冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种冻融‑荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置及方法，包括土样槽、温度控制机构、地下水供给机构、荷载施加机构和迁移路径观测机构；土样槽，用于装填呈透明状态的路基试样；温度控制机构包括上循环控温组件、下循环控温组件和若干个温度传感器；地下水供给机构包括一个公共补水口、荧光示踪补水口、马氏补水瓶和若干个水分传感器；马氏补水瓶能盛有含不同颜色荧光示踪剂的纯净水；荷载施加机构包括激振器和位移计；迁移路径观测机构包括紫外灯和数码相机。本发明专利技术能更加真实地模拟路基工况，采用透明的玻璃砂模拟土体，利用不同颜色的荧光剂在紫外光照射下呈现不同颜色的方法更加直观地探究路基下水分迁移路径的问题。

【技术实现步骤摘要】
冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置及方法
本专利技术涉及土工试验
，特别是一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置及方法。
技术介绍
在高速公路、机场等工程的路基建设过程中，如何防止水分迁移和保持土体水分相对稳定是相当关键的问题。因为高速公路和机场路基下含水率的变化是影响路基安全稳定的重要因素。尤其在季节性冻土区，交通荷载作用下，循环往复的动力加载作用更加加剧了路基内部的水分迁移，衍生出来的冻胀、融陷和翻浆等病害，一直以来都是困扰工程建设的难题，亦是国内外众多学者高度关注的问题。冻融作用下，循环动载会导致路基下部地下水位以下的饱和土产生超静孔隙水压力，进而将地下水持续地“泵送”至冻结线以上。由于冻结锋面以上土层渗透性下降，超静孔隙水压力难以很快消散，促使孔隙水流向冻结锋面并使冰透镜体不断发育，从而导致地下水位以上的路基土体中的冰透镜体不断增长而产生冻胀。因此研究冻融和荷载耦合作用下路基水分迁移问题具有十分重要的理论和工程意义。目前，国内外普遍采用两种方式来研究土体冻融过程中的水分迁移规律，一是采用烘干法测量冻结前后不同高度处的含水率，该方法仅能得到冻结前后不同土柱高度处含水率的变化情况，不能反映水分迁移过程中的含水率变化情况；二是通过水分传感器测试土体冻结过程中不同高度处含水量的变化情况，该方法可实时监测含水率随冻结时间的变化过程，但且缺乏可视性，并不能观察到试样内部孔隙流体冻结和迁移的过程。实际水分迁移过程中，孔隙流体的流线形态和轨迹还一直缺少研究，这对针对路基的特定深度和位置采取工程防冻胀措施，是至关重要的。尤其是在循环荷载-冻融耦合作用下的路基水汽迁移路径规律还缺乏研究，亟需开发一种模拟冻融-荷载耦合作用下路基水汽迁移的试验装置及方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置及方法，该冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置及方法更加真实地模拟季冻区路基工况，采用透明的玻璃砂模拟土体，利用不同颜色荧光剂在紫外光照射下呈现不同颜色的方法更加直观地探究路基下水分迁移路径的问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，包括土样槽、温度控制机构、地下水供给机构、荷载施加机构和迁移路径观测机构。土样槽包括底座、活塞盖板和透明筒体。底座密封设置在透明筒体底部，透明筒体内用于装填呈透明状态的路基试样，活塞盖板放置在路基试样顶部，且与透明筒体内壁密封滑动连接。温度控制机构包括上循环控温组件、下循环控温组件和若干个温度传感器。上循环控温组件内置在活塞盖板中，下循环控温组件内置在底座中，若干个温度传感器沿透明筒体高度方向等距布设。地下水供给机构包括一个公共补水口、至少一个荧光示踪补水口、马氏补水瓶和若干个水分传感器。公共补水口和所有荧光示踪补水口均竖向贯通设置在底座中，顶部指向路基试样，底部通过补水管各连接一个马氏补水瓶。公共补水口连接的马氏补水瓶内盛有纯净水，至少一个荧光示踪补水口连接的马氏补水瓶内盛有含荧光示踪剂的纯净水。当有多个荧光示踪补水口且有多个荧光示踪补水口连接的马氏补水瓶内盛有含荧光示踪剂的纯净水时，各个马氏补水瓶内的荧光示踪剂能根据需要设置成不同颜色。若干个水分传感器沿透明筒体高度方向等距布设。荷载施加机构包括激振器和位移计。激振器安装在活塞盖板顶部，用于向活塞盖板及路基试样施加竖向荷载。位移计用于检测活塞盖板及路基试样的竖向位移量。迁移路径观测机构包括设置在透明筒体外部的紫外灯和数码相机，用于观测水汽在路基试样中的迁移路径。透明筒体包括有机玻璃层和保温层。