土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置及试验方法，属于地面土洞塌陷危害检测设备技术领域，基于3D打印技术，制作不同横肋厚度的土工格栅模型，通过室内大型直剪试验分析不同横肋厚度和竖向应力对格栅网界面直剪特性的影响；探讨剪切模式下增强型横肋厚度对被动侧阻力的影响，研究土工格栅网筋土界面剪切特性的影响，并将该自感知土工格栅应用于下伏土洞路基的模型试验中，研究在不同加筋层数和加筋间距下路基的极限承载力、顶端沉降及筋材的变形特性。本发明专利技术能够降低实验成本，加快实验进度，有助于研究最佳厚度土工格栅进行地面塌陷的防治。工格栅进行地面塌陷的防治。工格栅进行地面塌陷的防治。

【技术实现步骤摘要】
土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及地面土洞塌陷危害检测设备
，具体涉及一种土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置及试验方法。

技术介绍

[0002]城市地面塌陷作为最主要的地质环境问题之一，其发生具有隐蔽和突发性，如不进行及时处治，将极大地危害地铁、铁路和城市道路的运营安全。目前，针对下伏土洞路基的主要处治方法有碾压、开挖回填、注浆、盖板跨越等。随着土工加筋技术在公路、铁路等岩土工程中的应用，利用加筋材料处治下伏土洞路基近年来也得到了较为广泛的应用。
[0003]利用土工加筋技术处治下伏土洞路基还具有经济、环保、易于施工等优点。传统的土工格栅加筋材料大多通过粘贴、绑扎等形式实现，制作工艺复杂，且筋材的整体性较差，且对于土工格栅加筋材料加固地面塌陷效果评价监测时采用的传感器往往直接粘贴到被测量的物体表面，无法实现土工格栅加筋材料和传感器的完全协调变形。3D打印作为一种快速成型技术，可实现任何材料、任意数量、任意位置和任何领域的应用，近年来也受到工程领域学者的青睐。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种既能增强土工格栅加筋材料的完整性和加固效果，又可实现传感器与被测土工格栅的完全协调变形的基于3D打印技术的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置及试验方法，以解决上述
技术介绍
中存在的至少一项技术问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术提供一种基于3D打印技术的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，所述基于3D打印技术的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置包括模型箱主体结构模块，岩溶塌陷模拟模块，降雨、地下水和振动等多场耦合环境荷载施加模拟模块，监测模块四部分；
[0007]模型箱主体结构模块，包括水箱、固定底板、刚性稳定区；
[0008]岩溶塌陷模拟模块，包括活动底板、千斤顶、位移计、千斤顶控制器，用来模拟岩溶塌陷过程；
[0009]多场耦合环境荷载施加模拟模块，包括降雨系统、振动等荷载加载系统以及地下水系统；
[0010]监测模块，包括非接触式监测系统和检测系统及接触式监测系统，非接触式监测系统是在通过立式三维激光扫描仪和高清晰摄像机实现，用以实时的监测和记录土工格栅破坏过程；非接触式检测系统，通过地质雷达扫描路基实现，用以检测岩溶塌陷的发展和变化情况；接触式监测系统包括在砂层中和砂层表面布置孔隙水压力计、土压力微型传感器、分布式光纤传感网络、光纤传感器等接触式传感器，监测不同环境荷载作用下砂箱内土压力、孔隙水压力变化和土工格栅变形和应变。
[0011]优选的，所述的平台模型箱为长方形，尺寸为宽1.5m，长2m，高1.5m，模型箱一侧为钢化玻璃板，用来观察岩溶地面塌陷的宏观发展，其他三侧采用长方形钢板并贴上塑料泡沫，底部采用钢筋混凝土板。
[0012]优选的，所述的降雨模拟系统，在试验砂箱两侧布设6根长1米的钢支撑，将水管布设在钢支撑上，并在水管上布设若干雨量喷头，这样可以通过控制模拟降雨的强度和降雨的位置，用来模拟降雨对岩溶地面塌陷发育的影响。
[0013]优选的，所述的荷载加载系统，是在试验砂箱表面设置2根宽40cm的钢板轨道，用钢板制作的横梁连接钢轨，以二梁分担法的形式将激振器固定于两条平行钢轨上，通过3个激振器的协同作用模拟列车振动荷载，可模拟出列车运行时引起地面应力的叠加，激振器之间相距一定距离，第二个激振器比第一个激振器滞后一定时间输出荷载，依次类推，并在模型箱四周设置橡胶垫以吸收边界反射的振动荷载，消除边界效应的影响，用以模拟行驶列车振动荷载对岩溶地面塌陷发育的影响。
[0014]优选的，所述地下水控制系统，在试验砂箱两侧各设置一个与试验砂箱等高的水箱，固定在试验砂箱两侧突出的平台上，水箱与试验砂箱相接触的下侧边设置透水孔，透水孔外设置反滤层，反滤层外设置控水阀门。
[0015]优选的，所述地下水控制系统，包括地下水侵蚀系统和地下水突变系统，地下水侵蚀系统可以通过控水阀门控制水箱中的水通过反滤层渗透进入土层，用来模拟不同含水率状况下岩溶塌陷发育情况；地下水突变系统可以通过排水阀门来快速排出水箱中的水，进而模拟地下水位瞬时下降对岩溶塌陷发育的影响。
