CN105974089A - 冻土路基大型模型试验施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冻土路基大型模型试验施工方法。模型试验模拟工况接近现实，试验周期短，试验数据翔实，但冻土路基模型试验的研究鲜有报道，使得试验结果产生一些不必要的误差。本发明对模型试验箱进行开机前测试；根据相似理论进行模型试验方案设计；贮备试验材料及初筛传感器损坏情况；安装模型试验施工与测试仪器、设备；调试传感器测试系统，开机运行。本发明规范了冻土路基模型试验施工方法，提高了传感器测试精度，规避了不必要的测试误差，适用于指导冻土路基模型试验施工。

Description

冻土路基大型模型试验施工方法

技术领域

本发明涉及一种路基模型试验方法，具体涉及一种冻土路基大型模型试验施工方法。

背景技术

随着西部大开发战略的进一步实施，多年冻土区域将要修建更多更长里程的公路。由于黑色路面较强的吸热作用，使路面温度大幅度升高，黑色路面下卧土层正积温增加，多年冻土上限下移，高温冻土路段日渐增多，公路病害加剧，导致部分路基、路面、桥涵过早破坏；同时，由于沥青路面阻隔了下伏土层与路面的水力联系，使路面水分蒸发耗热减少，从而引起路基下多年冻土温度升高、季节融化深度增大，原天然上限附近地下冰融化，最后导致路基内形成融化夹层，路基产生沉降，路面发生破坏，严重影响交通的正常运行。

模拟工况接近现实、试验周期短、试验数据翔实等优点使得室内模型试验是冻土研究的一个重要手段，但到目前为止，没有一套施工方法来指导冻土路基模型试验规范化施工，使得试验结果产生一些不必要的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种冻土路基大型模型试验施工方法，提高模型试验测试手段的精度和可靠性。

本发明所采用的技术方案为：

冻土路基大型模型试验施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：模型试验箱开机前测试；

步骤二：模型试验相似理论方案设计；

步骤三：试验材料贮备及传感器损坏情况初筛；

步骤四：模型试验施工与测试仪器、设备安装；

步骤五：传感器测试系统调试；

步骤六：开机运行。

步骤一中，测试试验箱能否正常工作，检查压缩机冷冻循环液液位，润滑油粘度和碳化度。

步骤三中，冻土路基模型试验贮备的材料有路基填料、碎砾石土、强风化泥岩、粘性土和沥青路面材料；

传感器损害情况初筛，主要初筛温度、水分、变形、热流、风速、应力应变、土压力盒的传感器；方法为按照电学原理测试传感器电阻、电压、电流，看测试值是否在合理区间内变化。

步骤四中，路基按照设计压实度，地基按照设计密度进行施工质量控制，路面材料按照设计要求进行施工，各类传感器按照设计位置进行布置；

水分传感器安装时，探针感应区域用细砂填筑，并保证压实度；

应变片安装时先将测试物件表面打磨光滑，用高强胶水将应变片无缝粘贴在物件表面，对于需要防水处理和混凝土现浇的构件，先用硅橡胶做防水密封，再用环氧树脂进一步密封后进行混凝土浇筑；

热流传感器布置位置先压实，再整平，然后放置传感器轻压，最后传感器上部填筑5cm粘性土复压；

微风速传感器用粘性胶水按照设计方向固定于块石上部，以确定布设位置和方向。

本发明具有以下优点：

本发明规范了冻土路基大型模型试验的施工顺序和特殊传感器设备的安装程序，提高了冻土区路基模型试验结果的准确度和可靠性，通俗易懂，便于实现，可作为冻土路基大型模型试验施工方法，在室内试验方面给予多年冻土区公路建设与养护提供技术保障，利于多年冻土区公路的建设和养护，提高车辆运行的安全性和舒适性。

