CN112730730B - 一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置及试验方法，该装置通过在模型箱内放置承载有岩土体和路基的模型，岩土体内装载有型煤模型，型煤模型内填充有加热管和热电偶，进行下伏燃烧煤层在受热情况下的沉降模拟。本发明的试验装置通过相似材料的选取，合理模拟出与路基、煤层及其影响岩层最大程度的相似，对路基填筑的施工过程，煤层燃烧的发展过程进行模拟试验，并在试验过程中布设位移监测仪器对煤层燃烧发展过程中的路基的位移进行监测，进而对实际工程中的路基稳定性进行评价分析，以采取合理的应对措施。

Description

一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置及试验方法

【技术领域】

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置及试验方法。

【背景技术】

煤田火灾是一在世界范围内的煤矿产区广泛发生的灾害现象，虽然煤田火灾会在自然条件下自然发生，但在近现代以来，随着人类煤炭开采活动的增加，使煤田火灾的发生变得更为广泛和频繁。因煤矿开采技术所限，在煤矿开采过程中总会有部分型煤模型无法采出而遗留在地下，开采过程中开挖的矿道或矿体挖出时在地层中产生的裂隙又使氧气渗入地下与未开采的浮煤接触，因此采空区和废弃煤矿发生煤层自燃的可能性与一般未开采的煤层相比大大提高。

地下煤炭燃烧完后会形成空洞，燃烧过程中释放的大量热量会劣化周边岩层的物理力学性质，进而造成地面沉陷，危害地面基础设施的安全使用，因此在进行公路等基础设施建设是原则上都要求避开煤田火区等不良地质区，但随着各地经济发展需求和路网建设的发展，煤炭矿藏及时有发生的煤田火灾在世界范围内的广泛分布，在公路工程建设中不得不跨越伴有燃烧现象的煤矿采空区。当公路路线因难以避让(改线则造价过高或线型难以满足要求等)不得不跨越采空区时，可以路基或桥梁的方式通过。因煤矿开采后总会在地面形成塌陷坑，露天开采时也会在地面形成开采矿坑，路基与桥梁相比，对地面可以起到覆盖地面隔绝空气的作用，减小后期煤层自燃的可能性，因此在跨越采空区时还经常需要采用高填方路基的路基形式通过。

高填方路基的填方量很大，其自身重量易造成下部地基产生沉降变形，在通车之后路面还存在着行车荷载，因此路基自身和下部地基的承载力和稳定性是在高填方路基中十分重要的问题。煤田火区的结构稳定性在应力场和温度场的共同影响。煤的软化温度在300～550℃之间，这一特性使煤在较低的应力场和温度场中即可产生韧性变形，在相同的温度和应力条件下，相对于硅酸盐类的地基煤更易于发生变形，变形量也更大。因此在存在自燃风险的煤矿区修建高填方路基时，路基的稳定性极易受到下部煤层燃烧状况的影响。

有关急高速公路路基跨越特殊地质地形区路基稳定性评价分析的研究方法基本上可以分为三类：①应用各种仪器设备在工程现场的地表或其下的岩体内部进行的实测方法；②在室内进行的计算机数值模拟研究方法；③在室内进行的物理模型试验研究方法。对于第一类的实测方法，大规模的现场实测需要大量的人力物力以及很长的时间，同时现场也会有各种不利的条件给现场实测带来了很多困难。对于第二类的模拟方法，所用的材料本构和模型边界等基本参数过于理想化，与实际情况的差距过大，所获得的计算结果可信度不高。因此室内进行的物理模型试验为主要的研究趋势。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置及试验方法，以解决现有技术中实测方法和数值模拟方法存在缺陷的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置，包括模型箱，所述模型箱为框架结构，所述模型箱的前后面板为透明板材；

所述模型箱内装载岩土体，岩土体的上部覆盖有路基，所述路基的横向截面为梯形；岩土体的内部和路基的内部，以及岩土体和路基的接触面设置有彩砂层；所述彩砂层平行于地面；所述岩土体的内部设置有型煤模型；模型箱的前面板或后面板在型煤模型处开设有空洞；

所述路基的上部插装有若干个百分表，型煤模型内插装有微型电加热管和热电偶测温仪，微型电加热管和热电偶测温仪穿过空洞。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述岩土体内部的彩砂层在型煤模型的上方。