有机玻璃层采用弧形的有机玻璃板拼接形成，保温层同轴套设在有机玻璃层外周，且采用透明材料制成。保温层为保温透明薄膜。路基试样为级配和含水率均能调节的玻璃砂。有机玻璃层和保温层的透光率不低于95%。公共补水口和所有荧光示踪补水口均位于底座的同一直径位置上。一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟方法，包括如下步骤。步骤1，制备路基试样：根据待分析路基土的级配曲线和含水率，采用玻璃砂配置成均匀的路基试样、并养护。步骤2，装样：将步骤1养护好的路基试样装入土样槽的透明筒体内，并沿透明筒体的高度方向在路基试样中等距埋设若干水分传感器和温度传感器。装样至设定高度后，在路基试样顶部加盖活塞盖板，活塞盖板与透明筒体内壁密封滑动连接。然后在活塞盖板顶部安装荷载施加机构。步骤3，供给地下水：将公共补水口和所有荧光示踪补水口均与马氏补水瓶相连，将与其中一个、两个或多个荧光示踪补水口的马氏补水瓶内盛装有含荧光示踪剂的纯净水，与公共补水口和其余荧光示踪补水口相连的马氏补水瓶内盛装纯净水。所有马氏补水瓶均启动，对路基试样进行地下水供给。步骤4，试样控温，包括如下步骤：步骤41，正恒温控制：开启上循环控温组件和下循环控温组件，分别队路基试样顶部和底部进行恒温加热。其中，上循环控温组件和下循环控温组件的初始设定温度均为T1，且T1>0。埋设在路基试样中的各个温度传感器数据将实时监测位于不同高度处路基试样的温度。步骤42，冻融控制：当埋设在路基试样中的各个温度传感器数据达到一致且为T1时，上循环控温组件降温至设定的温度T2，且T2<0，下循环控温组件保持温度T1不变，从而使得路基试样上表面和下表面形成正负温度梯度，并使路基试样处于冻融状态。水分传感器将实时监测处于不同高度处路基试样的含水率。步骤5，施加竖向荷载：首先，根据待分析路基上的车辆荷载，调节激振器的激振频率。然后，开启激振器，对活塞盖板和路基试样施加竖向荷载。步骤6，水汽迁移过程观察：开启迁移路径观测机构中的紫光灯和数码相机，追踪含有荧光示踪剂纯净水的迁移过程，进而探究冻融-荷载耦合作用下土体中水分的迁移过程。步骤3中，供给地下水时，荧光示踪补水口具有三个，公共补水口和三个荧光示踪补水口均位于底座的同一直径位置上。将与中间位置荧光示踪补水口相连的马氏补水瓶内盛装有含荧光示踪剂的纯净水，与公共补水口和其余两个荧光示踪补水口相连的马氏补水瓶内盛装纯净水。所有马氏补水瓶均启动，对路基试样进行地下水同步供给。步骤3中，供给地下水时，荧光示踪补水口具有三个，公共补水口和三个荧光示踪补水口均位于底座的同一直径位置上。将与三个荧光示踪补水口相连的马氏补水瓶内均盛装有含荧光示踪剂的纯净水，且三个马氏补水瓶内荧光示踪剂的颜色分别为红色、绿色和蓝色。与公共补水口相连的马氏补水瓶内盛装纯净水。所有马氏补水瓶均启动，对路基试样进行地下水同步供给。步骤5中，采用位移计实时监测活塞盖板和路基试样的竖向位移量。本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术中采用冻融-荷载两场耦合作用，更加真实地再现高速公路、机场路基的受力情况，有助于探究路基中水汽迁移的真实路径。2、本专利技术采用柱状的土样槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：包括土样槽、温度控制机构、地下水供给机构、荷载施加机构和迁移路径观测机构；/n土样槽包括底座、活塞盖板和透明筒体；底座密封设置在透明筒体底部，透明筒体内用于装填呈透明状态的路基试样，活塞盖板放置在路基试样顶部，且与透明筒体内壁密封滑动连接；/n温度控制机构包括上循环控温组件、下循环控温组件和若干个温度传感器；上循环控温组件内置在活塞盖板中，下循环控温组件内置在底座中，若干个温度传感器沿透明筒体高度方向等距布设；/n地下水供给机构包括一个公共补水口、至少一个荧光示踪补水口、马氏补水瓶和若干个水分传感器；公共补水口和所有荧光示踪补水口均竖向贯通设置在底座中，顶部指向路基试样，底部通过补水管各连接一个马氏补水瓶；/n公共补水口连接的马氏补水瓶内盛有纯净水，至少一个荧光示踪补水口连接的马氏补水瓶内盛有含荧光示踪剂的纯净水；当有多个荧光示踪补水口且有多个荧光示踪补水口连接的马氏补水瓶内盛有含荧光示踪剂的纯净水时，各个马氏补水瓶内的荧光示踪剂能根据需要设置成不同颜色；若干个水分传感器沿透明筒体高度方向等距布设；/n荷载施加机构包括激振器和位移计；激振器安装在活塞盖板顶部，用于向活塞盖板及路基试样施加竖向荷载；位移计用于检测活塞盖板及路基试样的竖向位移量；/n迁移路径观测机构包括设置在透明筒体外部的紫外灯和数码相机，用于观测水汽在路基试样中的迁移路径。/n...

