CN219455806U - 一种模拟道路塌陷的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种模拟道路塌陷的试验装置，包括试验箱系统、供水系统、加载系统、PIV观测系统；该试验箱系统包括了试验箱、支撑架和土体收集装置，该试验箱为顶面开口的透明箱体，两侧设置有水槽，底面板设有长条形渗流孔，该渗流孔下方设置有土体收集装置；该供水系统包括供水箱和水位控制器，该水位控制器可控制试验过程中水位高度一致，为试验提供恒压水流；该加载系统包括荷载板和激振器，可模拟路基上方的路面荷载和交通荷载；该PIV系统用于获取土体的位移和速度信息。本实用新型为研究道路塌陷提供了一种操作简便、观测直观的试验装置和方法，有利于提升城市道路塌陷事故的试验研究水平。

Description

一种模拟道路塌陷的试验装置

技术领域

本实用新型属于道路工程试验方法技术领域，具体为一种模拟道路塌陷的试验装置。

背景技术

随着城市化的发展，城市地下空间被广泛开发利用，城市道路下埋设着多种市政管线，如雨水管线、污水管线和供水管线等。然而，随着地下管线使用年限的增加，老旧埋地管线中普遍存在着渗漏、破裂和错口等病害，导致管线周边路基土体含水量增加，改变了路基中土体和水力条件，从而侵蚀周边土体形成路基空洞，随着路基空洞的不断发展和路面上交通荷载的作用，最终造成路面塌陷，严重危害交通出行安全。

在道路工程试验方法领域，目前已开发出各种检测路面结构及性能的试验装置，然而现有的试验装置与方法未考虑路面下路基土体的流失与道路塌陷问题，因此无法揭示道路塌陷的发展演化过程。

一种路基空洞模型的模拟装置（CN210091528U）公开了一种模拟装置，其包括模型箱、路面加载机构、给水压力机构、土体冻结机构、PIV机构和含水量检测机构；该模型箱顶面开口，内部填充有待观测土体和有机玻璃管，该有机玻璃管上开设有破损口；该路面加载机构设有荷载板，该载荷板位于模型箱顶面以对待测土体施压；该给水压力机构与有机玻璃管连接以提供可控的稳压水；该土体冻结机构设有液氮传输管以提供氮气，该液氮传输管贴合于有机玻璃管外侧，其管口与破损口齐平；该PIV机构用于采集控制点处土体的位移和坐标图像；该含水量检测机构设有若干传感器，分别设置于有机玻璃管周围。该模拟装置能满足对不同水压、不同路面荷载的情况下空洞发展规律及周边土体变形和强度的研究需求，但该装置采用的千斤顶并不能准确模拟路面上方的交通荷载作用，适用范围较窄。一种模拟地层松动引发路面塌陷的试验装置（CN214374788U）公开了一种试验装置，该试验装置包括传感器支架、主试验箱、底部支架、边缘运移通道、边缘活动板、千斤顶、中部运移通道、中部活动板、激光位移传感器和松动尺寸控制板。该装置通过上下移动的活动板控制路面结构下的地层松动，可进行定量研究与重复性试验。上述模拟路面塌陷的装置虽为研究城市道路塌陷提供了一种直观、可控、便于操作的试验测试设备，但该装置未考虑水流作用影响和路基上方的路面荷载及交通荷载影响。目前，管线渗漏引发道路塌陷的研究并未形成体系，也缺少相应的试验设备进行研究和观测，尤其在交通荷载作用下，市政管线渗漏引发道路塌陷的机理缺乏相应的试验方法。因此设计一种模拟市政管线破损引发道路塌陷的试验装置和方法具有重要意义，有利于提升城市道路塌陷事故的试验研究水平。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种模拟城市道路市政管线破损引发道路塌陷的试验装置和方法。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种模拟道路塌陷的试验装置，包括试验箱系统、供水系统、加载系统、PIV观测系统；其中，所述试验箱系统包括试验箱、支撑架和土体收集装置；试验箱两侧设有水槽，水槽与试验箱主体采用透水板隔开，试验箱的底面板设有长条形渗流孔；土体收集装置放置于渗流孔下方；支撑架用于支撑和固定试验箱；供水系统包括供水箱和水位控制器，所述供水箱通过供水软管与试验箱连接，水位控制器控制试验过程中供水箱内水位高度；加载系统设有荷载板和激振器，分别用以模拟路面荷载和交通荷载； PIV系统用于对试验现象进行图像采集，获取土体的位移和速度信息。

