CN217238068U

CN217238068U - 一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置

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Publication number: CN217238068U
Application number: CN202220557976.9U
Authority: CN
Inventors: 崔晗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-03-15
Filing date: 2022-03-15
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2032-03-15

Abstract

本实用新型提供了一种湿‑热‑力耦合作用下土‑石分层填筑路堤模型试验装置，包括路堤模拟装置、降雨装置、温控装置与数据采集装置；所述路堤模拟装置包括顶部开口的模型箱，所述降雨装置位于模型箱的上方；所述温控装置位于所述模型箱的侧上方；所述数据采集装置布设在模型箱内；解决了现有技术中存在的边坡模型较小、土质单一、观测局限于坡面等特征，且试验模拟环境单一，不能体现多物理场耦合作用下的路堤边坡内部渗流及变形特性的时空演变规律等问题。

Description

一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置

技术领域

本实用新型属于土体土力学参数测量技术领域，涉及一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置。

背景技术

模型试验方法由于具有接近实际工况、便于观测、节约试验经费等诸多优点，在降雨条件下边坡稳定性的研究方面得到了广泛的应用。通过制作小比例边坡模型，并在边坡模型中埋设测试元件，研究人工模拟降雨条件下边坡内部渗流与变形特征的时空响应规律，揭示边坡雨水入渗及失稳机理。然而，目前已经开展的边坡降雨模型试验中，存在边坡模型较小、土质单一、观测局限于坡面等特征，且试验模拟环境单一，不能体现多物理场耦合作用下的路堤边坡内部渗流及变形特性的时空演变规律。因此，现有边坡模型试验方法亟待进一步改进。

发明内容

为了达到上述目的，本实用新型提供了一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，解决了现有技术中存在的边坡模型较小、土质单一、观测局限于坡面等特征，且试验模拟环境单一，不能体现多物理场耦合作用下的路堤边坡内部渗流及变形特性的时空演变规律等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是，一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，包括路堤模拟装置、降雨装置、温控装置与数据采集装置；所述路堤模拟装置包括顶部开口的模型箱，所述降雨装置位于模型箱的上方；所述温控装置位于所述模型箱的侧上方；所述数据采集装置布设在模型箱内；

所述数据采集装置包括质量含水率测量装置、基质吸力测量装置、温度与应变测量装置、坡脚推力测量装置和坡顶位移测量装置；所述质量含水率装置、基质吸力装置、温度与应变测量装置分层布设在模拟路堤内；所述坡脚推力测量装置布设在模拟路堤坡脚，坡顶位移测量装置布设在坡顶。

进一步地，所述路堤模拟装置还包括水箱，所述水箱固定于模型箱侧面；所述模型箱正面为透明钢化玻璃板，其它面为钢板；模型箱两侧设置有水阀；所述水箱与模型箱之间通过连通孔连通，每层的连通孔交错布置。

进一步地，所述降雨装置包括降雨支架、降雨喷头、增压水泵；所述降雨支架包括2根门字形支架，2根门字形支架之间通过横向支架固定连接；所述降雨支架架设在模型箱外部，所述降雨喷头均匀布设在横向支架上；增压水泵的进水端通过水管连接可稳定出水的水龙头，增压水泵的出水端通过水管连接降雨喷头。

进一步地，所述温控装置包括温度控制器导轨和温度控制器；所述温度控制器导轨固定安装在所述降雨支架上，所述温度控制器架设在温度控制器导轨上。

进一步地，所述质量含水率测量装置包括含水率测定仪、数据采集仪和台式电脑；所述台式电脑、水率测定仪、数据采集仪之间通过数据线连接；所述含水率测定仪包括后埋式土壤水分测定仪和预埋式土壤水分测定仪，所述后埋式土壤水分测定仪放置在路堤模型的粉质粘土包边层中，所述预埋式土壤水分测定仪按路堤边坡尺寸分层埋设在模型边坡内部。

