CN109920318B - 一种路基空洞模型的模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种路基空洞模型的模拟装置，包括模型箱、路面加载机构、给水压力机构、土体冻结机构、PIV机构和含水量检测机构等；该模型箱顶面开口，内部填充有待观测土体和有机玻璃管，该有机玻璃管上开设有破损口；该路面加载机构设有荷载板，该载荷板位于模型箱顶面以对待测土体施压；该给水压力机构与有机玻璃管连接以提供可控的稳压水；该土体冻结机构设有液氮传输管以提供氮气，该液氮传输管贴合于有机玻璃管外侧，其管口与破损口齐平；该PIV机构用于采集控制点处土体的位移和坐标图像；该含水量检测机构设有若干传感器，分别设置于有机玻璃管周围。本发明能满足对不同水压、不同地面荷载的情况下空洞发展规律及周边土体变形和强度的研究需求。

Description

一种路基空洞模型的模拟装置

技术领域

本发明涉及路基空洞模型领域，特别是一种路基空洞模型的模拟装置。

背景技术

近年来，路面不均匀沉降及路面塌陷的严重事故在全国各地频频发生，危害着人们的生命及财产安全。经过调查分析发现此类事故的主要原因是由于地下给水管道破损，有压水渗漏造成的路基空洞。此类事故常有报道，然而相关研究却寥寥无几，尚无完整严谨的模型装置用于测量由给水管道的破损引起的路基空洞的大小、空洞附近土体强度大小、空洞形成过程中的土体迁移特性。因此，研究给水管道的破损引起的路基空洞模型装置及方法对地下隐伏土洞的防治，道路与建构筑物不均匀沉降的预防与处理具有重大意义。

然而，现有的测量路基空洞模型装置与方法大多忽略了土洞发展过程中，管道破损处周边土的位移和强度。其次无法对土洞的形状进行量测，特别是砂性土这类无黏聚性的土。

为研究实际条件下，在压力场和渗流场的耦合作用下的地下土体空洞形成机理，常规的测量土体空洞模型已不能满足要求。因此研制一种可提多种供水压力系统和能模拟真实路面荷载情况的给水管道破损引发的路基空洞模型装置具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种模拟有压给水管道渗漏和路面荷载耦合作用下的路基空洞模型装置，以便观测土洞发展过程中，管道破损处周边土体的位移和强度以及对土洞形状，特别是砂性土一类无黏聚性土体的土洞形状，满足对不同水压、不同地面荷载的情况下空洞发展规律及周边土体变形和强度的研究需求。

本发明采用如下技术方案：

一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：包括模型箱、路面加载机构、给水压力机构、土体冻结机构、PIV机构和含水量检测机构；该模型箱顶面开口，内部填充有待观测土体和有机玻璃管，该有机玻璃管上开设有破损口；该路面加载机构设有荷载板，该载荷板位于模型箱顶面以对待测土体施压；该给水压力机构与有机玻璃管连接以提供可控的稳压水；该土体冻结机构设有液氮传输管以提供氮气，该液氮传输管贴合于有机玻璃管外侧，其管口与破损口齐平；该PIV机构用于采集控制点处土体的位移和坐标图像；该含水量检测机构设有若干传感器，分别设置于有机玻璃管周围。

所述模型箱相对所述有机玻璃管设有两管道接口，该管道接口与有机玻璃管和所述给水压力机构连通。

所述路面加载机构还包括千斤顶和反力架；所述模型箱安置于反力架底部；所述千斤顶安置于反力架顶部且与所述荷载板相连。

所述反力架包括横梁、底板和两立柱；所述横梁安装有所述千斤顶；所述底板安置有所述模型箱；所述立柱连接于横梁和底板之间。

所述给水压力机构包括空气压力机、储液罐和储液池；该空气压力机通过管道与储液罐连通，该储液罐通过管道与有机玻璃管一端连通；该储液池通过管道与有机玻璃管另一端连通。

所述给水压力机构还包括有若干减压阀，该减压阀安装于管道上。

所述土体冻结机构还设有液氮泵，该液氮泵与所述液氮传输管连通；所述液氮传输管位于所述有机玻璃管正上方。

所述PIV机构包括PIV相机、图像分析单元和控制点，该PIV相机位于所述模型箱外，且与所述有机玻璃管相对；所述控制点设置于所述模型箱侧壁。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的给水压力机构，设置空压机、减压阀并配合多个高精密空气减压阀，以提供稳定的气压；设置了1个不锈钢支管减压阀，通过调控空压机可提供不同大小的稳定的水压。