优选的，所述试验箱为顶面开口的长方体形透明箱体，内部填充试验用土。

优选的，所述透水板设有若干个透水孔，透水孔中设有海绵垫块。

优选的，所述透水孔沿竖直方向等间距排列，并设置有三列，便于实时观测试验箱内水位情况。

优选的，所述的支撑架采用防锈的钢材焊接制成，用于支撑试验箱。

优选的，所述的供水系统还包括进水管、供水口、调速水阀、电磁流量计和供水软管；供水软管一端与供水箱的供水口相连接，另一端穿过长条形渗流孔固定于试验箱内。

优选的，所述调速水阀和电磁流量计安装于供水口外侧，调速水阀与供水软管相连接。

优选的，所述荷载板放置于试验土体上表面，激振器放置于荷载板上方。

优选的，所述荷载板采用钢板制成，并钻有螺纹孔，与激振器采用螺栓结构相连接。

优选的，所述PIV系统包括高清摄像机、三脚架和图像单元，所述三脚架放置于试验箱正前方，并与高清摄像机相连接，所述图像单元设置于试验箱前面板上。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

1、本实用新型的试验箱采用平面应变试验理论进行设计，试验人员可直观地观测道路塌陷中最不利的影响，便于试验人员进行后期的数据处理和试验现象的分析。

2、本实用新型的水位控制器位置可调节，可根据实验方案为试验提供不同水头高度的稳压水流，并保证了试验管线变量的相同，避免了因水头高度在实验过程中不一致造成数据记录误差现象的发生。

3、本实用新型的水槽可观测试验箱内的水位高度，从而直观地获取试验土体的饱和情况。

4、本实用新型采用荷载板和激振器分别模拟路基上方的路面结构荷载和交通荷载，可较真实的还原埋设于路基中的市政管线的受力情况。

5、本实用新型采用的PIV系统，采用高清摄像机进行观测，不与试验土体接触，对实验结果无不利影响；观测数据经后期处理可获取试验土体的位移和速度矢量，结果较为精确。

附图说明

图1为本实用新型一种模拟道路塌陷的试验装置整体结构主视示意图；

图2为本实用新型一种模拟道路塌陷的试验装置的试验箱系统与PIV系统侧视示意图；

图3为本实用新型一种模拟道路塌陷的试验装置的试验箱系统底视图；

图4为本实用新型一种模拟道路塌陷的试验装置的试验箱系统后视图；

图5为本实用新型一种模拟道路塌陷的试验装置的加载系统示意图；

图6为本实用新型一种模拟道路塌陷的试验装置的透水板示意图；

图中：1、试验箱；2、支撑架；3、水槽；4、透水板；5、透水孔；6、渗流孔；7、供水箱；8、进水管；9、水位控制器；10、供水口；11、调速水阀；12、电磁流量计；13、供水软管；14、荷载板；15、激振器；16、螺栓；17、土体收集装置；18、高清摄像机；19、三脚架。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，以下将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

实施例1

如图1~图6所示，本实施例的模拟道路塌陷的试验装置，包括试验箱系统、供水系统、加载系统、PIV观测系统。其中，所述试验箱系统包括试验箱1、支撑架2和土体收集装置17；所述试验箱1是顶面开口的长方体形透明箱体，内部可填充试验用土，试验箱1两侧设有水槽3，水槽3与试验箱1主体采用透水板4隔开，试验箱1底面板设有长条形渗流孔6，从而模拟路基下方市政管线破损等隐蔽的地下渗流通道，该土体收集装置17放置于底面板渗流孔正下方，用于收集从试验箱渗流掉落的土体；所述支撑架2用于支撑和固定试验箱；所述的支撑架采用防锈蚀的钢材焊接制成，用于固定试验箱，具有稳定、承载力大的特点。

