CN220289333U - 一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，包括：试验模型箱、用于模拟降雨的降雨机构、用于模拟光照的光照系统以及用于模拟大风环境的制风机构；试验模型箱的底部铺设有透水石层，路基路面结构设置在透水石层上部，透水石层下方设置有环形漏斗垫片，环形漏斗垫片的底端位于集水池上方。本实用新型的装置可模拟降雨—大风—光照复合条件并进行试验，而且在路基路面中埋设有温湿度传感器，在输水管上设置了流量调节器，可实时精确地检测水分迁移变化情况；整个试验装置采用组装式结构，拆装方便，可以适用于不同类型的路基路面结构进行试验，便于对比试验结果。
Description
技术领域
本实用新型涉及路基路面水分迁移试验领域，尤其涉及一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置。
背景技术
路基是路面结构的基础，坚固稳定的路基为路面结构长期承受汽车荷载提供了重要保证，而路面又为路基提供了与外界的“保护”作用，特别是路面结构采用水泥混凝土时，下层液态水向上迁移受阻，气态水受温度和基质势的影响汇聚在混凝土面层，在温度的影响下凝结成冰，进而产生冻胀力从而造成路面不均匀沉降，即“锅盖效应”。同时路基路面结构的强度与稳定性在很大程度上与其内部的湿度有关。受外部环境因素的影响，路基路面内部的水分会出现迁移现象，引起内部湿度的变化。当路基中含水量较大时，路基土的结构承载力大幅度下降，同时路基土中水分在土体内部迁移会产生冲刷作用，进而影响路面结构的稳定性，道路使用性能以及缩短使用寿命。
研究水分迁移规律最有效的途径就是进行水分迁移试验，在室内进行可控水分迁移试验，分析各种环境因素的影响，例如温度、水分、变形等产生的影响，为实际路基路面工程项目提供可靠的技术支持和处治经验。目前国内外的专家为了研究温度、含水量和变形量的影响做了大量室内试验，从中积累了较多的试验成果。综合分析表明，对于水分迁移的试验研究多为普通土体，而对于工程实际中的路基路面内部水分迁移试验研究较少；另一方面，水分迁移试验研究中多侧重于模拟降雨一个阶段，但研究表明“降雨—水分入渗—水力耦合—光照—风—降雨”这一多阶段“干湿循环”响应作用会更大程度地加剧路基路面结构的进一步侵蚀破坏，进而造成整个道路结构病害的产生；因此现有的试验研究结果与实际情况的匹配度不高。
实用新型内容
本实用新型提供了一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，用于模拟路基路面结构在复合环境下的侵蚀破坏变化。
一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，包括：试验模型箱、用于模拟降雨的降雨机构、用于模拟光照的光照系统以及用于模拟大风环境的制风机构；
试验模型箱的底部铺设有透水石层，路基路面结构设置在透水石层上部，路基路面结构内部设置有温湿度传感器，温湿度传感器与数据采集系统通信连接，数据采集系统与计算分析系统通信连接；
透水石层下方设置有环形漏斗垫片，环形漏斗垫片的底端位于集水池上方。
进一步地，上述试验模型箱的上部设有排气孔与注水孔，排气孔与试验模型箱的内部相通。
进一步地，上述试验模型箱的侧方设有支撑杆，通过支撑杆固定降雨机构、光照系统与制风机构。
进一步地，上述降雨机构包括储水池与喷洒盘，储水池与喷洒盘通过输水管连通，输水管上设置有流量调节器。
进一步地，上述储水池的下部设有出水管，出水管上设有进气孔与出水阀，输水管与出水管相连接。
进一步地，上述喷洒盘包括上下两层，上层与下层之间为中空，上层设有用于与输水管连接的大圆孔，下层设有均匀布置的小孔。
进一步地，上述光照系统采用日光灯，并通过导线连接电源，导线上配置有多级亮度调节开关。
进一步地，上述制风机构采用风扇，风扇的出风口朝向路基路面结构一侧。
进一步地，上述透水石层的上表面铺设有滤纸。
进一步地，上述试验模型箱底部与支腿连接，支腿与支撑杆均安装在垫板上。
本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型的装置可模拟降雨—大风—光照复合条件并进行试验，而且在路基路面中埋设有温湿度传感器，在输水管上设置了流量调节器，可实时精确地检测水分迁移变化情况。
