CN110823781A - 多功能路基土水分迁移实验模型箱与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能路基土水分迁移实验模型箱，包括：路基土填筑箱、地下水位附近土体填筑箱、地下水位模拟箱；所述路基土填筑箱位于地下水位附近土体填筑箱之上，所述地下水位附近土体填筑箱的一侧与地下水位模拟箱相连，所述路基土填筑箱前后面上设置有测孔，所述路基土填筑箱底部设置有渗孔，所述地下水位附近土体填筑箱的一侧与地下水位模拟箱接触面上设置有渗孔；所述测孔中设置有含水率或电势测量装置。可对路基土填料水分迁移模型试验及路基排水的电渗模型试验法进行整体研究，极大简化实验流程。

Description

多功能路基土水分迁移实验模型箱与试验方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种多功能路基土水分迁移实验模型箱及其试验方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

公路路基土含水率的变化是影响路基边坡稳定性以及路基承载力的重要因素。既有路基调查和室内试验研究表明，公路通车运营后，路基内会产生新的水分迁移和适度的重分布，路基土的含水率比施工时含水率增大2～10个百分点；在路面完工后的2～3年内，路基土的湿度变化逐渐趋近于某个平衡含水率，随后含水率变化较小。(引自《公路路基设计规范》)因此，研究路基土中水分迁移规律并降低已建路基含水率对保证高速公路的长期服役性能有这重要作用。

通过模型试验可以很好地对路基填料中的水分迁移进行模拟和预测。但现有的模型试验无法对地下水位高度进行较好的控制，同时仅开展路基土填料水分迁移的研究无法解决既有路基含水量过高的问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明借助自行研发的多功能路基土水分迁移实验模型箱，提出了一整套路基土填料水分迁移模型试验及路基排水的电渗模型试验法，将对研究路基水分迁移规律以及路基排水提供了一定的指导。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多功能路基土水分迁移实验模型箱，包括：路基土填筑箱、地下水位附近土体填筑箱、地下水位模拟箱；所述路基土填筑箱位于地下水位附近土体填筑箱之上，所述地下水位附近土体填筑箱的一侧与地下水位模拟箱相连，所述路基土填筑箱前后面上设置有测孔，所述路基土填筑箱底部设置有渗孔，所述地下水位附近土体填筑箱的一侧与地下水位模拟箱接触面上设置有渗孔；所述测孔中设置有含水率或电势测量装置。

本发明设计一套集研究路基土填料水分迁移规律和排水方法于一体的实验模型箱不仅能为实验研究带来便利，同时还能系统地研究路基土在整个积水、排水过程中的力学规律。

在一些实施例中，所述测孔在路基土填筑箱一侧均匀排布。发明人之前的研究(专利CN 208533287 U)表明：电渗排水法能在保证路基在不开挖的情况下完成路基排水，因此，在一些实施例中，所述路基土填筑箱、地下水位附近土体填筑箱、地下水位模拟箱皆为矩形箱体。本发明提出的多功能路基土水分迁移实验模型箱，可对路基土填料水分迁移模型试验及路基排水的电渗模型试验法进行整体研究，极大简化实验流程。

在一些实施例中，所述渗孔在地下水位模拟箱侧面均匀排布；以实现水分的迁移。

在一些实施例中，所述渗孔在路基土填筑箱底部均匀排布，在保证水分发生迁移的同时还需避免路基土填筑箱中土颗粒的流失。

路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱以及地下水位模拟箱高度根据实际工程需要而定，在一些实施例中，所述路基土填筑箱的高度大于等于0.8mm，以提高检测结果的准确性。

在一些实施例中，所述路基土填筑箱的长度和宽度均大于等于0.8m，以尽量减少模型试验与实际的误差。

在一些实施例中，所述测孔的直径为20-25mm。路基土填筑箱前板和后板按照一定排布规律安排测孔的分布，由于前板和后板可单独拆卸组装，因此测孔的分布根据测点要求进行更改。