优选的，所述模型箱的框架为型钢材质，模型箱两个侧边设置有卡槽，卡槽中放置有活动板。

优选的，所述百分表按组沿着路基的长度方向排列，百分表相对于模型箱的第一中心面对称，所述第一中心面垂直于模型箱的长度方向，第一中心面在长度的中间，所述第一中心面上设置有一组百分表；

每组百分表包括5个百分表，路基沿其长度的中心线上设置有一个，路基的两个路缘上各设置有一个，路基的两个斜坡上各设置有一个。

优选的，所述两个斜坡上的百分表位于一个平面，所述平面上设置有彩砂层。

优选的，所述微型电加热管在型煤模型的中心位置，微型电加热管垂直于模型箱的前面板。

优选的，型煤模型内插装有若干个热电偶测温仪，热电偶测温仪沿型煤模型的长度方向及宽度方向均等分分布。

一种基于上述任意一项所述装置的高速公路下伏燃烧煤层的模型试验方法，包括以下步骤：

步骤1，根据研究区域的路基、地层和煤的弹性模量、内聚力和摩擦力和模型箱的尺寸确定相似比；

步骤2，根据研究区域的路基和地层材料，以及相似比，确定模型箱中的路基和岩土体的材料的组成及配比，制备出路基的材料和岩土体的材料；在压制型煤模型的模具中压制型煤模型；

步骤3，从模型箱的底部分层填土至标定高度，填土的同时，铺设彩砂层，同时将模型箱的两个侧边进行封装；将型煤模型放置在设定位置，将微型电加热管和热电偶测温仪穿过空洞插入在型煤模型中，填土完成后，完成岩土体的制备，铺设彩砂层；岩土体完成固结沉降后，填筑路基到标定高度，在中间过程铺设彩砂层，路基沉降固结后，在模型箱的上部安装百分表，百分表插入在路基中，整个试验模型制备完成；

步骤4，通过微型电加热管加热型煤模型，通过百分表记录各个彩砂层的位置，通过摄影系统对彩砂层的位置观测；获得路基表面的沉降位移和模型箱长度方向之间的对应关系，以及路基表面的沉降位移和加热温度之间的关系。

优选的，步骤2中，根据地质勘察获得的实际煤层走向的几何尺寸、倾角、厚度和相似比，确定压制型煤模型的模具尺寸。

优选的，步骤3中，路基填筑完成后静置10天，使路基进行沉降固结。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置，该装置通过在模型箱内放置承载有岩土体和路基的模型，岩土体内装载有型煤模型，型煤模型内填充有加热管和热电偶，进行下伏燃烧煤层在受热情况下的沉降模拟。本发明的试验装置通过相似材料的选取，合理模拟出与路基、煤层及其影响岩层最大程度的相似，对路基填筑的施工过程，煤层燃烧的发展过程进行模拟试验，并在试验过程中布设位移监测仪器对煤层燃烧发展过程中的路基的位移进行监测，进而对实际工程中的路基稳定性进行评价分析，以采取合理的应对措施。该装置通过室内模型试验来对高速公路跨越煤田火区时路面、路基结构及下部地层的变形和位移情况进行模拟预测，对后续的安全状况评估工作，路基结构设计，煤田火区防灭火方案确定，降低建设工程造价、提高煤田火区公路建设质量、保障公路安全运营等都具有十分重要的社会经济意义。

进一步的，通过型煤模型上方的彩砂层能够观察出整体的沉降情况；采用高强度的型钢制作模型框架，钢化玻璃封闭模型箱前后两侧，因此模型箱可以承受较大的压力，可以进行大比例的模型试验；模型箱左右两侧开口部位设卡槽，采用长度略小于模型箱宽度的活动板，随填筑高度增加随时增加木板及时封堵两侧开口，可以十分方便的向上填筑相似材料。

进一步的，均匀分布的百分表，能够精准的测量出路基表面的沉降情况。

进一步的，电加热管设置在型煤模型的中心位置能够均匀加热整个型煤模型，均匀分布的热电偶测温仪能够准确的测量出型煤模型中温度的变化。为节省试验成本且达到试验目的，电加热管的型号应根据所要模拟的温度等级进行选择，使电加热管的最高加热温度稍大于目标温度。

