CN114280283B - 一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台及方法，包括模型箱、加载系统、空洞模拟及检测系统和信息采集系统；模型箱由反力架和安装在反力架内部的有机钢化玻璃组成，模型箱底部和顶部敞口，底部插装在试验路槽顶部；空洞模拟及检测系统，包括在模型箱内填筑的路基层结构和在路基层结构中设置的冰块，冰块用来模拟道路空洞；在路基层结构中还设置有监测传感器用于监测路面变形；加载系统包括单轮加载平板车和牵引装置，单轮加载平板车包括车体，在车体底部设置加载轮和支撑轮，在车体顶部设置混凝土块，通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整加载系统的荷载分布；牵引装置用于牵引所述的单轮加载平板车。

Description

一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台及方法

技术领域

本发明涉及防灾减灾技术领域，具体涉及一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台及方法。

背景技术

受交通量剧增、市政管线破损渗漏、地下工程施工建设、道路年久老化、运维不及时等因素的影响，城市道路下方存在大小、埋深不一的空洞。其隐蔽性强，赋存特征、形成成因及发展过程复杂，目前没有一种统一的理论能够描述内在机理。初始应力空洞的规模、赋存状态影响着道路的实际承载能力，但这种定量影响关系尚不明确。较为普遍的研究方法包括数值模拟、缩尺模型试验、现场试验。数值模拟方法中物理力学参数确定及初始应力场难以真实还原是普遍存在的问题，空洞的形成更增加了问题的复杂性，导致结果只能定性分析规律，难以得到可靠的定量结论。缩尺模型试验中存在动力相似准则难题，同时根据相似比例当空洞较小时缩尺后尺寸甚至小于所埋设的传感器尺寸，致使测量误差过大。现场试验结果真实可靠，但具有不可逆性，且研究过程中道路发生破坏后往往修复成本较高。目前仍旧没有一种很好的方法来确定这种定量关系。空洞模拟方面最常规的方法为绑扎钢筋笼、埋设橡胶气泡等，但由于模拟所用材料自身刚度过大或过小，填筑完成后形成的空洞存在缺陷，难以真实的反映实际工况。

道路下伏空洞不利于结构承载，在车辆动载作用下易变形过大，发生失稳破坏，诱发路面塌陷问题，突发性强、危害性高，社会影响恶劣，严重影响居民的日常出行。因此，当城市道路下方出现空洞时，有一套合理可靠的评判标准，及时采取合理可靠的针对性预防措施，意义重大。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，能够实现脱空过程直观、可视，可用来评估各等级城市道路在不同脱空分布特征下(空洞位置、规模、形状、空洞群空间分布、不同路基填土种类、级配、压实度)的实际承载力，为地上交通风险预警提供判据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明公开了一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，包括模型箱、加载系统、空洞模拟及检测系统和信息采集系统；

所述的模型箱由反力架和安装在反力架内部的有机钢化玻璃组成，所述的模型箱底部和顶部敞口，底部插装在试验路槽顶部；

所述空洞模拟及检测系统，包括在所述的模型箱内填筑的路基层结构和在路基层结构中设置的冰块，所述冰块用来模拟道路空洞；在路基层结构中还设置有监测传感器用于监测路面变形，所述的监测传感器与信息采集系统相连；

所述的加载系统包括单轮加载平板车和牵引装置，所述的单轮加载平板车包括车体，在车体底部设置加载轮和支撑轮，在车体顶部设置混凝土块，通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整加载系统的荷载分布；所述的牵引装置用于牵引所述的单轮加载平板车。

第二方面，本发明基于上述的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，还提供了测试方法，包括以下步骤：

步骤1：向试验槽中填筑砂土，并进行压实，用以模拟路基；

步骤2：搭建模型箱系统，且在模型内填筑有路基层材料并压实；铺筑过程中向路基中埋设冰块，向各结构层埋设微型应力计、微型应变砖，路表铺筑光纤传感器；路基铺筑过程中垂直于行车方向铺设套管，在路基层铺筑完成后根据空洞设计参数切槽后埋设冰块；将微型应力计、微型应变砖、光纤传感器与数据采集装置相连；

步骤3：通过地质雷达扫描定向判断空洞形成状况，之后在预先埋设好的导管中插入内窥镜和镜微型摄像头观察实际形成的空洞规模；

步骤4：通过牵引装置带动单轮加载平板车完成动载及静载施加；车轮处粘贴的应力及应变计实时监测轮胎压力及变形；通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整平板的荷载分布，使得加载重量达到设计值；试验过程中通过微型摄像头记录加载后地下空洞向上扩展过程，周期性采集空洞形态变化。