电极棒内径与外径根据前板测孔的直径确定，因此，在一些实施例中，所述路基土填筑箱前板测孔上设置有电极排水管，电极棒总长L大于前板和后板距离的2/3，同一水平高度处渗孔之间的距离l ₁小于等于电极棒总长L的1/5，以保证排水效率和检测准确性。

本发明还提供了一种多功能路基土水分迁移实验模型箱水分迁移模型试验方法，包括：

a.土体填筑

分别向路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱中填筑土体；路基土填筑箱填筑前在箱体底部放置一张滤纸，土体分层填筑，每当土体高度达到前板或后板测孔高度处，安装水分传感器或水盐传感器，并从测孔处引出，直至箱体填满；

地下水位附近的土体填筑箱分层填筑；地下水位模拟箱根据地下水位要求确定填筑高度；

b.水分迁移模型试验流程

地下水位模拟箱中的填土高度与地下水位高度一致，土体填筑完成后根据地下水位要求向地下水位模拟箱中加水，每隔一定时间读取水分传感器或水盐传感器数值，记录土体的体积含水率变化规律；同时取样测定地下水位模拟箱含水率和水位变化，根据其数值决定是否继续加水；

一种多功能路基土水分迁移实验模型箱电渗排水法模型试验方法，包括：

a.土体填筑

分别向路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱中填筑土体；路基土填筑箱填筑前在箱体底部放置一张滤纸，土体分层填筑，每当土体高度达到前板或后板测孔高度处，安装水分传感器或水盐传感器，并从测孔处引出，直至箱体填满；

地下水位附近的土体填筑箱分层填筑；地下水位模拟箱根据地下水位要求确定填筑高度；

b.水分迁移模型试验流程

地下水位模拟箱中的填土高度与地下水位高度一致，土体填筑完成后根据地下水位要求向地下水位模拟箱中加水，每隔一定时间读取水分传感器或水盐传感器数值，记录土体的体积含水率变化规律；同时取样测定地下水位模拟箱含水率和水位变化，根据其数值决定是否继续加水；

c.电渗排水模型试验

当路基土含水率达到预期含水率时，停止向地下水位模拟箱中加水，移除地下水位模拟箱，并将地下水位以下土体填筑箱侧向的地下水渗孔密封；接通电源进行电渗排水，阴极管排出的水由烧杯盛放；排水过程中随时测定土体含水率、排水量以及电势变化。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出一套多功能路基土水分迁移实验模型箱，可对路基土填料水分迁移模型试验及路基排水的电渗模型试验法进行整体研究，极大简化实验流程。

(2)本发明的装置结构简单、操作方便，实用性强。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为多功能路基土水分迁移实验模型箱；(a)试验装置正视图，(b)试验装置后视图，(c)实验装置俯视图，(d)试验箱整体示意图(含模拟地下水箱)；1—路基土填筑箱，2—含水率测孔/电极管插孔，3—路基土填筑箱前板，4—含水率和电势测孔，5—路基土填筑箱后板，6—地下水位附近土体填筑箱，7—地下水渗孔，8—渗孔，9—地下水位模拟箱；

图2电极管示意图；(a)阴极管(b)阳极管(c)阴极管周围渗水孔横向分布图；

图3电极管排布方式。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对现有的模型试验无法对地下水位高度进行较好的控制，同时仅开展路基土填料水分迁移的研究无法解决既有路基含水量过高的问题。因此，本发明提出一种多功能路基土水分迁移实验模型箱，以探究路基土填料水分迁移模型试验及路基排水的电渗模型试验法。