本发明还公开了一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验方法，该试验方法包括设计步骤、制作步骤、填充步骤和测量步骤，设计步骤根据研究区域的实际情况，进行整个模型内岩土体和路基成分的设计，制作过程进行各个材料的制作，填充进行测量；该过程通过电热管利用微型电加热管对型煤模型进行加热，便于对升温速度和温度进行控制，避免了明火的产生，试验过程更安全；整个过程采用彩砂层位置观测对高速公路下伏燃烧煤层的路基和下部地层的位移变形进行监测，通过透明的钢化玻璃可十分直观的观察到地层的变形情况。

现实的煤层实际发生燃烧的部分与只是受到高温影响部分的区域相比面积很小，地层的变形主要是煤层和岩体受到高温影响产生，模型试验经过相似比缩小后实际燃烧的煤体范围更小，大部分还是只受到高温影响，并没有发生燃烧。所以放置了加热棒的位置类似于现实中发生燃烧的位置，周边大部分围岩只是受到高温影响。所以用电源加热部分煤体可以对现实中的地下煤层燃烧现象就行较好的相似模拟，以此方法对地下煤层燃烧对周边地层及地面结构物的影响进行研究。

利用原煤粉碎重压实制作煤煤层的相似材料，避免了因煤成分改变而产生的试验误差。

【附图说明】

图1为模型箱框架三维结构示意图；

图2为试验模型整体正视图；

图3为验模型整体中心剖面侧视图；

图4为岩土体及煤层模拟系统图；

图5为试验总体流程图；

图6为沿路线纵向路面的位移；

图7为路面测点随温度变化的位移；

其中：1-活动板；2-底部钢板；3-空洞；4-钢梁；5-岩土体；6-型煤模型；7-彩砂层；8-百分表；9-微型电加热管；10-热电偶测温仪；11-路基；12-第一地层；13-第二地层；14-模型箱；15-卡槽；11-1-路缘；11-2-斜坡。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明公开了一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置，该装置的主体为模型箱14基本形状为长方体，模型箱14的几何尺寸可根据所需要模拟的地层情况和选定的相似比确定，模型箱14的框架采用型钢根据实际条件采用焊接或螺栓铰接的方式连接而成，强度很高，可承受较大的应力，框架上的钢梁4不仅保证了模型箱的整体稳定性，上部钢梁4还可用于安装固定百分表8的磁性表座，模型箱14的底部设置有底部钢板2。模型箱14的前后两侧面均采用透明有机钢化玻璃封闭，有机钢化玻璃的厚度优选为12mm，采用透明有机钢化玻璃封闭可通过彩砂来辅助监测地层及路基位移，便于直观的观察到模型箱14内地层的位移变形情况；模型箱14的左右两侧开口部位设卡槽，采用长度略小于模型箱宽度的活动板1，随填筑高度增加随时增加木板及时封堵两侧开口，以便向上填筑相似材料。模型箱左右两侧开口部位沿其长度方向整列开设有卡槽15，卡槽15用于装载活动板1，所述活动板1的长度略小于模型箱14的宽度，随模型箱14内填筑高度增加，随时增加活动板1及时封堵两侧开口，以便向上填筑相似材料；在型煤模型6的所在位置的前面或后面的钢化玻璃上切割一个半圆形的空洞3，便于预埋在型煤内插入微型电加热管9和热电偶测温仪10，方便热电偶测温仪10连接线的进出，模型箱14的底部采用钢板封闭，上部不封闭。

模型箱14内部设置有整个模拟系统，模拟系统包括①岩土体及煤层模拟系统，包括岩土体5、型煤模型6和路基11；②煤层加热及温度控制监测系统，包括微型电加热管9和热电偶测温仪10；③路基位移监测系统，包括彩砂层7和百分表8。各系统布置关系如图2所示，图中：hs为路基厚度，为模拟实际地层的情况，此处设置第一地层12和第二地层13，其中h1为第一地层12的厚度，h2为第二地层13的厚度，hc为煤层高度。该系统包括从下到上依次堆叠的岩土体5、第一地层12、第二地层13和路基土11，其中第一地层12和第二地层13之间，第二地层和路基11之间，路基11的内部都设置有彩砂层7，所述彩砂层7平行于地面。岩土体5的内部的上部分设置有路基11，路基11的上表面和第一地层12的下表面接触，路基11平行六面体，路基11在竖直方向的横截面积为梯形，因此路基11为从下到上水平面积逐渐缩小的结构。