(2)整个试验装置采用组装式结构，拆装方便，可以适用于不同类型的路基路面结构进行试验，便于对比试验结果。
(3)本实用新型装置可快速进行“冷浴”，将“冷浴”与试验模型箱相结合，既能对路基路面结构快速降温，又能简化试验工序。
附图说明
图1为本实用新型装置模拟降雨的结构示意图；
图2为图1中A处局部放大示意图；
图3为本实用新型装置模拟光照的结构示意图；
图4为本实用新型装置模拟“冷浴”的结构示意图；
图5为本实用新型装置模拟大风条件的结构示意图；
图6为本实用新型中喷洒盘的结构示意图；
图7为本实用新型中支腿的结构示意图；
图8为运用本实用新型装置进行试验的流程图。
图中：10-试验模型箱；101-透水石层；102-温湿度传感器；103-排气孔；104-注水孔；105-数据采集系统；106-计算分析系统；20-垫板；201-支腿；202-支撑杆；30-环形漏斗垫片；301-集水池；401-储水池；402-输水管；403-喷洒盘；404-流量调节器；405-出水阀；406-进气孔；50-光照系统；60-制风机构；70-路基路面结构。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
参考图1、图3至图5，本实用新型提供了一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，包括：试验模型箱10、用于模拟降雨的降雨机构、用于模拟光照的光照系统50以及用于模拟大风环境的制风机构60；路基路面结构70铺设在试验模型箱10内。
试验模型箱10为圆柱形，内部中空，采用透明的有机玻璃制成，刚度和强度均满足试验承载要求；试验模型箱10的侧壁上设有刻度与水准线，精度为1mm。
试验模型箱10的尺寸外径为19cm，内径为15cm，高度为20cm，侧壁厚度为2cm，侧壁的中部留设有宽度为1cm的中空层，便于后续试验过程中进行“冷浴”；此外，在试验模型箱10的上部设置有排气孔103与注水孔104，排气孔103与试验模型箱10的内部相通，排气孔103的孔径为5mm，排气孔103与路基路面结构70的距离约为1.5cm。
注水孔104设置在排气孔103相对的另一侧，开口孔径也为5mm，与路基路面结构70的距离约为-2.5mm，同时注水孔104与试验模型箱10侧壁内的空间相连通，通过注水孔104可注入低温水，使低温水环绕流动在试验模型箱10的侧壁，既可以对路基路面结构70起到快速降温的作用，又能简化试验工序，避免了传统“冷浴”需要使用繁琐的装置。
试验模型箱10的上端顶部处与距下端1cm处，其内壁均留设有深为1cm、高为1cm的环形凹槽，上部的凹槽用于安装喷洒盘403，下部的凹槽用于铺设透水石层101；同时在下端凹槽处设有一个侧孔，供温湿度传感器102的导线通过。
试验模型箱10的下端凹槽铺设有一层透水石层101，路基路面结构70设置在透水石层101上部；为防止水分迁移过程中土壤颗粒堵塞透水石层101，在透水石层101上铺设一层滤纸，滤纸为圆形，直径为17cm，厚度为0.8cm。
路基路面结构70采用分层填筑方式填筑于试验模型箱10中，各分层高度分别按照路面层3cm+路基层5cm+底基层7cm三部分铺设，路基路面结构70直径为15cm。
温湿度传感器102分三处设置在路基路面结构70中，分别位于距路基路面结构70底端3.5cm、9.5cm和11cm的高度位置，三个温湿度传感器102的数据传输导线分别从试验模型箱10的侧孔穿出与数据采集系统105连接，实现数据传输；同时，数据采集系统105与计算分析系统106通信连接，用于分析所采集的数据的变化规律。数据采集系统105与计算分析系统106均为现有技术。
透水石层101下方设置有环形漏斗垫片30，环形漏斗垫片30外形呈漏斗状，其外直径为19cm，内直径为15cm，环形厚度为2cm，高度1cm，并从内径15cm处开始由周边向中心倾斜呈漏斗状，倾斜深度为5mm，中心区域设置排水口，排水口伸出长度为5mm，口径为6mm；环形漏斗垫片30的材质与试验模型箱10相同。
排水口位于集水池301上方，便于集水池301收集渗水。集水池301由透明玻璃制成，形状为圆柱形，并在两侧壁外设有刻度，精度1mL。集水池301的尺寸外径为10cm，内径为9cm，厚度为0.5cm，高度为4cm。
