CN219574091U - 一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，包括试验箱体、温度变化和降雨集成模拟系统、数据采集系统。试验箱体由钢结构框架加装真空夹层玻璃构成，在试验箱体中分层填筑红层泥岩填料模拟红层地区高铁路基，利用温度变化和降雨模拟系统实现对自然状态下温度变化和降雨的模拟，通过数据采集系统收集各个传感器监测到的数据。本发明可以明确干湿循环及温度变化对红层泥岩路基变形的影响机制，建立跨越红层地区的高速铁路路基稳定性评价的基础，填补我国红层地区高速铁路路基室内模型试验装置方面的技术空白，且可推广并适用其他膨胀土边坡现场模拟试验。

Description

一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统

技术领域

本实用新型涉及模型试验技术领域，具体涉及一种模拟现场温度降雨环境作用下的膨胀土路基模型试验系统及试验方法。

背景技术

红层是外观以红色为主色调的陆相碎屑沉积地层，在中国分布总面积约为826389km²。其中西南和华南地区红层分布尤为广泛且多为裸露型红层，是该地区基础设施及交通建设不可避免的工程岩体。红层中的泥岩对气候环境变化极其敏感，具有失水收缩、吸水膨胀、软化和崩解等不良工程性质，而高速列车的安全运行要求路基变形控制在毫米级，使得红层泥岩路基膨胀上拱变形问题成为眼下及以后红层地区高速铁路建设亟待解决的问题。

目前测量红层泥岩的膨胀性多采用室内小型试验、原位浸水试验，使用模型一类来测量膨胀土路基的还不是很普及。

现有技术之一：一种路基填料膨胀量测试仪，包括水盒、试筒和百分表，水盒水平设置，试筒竖直设置在水盒中，试筒上端开口，试筒用于存放压实状态的试样，水盒的高度大于试筒的高度，试筒上方的水盒壁贯穿开设有通口，百分表竖直可拆卸连接在试筒上方，百分表的测头抵接在试样上方，实现直接测量膨胀土填料的浸水膨胀量。

现有技术之二：一种路基工程下膨胀土地基现场浸水试验方法，包括如下步骤：开挖膨胀土试坑；在膨胀土试坑地基上布设多面渗水系统和蓄水沟渠，并在监测区域内埋设下层测试器件；在多面渗水系统之上填筑路基本体堆载体和模拟轨道荷载堆载体，并在监测区域内埋设上层测量器件；下层测量器件和上层测量器件组成量测系统，用于量测地基表面变形量、地基内部分层变形量、路基本体变形量、孔隙水压力值、土壤含水率、土壤吸力及路基基底应力值；通过蓄水沟渠和多面渗水系统对地基进行人工浸水，并按一定频率进行观测。

通过对现有技术分析可知现阶段对红层泥岩路基变形的研究方法不能同时实现路基基床温度、湿度、降雨量的控制，但对于复杂多变的现场环境和红层泥岩的工程特性，仅依靠红层泥岩的膨胀特性不足以评价路基体的稳定性，研制一种可用于监测和红层泥岩变形量对于温度变化、湿度变化、降雨量变化响应的试验仪是亟待解决的技术问题。

实用新型内容

针对现有技术不能模拟温度变化、降雨作用下的红层泥岩路基变形，导致模拟不全面的缺陷与不足，本实用新型提供了一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统。

本实用新型提供的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统采用如下的技术方案：

一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统其特征在于，包括：试验箱体、温度变化和降雨集成模拟系统、数据采集系统。

所述温度变化和降雨集成模拟系统包括湿度传感器、水泵、小型花洒、储水箱、不锈钢空心横梁、磁吸温度传感器、橡胶温度传感器、空气压缩制冷机、钨丝烤灯、温度和湿度集成控制仪；

湿度传感器置于试验箱体中，小型花洒沿试验箱上方空心横梁均匀布置，小型花洒连接水泵，水泵连接温度和湿度集成控制仪并连通储水箱组成降雨模拟喷淋系统。温度传感器置于试验模型表面，钨丝烤灯沿试验箱上方空心横梁均匀布置，钨丝烤灯连接温度和湿度集成控制仪，压缩空气制冷机连接温度和湿度集成控制仪组成温度变化模拟系统；