要解决的问题：

1)多功能路基土水分迁移实验模型箱的研发；

2)路基土填料水分迁移模型试验方法；

3)路基排水的电渗模型试验法。

该模型箱为可拼装试验箱，如图1所示。

模型箱由不导电的材料加工而成，主要包含路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱三部分。模型箱的三部分均可拆分组装，以满足不同路基高度的试验要求，且图(a)和图(b)中的模型箱前板和后板可单独替换。路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱以及地下水位模拟箱高度根据实际工程需要而定，但路基土填筑箱的高度不建议小于0.8mm(即一般路基的路床高度)；地下水位以下土体填筑箱和地下水模拟箱之间安装有一块筛板，以实现水分迁移。为尽量减少模型试验与实际的误差，填筑箱的长度和宽度均不小于0.8m。如图1(a)和图1(b)所示，路基土填筑箱前板和后板按照一定排布规律安排测孔的分布，由于前板和后板可单独拆卸组装，因此测孔的分布根据测点要求进行更改。测控大小一般为20-25mm。路基土填筑箱底部分布一定数量的渗孔，在保证水分发生迁移的同时还需避免路基土填筑箱中土颗粒的流失。

(2)根据实际工程需要组装试验箱，向组装好的路基土填筑箱和地下水位以下土体填筑箱中填满土体；地下水位模拟箱中的土体根据地下水位需要确定填筑高度，根据连通器原理，路基土填筑箱中的水位与地下水位模拟箱中水位高度一致，以此调节地下水位的高度，从而开展不同地下水位时的水分迁移实验以及排水试验。

(3)路基土填筑箱前板根据实验目的不同，其作用也不同，当仅开展水分迁移实验时，路基土填筑箱前板测孔主要用于测定土壤含水率变化；当开展电渗模型实验室，路基土填筑箱前板测孔用于安装电极排水管，电极排水管如图2所示，电极排水管的长度以及渗水孔沿电极棒长度方向的排布根据电渗试验尺寸确定，但电极棒总长L不得小于前板和后板距离的2/3，阴极管周围的渗孔均匀交叉分布，同一水平高度处渗孔之间的距离l₁不超过电极棒总长L的1/5，l₂为l₁的一半，阳极管总长与阴极管总长相等。电极棒内径与外径根据前板测孔的直径确定，为保证排水效率，内径不应小于10mm，外径d应比前板测孔小1-1.5mm。

使用时，阴极管向外伸出1-2cm用于导出水，阳极管无特殊要求。

以铁质管为例：进行电渗法处理时，将接通直流电的电极棒插入土壤，土壤内的水在直流电的作用下发生化学变化。在阳极发生氧化反应，在直流电的作用下产生Fe²⁺和电子，Fe²⁺与水溶液中的OH^-产生Fe(OH)₂，带正电荷H⁺与水分子结合形成H₃O⁺并向阴极移动，当H₃O⁺移至阴极，水分子从土体中脱去并大量聚集，因此在阴极管周围按照一定的规律开有渗水孔。路基土填筑箱后板测孔用于测定土体含水率和以及电渗排水模型试验中的电势分布。

由于前板和后板均可单独拆卸组装，因此测孔(电极管插孔)在试验箱中的分布可根据实验要求进行调节。

(4)土体电阻估算

阴阳电极间土体的总电阻表现为视在电阻R_视在，若考虑电极与周围土体之间的界面电阻，则每一对电极间电阻R_视在，由电极电阻电极R_电极、电极与土体界面电阻R_界面、以及土体电阻R_土三部分构成：

R_视在＝R_电极+R_界面+R_土 (1)

式中：R_电极—电极材料本身电阻(Ω)，对金属电极R_电极≈0；

R_界面—电极与土体之间的界面电阻(Ω)；

R_土—土体电阻(Ω)。R＝ρl/A，ρ为土体电阻率，l为阴阳电极距离，A为土体面积。

其中，土体电阻率ρ用Miller电阻(20cm×20cm×18cm)箱测试。

界面电阻R_界面计算方法为：

式中：k_j—界面电阻率(Ω·cm²)；

Rat—s₁/s₂,导电面积比，无量纲；

s₁,s₂—电极和土的导电面积(cm²).