参考图2与图7，试验模型箱10的底部与环形漏斗垫片30的环形盘上均设有螺纹孔，每个螺纹孔上安装有一枚支腿201，支腿201的前段为突出的螺纹段，直径为0.9cm，长度为2cm，支腿201的后段直径为2cm，长度为6cm，从下至上依次穿过环形漏斗垫片30和试验模型箱10的螺纹孔。支腿201的材质与试验模型箱10相同。
试验模型箱10的侧方设有支撑杆202，支撑杆11为金属材质，采用三级可调节高度式结构，第一级直径2cm，高度17cm，第二级直径1.6cm，高度15cm，第三级直径1cm，高度12cm。其中，在第三级撑杆上设置搭载平台，通过搭载平台固定降雨机构、光照系统50与制风机构60。搭载平台通常采用横杆与钢板结合，具体可根据实际情况布置。
支腿201与支撑杆202的底部均安装在垫板20上，垫板20由铁板加工而成，尺寸为50cm×50cm，厚度为1cm。
参考图1，降雨机构包括储水池401与喷洒盘403，储水池401与喷洒盘403通过输水管402连通。
储水池401由透明玻璃制成，形状为圆柱形，并在两侧壁标有刻度，刻度精度为1mL。储水池401的尺寸外径为9cm，内径为8cm，厚度为0.5cm，高度为10cm，其中储水池401下端距池底0.8cm处设有出水管，伸出长度为2cm，外径为6mm，内径为4mm，管厚为1mm，输水管402与出水管相连接。
出水管上设有进气孔406与出水阀405，进气孔406的孔径为3mm，用于平衡内外压差，防止出现倒吸现象。出水阀405用于控制水流水路的通断。
输水管402采用橡胶软管，内管径为4mm，外管径为6mm，厚度为1mm，一端与出水管连接，另一端与喷洒盘403相连接。输水管402上设置有流量调节器404，通过流量调节器404可以精准控制水流量的大小，便于模拟不同降雨量的情况。
参考图6，喷洒盘403用于模拟天然降雨，喷洒盘403包括上下两层，上层与下层之间为中空，上层设有大圆孔，大圆孔上插设有进水管，伸出长度为2cm，外径为6mm，内径为4mm，厚度为1mm，用于与输水管402连接；下层设有均匀布置的小孔，小孔设有226个。喷洒盘403整体采用轻质铝合金制成，形状为圆形，尺寸直径为17cm。
参考图3，光照系统50采用日光灯，并通过导线连接电源，导线上配置有多级亮度调节开关，模拟不同光照条件下对路基路面结构70的影响。
参考图5，制风机构60采用风扇，风扇的出风口朝向路基路面结构70一侧，用于模拟风力侵蚀和风化作用。
本实用新型的试验装置集降雨模拟、光照模拟、风力模拟为一体，增加了试验结果的准确性，可实时查看不同条件下路基路面结构中水分迁移量情况，同时运用该装置操作方便、装卸简单，可对不同类型路基路面结构70进行模拟。
参考图8，运用本实用新型试验装置进行试验的具体操作步骤为：
步骤1：试验初始阶段根据实际路基路面结构类型及分布情况把试验路基土材料、路面混合料制备好，并将所需试验装置及其他物品都预备好。
步骤2：将透水石层101安装于试验模型箱10的下部凹槽内，并在其上放置一张滤纸，保证透水石层101不被路基土颗粒堵塞。
步骤3：将环形漏斗垫片30与试验模型箱10通过支腿201连接固定后，并在支腿201四周用防水剂对其密封，防止水渗出，将安装好的试验模型箱10放置于垫板20上，确保其平稳不晃动。
步骤4：将试验前期准备好的路基路面结构70材料，按照实际情况分层压实填入试验模型箱10中，0-7cm为第一部分，7-12cm为第二部分，12-15cm为第三部分，并通过试验模型箱10两侧的水准线观察所填筑的路基土，使其保持平整，对于不平整部位进行整平拉毛处理，进一步保证平整度。
步骤5：在步骤4填筑路基路面结构70的过程中铺设温湿度传感器102，具体为：填筑底基层部分至3.5cm处，铺设第一个温湿度传感器102；填筑基层部分至9.5cm处，铺设第二个温湿度传感器102；填筑路面部分至13.5cm处，铺设第三个温湿度传感器102；三个温湿度传感器102铺设完成后，将其导线竖直向下引至路基路面结构70底部后再从左侧引出，以最大限度地避免直接横向引出对水分入渗造成阻碍，影响试验结果的准确性。
步骤6：将引出的导线先后与温湿度数据采集系统105和计算机计算分析系统106相连。
步骤7：将支撑杆202水平放置于垫板20上，再将储水池401水平放置于搭载平台上，并适当调整搭载平台的高度，保证储水池401所处位置高于试验模型箱10顶端位置。
步骤8：将输水管402的两端分别与储水池401外置出水管和喷洒盘403上置进水管相连接。