所述数据采集系统包括位移传感器、水分温度集成传感器、信号转换模块、计算机采集模块；

位移传感器安装在试验模型上方工形滑轨，水分温度集成传感器均匀布置在试验模型边坡下，位移传感器和水分温度集成传感器使用连接线通过试验箱体预留传感器集线出口连接信号转换模块，信号转换模块连接计算机采集模块组成数据采集系统。

进一步的，所述一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述试验箱体包括角钢焊接外部结构框架、真空夹层玻璃、下部透水砂层、中间红层泥岩路基基床、上层轨道板，两根钢轨通过扣件系统横向布置在轨道板上。

进一步的，所述一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述试验箱体上方顶端设有保温隔板。

进一步的，所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述试验箱体下方设有排水孔，排水管外接带刻度的储水桶。

进一步的，所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述位移传感器安装在万向支架上，万向支架通过与工形滑轨尺寸匹配的凸起卡扣布置在工形滑轨上，支架可沿工形滑轨任意调整位置，并可通过旋紧支架底座螺母固定位置。

进一步的，所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述不锈钢空心横梁由两根尺寸为1680mmⅹ60mmⅹ60mm，厚度2mm的不锈钢空心钢管沿长度方向并排焊接制成，末端开孔分别连接供水管为小型花洒供水和连接电路为钨丝烤灯供电。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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是本实用新型提供的路基模型膨胀试验的干湿系统的结构示意图；

图2是本实用新型提供的温度变化和降雨集成模拟系统的结构示意图；

图3是本实用新型提供的路基模型膨胀试验的干湿系统沿纵向剖切后的剖视图；

图4是本实用新型提供的用于安装位移传感器的工形滑轨和万向支架的结构示意图；

图5是本实用新型提供的路基模型膨胀试验的干湿系统俯视图；

图6是本实用新型提供的路基模型膨胀试验的干湿系统沿横向剖切后的剖视图；

附图标记：

1-1：试验箱；1-2：真空夹层玻璃；1-3：不锈钢空心横梁；1-4：钨丝烤灯；1-5：小型花洒；1-6：工形滑轨；1-7：保温盖板；1-8：轨道板；1-9：传感器集线出口；1-10：排气口；1-11：进气口；1-12：排水口；1-13：钢轨；1-14：螺栓；1-15：角钢；1-16：红层泥岩路基基床；1-17：透水砂层；1-18：带刻度储水箱；1-19：排水口节流阀；

2-1：温度变化和降雨模拟系统；2-2：温度和湿度集成控制仪上；2-3：进水口；2-4：储水箱；2-5：水泵；2-6：压缩空气制冷机；2-7：湿度传感器；2-8：橡胶温度传感器；2-9：磁吸温度传感器；2-10：接线口；2-11：电子显示屏；2-12：出水口节流阀；2-13：电子流量计；2-14：出水口；

3-1：计算机采集模块；3-2：信号转换模块；3-3：固定旋钮；3-4：万向支架；3-5：位移传感器；3-6：水分温度集成传感器；

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”“侧面”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而不是要求本实用新型必须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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面结合图1-图6对本实用新型路基模型膨胀试验的干湿系统结构及功能进行详细的说明。所述路基模型膨胀试验的干湿系统包括试验箱体、温度变化和降雨集成模拟系统、数据采集系统。

所述试验箱体1-1整体呈方体框架结构，由角钢1-15焊接的外框架和真空夹层玻璃板1-2构成一个无顶板透明箱体，得以观察箱体内部模型变化，箱体真空夹层玻璃板1-2连接处设有透明防水胶。箱体上层左右角钢1-15中部开孔预留连接点，工形滑轨架1-6和不锈钢空心横梁1-3通过螺栓1-14连接到角钢1-15上。

进一步地，试验箱体的尺寸：长为1800mm，宽为1200mm，高为1200mm，真空夹层玻璃厚30mm，试验箱体上方顶端设有保温隔板。试验箱体外部用角钢焊接加固，角钢边宽110mm，边厚7mm。试验箱左侧真空夹层玻璃板设有压缩空气制冷机进气口1-11、排气口1-10和排水口1-12，进气口和排气口直径为50mm，排水口直径为30mm。试验箱右侧真空夹层玻璃板设有传感器集线出口1-9，传感器集线出口直径60mm。

