CN113418956B - 一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置及方法，包括路面结构试验箱体、表面接触式制冷装置、地下水补水模拟装置以及温度传感器和含水量传感器，路面结构试验箱体内填充待测试透水路面和土基；路面结构试验箱体的底部设置有排水口和补水口；表面接触式制冷装置用于对待测试透水路面进行降温；地下水补水模拟装置包括储水槽，储水槽与补水口相连接，并且，储水槽内的水面与路面结构试验箱体内预设的地下水位高度一致；温度传感器用于测量待测试透水路面和/或土基的温度，含水量传感器用于测量待测试透水路面和/或土基的含水量。本发明可用于模拟地下水的毛细作用试验、路面结构受表面大气影响的冻融循环试验。

Description

一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置及方法

技术领域

本发明涉及海绵城市透水道路结构设计，特别涉及季节冻土地区、高地下水位条件下海绵城市透水路面结构的冻融试验装置及试验方法，用于指导透水路面结构设计。

背景技术

作为海绵城市建设的重要组成部分，透水路面近年来得到了广泛的应用。城市道路和慢行系统采用透水路面设计，避免了路面积水，保证了车轮的摩擦力，改善了行车和行人的安全性和舒适度，同时透水路面有效削减和延迟了直接排入城市排水系统的雨水高峰流量，并适度补充了地下水。

目前透水路面的设计主要依据相关标准。对于季冻区和高地下水下，可能出现的地下水浸润作用加重冻融循环破坏，降低路面结构耐久性的问题，尚缺少丰富试验数据的支撑。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置及试验方法，可用于模拟地下水的毛细作用试验、路面结构受表面大气影响的冻融循环试验。

本发明所采用的技术方案是：一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，包括：

路面结构试验箱体，所述路面结构试验箱体内填充待测试透水路面和土基，所述土基位于所述待测试透水路面的下方；所述路面结构试验箱体的底部设置有排水口和补水口；

表面接触式制冷装置，所述表面接触式制冷装置用于对所述待测试透水路面进行降温；

地下水补水模拟装置，所述地下水补水模拟装置包括储水槽，所述储水槽通过管线与所述补水口相连接，并且，所述储水槽内的水面与所述路面结构试验箱体内预设的地下水位高度一致，用以模拟地下水的毛细作用；以及，

温度传感器和含水量传感器，所述温度传感器用于测量待测试透水路面和/或所述土基的温度，所述含水量传感器用于测量待测试透水路面和/或所述土基的含水量。

进一步地，所述路面结构试验箱体为敞口方形结构，由有机玻璃制成，能直接观察所述路面结构试验箱体的内部情况。

进一步地，所述路面结构试验箱体的一侧设置有高度标尺。

进一步地，所述路面结构试验箱体的侧壁上开设有若干通孔，所述若干通孔沿高度方向布置，每个所述通孔配有防水旋盖，当需要测定设定位置的待测试透水路面和/或土基的温度和含水量时，打开对应的所述防水旋盖，在待测试透水路面和/或土基的内部植入所述温度传感器和所述含水量传感器。

进一步地，所述路面结构试验箱体的内部并位于所述路面结构试验箱体的底部设置有排水垫板，隔开土基和位于所述路面结构试验箱体底部的排水口，用于汇集土基内部雨水并流畅排出所述路面结构试验箱体；所述排水垫板上密布排水孔。

进一步地，所述路面结构试验箱体的外部设置有可拆卸的保温层。

进一步地，所述表面接触式制冷装置包括接触式橡胶囊和冷浴循环机，所述接触式橡胶囊放置在所述待测试透水路面的顶面；所述接触式橡胶囊内填充有冷媒；所述接触式橡胶囊上设置有进液口和出液口，所述进液口和所述出液口通过管路连接所述冷浴循环机形成闭环。

进一步地，所述储水槽的高度能调整；所述储水槽设置有循环补水装置和溢流口，能够维持恒定的水面高度。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置的透水路面冻融试验方法，包括以下步骤：