本发明的有益效果：

本发明研发了一套可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，填补了道路结构模拟试验平台建设的空白，有助于提升地下空洞诱发地表交通重大安全风险预警水平。

空洞模拟系统的提出为道路空洞的模拟提供了新思路，能够真实的模拟出空洞对道路的不利影响。以往的空洞模拟方法，如绑扎钢筋笼法，模拟出的空洞与实际情况严重不符，导致道路结构层受力不真实。而本装置通过预制冰块的形状来控制实际空洞形态，可形成各种不同尺寸、不同深度的人工地下空洞。操作简单、方便、快捷。

地下空洞的发展历程隐蔽，配套检测系统可以直观可视的记录了脱空道路承载后灾害演化过程,揭示出地下空洞灾变对地上交通的影响机制，为理论和数值模拟研究提供佐证。

本发明提出的加载系统克服了液压加载无法移动的难题，避免了加载时轮载接触面积无法合理确定的困扰，可用于模拟双轮组重载车辆的低速运动状态，获得荷载驶向、远离研究点时空洞周围的应力、位移场响应信息，能够捕捉到车辆加减速过程中会对路面产生水平力作用所导致的路面响应的变化。加载效果与道路真实承载一致性高，能够体现车辆荷载的瞬态随机性，反映出车辆荷载在行驶中产生荷载的变化。并且结构形式简单、操作方便，可通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整加载系统的荷载分布。最关键的是可以通过动态调整位置，实现最不利工况的加载结合信息采集系统实测应力应变监测信息，判断脱空情景下道路承载能力，形成了一套科学、合理、准确、可靠的试验判别方法。

模型箱系统中反力架采用组合式设计，构件拼接及拆卸简单方便，安全系数高，可以承受实际中超载情景下的压力，模拟各种临界工况。试验过程中通过改变面层、基层、底基层的厚度，分析脱空道路不利受载下的应力变形规律，从而可以确定道路设计主控参数。通过改变脱空分布特征，可用来评估各等级城市道路脱空后的实际承载力，完善了道路承载力评价体系，为城市路基路面设计提供可靠性建议。

基于试验得到各工况下的临界承载力，根据空洞实际大小来划分道路运营风险安全等级，对应制定可靠的预控或处治措施，如限载、限速、加铺铁板、空洞注浆加固等。通过该试验平台，可以获得空洞灾变对交通通行能力、安全等级的定量影响关系,为现场监测数据提供印证,为实际工程措施制定提供依据，从而实现了安全风险主动防控，有效保障城市路网交通安全。

附图说明

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

图1为道路脱空可视化模拟及承载测试试验平台示意图。

图2为装载混凝土块的单轮加载平板车正面图。

图3为装载混凝土块的单轮加载平板车侧面图。

其中，1、反力架；2、钢化玻璃；3、试验路槽；4、上路堤；5、下路床； 6、上路床；7、底基层；8、基层；9、下面层；10、表面层；11、冰块；12、PVC套管；13、混凝土块；14、加载轮；15、支撑轮。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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，空洞的规模、赋存状态影响着道路的实际承载能力，但这种定量影响关系尚不明确。针对上述问题，本实施例提出了一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台。

本实施例公开的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，包括模型箱系统、加载系统、空洞模拟及检测系统和信息采集系统。

上述模型箱系统由组合式反力架1、可视化试验箱组成，如图1所示。组合式反力架1采用组合式设计，由合金钢构件拼接而成，起到反力墙的作用，以保持模型架的整体稳定性。可视化试验箱由透明有机钢化玻璃2组合而成，可以直观观察试验进行过程中道路塌陷的过程。

在所述的可视化试验箱内填充有用于试验的路面结构，从下向上依次是：上路堤4、下路床5、上路床6、底基层7、基层8、下面层9、表面层10；其中在上述路面结构的不同位置埋设有不同大小、不同形状的冰块11，用于模拟不同的孔洞。

进一步的，在上述路面的各结构层还埋设有微型应力计、微型应变砖，在路表铺筑光纤。

进一步的，本实施例中公开的加载系统包括单轮加载平板车及牵引装置，可以实现动载及静载的施加，如图2、图3所示。本实施例中单轮加载平板车的平板上方通过改变混凝土块13的数量及安放位置来调整荷载分布，该加载方法结构简单，且与真实的道路路况接近；具体的，该加载车包括一个平板，在平板底部中间位置安装有加载轮14，两侧位置安装有支撑轮15，在平板上方放置有按照设定位置排布的混凝土块13。