【技术特征摘要】
1.一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：包括土样槽、温度控制机构、地下水供给机构、荷载施加机构和迁移路径观测机构；
土样槽包括底座、活塞盖板和透明筒体；底座密封设置在透明筒体底部，透明筒体内用于装填呈透明状态的路基试样，活塞盖板放置在路基试样顶部，且与透明筒体内壁密封滑动连接；
温度控制机构包括上循环控温组件、下循环控温组件和若干个温度传感器；上循环控温组件内置在活塞盖板中，下循环控温组件内置在底座中，若干个温度传感器沿透明筒体高度方向等距布设；
地下水供给机构包括一个公共补水口、至少一个荧光示踪补水口、马氏补水瓶和若干个水分传感器；公共补水口和所有荧光示踪补水口均竖向贯通设置在底座中，顶部指向路基试样，底部通过补水管各连接一个马氏补水瓶；
公共补水口连接的马氏补水瓶内盛有纯净水，至少一个荧光示踪补水口连接的马氏补水瓶内盛有含荧光示踪剂的纯净水；当有多个荧光示踪补水口且有多个荧光示踪补水口连接的马氏补水瓶内盛有含荧光示踪剂的纯净水时，各个马氏补水瓶内的荧光示踪剂能根据需要设置成不同颜色；若干个水分传感器沿透明筒体高度方向等距布设；
荷载施加机构包括激振器和位移计；激振器安装在活塞盖板顶部，用于向活塞盖板及路基试样施加竖向荷载；位移计用于检测活塞盖板及路基试样的竖向位移量；
迁移路径观测机构包括设置在透明筒体外部的紫外灯和数码相机，用于观测水汽在路基试样中的迁移路径。


2.根据权利要求1所述的冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：透明筒体包括有机玻璃层和保温层；有机玻璃层采用弧形的有机玻璃板拼接形成，保温层同轴套设在有机玻璃层外周，且采用透明材料制成。


3.根据权利要求2所述的冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：保温层为保温透明薄膜。


4.根据权利要求3所述的冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：路基试样为级配和含水率均能调节的玻璃砂。


5.根据权利要求2所述的冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：有机玻璃层和保温层的透光率不低于95%。


6.根据权利要求1所述的冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟装置，其特征在于：公共补水口和所有荧光示踪补水口均位于底座的同一直径位置上。


7.一种冻融-荷载耦合作用下路基水汽的迁移模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，制备路基试样：根据待分析路基的级配曲线和含水率，采用玻璃砂配置成均匀的路基试样、并养护；
步骤2，装样：将步骤1养护好的路基试样装入土样槽的透明筒体内，并沿透明筒体的高度...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁洋，陈爽，刘斯宏，张勇敢，方斌昕，张呈斌，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32