附图说明

图1是冻土路基模型试验施工方法示意图。

图中，1-1为温度传感器，1-2为热流传感器，1-3为为水分传感器，1-4为位移传感器，1-5为细砂填筑区域，1-6为电阻型数采仪，1-7为电压型数采仪，1-8为电流型数采仪，1-9为采集终端，1-10砂砾土区域，1-11为粘性土区域，1-12为砂性土填筑区域。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

1模型试验箱开机前测试；

测试试验箱能否正常工作；检查压缩机冷冻循环液液位是否处于正常位置，若挥发严重，请及时补充冷冻循环液；检查压缩机润滑油粘度和碳化度，如若不满足要求，及时更换，保证压缩机的正常运转。

2模型试验相似理论方案设计；

2.1几何相似

模型试验的几何尺寸与原型满足一定的比例关系，尺寸模型比为：

$m_L=\frac{R_M}{R_P}=\frac{Z_M}{Z_P}---\left(1\right)$

其中，m_L为尺寸模型比，R_M，Z_M为模型沿径向和深度方向的尺寸，R_P和Z_P为原型沿径向和深度方向的尺寸。

确定了尺寸模型比后，其他物理量均可用尺寸模型比表示和导出。

2.2力学相似

弹性模量E的模型比：

$m_E=\frac{E_M}{E_P}---\left(2\right)$

外加荷载P的模型比：

$m_P=\frac{P_M}{P_P}=m_E{m}_L^2---\left(3\right)$

位移W的模型比：

$m_W=\frac{W_M}{W_P}=m_L---\left(4\right)$

惯性矩的I模型比：

$m_I=\frac{I_M}{I_P}=m_L^4---\left(5\right)$

2.3强度相似

模型试验假定试验各单元的尺寸缩小或增大，在应力集度保持不变的前提下，它们的平衡条件不受影响，并且在破坏之前，应力与应变关系不因单元尺寸大小的变化而受影响，也与应力分量的梯度大小无关，因此在破坏之前，应力模型比m_s按材料的抗压或抗拉强度极限决定。

$m_{\mathrm{\σ}}=\frac{S_{CM}}{S_{TM}}=\frac{S_{CP}}{S_{TP}}---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{CM}}{{\mathrm{\ϵ}}_{TM}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{CP}}{{\mathrm{\ϵ}}_{TP}}---\left(7\right)$

其中，S_CP、S_CM分别为原型材料和模型材料的抗压强度极限，相应的极限应变分别为ε_CP、ε_CM；S_TP、S_TM分别为原型材料和模型材料抗拉强度极限，相应的极限应变分别为ε_TP、ε_TM。

2.4应力相似

材料的应力应变关系为：

σ_P＝f(ε_P，R_P) (8)

由应力相似，可得：

${\mathrm{\σ}}_M=m_{\mathrm{\σ}}f(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_M}{m_{\mathrm{\ϵ}}},\frac{R_M}{m_L})---\left(9\right)$

其中，M为模型中应变，m为应变模型比。

2.5地基土的力学性能相似

采用土的粘聚力c和内摩擦角φ为指标：

c_M＝m_σC_P (10)

2.6荷载模型比

根据模型试验和原型试验的桩侧阻力和桩端阻力两项的相互关系，以及模型试验和原型试验采用类似的地基土，可以得到土中垂直荷载的模型比：

$m_N=m_L^2---\left(12\right)$

3试验材料贮备及传感器损坏情况初筛；

根据试验具体要求和相似理论进行备料，冻土路基模型试验贮备的材料主要有路基填料、碎砾石土、强风化泥岩、粘性土以及沥青路面材料，沥青路面材料根据试验具体要求进行设计、施工。

传感器损害情况初筛，主要初筛温度、水分、变形、热流、风速、应力应变、土压力盒等传感器。温度、应力应变传感器为电阻型传感器，水分、风速传感器为电流型传感器，变形、热流、土压力盒为电压型传感器。电阻型传感器用万用表测量电阻，根据电阻正常变化范围对传感器损坏情况进行筛选，如测试电阻为无穷大，说明电阻型传感器已经损坏。电流、电压型传感器通过专用数采对其供电，并采集数据，根据采集结果对传感器损坏情况进行筛选，如采集的电压或电流为零，说明传感器内部存在断路，传感器已经损坏。