由于该发明内部由很多对电极构成，这些电极和它们之间土体可以划分为条带，并可以视为与电源是并联关系，电渗场地总电阻ΣR_视在计算方法如公式(3)所示：

其中：n—电极对数。

(5)电压、电流及输出功率确定

电渗时电压常用范围为U＝24V～160V。考虑到实验室安全问题，电压不宜高于72V。一般来说，电渗过程中由于土壤含水率的变化，土体的电阻是不断变化的，初始电流可以按照欧姆定律计算得到，并通过电流与电压对输出功率进行估算，进而合理选用直流电源。

6、实施步骤

(1)填土高度和地下水位高度确定

试验箱填土高度以及地下水位高度根据实际工程设计要求以及实验需求进行确定，地下水位高度根据勘测资料确定，以此确定试验箱的组装高度。

(2)路基土水分迁移模型试验

a.土体填筑

分别向路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱中填筑土体。路基土填筑箱填筑前在箱体底部放置一张滤纸，土体分层填筑，每当土体高度达到前板或后板测孔高度处，安装水分传感器(当填筑土体为盐渍土时选装水盐传感器)，并从测孔处引出，直至箱体填满。地下水位附近的土体填筑箱分层填筑；地下水位模拟箱根据地下水位要求确定填筑高度。

b.水分迁移模型试验流程

地下水位模拟箱中的填土高度与地下水位高度一致，土体填筑完成后根据地下水位要求向地下水位模拟箱中加水(进行盐渍土水盐迁移试验时需加入一定浓度的盐水)，每隔一定时间读取水分传感器(或水盐传感器)数值，记录土体的体积含水率变化规律，并换算为质量含水率。同时取样测定地下水位模拟箱含水率和水位变化，根据其数值决定是否继续加水。

(3)电渗排水法模型试验

a.土体填筑

分别向路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱中填筑土体。路基土填筑箱填筑前在箱体底部放置一张滤纸，土体分层填筑，每当土体高度达到前板测孔高度处，安装电极排水管，且阴极管与阳极管交叉分布。其中，阴极管略微向下倾斜并与导管相连，以保证水分可以正常排出。填土高度达到后板测孔高度处，安装水分传感器(当填筑土体为盐渍土时选装水盐传感器)和电势探针，并从测孔处引出，直至箱体填满。地下水位附近的土体填筑箱分层填筑；地下水位模拟箱根据地下水位要求确定填筑高度。

b.水分迁移模型试验流程

水分迁移试验与步骤2相同。

c.电渗排水模型试验

当路基土含水率达到预期含水率时，停止向地下水位模拟箱中加水，移除地下水位模拟箱，并将地下水位以下土体填筑箱侧向的地下水渗孔密封。接通电源进行电渗排水，阴极管排出的水由烧杯盛放。排水过程中随时测定土体含水率、排水量以及电势变化，分析电渗法排水效率随着电势变化的规律，并通过电源电压和输出电流计算耗电量，以分析电渗排水法的经济效益。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1：某改扩建高速公路的路基降水处理

对某条运营10年的高速公路进行改扩建，发现在大气作用及地下水作用下路基土含水率过高。取样研究表明，该路基填料为粉质黏土，最佳含水率为13.6％，经过十年的运营，部分区域填料含水率已超过24％。为避免新路基填筑以后再新老路基结合处出现损坏，因此需对老路基进行排水处置，并对新路基进行实验，确定路基填筑之后，在地下水作用下土体内水分迁移规律。

项目采用多功能路基土水分迁移实验模型箱进行室内模型试验，先研究在水分在该填料中的迁移规律，并对试验后的土体采用电渗试验方法进行排水性能的研究。

根据勘查信息可以看出，地下水位高度距离路基表面0.9m，因而试验箱尺寸为长×宽×高＝1×1×1.2(单位：m)。查阅文献可知，电极管排布方式如图3所示，图3中实心部分代表阴极管，空心部分代表阳极管。