进一步的，所述的牵引装置包括绳索及电动机，为单轮加载平板车提供行驶动力。本实施例中基于道路最不利受力原则，建立最不利加载工况。

进一步的，在试验过程中需要在加载轮14上粘贴微型应力及应变计，获得实际加载重量，监测整个过程中的车辆荷载时程变化。

进一步的，本实施例中空洞模拟及检测系统中空洞采用预埋立方体冰块11 来模拟，通过预制冰块的形状来控制实际空洞形态，形成各种不同尺寸、不同深度的人工地下空洞。通过改变空洞的位置、规模、形状、空洞群空间分布等参数，分析其对道路承载的影响。

进一步的，本实施例中的检测系统包括直接检测与间接检测，用来判断空洞生成情况、存在位置，并从道路内部观察承载后脱空发展情况。本实施例中的直接检测依靠内窥镜，由于内窥镜直接插入道路结构层，穿孔时会发生水的渗透，影响结构层耐久性，因此施工时预埋PVC套管，内窥镜通过所埋设PVC 套管插入，可以直接观察到空洞的生成；本实施例中的间接检测依靠地质雷达进行无损检测，确定合适可靠的频率，空洞位置探测结果会出现明显的抛物线形状。雷达布设于路面上方，实时探测空洞发育形态。通过微型摄像头记录加载后地下空洞向上扩展过程，明确空洞引起沥青路面破坏过程，实现空洞发展可视化。

本实施例中，信息采集系统包括路表分布式光纤、内部监测传感器及自动化数据采集分析系统；监测传感器包括微型应力计、微型应变砖，用以监测道路各结构层内部应力、应变变化、轮胎压力及变形。自动化数据采集分析系统包括XL2101G静态应变仪量测系统，静态应变仪量测系统用于采集微型应力计、微型应变砖监测数据。

进一步的，本实施例还提供了一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台的试验方法，包括以下步骤：

步骤1：向试验路槽3中填筑砂土，试验路槽深1m,采用平板振动夯实机分三层压实，用以模拟路基，包括0.7m的上路堤4及0.3m的下路床5。

步骤2：搭建模型箱系统，模型箱高1.2m，宽度1.2m，长度4m，模型箱底部底部和顶部敞口，底部插在所述的试验路槽3中，模型箱包括反力架和钢化玻璃；具体安装时，分层拼接反力架1，并在反力架内安装有机钢化玻璃2。每拼接一层反力架及钢化玻璃，向其中填筑筑路材料并通过夯实机及手扶式双钢轮压路机压实。铺筑过程中向路基中埋设冰块，向各结构层埋设微型应力计、微型应变砖，路表铺筑光纤。

具体的，第一层反力架及玻璃高度为0.3m，下路床设计高度为0.2m。采用平板振动夯实机初步压实，接着通过模型架外接搭板引入手扶式双钢轮压路机碾压。第二层反力架及玻璃高度为0.3m，填筑0.3m的上路床6，采用夯实机初压，再采用压路机碾压。第三层反力架及玻璃高度为0.3m，填筑0.15m的石灰粉煤灰稳定类底基层7。第四层反力架及玻璃高度为0.3m，填筑0.3m的水泥稳定碎石基层8，之后做8cm的AC-20下面层9及4cm的AC-16表面层10。

模型箱长度为4m，每1m划分为一个研究段，其中包含一个空洞类型。空洞参数如表1所示。空洞类型A与B用以研究空洞长度对道路承载的影响。空洞类型B与C用以研究空洞深度对结构承载的影响。空洞类型C与D用以研究单一空洞与空洞群对道路承载力的影响。

表1空洞参数表

路基铺筑过程中垂直于行车方向铺设PVC套管12，用于插入直接检测空洞形态的内窥镜以及微型摄像头。路基层铺筑完成后根据空洞设计参数切槽后埋设冰块。微型应力计、应变砖布设于路基中空洞周边、底基层7底部、基层8 与底基层7交界面、下面层9与基层8交界面、表面层10与下面层9交界面。分布式光纤铺设于道路表面，用以监测道路表面弯沉。微型应力计、应变砖采集的数据传输至监控设备XL2101G静态应变仪，对接收的数据进行预处理并进行判断是否变化超过设定阈值。