进一步地，所述基质吸力测量装置包括陶瓷张力计；所述陶瓷张力计与含水率测试仪沿路堤边坡中心断面对称布置。

进一步地，所述温度与应变测量装置包括分布式光纤传感器；所述分布式光纤传感器布设在分层路堤各层中间位置。

进一步地，所述坡脚推力测量装置包括土压力盒和土压力盒固定架；所述土压力盒固定安装在土压力盒固定架上；坡脚推力测量装置布设在模拟边坡坡脚的中心处。

进一步地，所述坡顶位移测量装置包括千分表和千分表支架；所述千分表固定安装在千分表支架上；一个千分表横向放置指向坡面，另一个千分表竖向放置；坡顶位移测量装置布设在模拟边坡坡顶的中心处。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型结构合理、功能全面，通过路堤模拟装置、降雨装置、温控装置模拟湿-热-力多场耦合条件下的土-石分层路堤，获得边坡内部土体的含水率、基质吸力、温度、应变、坡脚应力、坡顶位移等的变化规律，以分析得到路堤边坡内部渗流与变形特征的时空响应规律，揭示边坡雨水入渗及失稳机理。各测试元件分布合理，模拟效果好，实现方便，观测全面，可在相关领域进行推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的试验装置整体结构示意图。

图2是本实用新型实施例的各测试元件布设位置图。

图3为本实用新型实施例的降雨喷头位置及测试元件布置平面图。

图4为本实用新型实施例的路堤分层填筑示意图。

图中，1. 模型箱，2. 水阀，3. 连通孔，4. 水箱，5. 分布式光纤传感器，6. 陶瓷张力计与含水率测试仪布设位置，61. 后埋式土壤水分测定仪，62. 预埋式土壤水分测定仪，63. 陶瓷张力计，7. 土压力盒，8. 土压力盒固定架，9. 千分表，10. 千分表支架，11.降雨支架，12. 降雨喷头，13. 温度控制器，14. 温度控制器导轨，15. 粉质粘土包边层，16. 坡顶，17. 坡脚，18. 第一路堤填料，19. 第二路堤填料，20. 地基填料。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，如图1-图3所示，包括路堤模拟装置、降雨装置、温控装置与数据采集装置；所述路堤模拟装置包括顶部开口的模型箱1，所述降雨装置安装在模型箱1的上方；所述温控装置安装在所述模型箱1的侧上方，用于控制模型箱1的温度；所述数据采集装置布设在模型箱1内，用于采集实验数据。

进一步地，所述路堤模拟装置还包括水箱4，所述水箱4固定于模型箱1侧面，水箱4的大小为长150mm×宽800mm×高400mm，水箱4用于盛放地下水，模拟地下水位高度；所述模型箱1的尺寸为长1800mm×宽800×高1100mm，正面为透明钢化玻璃板，其他面为钢板；模型箱1一侧设置有两个水阀2，用于调节模型箱1的水位高度，形成所需坡前水位，模型箱1另一侧设置有一个水阀2，用于调节水箱4的水位高度，以保持地下水位高度稳定；所述水箱4与模型箱1的之间通过连通孔3连通，每层的连通孔3交错布置，所述连通孔3直径为50mm，连通孔3用于为各层填料提供排水路径。

进一步地，所述降雨装置包括降雨支架11、降雨喷头12、增压水泵；所述降雨支架11包括2根高度2200mm的门字形支架，2根门字形支架之间通过2根长1000mm的横向支架固定连接；所述降雨支架11架设在模型箱1外部，所述降雨喷头12均匀布设在横向支架上，单个降雨喷头12洒水覆盖半径为30cm；所述增压水泵采用喷雾隔膜泵，提供降雨喷头12所需水压；增压水泵的进水端通过水管连接可稳定出水的水龙头，增压水泵的出水端通过水管连接降雨喷头12。

进一步地，所述温控装置包括温度控制器导轨14和电子式的温度控制器13；所述温度控制器导轨14长1000mm，固定安装在降雨支架11上，所述温度控制器13架设在温度控制器导轨14上，温度控制器13可以在温度控制器导轨14上左右滑动，使模型箱1中的温度更加均衡。

进一步地，所述数据采集装置包括质量含水率测量装置、基质吸力测量装置、温度与应变测量装置、坡脚推力测量装置和坡顶位移测量装置；所述质量含水率装置、基质吸力装置、温度与应变测量装置分层布设在模拟路堤内，所述坡脚推力测量装置布设在模拟路堤坡脚17，坡顶位移测量装置布设在坡顶16。

进一步地，所述质量含水率测量装置包括含水率测定仪、数据采集仪和台式电脑；所述台式电脑、水率测定仪、数据采集仪之间通过数据线连接；所述含水率测定仪包括4支后埋式土壤水分测定仪61和10支预埋式土壤水分测定仪62，所述后埋式土壤水分测定仪61量程为0-50%，精度为±0.2%，放置在路堤模型的粉质粘土包边层15中，所述预埋式土壤水分测定仪62量程为0-60%，精度为±0.1%，按路堤边坡尺寸分层埋设在模型边坡内部。

