模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置

本发明涉及岩土工程模型试验，具体涉及一种模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置。

背景技术：

1、城市道路路基沉陷是城市基础设施运行过程中常见的工程地质问题，其形成通常与降雨入渗、地基内部物质流失及地裂缝活动等多种因素有关。在实际工程中，降雨入渗可导致地基内部可溶物质逐渐溶解流失，引发渐进式溶陷变形；同时，地裂缝活动会造成地基底部失去支撑，导致上覆土体发生不均匀沉降。这两种因素相互耦合、共同作用，加速路基结构的破坏，严重时可能导致路面开裂甚至塌陷，影响交通安全与道路使用寿命。因此，研究地基内部溶陷变形与裂缝扰动共同作用下的路基沉陷发展过程及其破坏机理具有重要意义。目前，针对城市道路路基沉陷问题的研究多采用数值模拟、现场监测以及室内模型试验等方法。其中，模型试验由于具有试验条件可控、能够直观观测土体变形过程等优点，已广泛用于沉陷机理研究。然而，现有模型试验装置多针对单一因素开展研究，例如仅模拟降雨入渗引起的溶陷变形，或仅通过机械方式模拟地裂缝活动，现有溶陷模拟装置多依赖预设空洞或气囊放气，裂缝模拟装置多依赖沉降差被动诱发，而预设空洞或气囊会影响裂缝扩展导致两者不能很好的耦合，缺乏在同一模型中同时实现内部溶陷变形与底部裂缝扰动协同模拟的试验装置。因此，有必要设计一种能够集成内部溶陷变形与裂缝扰动两种模拟功能、且试验变量可主动控制的模型试验装置，以解决上述技术问题。

2、现有路基沉陷模型试验装置多针对单一因素开展研究，试验系统结构相对单一，难以真实反映实际工程中多种因素共同作用下的路基沉陷过程。一是现有装置多通过机械升降或预设空洞等方式模拟沉降，难以模拟降雨入渗条件下地基内部因可溶物质流失而导致的渐进溶陷变形过程，无法反映溶陷变形随时间持续发展的演化特征；二是现有装置缺乏将内部溶陷变形与底部裂缝扰动集成于同一模型并实现独立控制与协同模拟的能力，无法研究两种因素耦合作用下的路基沉陷破坏机理。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，通过在模型箱中集成降雨模拟系统、内部溶陷模拟系统及裂缝扰动模拟系统，实现内部溶陷变形与底部裂缝扰动的独立控制与协同模拟，可用于研究两种因素耦合作用条件下路基沉陷的发展过程及其形成机理。本发明具有结构简单、试验工况可调及试验过程直观等优点，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

3、本发明提供一种模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，包括模型箱、降雨模拟系统、地基内部变形模拟系统、裂缝扰动模拟系统及观测系统；

4、所述模型箱用于填筑路基结构土体；

5、所述降雨系统设置于模型箱上方，用于模拟降雨入渗过程；

6、所述地基内部变形模拟系统，包括预埋于所述模型箱内地基预定层位的可溶材料层，所述可溶材料层在降雨入渗条件下逐渐溶解，以模拟地基内部因物质流失导致的渐进溶陷变形；

7、所述裂缝扰动模拟系统设置于模型箱底部，包括若干可抽取支撑元件，所述可抽取支撑元件在抽出后使对应区域的地基土体失去底部支撑，以模拟地裂缝扰动对路基沉陷的影响；

8、所述观测系统包括设置于所述模型箱侧面的透明玻璃板及设置于模型土体内部的分层标记结构，用于观测路基沉陷及裂缝扩展的演化过程。

9、进一步地，所述可溶材料层沿水平方向连续铺设或分区铺设，设置为单层结构或多层结构，不同位置的层厚可调，以模拟不同条件下的地基溶陷变形过程。

10、进一步地，所述可溶材料包括氯化钠、硫酸钠等可溶性盐类材料，或由可溶性盐类与骨料混合制成的复合材料。

11、进一步地，所述可溶材料层采用颗粒状可溶材料铺设形成，其溶解速率可通过材料组成或铺设形式进行调节。

12、进一步地，所述可抽取支撑元件为沿同一方向并列布置的钢板，每一支撑元件可沿其长度方向从模型箱正面抽出，通过控制抽取的位置、宽度或数量，在模型底部形成不同规模和分布形态的局部失稳扰动区，以模拟不同地裂缝条件下的路基沉陷过程。