进一步地，箱体底层填筑透水砂层1-17，透水砂层上按照击实标准分层填筑膨胀土路基基床1-16，填筑高度可自由控制，膨胀土路基基床上铺设轨道板1-8，钢轨通过扣件系统安装在轨道板上。

所述温度变化和降雨集成模拟系统包括湿度传感器2-7、水泵2-5、小型花洒1-5、储水箱2-4、不锈钢空心横梁1-3、橡胶温度传感器2-8、磁吸温度传感器2-9、空气压缩制冷机2-6、钨丝烤灯1-4、温度和湿度集成控制仪2-2。

进一步地，湿度传感器2-7置于试验箱体1-1中，小型花洒1-5沿试验箱上方空心横梁1-3均匀布置，小型花洒连接水泵2-5，水泵2-5连接温度和湿度集成控制仪2-2并连通储水箱2-4组成降雨模拟喷淋模块。

进一步地，试验用水先经过进水口2-3进入储水箱2-4暂存，湿度传感器获取试验箱1-1内湿度数据传到温度和湿度集成控制仪2-2，当湿度达到设定阈值使，温度和湿度集成控制仪启动控制水泵2-5抽水，水流依次通过节流阀2-12、电子流量计2-13、出水口2-14给小型花洒1-5供水，调节节流阀开合程度，读取电子流量计数值，模拟不同降雨强度。试验箱体中的水通过箱体出水口1-11流出进入到带刻度的储水箱，箱体出水口外设置节流阀1-19，可灵活控制地下水位，此过程即为对膨胀土路基降雨的模拟。

进一步地，橡胶温度传感器2-8置于试验模型表面，磁吸温度传感器2-9可吸附于工形滑轨架1-6侧面。钨丝烤灯1-4沿试验箱上方空心横梁1-3均匀布置，钨丝烤灯和压缩空气制冷机2-6分别连接温度和湿度集成控制仪2-2组成温度变化模拟模块。

进一步地，钨丝烤灯1-4控制升温，进行升温模拟时，温度传感器2-6 2-8获取试验箱1-1内温度数据传到温度和湿度集成控制仪2-2，当温度达到设定温度阈值上限，温度和湿度集成控制仪关闭钨丝烤灯，当温度低于设定温度阈值下线，温度和湿度集成控制仪启动钨丝烤灯，使温度稳定。压缩空气制冷机2-6控制降温，进行降温模拟时，压缩空气制冷机通过模型箱进气口1-11输入冷空气，通过模型箱排气口1-10抽走箱体内热空气。橡胶温度传感器2-8、磁吸温度传感器2-9获取试验箱1-1内温度数据传到温度和湿度集成控制仪2-2，当温度达到设定温度阈值上限，温度和湿度集成控制仪压缩空气制冷机，当温度低于设定温度阈值下线，温度和湿度集成控制仪启动压缩空气制冷机，使温度稳定。

进一步地，所述不锈钢空心横梁由两根尺寸为1680mmⅹ60mmⅹ60mm，厚度2mm的不锈钢空心钢管沿长度方向并排焊接制成。末端开孔分别连接供水管为小型花洒供水和连接电路为钨丝烤灯供电。

所述数据采集系统包括位移传感器3-5、水分温度集成传感器3-6、信号转换模块3-2、计算机采集模块3-1。

进一步地，位移传感器3-5通过万向支架3-4安装在试验模型上方工形滑轨架1-6上，水分温度集成传感器3-6均匀布置在试验模型边坡下，水分温度集成传感器和位移传感器安装位置和数量可灵活改变。位移传感器和水分温度集成传感器使用连接线通过试验箱体预留传感器集线出口1-9连接信号转换模块3-2，信号转换模块将传感器信号转换后传输到计算机采集模块3-1，计算机采集模块可实时监测和记录模型中地水分和温度。

进一步地，位移传感器3-5安装在万向支架3-4上，万向支架通过底端与滑轨形状尺寸匹配的凸起布置在工形滑轨架1-6上，万向支架可通过旋紧下部固定螺母固定位置，万向支架中金属连杆可根据实际测量需求更换合适长度。

