CN108519477B - 一种季节性冻土地区路基模型试验系统 - Google Patents

一种季节性冻土地区路基模型试验系统 Download PDF

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Abstract

一种季节性冻土地区路基模型试验系统，包括密封的可程式环境调控室和在其内部设置的无病害防治模型箱和有病害防治模型箱，无病害防治模型箱包括从下至上依次设置的碎石层、地基层和路基层，在其周围设有保温层，在地基层和路基层内设有温湿度传感器，从路基层顶端至碎石层底面的垂向深度内嵌装有观察箱体，在观察箱体内设有高清摄像机；在无病害防治模型箱的路基层内设有电阻丝即将其转换为有病害防治模型箱，电阻丝与温湿度控制器相连。本发明系统能直观清楚地记录冻土路基在温度和湿度改变时的宏观变化，操作简单，现象直观明显；通过加热方式，保持路基长期处于低含水率状态，有效抑制路基变形。

Description

一种季节性冻土地区路基模型试验系统
技术领域
本发明属于冻土研究领域，具体涉及一种季节性冻土地区路基模型试验系统。
背景技术
冻土对路基稳定产生影响的主要因素是冻融作用，冻土的冻胀、融沉现象的本质是冻土多孔介质中土骨架、冰晶体、未冻水与空气这四相物质在温度、水头、外压与变形等外界因素作用下的相互运动、迁移、扩散与相变。试验研究是冻土道路稳定性研究的一种重要手段，一般主要包括野外现场试验和室内试验。野外现场试验虽然与实际条件最为接近，但是试验周期过长，耗力耗时，成本较高。因此，在室内进行按一定尺度缩小的模型试验有一定的优势，可以大幅缩短试验周期，在较短时间内得到与实际接近的试验结果，所以成为一种冻土研究者常用的重要研究手段。
目前能进行冻土室内试验的模型试验装置较为少见。中国专利200720149107.8模拟道路土基或基层结构局部不均匀变形的试验箱仅能模拟道路土基或基层结构的冻胀、融沉和不均匀沉降等现象，而不能模拟冻土路基经受冻融循环作用下的温度分布和荷载作用下的应力分布。中国专利200910072103.8冻土力学模型试验装置能够实现单向和双向冻结条件，实现冻结过程中水分迁移的水分补给，提供模型试验加载破坏的荷载，监测冻土的温度场和应力场以及冻胀和融沉变形等。中国专利CN201110373555.7涉及一种步入式多功能冻土路基模型试验箱，能同时完成多项试验的试验条件的模拟，使试验效率大大提高，并实现一些较为复杂的试验。现有的技术更多的考虑了外界条件的影响，没有从冻土路基本身随着外界条件的变化角度去考虑，也缺少从宏观角度观察冻土变化，也无法了解防治措施所带来的益处。
发明内容
本发明的目的是提供一种季节性冻土地区路基模型试验系统，能直观清楚地记录冻土路基在温度和湿度改变时的宏观变化，操作简单，现象直观明显；还能通过加热的方式，保持路基长期处于低含水率状态，有效抑制路基变形，为研究季节性冻土变化提供了可靠保障。
本发明采取的技术方案是：
一种季节性冻土路基模型试验系统，包括密封的可程式环境调控室，在该可程式环境调控室内设置无病害防治模型箱和有病害防治模型箱，所述无病害防治模型箱包括从下至上依次设置的碎石层、地基层和路基层，在地基层和路基层内设有温湿度传感器，在所述碎石层、地基层和路基层四周设有保温层，从路基层顶端至碎石层底面的垂向深度内嵌装有观察箱体，在观察箱体内设有高清摄像机；所述有病害防治模型箱与无病害防治模型箱的区别仅仅是在有病害防治模型箱的路基层内设有电阻丝以及与该电阻丝相连的温湿度控制器，温湿度控制器还与温湿度传感器相连。
进一步的，所述可程式环境调控室长5m、宽4m、高3m，包括设有门和观察窗的墙体，在墙体外部设置连接有控制系统的制冷机组。
进一步的，所述路基层顶部宽度为90cm，高为50cm，边坡坡度1:1.5，总长度为170cm，碎石层和地基层宽度280cm，地基层高10cm，碎石层高15cm。
进一步的，所述保温层包括起到支撑作用的钢板，在钢板内侧紧贴钢板依次设有STP保温板、橡塑棉保温板和土工布。
进一步的，所述观察箱体由钢化玻璃材质制成，还连接有防止观察箱体内壁出现水雾的吹气管线。
进一步的，所述高清摄像机能够360度全景水平视角和90度垂直视角观测冻土路基宏观变化，并与移动设备采用无线连接，进行远程监测和控制。
进一步的，在所述碎石层内设有进水口，控制进水口启停的水源开关与所述温湿度控制器相连。
进一步的，在有病害防治模型箱里埋设的电阻丝功率为1000W，在路基中设有5层，每层8排，层间隔10cm，排间隔5cm。
本发明的有益效果：
本发明通过冻土路基模型试验箱，利用可程式环境调控设备提供所需的试验环境、利用高清摄像头直接宏观观测并记录冻土在试验条件下的变化情况，操作简单、现象直观明显，克服了人工在寒冷环境下观测的不足；同时本发明采用两个模型箱作对比，能够有效评价进行病害防治的实际效果，对于有病害防治功能的模型箱，选择铺设电阻丝，作为一种病害防治手段，通过加热路基层和地基层，保证季节性冻土长期处于不冻结状态，较高的温度也有利于路基中液态水的蒸发，保证路基长期处于低含水率状态，有效抑制路基的变形；另外，各结构部件采用的尺寸，不是现有普通试验技术缩小多倍的微型装置，而更接近现场实际，模拟冻土层的实际变化状况更加准确。
附图说明
图1为本发明装置结构剖面图。
图2为图1中的可程式环境调控室结构示意图。
图中：1.可程式环境调控室、2.保温层、3.路基层、4.观察箱体、5.温湿度传感器、6.高清摄像机、7.电阻丝、8.温湿度控制器、9.地基层、10.碎石层、11.观察窗、12.门、13.制冷机组、14.控制系统。
具体实施方式
如图2所示，一种季节性冻土地区路基模型试验系统，包括密封的可程式环境调控室1，所述可程式环境调控室1长5m、宽4m、高3m，包括设有门12和观察窗11的墙体，在墙体外部设置连接有控制系统14的制冷机组13。
如图1所示，在所述可程式环境调控室1内设置无病害防治模型箱和有病害防治模型箱，所述无病害防治模型箱包括从下至上依次设置的碎石层10、地基层9和路基层3，所述路基层3顶部宽度为90cm，高为50cm，边坡坡度1:1.5，总长度为170cm，碎石层10和地基层9宽度280cm，地基层9高10cm，碎石层10高15cm；在路基3层内设有温湿度传感器5，该温湿度传感器5与温湿度控制器8相连，在所述碎石层10内设有进水口，控制进水口启停的水源开关与所述温湿度控制器8相连，在所述碎石层10、地基层9和路基层3四周设有保温层2，所述保温层2包括起到支撑作用的钢板，在钢板内侧紧贴钢板依次设有STP保温板、橡塑棉保温板和土工布，保温层确保冷空气只从路基顶面、地基顶面和边坡流入；温湿度传感器5选用专门定制的一款用于冻土的传感器，通过发出485信号，把多组传感器并联到一条总线上，利用485转232转化器，转成232信号，再通过串口连到电脑上利用专门软件采集数据；温湿度传感器5均匀分布在路基3中，全面测量模型内部温湿度，当外部环境温度逐渐降低时，温湿度传感器5将测定值传送给温湿度控制器8，温湿度控制器8打开水源开关，水从进水口流入碎石层10充当地下水环境，当达到水分要求时，停止供水。
从路基层3顶端至碎石层10底面的垂向深度内嵌装有观察箱体4，所述观察箱体4由钢化玻璃材质制成，还连接有防止观察箱体内壁出现水雾的吹气管线。
在观察箱体4内设有高清摄像机6，所述高清摄像机6能够360度全景水平视角和90度垂直视角观测冻土路基宏观变化，并与移动设备采用无线连接，进行远程监测和控制，试验过程中摄像头在观察箱体内进行全方位不间断的观测，同时拍下画面变化的照片。
所述有病害防治模型箱与无病害防治模型箱的区别仅仅是在无病害防治模型箱的路基层3内增加了电阻丝7，所述电阻丝7长100m，功率1000W，在路基中3设有5层，每层8排，层间隔10cm，排间隔5cm，最后通过电缆连接至温湿度控制器8；当路基3中含水量达到设定的试验值时，电阻丝7通电加热，蒸发路基中的水分，当含水量降到预设值时断开。