百分表8和彩砂层7的位置和数量可根据实际需要改变位置和增减数量。

岩土体及煤层模拟系统

本试验装置通过在岩土体5内埋入破碎重新压制的型煤模型6来模拟地下煤层，之后再通过预埋在型煤模型6内部的微型电加热管9对其进行加热，进而对煤层受热软化的过程进行模拟。通过调整型煤模型具的形状可对煤层的赋存参数如走向、倾角、厚度等参数进行十分便利的调整，通过调整重压制时的压制时长和附加荷载的大小可对型煤的强度进行调制，以实现煤层材料相似的目的。岩土体5和路基11的相似材料用细沙、黏土作为基本原料进行配置，通过改变细沙和黏土的配比，拌和时水的用量等即可配置成具有不同强度并满足相似比要求岩土体相似材料。

煤层加热及温度控制监测系统

型煤模型6的加热主要通过在型煤模型中埋置的微型电加热管9来实现，并通过同样埋置在型煤模型6内的热电偶测温仪10对加热过程中的温度进行监测。根据热电偶测温仪10测得的温度，通过调节加微型电加热管9的发热功率可对加热速率，加热温度进行精确快捷的控制。采用内置微型电加热管9对型煤模型6进行加热可避免明火的产生，使试验过程安全的进行。微型电加热管9和热电偶测温仪10的体积相对型煤整体尺寸很小，不至于对煤层的力学性质产生过大的影响。

路基位移监测系统

百分表8是一种测量精度高、安装和读数方便、经济实惠的位移测量仪器，因此本试验主要通过百分表8对路面和路基的表层位移进行量测，同时利用埋置在路基11和岩土体5中的彩砂层7对路基11和岩土体5的整体位移进行辅助观测，彩砂层7的位移采用数字摄影系统进行记录。

高速公路下伏燃烧煤层的相似模型试验试验过程：

高速公路下伏燃烧煤层的相似模型试验试验的总体过程如图5所示，具体试验过程包括以下步骤：

1.通过现场地质勘察对高速公路路线跨越的煤层对路基稳定性的影响进行初步分析，以确定所要研究路段在纵向L₀、横向W₀、路基下部地层深度H₀的研究范围。

2.在圈定研究范围后，在现场对路基、路基下部地层的岩石、煤层进行钻芯取样，之后通过相关的现场试验或室内试验获得路基、地层、煤的弹性模量E₀、内聚力c₀、摩擦角φ₀、热传导系数K0，比热容C₀，热膨胀系数γ基本材料参数。

3.根据模型箱14的尺寸、圈定的研究范围和相似理论确定模型试验的相似比，相似比是模型试验中最基本最重要的参数。

4.根据步骤2获得的现场岩土体5、路基11的材料参数和步骤3确定的相似比制备足够数量的满足试验要求的路基11、岩土体5的相似材料。路基11和岩土体5的相似材料以石英砂、黏土作为基本原料进行配制，配制过程中通过改变石英砂和黏土的比例，水的掺量，添加凡士林等方式制得具有不同材料参数的相似材料，所述材料参数基于实际地层的材料参数和相似比确定。

5.对原煤进行破碎，再加水拌和放入模具中重新压实成型，采用不同的压实荷载和压实时间可制得不同相似比强度的型煤模型6。在型煤压制过程中应注意以下几点：

a)压制型煤模型的模具的尺寸根据地质勘察获得的实际煤层走向的几何尺寸、倾角、厚度和相似比来确定。实际煤层走向的几何尺寸、倾角、厚度均为实际尺寸，模具的尺寸为实际尺寸和相似比的比值。

b)因在型煤压制成型后再打孔易破坏型煤的结构，在压制型煤的过程中，就应预留出安装微型电加热管9和热电偶测温仪10的孔洞，预留孔洞可通过在对应位置插入和微型电加热管9、热电偶测温仪10尺寸相同的木棍或钢筋来实现。

c)因不同类型的煤的组成成分差异较大，在受热过程中物理力学性质的差异也较大。为减少这一差异，应采用和现场同一类型的煤来制作型煤，例如现场路基下部的煤层为无烟煤，则制作型煤模型6的原煤也应采用无烟煤。在条件允许的情况下，尽量使用从现场采集到的原煤来制作型煤。

