带刻度水箱2里面的自来水7全部排出，与此同时，继续观测各传感仪器读数，待读数稳定，关闭排水阀门5，继续模拟下一地下水位，每次重复上述步骤，直到试验完成为止。

3、本试验还可以进行不同沙垫层厚度、不同沙垫层铺设高度、不同新型防排水材料及铺设高度等工况下的路堤土含水量、孔隙水压力和吸力测试，用来检验不同工况下的防排水设施的使用效果。

Claims (2)

1.一种低路堤防排水试验系统，其特征在于：

包括有机玻璃模型箱(1)、带刻度水箱(2)、联结管路(3)、进水阀门(4)、排水阀门(5)、滤网(6)、自来水(7)、碎石持水层(8)、透水土工布(9)、地基填土(10)、路堤填土(11)、渗水土工织物(12)、沙垫层防水设施(13)、PVC渗沟(14)、新型复合防排水板(15)、孔隙水压力计(16)、土壤吸力传感器(17)、含水率探头(18)、带排水孔的隔板(19)和综合测试仪；

带刻度水箱(2)、联结管路(3)和有机玻璃模型箱(1)前后依次连接成一个整体；

在带刻度水箱(2)内盛有自来水(7)；

在联结管路(3)上设置有进水阀门(4)和排水阀门(5)，在联结管路(3)插入有机玻璃模型箱(1)内的端口连接有滤网(6)；

在有机玻璃模型箱(1)内设置有两块带排水孔的隔板19，将有机玻璃模型箱(1)分隔成三个大小一样的第1、2、3模型槽(A、B、C)；

在第1模型槽(A)内，底部铺设碎石持水层(8)和透水土工布(9)，下部填筑地基填土(10)，上部填筑路堤填土(11)；

在第2模型槽(B)内，从下到上依次铺设有碎石持水层(8)、透水土工布(9)、地基填土(10)、渗水土工织物(12)、沙垫层防水设施(13)和填筑路堤填土(11)；

在第3模型槽(C)内，从下到上依次铺设有碎石持水层(8)、透水土工布(9)、地基填土(10)、PVC渗沟(14)、新型复合防排水板(15)和填筑路堤填土(11)；

在第1、2、3模型槽(A、B、C)内埋设传感仪器：

在地基填土(10)内的同一高度埋设有两组孔隙水压力计(16)、土壤吸力传感器(17)和含水率探头(18)；

在路堤填土(11)内上下不同高度内分别埋设有两组孔隙水压力计(16)、土壤吸力传感器(17)和含水率探头(18)；

用导线引出传感仪器如孔隙水压力计(16)、土壤吸力传感器(17)和含水率探头(18)到有机玻璃模型箱(1)外的综合测试仪。

2.基于权利要求1所述系统的低路堤防排水试验方法，其特征在于包括以下步骤：

①以实际工程中的最优含水率为控制标准，用三个模型槽分别进行路基分层填筑，可同时模拟三种不同防排水设施情况；

②利用带刻度水箱控制地下水位升降；

③用导线引出传感仪器如孔隙水压力计、土壤吸力传感器和含水率探头到有机玻璃模型箱外的综合测试仪进行含水量、孔压和吸力读数的数据观测和记录；

④将观测数据按力学有关分析处理后为低路堤防排水设计和施工提供科学依据。

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