2.本发明在模型箱模拟路面结构，并用齿轮式手摇可倒立千斤顶在路面上方施加荷载，能更加模拟还原真实情况。

3.本发明使用PIV机构，采用高清相机检测，整个测量过程不需与土体直接接触，对土体不产生扰动；以土体自身文理为示踪标识即控制点进行测速方法，避免控制点与土体不同步、控制点失踪等问题。利用粒子成像测速可观测在不同水压下水管破损周围土颗粒的移动。

4.本发明设有含水率检测机构，可测量不同位置土的含水率，以便根据三轴试验确定出不同含水率的土的强度，直观地得出土强度和含水率的关系并算出不同位置土的强度，较为精准。

5.本发明所含的土体冻结机构，可方便测量不同土体(特别是砂性土)的空洞，并实现土体周边一定范围土体的冻结。

附图说明

图1为本发明装置图；

图2为本发明侧视图；

图3为图2的局部放大图；

图4为有机玻璃管示意图；

图5为图4剖视图；

其中：10、模型箱，11、有机玻璃管，12、破损口，13、管道接口，20、路面加载机构，21、载荷板，22、千斤顶，23、横梁，24、立柱，25、底板，30、给水压力机构，31、空气压力机，32、储液罐，33、储液池，34、管道，35、减压阀，40、液氮传输管，41、液氮罐。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，对应的，以元件在上一面为正面、在下一面为背面以便于理解，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。

参照图1至图5，一种路基空洞模型的模拟装置，包括模型箱10、路面加载机构20、给水压力机构30、土体冻结机构、PIV机构和含水量检测机构等。该模型箱10顶面开口，内部填充有待观测土体和有机玻璃管11，该有机玻璃管11上开设有破损口12。

具体的，模型箱10可为(1000*800*1000)mm无顶面有机玻璃制的长方体，有机玻璃管11厚2mm，长996mm，半径20mm均厚2mm，在模型箱10两侧相同位置各设置一个圆形高压软管的管道接口13。该有机玻璃管11为半圆管，其两端半圆截面相切于模型箱10侧壁管道接口13。该半圆柱形的有机玻璃管11与模型箱10内壁均通过亚克力胶水粘接。

半圆柱形透明PVC管模拟道路管道，方便直接观察水流在管道内的运动和水压导致破损口12周围土体迁移、土洞形成过程；在模型箱10侧面各设置1个尺寸相等的半圆开口(具体位置见附图)，模型箱10侧壁的圆形开口直径20mm位于模型箱10顶部边缘下方800mm处(具体位置见附图)，内切于有机玻璃管11的半圆截面；该有机玻璃管11矩形面与与模型箱10内壁均通过ABS透明亚克力板粘合剂粘接，方便试验观察。有机玻璃管11上的破损口12位置位于管道曲面，破损口12尺寸为直径0.5mm，用于模拟管道破损对土的影响。

该路面加载机构20包括载荷板21、千斤顶22和反力架等。该反力架包括横梁23、底板25和两立柱24，横梁23安装有千斤顶22，底板25安置有模型箱10，立柱24连接于横梁23和底板25之间位于模型箱10两侧，立柱24与横梁23之间可采用焊接连接。千斤顶22与荷载板相连以对待测土体施压。

具体的，载荷板21尺寸可为(995*795*10)mm的承载钢板。千斤顶22可采用齿轮式可倒立千斤顶，其可倒立千斤顶22安置在加载反力架顶部的横梁23中心、通过底部与横梁23栓接。反力架采用钢制架体，其钢制底板尺寸为(1000*800*15)mm。承载钢板尺寸略小于模型箱10顶部尺寸，且放置于模型箱10内土体正上方。模型箱10安置在底板25上，该底板25通过4个钢制L型角码与立柱24连接，底板25下设置三根槽钢(具体位置见附图)，中间的槽钢与两立柱24焊接连接。

实际应用中，采用尺寸拟定长995mm，宽795mm，高10mm的载荷板21、3.2吨齿轮式手摇可倒立千斤顶(顶盘尺寸为20mm)、2根对称垂直设置的钢制立柱(高1285mm，宽85mm,厚50mm的10号槽钢)、1根钢制横梁(长1100mm,宽200mm,厚50mm的十号槽钢)、1块尺寸为(长1000mm,宽800mm，厚15mm)的反力架的钢制底板上、4个钢制L型角码(长125mm,宽25mm,高125mm,厚3mm)、3根槽钢(长1000mm,宽60mm,厚20mm)。承载钢板放置在模型箱10中土体上方，用来模拟路面，当承载钢板受到荷载时会对下方土体产生压力。荷载施加结构采用3.2吨齿轮式手摇可倒立千斤顶(顶盘尺寸为200mm)，千斤顶22底部与横梁23栓接，通过调节千斤顶22顶盘位置，使千斤顶22顶盘刚好与承载铁板相接触，顶部通过压力用于给承载钢板表面施加压力，模拟路面荷载。