本实用新型还提供一种利用上述实施例的路基模型膨胀试验的干湿系统的试验方法，包括：

根据试验需求确定土的各项参数并完成土样配制，采用分层击实的方法进行填土，当填土高度达到试验不同预设高度时，将水分温度集成传感器3-6布置在路基模型边坡下方100mm和路基模型后方距试验箱体1-1100mm处，其他高度位置相同排列；

当土层填筑完毕后，安装轨道板1-8，通过扣件系统将钢轨1-13布置在轨道板上，将位移传感器3-5均匀布设于路基模型的顶部轨道板和路基模型边坡上，用于监测路基模型膨胀量，并将位移传感器3-5和水分温度集成传感器连接线通过传感器集线出口1-9连接在信号转换模块3-2上，信号转换模块连接计算机采集模块3-1传输数据，将位移传感器和水分温度集成传感器的初始值标定至0，设置一定的采集间隔，计算机采集模块会自动监测并记录路基模型中的各项数据；

关闭出水口节流阀，连接进水口2-2和自来水龙头，先将储水箱2-4装满水，将湿度传感器设置在路基模型轨道坡面上，磁吸温度传感器2-9吸附在工形滑轨侧面，橡胶温度传感器2-8设置在路基模型边坡上。再连通出水口2-14和空心横梁1-3的进水孔；

将钨丝烤灯1-5均匀布置在空心横梁1-3上，线路通过空心横梁内部穿过空心横梁末端预留开孔连接到温度和湿度集成控制仪2-2上。分别将压缩空气制冷机2-6的出气管和进气管分别接通试验箱1-1上的进气口1-11和排气口1-10，再将压缩空气制冷机连接到温度和湿度集成控制仪2-2上；

通过电子显示屏2-11在温度和湿度集成控制仪2-2设置好预定试验温度和湿度阈值上下限，试验系统开始自动模拟温度变化和干湿循环，在计算机采集模块上点设置一定采集间隔，然后点击数据采集开始自动采集路基模型膨胀量、水分及温度变化。通过计算机采集模块采集接收到的位移、温度和应力数据，分析试验路基边坡膨胀量和降雨量、温度的关系，为相关工程提供依据。

以上所描述的装置实施例只是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，包括：试验箱体、温度变化和降雨集成模拟系统、数据采集系统；

所述温度变化和降雨集成模拟系统包括湿度传感器、水泵、小型花洒、储水箱、不锈钢空心横梁、磁吸温度传感器、橡胶温度传感器、空气压缩制冷机、钨丝烤灯、温度和湿度集成控制仪；

湿度传感器置于试验箱体中，小型花洒沿试验箱上方空心横梁均匀布置，小型花洒连接水泵，水泵连接温度和湿度集成控制仪并连通储水箱组成降雨模拟喷淋系统，橡胶温度传感器置于试验模型表面，磁吸温度传感器吸附在工形滑轨上，钨丝烤灯沿试验箱上方空心横梁均匀布置，钨丝烤灯连接温度和湿度集成控制仪，压缩空气制冷机连接温度和湿度集成控制仪组成温度变化模拟系统；

所述数据采集系统包括位移传感器、水分温度集成传感器、信号转换模块、计算机采集模块；

位移传感器安装在试验模型上方工形滑轨，水分温度集成传感器均匀布置在试验模型边坡下，位移传感器和水分温度集成传感器使用连接线通过试验箱体预留传感器集线出口连接信号转换模块，信号转换模块连接计算机采集模块组成数据采集系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述试验箱体包括角钢焊接外部结构框架、真空夹层玻璃、下部透水砂层、中间红层泥岩路基基床、上层轨道板，两根钢轨通过扣件系统横向布置在轨道板上。

3.根据权利要求1所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述试验箱体上方顶端设有保温隔板。

4.根据权利要求1所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述试验箱体下方设有排水孔，排水管外接带刻度的储水桶。

5.根据权利要求1所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述位移传感器安装在万向支架上，万向支架通过与工形滑轨尺寸匹配的凸起卡扣布置在工形滑轨上，万向支架可沿工形滑轨任意调整位置，并可通过旋紧支架底座螺母固定位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于路基模型膨胀试验的干湿系统，其特征在于，所述不锈钢空心横梁由两根尺寸为1680mmⅹ60mmⅹ60mm，厚度2mm的不锈钢空心钢管沿长度方向并排焊接制成，末端开孔分别连接供水管为小型花洒供水和连接电路为钨丝烤灯供电。