Claims (6)

1.一种季节性冻土地区路基模型试验系统，其特征在于，包括密封的可程式环境调控室(1)，在该可程式环境调控室(1)内设置无病害防治模型箱和有病害防治模型箱，所述无病害防治模型箱包括从下至上依次设置的碎石层(10)、地基层(9)和路基层(3)，在地基层(9)和路基层(3)内设有温湿度传感器(5)，在所述碎石层(10)、地基层(9)和路基层(3)四周设有保温层(2)，从路基层(3)顶端至碎石层(10)底面的垂向深度内嵌装有观察箱体(4)，在观察箱体(4)内设有高清摄像机(6)；所述有病害防治模型箱与无病害防治模型箱的区别仅仅是在有病害防治模型箱的路基层(3)内设有电阻丝(7)以及与该电阻丝(7)相连的温湿度控制器(8)，温湿度控制器(8)还与温湿度传感器(5)相连；
所述可程式环境调控室(1)长5m、宽4m、高3m，包括设有门(12)和观察窗(11)的墙体，在墙体外部设置连接有控制系统(14)的制冷机组(13)；
所述路基层(3)顶部宽度为90cm，高为50cm，边坡坡度1:1.5，总长度为170cm，碎石层(10)和地基层(9)宽度280cm，地基层(9)高10cm，碎石层(10)高15cm。
2.如权利要求1所述的一种季节性冻土地区路基模型试验系统，其特征在于，所述保温层(2)包括起到支撑作用的钢板，在钢板内侧紧贴钢板依次设有STP保温板、橡塑棉保温板和土工布。
3.如权利要求1所述的一种季节性冻土地区路基模型试验系统，其特征在于，所述观察箱体(4)由钢化玻璃材质制成，还连接有防止观察箱体内壁出现水雾的吹气管线。
4.如权利要求1所述的一种季节性冻土地区路基模型试验系统，其特征在于，所述高清摄像机(6)能够360度全景水平视角和90度垂直视角观测冻土路基宏观变化，并与移动设备采用无线连接，进行远程监测和控制。
5.如权利要求1所述的一种季节性冻土地区路基模型试验系统，其特征在于，在所述碎石层(10)内设有进水口，控制进水口启停的水源开关与所述温湿度控制器相连。
6.如权利要求1所述的一种季节性冻土地区路基模型试验系统，其特征在于，在有病害防治模型箱里埋设的电阻丝(7)功率为1000W，在路基中设有5层，每层8排，层间隔10cm，排间隔5cm。
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漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究――以MDX364处的季节性冻胀丘为例;王永平;金会军;李国玉;童长江;;冰川冻土;第37卷(第03期);第731-739页 *
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