该供水系统包括供水箱7和水位控制器9，该水位控制器9可控制试验过程中供水箱7内水位高度一致，可向试验箱中提供稳压水流；该水位控制器的放置位置具有可调节的特点，可根据实验方案调节供水箱内水头高度；该流量计和调速水阀安装于供水箱供水口外侧；所述的供水软管与供水口相连接，另一端可穿过长条形渗流孔固定于试验箱内壁上。

所述加载系统包括若干荷载板14和激振器15，分别用以模拟路面荷载和交通荷载；所述的荷载板放置于试验土体上表面，所述的激振器放置于荷载板上方，该荷载板采用钢板制成，并钻有螺纹孔，该激振器采用螺栓结构与荷载板相连接，可较真实的模拟路基上方的路面荷载和交通荷载。

所述的试验箱采用有机玻璃制成，具有透明可视的优点，便于PIV系统进行图像采集和试验人员进行实时观测；试验箱左右两侧设有水槽。

所述透水板4采用有机玻璃面板制成，并设计有若干个透水孔5，透水孔5中安装有海绵垫块，从而限制试验箱内土体外渗入水槽中。所述的透水孔5沿竖直方向等间距排列，并设置有三排，便于实时观测试验箱内水位情况。

本实施例的试验箱1为15mm厚的有机玻璃制成的长方体形透明箱体，采用透明亚克力胶水粘接，尺寸可为1000mm×150mm×700mm，底面板的渗流孔6尺寸为15mm×150mm；两侧的水槽3宽度设置为60mm，透水板4厚度可为15mm。

具体的，在试验开始前，渗流孔6可采用水膨胀条密封，待填土完成后可去掉水膨胀条，打开渗流孔6；透水板4上的渗流孔6可设置三列，直径可为20mm，渗流孔6中安装定制海绵块，从而实现透水不透土的效果。

所述的供水箱7采用瘦高型聚乙烯水箱，供水箱7顶部设置有水位控制器9，并通过进水管8与外部水源相连接；供水箱7设有供水口10，供水口10上并安装有调速水阀11和电磁流量计12，可控制水流大小和记录试验用水流量，供水箱7的供水口10通过供水软管13与试验箱1连接。

具体的，该供水软管13可采用内径为15mm的PVC软管；该电磁流量计12可采用LDG型流量计表，具有双测量点和接地电极设计的优点，确保了测量的精度。

所述若干荷载板14放置于试验土体表面，每块荷载板14尺寸设计为800mm×140mm×20mm，可根据试验方案选用不同数量的荷载板，该激振器15通过螺栓16固定于荷载板14上。

所述激振器15可采用YZD系列振动电机，该振动电机为单相220V异步电机，可通过设置输出随半正弦变化的激振力从而模拟交通荷载；

所述的PIV系统包括高清摄像机18、三脚架19和图像单元，该三脚架19放置于试验箱1正前方，并与高清摄像机18相连接，可对试验现象进行图像采集；该图像单元设计于试验箱前面板上。

图像单元由实验人员在试验箱正面板上制作，图像单元大小设置为30mm×30mm。所述图像单元为采用彩笔画在试验箱正面板上的小格子，便于观察土体运动的。

作为一种优选的实施例，所述的渗流孔6在研究黏性土路基的路面塌陷试验时，可在试验准备阶段采用毛玻璃对渗流孔6进行密封处理，以研究路基软化造成的道路整体塌陷。

所述的加载系统，可根据试验方案选用多块荷载板14叠加放置于试验土体上表面，从而模拟停车场的路面荷载和路面上方静止的车辆荷载。

作为另一种优选的实施例，所述的供水软管13可通过试验箱1上方放置于水槽中，通过供水箱7向水槽内供水，将试验箱1内水位高度稳定在一定高度，并在试验过程中保持试验箱1内水位高度不变，从而模拟地下水位上升对路基路面的影响。