给水压力机构30包括空气压力机31、储液罐32、储液池33、若干管道34和若干减压阀35。该管道34可采用高压软管，减压阀35可采用不锈钢支管减压阀。该空气压力机31通过管道34与储液罐32顶盖中心连接，该段水管上接有3个高精密空气减压阀，逐级减压，以此减少空气压力机31输出的波动压力对气压的影响。

实际应用时，各部件性能指标优选：空气压力机(220V，1000W)、高精密空气减压阀(6分)、304不锈钢的储液罐(500L，2mm厚)、1个不锈钢支管减压阀(6分)和若干段高压软管(外径25mm,内径20mm。空气减压阀通过6分变径二通PE管带牙但锁扣球阀与高压软管相连，每个空气减压阀左右各安置1个6分变径二通PE管带牙但锁扣球阀，保证空气压力管道的气密性。储液池33初步拟定为600LPE塑料水箱。

该储液罐32内注满水，其液体出口通过高压软管、管道接口13与模型箱10的有机玻璃管11道相连接，使得从储液罐32中泵出的液体能流入模型箱10的有机玻璃管11中，该段高压软管上设有减压阀35。该储液池33通过管道34与有机玻璃管11另一端连通，使得模型箱10的有机玻璃管11中流出的液体最终能流入储液池33中。

该土体冻结机构设有液氮罐41、液氮传输管40和液氮泵等，该液氮泵采用手捏式液氮泵，其安装在液氮罐41上以抽出氮气。该液氮传输管40贴合于有机玻璃管11外侧，其，该液氮传输管40一端通过管道与液氮泵连接，另一端的管口与破损口12齐平。该手捏式液氮泵及50mm口径液氮罐均采用市面上的定型产品，液氮传输管40半径可为20mm。液氮传输管40的接口位于模型箱10的有机玻璃管11的管道接口13上方。

该PIV机构包括PIV相机、图像分析单元和控制点等，该PIV相机可采用PIV高清相机(pco.1200hs，图像分辨率1280*1024，130万像素，PIV帧间隔时间70ns)，位于模型箱10外，且与有机玻璃管11相对，即与目标面(半圆柱形的有机玻璃管11周围土体)平行。所述控制点设置于模型箱10侧壁。

PIV机构的处理软件、图像分析单元等可采用市场上的定型产品，用于采集控制点处土体的位移和坐标图像。其控制点由人工制作在模型箱10壁上，由白纸制成。(参见图1中，黑色实心圆点为参考点和白色实心圆点为控制点)。

该含水量检测机构设有若干传感器，分别设置于有机玻璃管11周围。具体的，可采用16个免驱动USB高精度土壤湿度传感器，设置在模型箱10内的透明PVC管周围不同深度、不同平面位置放置，间距十厘米。通过USB接头与计算机相连，并配合土工三轴剪切仪测出不同含水率土体的强度，建立强度与含水率转换关系，利用此转换关系求出土洞周边不同位置的土体强度。三轴剪力仪可采用型号：NJ43/SG1AG，北京中西远大科技有限公司。

采用本发明装置进行模拟检测的操作如下：

(1)模型箱制备：试验用土需按一定次数分层填装至规定的密度2.65g/cm³并填满模型箱10，每层间用刀具刮平以及对每层充分捣实以保证箱内土的密度均匀。

(2)路面加载机构20安装：将载荷板21置于模型箱10土体上方。在模型箱10两侧安置反力架的两根立柱24，与模型箱10的底板25通过4个钢制L型角码相连，4个角码左右各两个对称分布；将齿轮式可倒立千斤顶底部与反力架的横梁23底部相连。调节千斤顶22顶盘位置，使千斤顶22顶盘刚好与承载铁板相接触。

(3)给水压力机构30安装：先将空气压力机31连接高压软管，高压软管通过6分变径二通PE管带牙但锁扣球阀连接并穿过3个高精密空气减压阀并连接储液罐32的顶盖中心；将下端底板上的液体出口(设有阀门)与高压软管相连接，并通过6分变径二通PE管带牙但锁扣球阀连接、穿过1个不锈钢支管减压阀连接模型箱10的管道接口13；组装完成后将储液罐32内注满水。高压软管接在模型箱10侧壁圆形开口处，通过塑料直接变径接头与模型箱10衔接。模型箱10另一侧壁圆形开口用过塑料直接变径接头与高压软管相连，高压软管伸入储液池33中，使从模型箱10中管道流出液体最终能流入储液池33中。