6.模型箱14填筑。填筑前确定模型箱14的尺寸，模型箱14的尺寸为根据实际截取的长方体地层尺寸除以相似比确定模型箱的L、H和W，模型箱14填筑主要包括以下步骤：

a)从模型箱14底面分层填土至试验预定的煤层底面标高，随着填土高度的加高，逐步的将活动板1插入模型箱两侧的卡槽中；

b)把压制好的型煤放入预先设定的位置后，将微型电加热管9和热电偶测温仪10插入之前预留的型煤孔洞中，型煤模型6依据实际地层的情况确定；其中微型电加热管9在整个型煤模型6的中心部位，热电偶测温仪10根据需求进行设定，基本要求是在型煤模型6内部的横向和竖向均等分设置。

c)继续向上填筑普通岩土体直至地面，用夯锤夯实整平，静置30天，使地层完成固结沉降；

分层填筑路基11到路面标高；

d)路基11填筑完成后静置10天，使路基11进行沉降固结；

e)在填筑下部地层和路基11的过程中应完成彩砂层7的嵌入，彩砂层7的厚度为4-5mm。

7.在模型箱14顶部放置方形钢管，保证稳固，不发生移动。再将磁性表座牢固的吸附在上部方形钢管上，将百分表8按预定位置架在磁性表座上并拧紧；百分表8的预定安装位置分布方式为：以路基11的上表面为中心，横向和纵向扩张分布；参见图3，设定沿路基11的横向方向的一列百分表8为一组，每组中，路基11的中心点设置有一个百分表8，两个路缘11-1各设置有一个百分表8，两边的斜坡11-2上各设置有一个百分表8，这五个百分表8在一个横向的截面上；沿路基11的纵向方向，每组百分表8排列布置，排列的百分表8相对于模型箱14的中心处横截面对称，但无需相邻的百分表8之间的距离相等，参见图2和图4可以看出，距离型煤模型6的距离不等，变形的程度不同，因此百分表8的设计准则为，百分表8和型煤模型6之间的距离越远，相邻的百分表8之间的布置间距越大；上述结构中，无论是每组中百分表8的数量，还是每组的阵列数量，都能够根据实际情况调整。

沿路线纵向在路基顶面中点处，两侧路缘11-1和斜坡11-2处设置五条位移测线，在定义的测线位置之上按照上述的预定位置架设百分表8，每个百分表8可测得一个点的位移。百分表8安装完毕后，记录初始读数，同时采用数字摄影系统对彩砂位置进行记录；

8.接通电源对型煤模型进行加热以模拟型煤模型6燃烧发热过程，因升温速度也会对煤的力学性质变化产生较大的影响，在加热过程中应对型煤模型6内的升温速率进行控制，根据热电偶测温仪10测得的温度对加热过程进行实时的控制；

9.接通电源开始加热后按照特定的时间间隔记录百分表8的读数和热电偶测温仪10的温度，同时采用数字摄影系统对彩砂位置进行观测；

10.对试验结果进行分析整理分析，可得出如图6沿路线纵向的路面位移变化和图7路面某点位移随下部煤层温度的变化关系，根据试验中测得的位移可反推出实际工程中路基的位移，以对实际路基的稳定性和沉降变形进行分析预测。

本发明的设计机理：

地下煤层发生燃烧后，会对上部地层及周边围岩的物理力学性质产生多种影响，进而对修建在燃烧煤层上部的建筑物的稳定性产生不同程度的影响。而这一影响机制十分复杂，难以通过单纯的理论分析对其进行评价分析，必须采用多种研究手段进行综合性的研究，室内模型试验便是其中一种高效准确的研究方法。本发明通过在模型箱内填筑具有特定配比参数的相似材料来模拟地层围岩和路基体，将原煤破碎重压实后制成型煤块埋入模型箱土体内模拟煤层，通过微型电加热管对型煤模型进行加热模拟煤层的燃烧升温过程。并通过在模型箱上部横梁上安装百分表对路基的位移进行监测，在煤层上部岩层及路基内撒布多层彩砂对地层及路基的变形和位移进行辅助观测，对后续的安全状况评估工作，路基结构设计，防灭火方案确定，降低建设工程造价、提高煤矿地区公路建设质量、保障公路安全运营等都具有十分重要的社会经济意义。