步骤9：将连接好的喷洒盘403水平放置于试验模型箱10特设的上端凹槽上，同时通过集水池301收集路基土中渗出的水分，至此模拟降雨装置安装完成。
步骤10：待模拟降雨完成后，拆除喷洒盘403、输水管402和储水池401；调整支撑杆202的位置和搭载平台的高度，将光照系统50与搭载平台下部的挂钩相连，保证光照系统50位于试验模型箱10的正上部位，至此光照系统50安装完成。
步骤11：待光照环境模拟完成后，拆除光照系统50，并将注水孔104与输水管402相连接，通过输水管402向试验模型箱10的外壁中注入冷水，完成“冷浴”条件的模拟。待“冷浴”完成后，封闭注水孔104。同时，安装制风机构60，制风机构60位于试验模型箱10的正上部位。
步骤12：循环上述步骤7-11，可以监测降雨、光照和大风等多环境条件下路基路面结构70中水分迁移的情况。具体过程为：
(1)模拟降雨试验共设定为12小时，模拟光照试验12小时，模拟降温及大风条件12小时，三个过程为一次循环。
(2)试验准备工作完成后，打开出水阀405，再打开流量调节器404，将其设定为某一大小用来模拟降雨强度，并记初始流量Q0，记初始路基路面结构高度面层hm0、基层hj0、底基层hd0。
(3)同时打开温湿度传感器102、数据采集系统105和计算分析系统106，设定为每10min监测一次路基路面结构的含水量w1i和温度T1i。
(4)模拟降雨试验和静置过程中每隔2小时读取一次集水池301中渗出的水量Q1m，以及通过试验模型箱10外侧刻度线记录此时路基路面结构的高度hm1、hj1和hd1。
(5)模拟降雨结束后，依次关闭流量调节器404、出水阀405，记录结束时累计流量Q。
(6)模拟光照试验开始，使其光照路基路面结构12小时，同时每2小时监测一次路基路面的含水量w2k和温度T2k，每4小时记录一次集水池301中渗出的水量Q2p，以及通过试验模型箱10外侧刻度线记录此时路基路面结构的高度hm2、hj2和hd2。
(7)模拟“冷浴”降温及风环境开始后，使其作用路基路面结构12小时，同时每2小时监测一次路基路面的含水量w3l和温度T3l，每4小时记录一次集水池301中渗出的水量Q3q，以及通过试验模型箱10外侧刻度线记录此时路基路面结构的高度hm3、hj3和hd3。
(8)模拟大风条件结束，依次关闭制风机构60、温湿度传感器102、数据采集系统105和计算分析系统106，并放掉“冷浴”用水，至此一次循环试验完成结束。
(9)通过对水分迁移试验后的累计出水量Q与渗水量ΔQ的监测，可知路基路面结构中残余水量和汽态水的分布情况，可进一步对试验后的路基路面结构进行室内含水量测定，即可得出汽态水溢出的准确数值。
(10)采用渗透系数k表征路基路面结构的渗透性，即用达西定律定量化表征为：
式(1)中，ΔQ为Δt时间内的渗水量；ΔH为路基土上表面和底面的水头差；Δt为渗流时间；L为渗流路径长度；A为路基土的横截面过水面积。其中，单位均为国际单位SI。
(11)采用不同阶段的变形量Δh可表征多环境条件下路基路面结构中水分迁移对其结构沉降量的影响情况，即：
Δh＝|hj-hi| (2)
式(2)中，Δh为路基路面结构前后两个阶段的变形量；hj为后一阶段完成时路基路面结构的高度；hi为前一阶段完成时路基路面结构的高度。其中，单位均为国际单位SI。
步骤13：循环上述步骤1-12，可以监测不同类型路基路面结构在降雨、光照和大风环境下水分迁移的情况。
以上所述仅为本实用新型的较优实施例，该实施例不代表本实用新型的所有可能形式，本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种变形与改进，这些变形与改进仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于，包括：试验模型箱(10)、用于模拟降雨的降雨机构、用于模拟光照的光照系统(50)以及用于模拟大风环境的制风机构(60)；
所述试验模型箱(10)的底部铺设有透水石层(101)，路基路面结构(70)设置在所述透水石层(101)上部，所述路基路面结构(70)内部设置有温湿度传感器(102)，所述温湿度传感器(102)与数据采集系统(105)通信连接，所述数据采集系统(105)与计算分析系统(106)通信连接；
所述透水石层(101)下方设置有环形漏斗垫片(30)，所述环形漏斗垫片(30)的底端位于集水池(301)上方。