13、进一步地，所述模型箱底部设置有导轮，所述可抽取支撑元件滑动设置于所述导轮上，便于抽取和放回。

14、进一步地，所述可溶材料层和所述可抽取支撑元件可独立操作或协同操作：当仅启动所述内部溶陷模拟系统时，模拟纯溶陷作用下的路基沉陷过程；当仅启动所述裂缝扰动模拟系统时，模拟纯地裂缝作用下的路基沉陷过程；当两者协同操作时，模拟溶陷变形与裂缝扰动耦合作用下的路基沉陷过程。

15、进一步地，所述降雨模拟系统包括水阀、喷淋管道、喷头和水箱，通过调节水阀控制喷淋流量和喷淋时长，以模拟不同的降雨强度和降雨持续时间。

16、进一步地，所述分层标记结构包括彩色标记砂层、标记颗粒或标记条带，各层标记颜色或粒径不同，以便于通过所述透明玻璃板分辨不同层位土体的位移和变形特征。

17、进一步地，所述观测系统还包括图像采集装置，所述图像采集装置设置于所述模型箱外侧，用于连续记录地基溶陷变形及裂缝扰动的演化过程。

18、进一步地，所述观测系统还包括设置于所述透明玻璃板表面的网格标记，所述网格标记与所述分层标记结构配合使用，用于定量分析土体内部的位移场和变形场。

19、本发明有益效果：将可溶材料层构成的地基内部溶陷模拟系统与可抽取支撑元件构成的裂缝扰动模拟系统集成于同一模型箱内，两套系统可分别操作或协同运行，能够模拟不同作用条件下的路基沉陷过程；通过调节可溶材料层的铺设形式及溶解过程，并结合可抽取支撑元件的位置、宽度及数量调节，实现对溶陷变形与裂缝扰动的分别模拟和组合模拟。

20、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、降雨模拟系统、地基内部变形模拟系统、裂缝扰动模拟系统及观测系统；

2.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述可溶材料层沿水平方向连续铺设或分区铺设，设置为单层结构或多层结构，不同位置的层厚可调，以模拟不同条件下的地基溶陷变形过程。

3.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述可溶材料包括氯化钠、硫酸钠等可溶性盐类材料，或由可溶性盐类与骨料混合制成的复合材料。

4.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述可溶材料层采用颗粒状可溶材料铺设形成，其溶解速率可通过材料组成或铺设形式进行调节。

5.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述可抽取支撑元件为沿同一方向并列布置的钢板，每一支撑元件可沿其长度方向从模型箱正面抽出，通过控制抽取的位置、宽度或数量，在模型底部形成不同规模和分布形态的局部失稳扰动区，以模拟不同地裂缝条件下的路基沉陷过程。

6.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述模型箱底部设置有导轮，所述可抽取支撑元件滑动设置于所述导轮上，便于抽取和放回。

7.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述可溶材料层和所述可抽取支撑元件可独立操作或协同操作：当仅启动所述内部溶陷模拟系统时，模拟纯溶陷作用下的路基沉陷过程；当仅启动所述裂缝扰动模拟系统时，模拟纯地裂缝作用下的路基沉陷过程；当两者协同操作时，模拟溶陷变形与裂缝扰动耦合作用下的路基沉陷过程。

8.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述降雨模拟系统包括水阀、喷淋管道、喷头和水箱，通过调节水阀控制喷淋流量和喷淋时长，以模拟不同的降雨强度和降雨持续时间。

9.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述分层标记结构包括彩色标记砂层、标记颗粒或标记条带，各层标记颜色或粒径不同，以便于通过所述透明玻璃板分辨不同层位土体的位移和变形特征。

10.根据权利要求1所述的模拟地基内部溶陷变形与裂缝扰动的路基沉陷模型试验装置，其特征在于，所述观测系统还包括设置于所述透明玻璃板表面的网格标记，所述网格标记与所述分层标记结构配合使用，用于定量分析土体内部的位移场和变形场。