进一步，所述基质吸力测量装置包括14支陶瓷张力计63；所述陶瓷张力计63量程为0-100kPa，精度为±1 kPa，与含水率测试仪沿路堤边坡中心断面对称布置，陶瓷张力计与含水率测试仪布设位置6如图1所示。

进一步，所述温度与应变测量装置包括分布式光纤传感器5；所述分布式光纤传感器5的应变量程为±3000μe，精度为±20μe，温度量程为-40~120°C，精度为±1°C，分布式光纤传感器5布设在分层路堤各层中间位置。

进一步，所述坡脚推力测量装置包括4个振弦式的土压力盒7和土压力盒固定架8；所述土压力盒7固定安装在土压力盒固定架8上；所述振弦式土压力盒7量程为0-100kPa，精度为±0.5kPa，坡脚推力测量装置布设在模拟边坡坡脚17的中心处，用于测量坡角的推力。

进一步，所述坡顶位移测量装置包括2个千分表9和千分表支架10；所述千分表9固定安装在千分表支架10上，千分表9量程为0-60mm，精度为±0.001mm，一个横向放置指向坡面，另一个竖向放置；坡顶位移测量装置布设在模拟边坡坡顶16的中心处，用于测量坡顶的位移。

另外，本实用新型中未提及的管路连接、电路连接均为本领域常规技术手段。

实施例

针对广西境内六寨至河池高速公路的炭质泥岩-土分层路堤边坡进行试验，具体包括下述步骤：

步骤S1，仪器调试与标定：采用真空抽气法对陶瓷张力计63进行调试，保证数据采集的准确性；分别采用烘干法、液压法标定含水率测试仪与土压力盒7，得到标定曲线。

步骤S2，试验前期准备：

①为防止模型填料中的砂砾损伤含水率测定仪探针与陶瓷张力计63陶土头，将粉质粘土过1mm圆孔筛、预崩解炭质泥岩过5mm圆孔筛后备用。

②在模型填筑前将按最佳含水率分别配置粉质粘土与炭质泥岩，配置采用人工喷洒搅拌的方法，利用喷洒器往土体表面喷水，同时进行人工拌合，使水分散布均匀。

③搅拌完成后，用塑料薄膜覆盖静置24小时，使两种土样中的水分扩散均匀。

步骤S3，路堤填筑：

①首先进行地基部分的填筑，标记土压力盒7的预埋位置后填筑地基填料20（填筑砂土），设定地基厚度300mm，每层填筑厚度100mm，分3次进行。

②地基填筑完成后，反挖土压力盒固定架8附近砂土，将土压力盒7固定在固定架上，用细沙进行回填处理。

③路堤填筑采用“密度控制法”进行分层交错填筑，取事先配置好的第一路堤填料18（炭质泥岩）、第二路堤填料19（粉质黏土）进行填筑（见图4），每次填筑厚度100mm，分层填筑时，将预埋式土壤水分测定仪62、陶瓷张力计63和分布式光纤传感器5埋入土层的相应位置。

④填筑厚度150mm的粉质粘土包边层15，在填筑包边土体时，将后埋式土壤水分测定仪61插入包边土的相应位置。

⑤在路堤模型填筑完成后，将两支千分表9安装在坡顶16位置，其中一只指向坡面，另一支竖直向下。

步骤S4，地下水位、坡前水位设置：通过水箱4和连通孔3调节路堤模型中的地下水位至距模型底部10cm高度处，并在路堤模型坡脚17、坡面及坡顶16位置覆盖薄膜静置2天，使路堤内部土体水分重新分布，通过在模型箱1内路堤边坡前加水，形成所需坡前水位。

步骤S5，温度设置：在左侧两根竖向支架上安装温度控制器导轨14，将温度控制器13放置在温度控制器导轨14上，设置目标温度20℃。

步骤S6，降雨设置：将降雨喷头12均匀安装在两根横向支架上，打开水龙头，调节增压水泵控制喷射流量，调节降雨喷头12控制喷射方向，使路堤模型的降雨强度达到12mm/小时，且降雨均匀性满足95%的要求。可利用塑料薄膜将降雨支架11与模型箱1包裹，并用玻璃胶粘连密封，以防止降雨期间雨水和温度的损失。