2.根据权利要求1所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述试验模型箱(10)的上部设有排气孔(103)与注水孔(104)，所述排气孔(103)与所述试验模型箱(10)的内部相通。
3.根据权利要求1所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述试验模型箱(10)的侧方设有支撑杆(202)，通过所述支撑杆(202)固定所述降雨机构、光照系统(50)与制风机构(60)。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述降雨机构包括储水池(401)与喷洒盘(403)，所述储水池(401)与喷洒盘(403)通过输水管(402)连通，所述输水管(402)上设置有流量调节器(404)。
5.根据权利要求4所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述储水池(401)的下部设有出水管，所述出水管上设有进气孔(406)与出水阀(405)，所述输水管(402)与所述出水管相连接。
6.根据权利要求4所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述喷洒盘(403)包括上下两层，上层与下层之间为中空，上层设有用于与所述输水管(402)连接的大圆孔，下层设有均匀布置的小孔。
7.根据权利要求1所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述光照系统(50)采用日光灯，并通过导线连接电源，导线上配置有多级亮度调节开关。
8.根据权利要求1所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述制风机构(60)采用风扇，风扇的出风口朝向所述路基路面结构(70)一侧。
9.根据权利要求1所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述透水石层(101)的上表面铺设有滤纸。
10.根据权利要求3所述的用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置，其特征在于：所述试验模型箱(10)底部与支腿(201)连接，所述支腿(201)与所述支撑杆(202)均安装在垫板(20)上。
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| CN202321821355.8U CN220289333U (zh) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置 |
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| CN202321821355.8U CN220289333U (zh) | 2023-07-11 | 2023-07-11 | 一种用于模拟多场景下路基路面水分迁移的试验装置 |
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| CN (1) | CN220289333U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117969376A (zh) * | 2024-01-25 | 2024-05-03 | 西交利物浦大学 | 用于分析实验室尺寸的石灰华透水路面性能的装置系统 |
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2023
- 2023-07-11 CN CN202321821355.8U patent/CN220289333U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN117969376A (zh) * | 2024-01-25 | 2024-05-03 | 西交利物浦大学 | 用于分析实验室尺寸的石灰华透水路面性能的装置系统 |
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