步骤1，关闭路面结构试验箱体底部的排水口，从路面结构试验箱体侧面的通孔植入温度传感器和含水量传感器至待测试透水路面和/或土基的内部；

步骤2，将储水槽与路面结构试验箱体底部的补水口连接，并保证储水槽内的水面与路面结构试验箱体内预设的地下水位高度一致，用以模拟地下水的毛细作用；

步骤3，布置表面接触式制冷装置，并在路面结构试验箱体的外部安装保温层；

步骤4，启动表面接触式制冷装置，设置冷却温度，持续若干小时；同时采样记录待测试透水路面内部的温度分布情况；

步骤5，关闭表面接触式制冷装置，卸下路面结构试验箱体顶部的保温层，静置若干小时，使待测试透水路面逐步恢复室温，当待测试透水路面恢复至室温后重新安装保温层；

步骤6，重复步骤4和步骤5，直到达到目标冻融循环次数；

步骤7，进行冻融循环后的透水路面性能测试，分析路面结构内部水分迁移和温度场的变化，取样测试路面材料强度指标，考察经历设定次数冻融后的透水路面性能变化。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种高地下水条件下透水路面铺装的冻融循环效应模拟试验装置，以指导路面的防冻融破坏和耐久性优化设计。

2.该装置以储水槽水面的连通效应来模拟地下水的位置及其毛细作用，以接触式制冷和室温融化模拟冬季昼夜冻融循环的效果。以温度和含水量传感器监控路面结构内的水热变化。

3、提出了一种基于该装置的试验方法，通过同步采集路面结构内部的温度和含水量指标，可以监测冻融循环过程中的水热变化。通过取样测试路面材料强度指标，可以分析地下水对于路面结构抗冻融耐久性的影响。

附图说明

图1：本发明针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置的结构示意图；

图2：本发明的排水垫板结构示意图；

附图标注：

Ⅰ——透水路面； Ⅱ——土基；

1——路面结构试验箱体； 2——排水口；

3——补水口； 4——表面接触式制冷装置；

5——地下水补水模拟装置； 6——通孔；

7——排水垫板； 8——排水孔；

9——垫块； 10——保温层；

11——接触式橡胶囊； 12——冷浴循环机；

13——进液口； 14——出液口。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如附图1和图2所示，一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，包括路面结构试验箱体1、表面接触式制冷装置4、地下水补水模拟装置5以及温度传感器和含水量传感器。

所述路面结构试验箱体1为敞口方形结构，所述路面结构试验箱体1平面为正方形，其内部尺寸为宽60×厚60cm，刚好可以满铺多种尺寸的透水砖，所述路面结构试验箱体1的高度为120cm，能容纳待测试透水路面Ⅰ和一部分土基Ⅱ厚度；所述路面结构试验箱体1推荐采用有机玻璃制成，能直接观察所述路面结构试验箱体1的内部情况。所述路面结构试验箱体1的一侧设置有高度标尺，并且，所述路面结构试验箱体1的侧壁上开设有若干通孔6，所述若干通孔6沿高度方向均匀布置，每个所述通孔6配有防水旋盖，当需要测定设定位置的待测试透水路面Ⅰ和/或土基Ⅱ的温度和含水量时，打开对应的所述防水旋盖，在待测试透水路面Ⅰ和/或土基Ⅱ的内部植入所述温度传感器和所述含水量传感器。所述路面结构试验箱体1的底部设置有排水口2和补水口3，并且，所述排水口2和所述补水口3均配阀门。所述路面结构试验箱体1的内部并位于所述路面结构试验箱体1的底部设置有排水垫板7，所述排水垫板7上密布排水孔8，并通过垫块9能够在所述路面结构试验箱体1的底部形成薄层空间，隔开土基Ⅱ和位于所述路面结构试验箱体1底部的排水口2，以便填料中的水透过排水垫板7汇集，并由排水口2集中排出。所述路面结构试验箱体1的外部设置有保温层10，所述保温层10设计为方便拆卸结构，以供冻融试验使用。