现以研究无黏性土路基的道路塌陷试验说明本实用新型装置和方法模拟道路塌陷的操作方法，包括以下步骤：

（1）试验准备工作：对试验箱1、土体收集装置17进行清洁；按实验要求调配所需的土体级配。

（2）供水系统的安装：根据实验要求将水位控制器9安装至所需高度，并连接外部水源向水箱内部供水直至水位达到试验规定的高度；将电磁流量计12安装至供水箱7出水口处，并与供水软管13相连接；将供水软管13另一端穿过长条形渗流孔6，并根据试验要求将其固定于试验箱内壁上。

（3）试验土体的填充：在最佳含水量条件下分层填入试验用土并进行夯实，夯实后对每层土体顶面进行拉毛处理，以保证每层之间的均匀连接；随后将土体收集装置17放置于试验箱1下方。

（4）加载系统的安装：先将荷载板14放置于土体表面；利用螺栓16将激振器15固定于荷载板14上，并设定激振器15的频率和振动力，准备进行试验。

（5）PIV系统的安装：将高清摄像机18放置于水平三脚架19上，且与试验箱正面板相对，在试验箱正面板上设置图像单元；通过拍摄获取试验渐进性破坏过程，如图2所示。

（6）停止试验：试验直至土体出现塌陷并保持相对稳定状态时，停止试验，并从试验箱1中取出剩余土体，并清洗试验箱。

（7）数据记录与处理：试验完成后可测量试验土体的塌陷范围，并将渗漏至土体收集装置的土体烘干进行称重及级配分析；将PIV系统观测的试验图像输入MATLAB中进行处理，得到土体在试验中的速度矢量及云图。

本实用新型应用了具体实例对本实用新型的原理和实施方式进行的阐述，上述实例的说明仅是用于帮助理解本实用新型的核心思想。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书说明的实施方法，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。凡是未经改进将实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：包括试验箱系统、供水系统、加载系统、PIV观测系统；其中，所述试验箱系统包括试验箱（1）、支撑架（2）和土体收集装置（17）；试验箱（1）两侧设有水槽（3），水槽与试验箱主体采用透水板（4）隔开，试验箱（1）的底面板设有长条形渗流孔（6）；土体收集装置（17）放置于长条形渗流孔（6）下方；支撑架（2）用于支撑和固定试验箱（1）；供水系统包括供水箱（7）和水位控制器（9），所述供水箱（7）通过供水软管（13）与试验箱（1）连接，水位控制器（9）控制试验过程中供水箱（7）内水位高度；加载系统设有荷载板（14）和激振器（15），分别用以模拟路面荷载和交通荷载； PIV系统用于对试验现象进行图像采集，获取土体的位移和速度信息。

2.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述试验箱（1）为顶面开口的长方体形透明箱体，内部填充试验用土。

3.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述透水板（4）设有若干个透水孔（5），透水孔（5）中设有海绵垫块。

4.根据权利要求3所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述透水孔（5）沿竖直方向等间距排列，并设置有三列，便于实时观测试验箱内水位情况。

5.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述的支撑架（2）采用防锈的钢材焊接制成，用于支撑试验箱（1）。

6.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述的供水系统还包括进水管（8）、供水口（10）、调速水阀（11）、电磁流量计（12）和供水软管（13）；供水软管（13）一端与供水箱（7）的供水口（10）相连接，另一端穿过长条形渗流孔（6）固定于试验箱（1）内。

7.根据权利要求6所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述调速水阀（11）和电磁流量计（12）安装于供水口（10）外侧，调速水阀（11）与供水软管（13）相连接。

8.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述荷载板（14）放置于试验土体上表面，激振器（15）放置于荷载板（14）上方。

9.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述荷载板（14）采用钢板制成，并钻有螺纹孔，与激振器（15）采用螺栓结构（16）相连接。

10.根据权利要求1所述的模拟道路塌陷的试验装置，其特征在于：所述PIV系统包括高清摄像机（18）、三脚架（19）和图像单元，所述三脚架（19）放置于试验箱正前方，并与高清摄像机（18）相连接，所述图像单元设置于试验箱前面板上。