(4)土体冻结机构安装：手捏式液氮泵安在液氮罐41上，液氮传输管40与模型箱10单侧开口孔相接，伸入模型箱10中与有机玻璃管11上方贴合，液氮传输管40端口位于有机玻璃管11的破损口12正上方。将单侧液氮传输管40接口位于管道接口13上方。

(5)通过齿轮式可倒立千斤顶施加压力，并由储液罐32向模型箱10内有机玻璃管11注水。注水时，减压阀35将提供不同的稳定的压力作为自变量。

(6)选定高质量的控制点后，在不同的水压下通过对不同时刻的照片进行分析，采用多阈值中心确定方法得到相应时刻的控制点的坐标和位移。检测PIV图像，过程中用到MATLAB的Geopiv程序。为消除拍摄照片存在的变形导致土体单元位移的误差，借助位于同一观测面没有发生位移的点即控制点进行修正。获得像素坐标后与已知的控制点的实际坐标相比较，计算以上误差所引起的位移，修正同一分析区域内的所有土体单元目标。在对不同时刻照片分析时，可获得土体单元在相应时刻的像素坐标和位移；其中PIV图像根据土颗粒自身的纹理特征追踪土颗粒的位置变化，获得土颗粒真实位移。

(7)用手捏式液氮泵向液氮传输管40加入液氮，观察破口处周围土体冻结情况，当土洞边缘冻结而其余土体为正常状态时停止加入。

(8)用湿度传感器测出不同位置花岗岩残积土的含水率；由土的强度与含水率的关系，推算出不同位置土的强度。

(9)试验完成后量测四条轴线，分别是土体位移与时间的关系，土体强度与时间的关系，含水率与时间的关系，含水率与土体强度的关系曲线。通过蒙皮方法(3dmax软件制作动画)建立空间三维模型。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：包括模型箱、路面加载机构、给水压力机构、土体冻结机构、PIV机构和含水量检测机构；该模型箱顶面开口，内部填充有待观测土体和有机玻璃管，该有机玻璃管上开设有破损口；该路面加载机构设有荷载板，该荷载板位于模型箱顶面以对待测土体施压；该给水压力机构与有机玻璃管连接以提供可控的稳压水；该土体冻结机构设有液氮传输管以提供氮气，该液氮传输管贴合于有机玻璃管外侧，其管口与破损口齐平；该PIV机构用于采集控制点处土体的位移和坐标图像；该含水量检测机构设有若干传感器，分别设置于有机玻璃管周围；

检测PIV图像过程中用到MATLAB的Geopiv程序，为消除拍摄照片存在的变形导致土体单元位移的误差，借助位于同一观测面没有发生位移的点即控制点进行修正；获得像素坐标后与已知的控制点的实际坐标相比较，计算以上误差所引起的位移，修正同一分析区域内的所有土体单元目标；在对不同时刻照片分析时，获得土体单元在相应时刻的像素坐标和位移；其中PIV图像根据土颗粒自身的纹理特征追踪土颗粒的位置变化，获得土颗粒真实位移；所述含水量检测机构通过USB接头与计算机相连，并配合土工三轴剪切仪测出不同含水率土体的强度，建立强度与含水率转换关系，利用此转换关系求出土洞周边不同位置的土体强度。

2.如权利要求1所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述模型箱相对所述有机玻璃管设有两管道接口，该管道接口与有机玻璃管和所述给水压力机构连通。

3.如权利要求1所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述路面加载机构还包括千斤顶和反力架；所述模型箱安置于反力架底部；所述千斤顶安置于反力架顶部且与所述荷载板相连。

4.如权利要求3所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述反力架包括横梁、底板和两立柱；所述横梁安装有所述千斤顶；所述底板安置有所述模型箱；所述立柱连接于横梁和底板之间。

5.如权利要求1所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述给水压力机构包括空气压力机、储液罐和储液池；该空气压力机通过管道与储液罐连通，该储液罐通过管道与有机玻璃管一端连通；该储液池通过管道与有机玻璃管另一端连通。

6.如权利要求5所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述给水压力机构还包括有若干减压阀，该减压阀安装于管道上。

7.如权利要求1所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述土体冻结机构还设有液氮泵，该液氮泵与所述液氮传输管连通；所述液氮传输管位于所述有机玻璃管正上方。

8.如权利要求1所述的一种路基空洞模型的模拟装置，其特征在于：所述PIV机构包括PIV相机、图像分析单元和控制点，该PIV相机位于所述模型箱外，且与所述有机玻璃管相对；所述控制点设置于所述模型箱侧壁。