步骤S7，数据采集：降雨入渗开始后，通过含水率测试仪、陶瓷张力计63、分布式光纤传感器5、土压力盒7与千分表9采集降雨条件下路堤模型内部含水率、基质吸力、温度与应变、坡脚17应力与坡顶16位移的变化规律。本次试验共用时488小时，其中降雨持续时间为16小时，降雨停止后持续时间为472小时。在0-16小时内，每间隔1小时采集一次各试验仪器数据；在16-32小时内，每间隔2小时采集一次；在32-152小时内，每间隔8小时采集一次；在152-488小时内，每间隔24小时采集一次。

实验结果：降雨停止2h，坡顶16水平位移与竖直位移出现拐点，16h时水平位移为-1.3 mm，垂直位移为-0.7mm；32h时水平位移为-1.5mm，垂直位移为-1.0mm；152h时水平位移-1.6mm，垂直位移为-1.1mm；488h时水平位移-1.7mm，垂直位移-1.2mm。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，包括路堤模拟装置、降雨装置、温控装置与数据采集装置；所述路堤模拟装置包括顶部开口的模型箱（1），所述降雨装置位于模型箱（1）的上方；所述温控装置位于所述模型箱（1）的侧上方；所述数据采集装置布设在模型箱（1）内；

所述数据采集装置包括质量含水率测量装置、基质吸力测量装置、温度与应变测量装置、坡脚推力测量装置和坡顶位移测量装置；所述质量含水率装置、基质吸力装置、温度与应变测量装置分层布设在模拟路堤内；所述坡脚推力测量装置布设在模拟路堤坡脚（17），坡顶位移测量装置布设在坡顶（16）。

2.根据权利要求1所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述路堤模拟装置还包括水箱（4），所述水箱（4）固定于模型箱（1）侧面；所述模型箱（1）正面为透明钢化玻璃板，其它面为钢板；模型箱（1）两侧设置有水阀（2）；所述水箱（4）与模型箱（1）之间通过连通孔（3）连通，每层的连通孔（3）交错布置。

3.根据权利要求1所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述降雨装置包括降雨支架（11）、降雨喷头（12）、增压水泵；所述降雨支架（11）包括2根门字形支架，2根门字形支架之间通过横向支架固定连接；所述降雨支架（11）架设在模型箱（1）外部，所述降雨喷头（12）均匀布设在横向支架上；增压水泵的进水端通过水管连接可稳定出水的水龙头，增压水泵的出水端通过水管连接降雨喷头（12）。

4.根据权利要求3所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述温控装置包括温度控制器导轨（14）和温度控制器（13）；所述温度控制器导轨（14）固定安装在所述降雨支架（11）上，所述温度控制器（13）架设在温度控制器导轨（14）上。

5.根据权利要求1所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述质量含水率测量装置包括含水率测定仪、数据采集仪和台式电脑；所述台式电脑、水率测定仪、数据采集仪之间通过数据线连接；所述含水率测定仪包括后埋式土壤水分测定仪（61）和预埋式土壤水分测定仪（62），所述后埋式土壤水分测定仪（61）放置在路堤模型的粉质粘土包边层（15）中，所述预埋式土壤水分测定仪（62）按路堤边坡尺寸分层埋设在模型边坡内部。

6.根据权利要求1或5所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述基质吸力测量装置包括陶瓷张力计（63）；所述陶瓷张力计（63）与质量含水率测量装置的含水率测试仪沿路堤边坡中心断面对称布置。

7.根据权利要求1所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述温度与应变测量装置包括分布式光纤传感器（5）；所述分布式光纤传感器（5）布设在分层路堤各层中间位置。

8.根据权利要求1所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述坡脚推力测量装置包括土压力盒（7）和土压力盒固定架（8）；所述土压力盒（7）固定安装在土压力盒固定架（8）上；坡脚推力测量装置布设在模拟边坡坡脚（17）的中心处。

9.根据权利要求1所述的一种湿-热-力耦合作用下土-石分层填筑路堤模型试验装置，其特征在于，所述坡顶位移测量装置包括千分表（9）和千分表支架（10）；所述千分表（9）固定安装在千分表支架（10）上；一个千分表（9）横向放置指向坡面，另一个千分表（9）竖向放置；坡顶位移测量装置布设在模拟边坡坡顶（16）的中心处。