根据上述尺寸进行试验箱拼装，前板如图3所示，后板测孔适当加密。按照第6节实施步骤中的第(3)部分进行试验，结果表明受地下水位的影响距离路基表面0.1m以下的土体均受到地下水作用而导致含水率偏高。利用电渗法可将距离路基表面0.45m范围内的填料含水率降低至15％以下，符合施工要求，且0.45m以下的土体含水率也得到了有效降低。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，包括：路基土填筑箱、地下水位附近土体填筑箱、地下水位模拟箱；所述路基土填筑箱位于地下水位附近土体填筑箱之上，所述地下水位附近土体填筑箱的一侧与地下水位模拟箱相连，所述路基土填筑箱前后面上设置有测孔，所述路基土填筑箱底部设置有渗孔，所述地下水位附近土体填筑箱的一侧与地下水位模拟箱接触面上设置有渗孔；所述测孔中设置有含水率或电势测量装置。

2.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述路基土填筑箱、地下水位附近土体填筑箱、地下水位模拟箱皆为矩形箱体。

3.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述测孔在路基土填筑箱一侧均匀排布。

4.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述渗孔在地下水位模拟箱侧面均匀排布；

或所述渗孔在路基土填筑箱底部均匀排布。

5.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述路基土填筑箱的高度大于等于0.8mm。

6.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述路基土填筑箱的长度和宽度均大于等于0.8m。

7.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述测孔的直径为20-25mm。

8.如权利要求1所述的多功能路基土水分迁移实验模型箱，其特征在于，所述路基土填筑箱前板测孔上设置有电极排水管，电极棒总长L大于前板和后板距离的2/3，同一水平高度处渗孔之间的距离l₁小于等于电极棒总长L的1/5。

9.一种多功能路基土水分迁移实验模型箱水分迁移模型试验方法，其特征在于，包括：

a.土体填筑

分别向路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱中填筑土体；路基土填筑箱填筑前在箱体底部放置一张滤纸，土体分层填筑，每当土体高度达到前板或后板测孔高度处，安装水分传感器或水盐传感器，并从测孔处引出，直至箱体填满；

地下水位附近的土体填筑箱分层填筑；地下水位模拟箱根据地下水位要求确定填筑高度；

b.水分迁移模型试验流程

地下水位模拟箱中的填土高度与地下水位高度一致，土体填筑完成后根据地下水位要求向地下水位模拟箱中加水，每隔一定时间读取水分传感器或水盐传感器数值，记录土体的体积含水率变化规律；同时取样测定地下水位模拟箱含水率和水位变化，根据其数值决定是否继续加水。

10.一种多功能路基土水分迁移实验模型箱电渗排水法模型试验方法，其特征在于，包括：

a.土体填筑

分别向路基土填筑箱、地下水位以下土体填筑箱和地下水位模拟箱中填筑土体；路基土填筑箱填筑前在箱体底部放置一张滤纸，土体分层填筑，每当土体高度达到前板或后板测孔高度处，安装水分传感器或水盐传感器，并从测孔处引出，直至箱体填满；

地下水位附近的土体填筑箱分层填筑；地下水位模拟箱根据地下水位要求确定填筑高度；

b.水分迁移模型试验流程

地下水位模拟箱中的填土高度与地下水位高度一致，土体填筑完成后根据地下水位要求向地下水位模拟箱中加水，每隔一定时间读取水分传感器或水盐传感器数值，记录土体的体积含水率变化规律；同时取样测定地下水位模拟箱含水率和水位变化，根据其数值决定是否继续加水；

c.电渗排水模型试验

当路基土含水率达到预期含水率时，停止向地下水位模拟箱中加水，移除地下水位模拟箱，并将地下水位以下土体填筑箱侧向的地下水渗孔密封；接通电源进行电渗排水，阴极管排出的水由烧杯盛放；排水过程中随时测定土体含水率、排水量以及电势变化。

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