[0016]优选的，所述非接触式监测系统，包括三维激光扫描仪和高清晰摄像机，用以实时的监测和记录岩溶塌陷的发展过程。所述非接触式检测系统包括地质雷达，在试验箱上方使用地质雷达间隔一段时间扫描地面，用以监测岩溶塌陷的发展情况。所述接触式监测系统包括在砂层中和砂层表面布置孔隙水压力计、土压力微型传感器、分布式光纤传感网络、光纤传感器等接触式传感器，其中，孔隙水压力计用以监测试验箱中不同位置孔隙水压力变化；土压力微型传感器用以监测施加不同环境荷载作用下，试验箱中不同位置土压力变化；分布式光纤传感网络用以监测试验箱内土层变形；光纤传感器，置于土工格栅之内，用来监测土工格栅的应力和应变变化。
[0017]第二方面，本专利技术提供利用如上所述的基于3D打印技术的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，进行试验的方法，包括如下步骤：
[0018]利用钢制砂箱模拟实际有土洞土体的环境，砂箱两侧钢板打一些微小孔洞，便于外部自然条件施加装置水箱模拟地下水渗入环境；
[0019]通过石膏浇筑成外径45mm，厚度3.6mm的圆管，置于砂土中模拟土洞；
[0020]然后在土洞两侧添加刚性稳定区用来维持土洞的形成；
[0021]在土洞塌陷区上方安装沉降装置、位移计和活动底板用来检测土体受压后的塌陷位移量；
[0022]用固定底板固定住刚性稳定区；
[0023]土洞上方通过研发的基于3D打印技术的自感知土工格栅进行加筋加固。采用分层铺设、控制一定重量砂土体积的方式来确保每组试验砂的密实度在95％左右；
[0024]通过在土洞上方铺设具有自感知功能的土工格栅，并改变加筋层数(0、1、2)和间
距(50mm、60mm、80mm)，并在砂土层、土工格栅上下界面布设土压力微型传感器、孔隙水压力计、分布式光纤传感网络、光纤传感器等接触式传感器；
[0025]在各监测点上布置土压力微型传感器、孔隙水压力计；土压力微型传感器密封在柔性塑料薄膜内，并将土压力微型传感器、孔隙水压力计的数据传输线引出至试验箱体外；
[0026]在土洞上方以定速率施加荷载直至地面塌陷破坏，记录极限承载力；
[0027]同时可通过上方的降水装置打开阀门模拟降雨天气下土工格栅防治土洞塌陷的极限承载力；
[0028]打开两侧水箱阀门放出多余水；
[0029]数据处理，根据试验施加荷载过程中各监测点测得土工织物承受压力绘制出压力坐标图及渗透水进入后的压力变化图，还有土体沉降量与施加荷载的函数关系。
[0030]优选的，3D打印格栅采用PLA(聚乳酸)材料。
[0031]优选的，土工格栅内部粘贴FBG光纤，外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，其特征在于，包括：模型箱主体结构模块，岩溶塌陷模拟模块，多场耦合环境荷载施加模拟模块，监测模块；所述模型箱主体结构模块，包括水箱、固定底板、刚性稳定区；所述岩溶塌陷模拟模块用于模拟岩溶塌陷过程，包括活动底板、千斤顶、位移计、千斤顶控制器；所述多场耦合环境荷载施加模拟模块，包括荷载加载系统和地下水控制系统；所述监测模块，包括非接触式监测系统、非接触式监测系统检测系统以及接触式监测系统，非接触式监测系统用于实时的监测和记录土工格栅破坏过程；非接触式检测系统用于检测岩溶塌陷的发展和变化情况；接触式监测系统用于监测不同环境荷载作用下砂箱内土压力、孔隙水压力变化和土工格栅变形和应变。2.根据权利要求1所述的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，其特征在于，非接触式监测系统包括立式三维激光扫描仪和高清晰摄像机；非接触式检测系统包括地质雷达；接触式监测系统包括在砂层中和砂层表面布置的接触式传感器，包括孔隙水压力计、土压力微型传感器、分布式光纤传感网络、光纤传感器。3.根据权利要求1所述的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，其特征在于，试验砂箱两侧布设钢支撑，将水管布设在钢支撑上，并在水管上布设若干雨量喷头，通过控制模拟降雨的强度和降雨的位置，用来模拟降雨对岩溶地面塌陷发育的影响。4.根据权利要求1所述的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，其特征在于，所述的荷载加载系统，包括在试验砂箱表面设置钢轨，横梁连接钢轨，激振器固定于两条平行钢轨上，通过多个激振器的协同作用模拟列车振动荷载。5.根据权利要求4所述的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，其特征在于，通过多个激振器的协同作用模拟列车振动荷载，可模拟出列车运行时引起地面应力的叠加，激振器之间相距一定距离，第二个激振器比第一个激振器滞后一定时间输出荷载，依次类推，在模型箱四周设置橡胶垫以吸收边界反射的振动荷载，消除边界效应的影响，用以模拟行驶列车振动荷载对岩溶地面塌陷发育的影响。6.根据权利要求1所述的土工格栅加筋隐伏岩溶塌陷路基模型试验装置，其特征在于，在试验砂箱两侧各设置的水箱，水箱与试验砂箱相接触的下侧边设置透水孔，透水孔外设置反滤层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：师海，隋昕展，金浩楠，张浩，孙子冰，张子伦，蒋锦程，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：