步骤3：试验开始前通过检测系统来评价空洞形成状况。无损检测法通过地质雷达实现，地质雷达扫描定向判断空洞位置，初步判断空洞的发育形态，之后在预先埋设好的导管中插入内窥镜观察实际形成的空洞规模。

步骤4：通过电动机驱动绳索带动小车位置变化完成动载及静载施加。加载车轮14处粘贴应力及应变计，实时监测轮胎压力及变形。通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整平板的荷载分布，使得加载重量达到设计值。试验过程中通过微型摄像头记录加载后地下空洞向上扩展过程，周期性采集空洞形态变化。

最不利加载工况指道路发生破坏的临界状态，包括加载位置最不利、载荷最不利，通过应力计及应变片数值来判断。道路结构破坏判据以路面结构层底拉应力超过允许拉应力为标准。当抗拉强度不足时路面结构会逐层拉裂破坏，道路塌陷。路面各层产生的层底拉应力是道路上方加载后的结果，在静载及动载各个工况下会产生不同大小的层底拉应力。加载位置最不利可通过经验判断，当车辆轮载作用于空洞正上方时为位置最不利状态，随着荷载向远离空洞横向作用位置的影响，空洞对行车的影响逐渐减小。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，其特征在于，包括模型箱、加载系统、空洞模拟及检测系统和信息采集系统；

所述的模型箱由反力架和安装在反力架内部的有机钢化玻璃组成，所述的模型箱底部和顶部敞口，底部插装在试验路槽顶部；

所述空洞模拟及检测系统，包括在所述的模型箱内填筑的路基层结构和在路基层结构中设置的冰块，所述冰块用来模拟道路空洞；在路基层结构中还设置有监测传感器用于监测路面变形，所述的监测传感器与信息采集系统相连；

所述的加载系统包括单轮加载平板车和牵引装置，所述的单轮加载平板车包括车体，在车体底部设置加载轮和支撑轮，在车体顶部设置混凝土块，通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整加载系统的荷载分布；所述的牵引装置用于牵引所述的单轮加载平板车；

通过预制冰块的形状来控制实际空洞形态，形成各种不同尺寸、不同深度的人工地下空洞；冰块大小、形状以及埋设深度可根据实际需求调整，真实模拟出空洞群的空间分布特征，探究其对道路承载的影响。

2.如权利要求1所述的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，其特征在于，在所述的加载轮上粘贴微型应力及应变计。

3.如权利要求1所述的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，其特征在于，所述的监测传感器包括微型应力计、微型应变砖和光纤传感器；所述的微型应力计、应变砖布设于路基中空洞周边以及各个路基层的交界处；所述的光纤传感器布置在路表。

4.如权利要求1所述的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，其特征在于，所述的监测传感器还包括内窥镜以及微型摄像头，在路基铺筑过程中垂直于行车方向铺设有套管，内窥镜以及微型摄像头直接插入到所述套管内，检测空洞形态以及变化。

5.如权利要求1所述的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台，其特征在于，所述的监测传感器还包括地质雷达，所述的地质雷达布设于路面上方，实时探测空洞发育形态。

6.如权利要求1-5任一所述的可视化道路脱空模拟及承载测试试验平台的测试方法，其特征在于：

步骤1：向试验槽中填筑砂土，并进行压实，用以模拟路基；

步骤2：搭建模型箱系统，且在模型内填筑有路基层材料并压实；铺筑过程中向路基中埋设冰块，向路基中空洞周边以及各个路基层的交界处埋设微型应力计、微型应变砖，路表铺筑光纤传感器；路基铺筑过程中垂直于行车方向铺设套管，在路基层铺筑完成后根据空洞设计参数切槽后埋设冰块；将微型应力计、微型应变砖、光纤传感器与数据采集装置相连；

步骤3：通过地质雷达扫描定向判断空洞形成状况，之后在预先埋设好的套管中插入内窥镜和微型摄像头观察实际形成的空洞规模；

步骤4：通过牵引装置带动单轮加载平板车完成动载及静载施加；车轮处粘贴的应力及应变计实时监测轮胎压力及变形；通过改变混凝土块的数量及安放位置来调整平板的荷载分布，使得加载重量达到设计值；试验过程中通过微型摄像头记录加载后地下空洞向上扩展过程，周期性采集空洞形态变化。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的模型箱被划分为多个研究段，每个研究段包含至少一个空洞类型。