4模型试验施工与测试仪器、设备安装；

路基按照设计压实度，地基按照设计密度进行施工质量控制，地基、路基施工过程中先铺筑“试验路”，确定压实厚度和夯实遍数，然后根据确定后的压实厚度和夯实遍数进行施工，从而保证施工质量。

路面施工过程中，基层与面层之间，面层各层之间，用双面高粘油毡进行火烤连接，确保各层之间的粘结性能，油毡宜选高粘、厚薄品种。

各类传感器需按照设计位置进行布置。温度传感器按照设计尺寸绑扎在空心竹竿上，然后按位置将竹竿放入地基及路基中，从而保证传感器位置布置准确；微风速传感器应用粘性胶水(AB胶常用)按照设计方向固定于块石上，然后通过摆放块石确定布设位置和方向。

水分传感器安装时，首先确定布设位置，用小型洋镐挖掘20cm×10cm×10cm的长方体区域，然后在长方体内部铺筑标准砂，布设水分传感器，完成后再次铺筑标准砂5cm，最后用小木槌夯击10次，完成水分传感器安装。

应变片安装时应先将测试物件表面打磨光滑，用丙酮将安装物件表面的污渍擦去，然后用高强胶水将应变片无缝粘贴在物件表面。对于需要防水处理和混凝土现浇的构件，先用硅橡胶做防水密封，然后用纱布涂环氧树脂进一步密封，最后进行混凝土浇筑。

热流传感器安装位置需密实，首先应超压实度压实，铺筑粘性细土整平，然后布设传感器轻压，最后铺筑5cm粘性细土后复压即可。

5传感器测试系统调试；

试验模型安装完成后，对试验采集系统进行调试，对断路的传感器重新进行接线或采取其他补救措施。如传感器接头松动导致的断路，应重新接线，施工过程导致的传感器损坏，应重新布设新的传感器。

6开机运行。

按照试验方案中设计的边界条件开机运行。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.冻土路基大型模型试验施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：模型试验箱开机前测试；

步骤二：模型试验相似理论方案设计；

步骤三：试验材料贮备及传感器损坏情况初筛；

步骤四：模型试验施工与测试仪器、设备安装；

步骤五：传感器测试系统调试；

步骤六：开机运行。

2.根据权利要求1所述的冻土路基大型模型试验施工方法，其特征在于：

步骤一中，测试试验箱能否正常工作，检查压缩机冷冻循环液液位，润滑油粘度和碳化度。

3.根据权利要求1所述的冻土路基大型模型试验施工方法，其特征在于：

步骤三中，冻土路基模型试验贮备的材料有路基填料、碎砾石土、强风化泥岩、粘性土和沥青路面材料；

传感器损害情况初筛，主要初筛温度、水分、变形、热流、风速、应力应变、土压力盒的传感器；方法为按照电学原理测试传感器电阻、电压、电流，看测试值是否在合理区间内变化。

4.根据权利要求1所述的冻土路基大型模型试验施工方法，其特征在于：

步骤四中，路基按照设计压实度，地基按照设计密度进行施工质量控制，路面材料按照设计要求进行施工，各类传感器按照设计位置进行布置；

水分传感器安装时，探针感应区域用细砂填筑，并保证压实度；

应变片安装时先将测试物件表面打磨光滑，用高强胶水将应变片无缝粘贴在物件表面，对于需要防水处理和混凝土现浇的构件，先用硅橡胶做防水密封，再用环氧树脂进一步密封后进行混凝土浇筑；

热流传感器布置位置先压实，再整平，然后放置传感器轻压，最后传感器上部填筑5cm粘性土复压；

微风速传感器用粘性胶水按照设计方向固定于块石上部，以确定布设位置和方向。