所述表面接触式制冷装置4用于对所述待测试透水路面Ⅰ进行降温，包括接触式橡胶囊11和冷浴循环机12。所述接触式橡胶囊11为平板状，面积与所述路面结构试验箱体1的内部面积一致，所述接触式橡胶囊11放置在所述待测试透水路面Ⅰ的顶面；所述接触式橡胶囊11为中空，上表面设进液口13和出液口14。所述冷浴循环机12应在0℃～-30℃范围内稳定控温，液槽内温度精度应≤±0.1℃。所述接触式橡胶囊11以乙二醇水溶液为冷媒，其进液口13和出液口14通过管路连接所述冷浴循环机12形成闭环。

所述地下水补水模拟装置5包括敞口式储水槽和软管，所述储水槽通过所述软管与所述补水口3相连接，并且，所述储水槽内的水面与所述路面结构试验箱体1内预设的地下水位高度一致，用以模拟地下水的毛细作用。所述储水槽可手动升降放置高度；所述储水槽设置有循环补水装置和溢流口，能够维持恒定的水面高度。

所述温度传感器用于测量待测试透水路面Ⅰ和/或所述土基Ⅱ的温度，所述含水量传感器用于测量待测试透水路面Ⅰ和/或所述土基Ⅱ的含水量。所述温度传感器为热电偶式，精度≤±0.1℃。

采用上述透水路面冻融试验装置进行高地下水条件路面冻融循环效应试验：该试验用来研究路面结构处于地下水毛细浸润作用范围内，同时冬季气温每日在0℃上下波动引起的透水路面冻融循环效应。具体包括以下步骤：

步骤1，关闭路面结构试验箱体1底部的排水口2，从路面结构试验箱体1侧面的通孔6植入温度传感器和含水量传感器至待测试透水路面Ⅰ和/或土基Ⅱ的内部。

步骤2，将储水槽与路面结构试验箱体1底部的补水口3连接，并保证储水槽内的水面与路面结构试验箱体1内预设的地下水位高度一致，用以模拟地下水的毛细作用。维持补水状态不少于24小时。

步骤3，布置表面接触式制冷装置4，将接触式橡胶囊11平铺在待测试透水路面Ⅰ最上层，确保接触良好。接触式橡胶囊11的进液口13和出液口14连接冷浴循环机12并排空内部空气。在路面结构试验箱体1的外部安装保温层10，包括箱体顶面与底面，以降低与外界的热量交换。

步骤4，启动表面接触式制冷装置4，设置冷却温度(如-15℃)，持续8小时以上。同时采样记录待测试透水路面Ⅰ内部的温度分布情况。

步骤5，关闭表面接触式制冷装置4，卸下路面结构试验箱体1顶部的保温层10，静置8小时以上，使待测试透水路面Ⅰ逐步恢复室温，当待测试透水路面Ⅰ恢复至室温后重新安装保温层10。

步骤6，重复步骤4和步骤5，直到达到目标冻融循环次数。

步骤7，进行冻融循环后的透水路面Ⅰ性能测试，包括取样验证填料含水量，分析路面结构内部水分迁移和温度场的变化。取样测试路面结构强度指标，以考察经历设定次数冻融后的透水路面Ⅰ性能变化。

本发明可用于模拟高地下水位条件下、路面结构受表面大气影响的冻融循环试验。本发明的试验装置为全透可视结构，并设有一系列开孔供取样和布设传感器，为系统地研究路面的防冻融破坏和耐久性优化设计提供了一种有效和可靠的研究平台。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，其特征在于，包括：

路面结构试验箱体(1)，所述路面结构试验箱体(1)内填充待测试透水路面(Ⅰ)和土基(Ⅱ)，所述土基(Ⅱ)位于所述待测试透水路面(Ⅰ)的下方；所述路面结构试验箱体(1)的底部设置有排水口(2)和补水口(3)；所述路面结构试验箱体(1)的内部并位于所述路面结构试验箱体(1)的底部设置有排水垫板(7)，隔开土基(Ⅱ)和位于所述路面结构试验箱体(1)底部的排水口(2)，用于汇集土基(Ⅱ)内部雨水并流畅排出所述路面结构试验箱体(1)；所述排水垫板(7)上密布排水孔(8)；