与现场实测研究方法相比，模型试验方法可以模拟不同工况下的对比试验，解决了现场实测不可逆、不可改变影响因素的弊病，并且解决了现场实测的高额费用的问题。有利于深入研究煤田火区上覆岩层及高速公路路基的变形移动规律。又因为对模型相似材料以及模型的制作有着较高的要求，从而确保了试验的数据的准确性，并且可在模拟其他影响因素不变的情况下改变单因素，反映各影响因素对地下煤层火区上覆地层和高速公路路基的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (5)

1.一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置，其特征在于，包括模型箱（14），所述模型箱（14）为框架结构，所述模型箱（14）的前后面板为透明板材；

所述模型箱（14）内装载岩土体（5），岩土体（5）的上部覆盖有路基（11），所述路基（11）的横向截面为梯形；岩土体（5）的内部和路基（11）的内部，以及岩土体（5）和路基（11）的接触面设置有彩砂层（7）；所述彩砂层（7）平行于地面；所述岩土体（5）的内部设置有型煤模型（6）；模型箱（14）的前面板或后面板在型煤模型（6）处开设有空洞（3）；

所述路基（11）的上部插装有若干个百分表（8），型煤模型（6）内插装有微型电加热管（9）和若干个热电偶测温仪（10），微型电加热管（9）和热电偶测温仪（10）穿过空洞（3）；所述热电偶测温仪（10）沿型煤模型（6）的长度方向及宽度方向均等分分布；

所述微型电加热管（9）在型煤模型（6）的中心位置，微型电加热管（9）垂直于模型箱（14）的前面板；

所述透明板材为有机钢化玻璃；

所述模型箱（14）的框架为型钢材质，模型箱（14）两个侧边设置有卡槽（15），卡槽（15）中放置有活动板（1）；

所述百分表（8）按组沿着路基（11）的长度方向排列，百分表（8）相对于模型箱（14）的第一中心面对称，所述第一中心面垂直于模型箱（14）的长度方向，第一中心面在长度的中间，所述第一中心面上设置有一组百分表（8）；

每组百分表（8）包括5个百分表（8），路基（11）沿其长度的中心线上设置有一个，路基（11）的两个路缘（11-1）上各设置有一个，路基（11）的两个斜坡（11-2）上各设置有一个；

所述两个斜坡（11-2）上的百分表（8）位于一个平面，所述平面上设置有彩砂层（7）。

2.根据权利要求1所述的一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验装置，其特征在于，所述岩土体（5）内部的彩砂层（7）在型煤模型（6）的上方。

3.一种基于权利要求1-2任意一项所述装置的高速公路下伏燃烧煤层的模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据研究区域的路基、地层和煤的弹性模量、内聚力和摩擦力和模型箱（14）的尺寸确定相似比；

步骤2，根据研究区域的路基和地层材料，以及相似比，确定模型箱（14）中的路基（11）和岩土体（5）的材料的组成及配比，制备出路基（11）的材料和岩土体（5）的材料；在压制型煤模型（6）的模具中压制型煤模型（6）；

步骤3，从模型箱（14）的底部分层填土至标定高度，填土的同时，铺设彩砂层（7），同时将模型箱（14）的两个侧边进行封装；将型煤模型（6）放置在设定位置，将微型电加热管（9）和热电偶测温仪（10）穿过空洞（3）插入在型煤模型（6）中，填土完成后，完成岩土体（5）的制备，铺设彩砂层（7）；岩土体（5）完成固结沉降后，填筑路基（11）到标定高度，在中间过程铺设彩砂层（7），路基（11）沉降固结后，在模型箱（14）的上部安装百分表（8），百分表（8）插入在路基（11）中，整个试验模型制备完成；

步骤4，通过微型电加热管（9）加热型煤模型（6），通过百分表（8）记录各个彩砂层（7）的位置，通过摄影系统对彩砂层（7）的位置观测；获得路基（11）表面的沉降位移和模型箱（14）长度方向之间的对应关系，以及路基（11）表面的沉降位移和加热温度之间的关系。

4.根据权利要求3所述的一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验方法，其特征在于，步骤2中，根据地质勘察获得的实际煤层走向的几何尺寸、倾角、厚度和相似比，确定压制型煤模型（6）的模具尺寸。

5.根据权利要求3所述的一种高速公路下伏燃烧煤层的模型试验方法，其特征在于，步骤3中，路基（11）填筑完成后静置10天，使路基（11）进行沉降固结。

Images