表面接触式制冷装置(4)，所述表面接触式制冷装置(4)用于对所述待测试透水路面(Ⅰ)进行降温；所述表面接触式制冷装置(4)包括接触式橡胶囊(11)和冷浴循环机(12)，所述接触式橡胶囊(11)放置在所述待测试透水路面(Ⅰ)的顶面；所述接触式橡胶囊(11)内填充有冷媒；所述接触式橡胶囊(11)上设置有进液口(13)和出液口(14)，所述进液口(13)和所述出液口(14)通过管路连接所述冷浴循环机(12)形成闭环；

地下水补水模拟装置(5)，所述地下水补水模拟装置(5)包括储水槽，所述储水槽通过管线与所述补水口(3)相连接，并且，所述储水槽内的水面与所述路面结构试验箱体(1)内预设的地下水位高度一致，用以模拟地下水的毛细作用；所述储水槽的高度能调整；所述储水槽设置有循环补水装置和溢流口，能够维持恒定的水面高度；以及，

温度传感器和含水量传感器，所述温度传感器用于测量待测试透水路面(Ⅰ)和/或所述土基(Ⅱ)的温度，所述含水量传感器用于测量待测试透水路面(Ⅰ)和/或所述土基(Ⅱ)的含水量。

2.根据权利要求1所述的针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，其特征在于，所述路面结构试验箱体(1)为敞口方形结构，由有机玻璃制成，能直接观察所述路面结构试验箱体(1)的内部情况。

3.根据权利要求1所述的针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，其特征在于，所述路面结构试验箱体(1)的一侧设置有高度标尺。

4.根据权利要求1所述的针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，其特征在于，所述路面结构试验箱体(1)的侧壁上开设有若干通孔(6)，所述若干通孔(6)沿高度方向布置，每个所述通孔(6)配有防水旋盖，当需要测定设定位置的待测试透水路面(Ⅰ)和/或土基(Ⅱ)的温度和含水量时，打开对应的所述防水旋盖，在待测试透水路面(Ⅰ)和/或土基(Ⅱ)的内部植入所述温度传感器和所述含水量传感器。

5.根据权利要求1所述的针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置，其特征在于，所述路面结构试验箱体(1)的外部设置有可拆卸的保温层(10)。

6.一种基于上述权利要求1至5任一项所述针对高地下水条件的透水路面冻融试验装置的透水路面冻融试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，关闭路面结构试验箱体(1)底部的排水口(2)，从路面结构试验箱体(1)侧面的通孔(6)植入温度传感器和含水量传感器至待测试透水路面(Ⅰ)和/或土基(Ⅱ)的内部；

步骤2，将储水槽与路面结构试验箱体(1)底部的补水口(3)连接，并保证储水槽内的水面与路面结构试验箱体(1)内预设的地下水位高度一致，用以模拟地下水的毛细作用；

步骤3，布置表面接触式制冷装置(4)，并在路面结构试验箱体(1)的外部安装保温层(10)；

步骤4，启动表面接触式制冷装置(4)，设置冷却温度，持续若干小时；同时采样记录待测试透水路面(Ⅰ)内部的温度分布情况；

步骤5，关闭表面接触式制冷装置(4)，卸下路面结构试验箱体(1)顶部的保温层(10)，静置若干小时，使待测试透水路面(Ⅰ)逐步恢复室温，当待测试透水路面(Ⅰ)恢复至室温后重新安装保温层(10)；

步骤6，重复步骤4和步骤5，直到达到目标冻融循环次数；

步骤7，进行冻融循环后的透水路面(Ⅰ)性能测试，分析路面结构内部水分迁移和温度场的变化，取样测试路面材料强度指标，考察经历设定次数冻融后的透水路面(Ⅰ)性能变化。

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