全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统

1.本发明涉及路基动力响应模型试验领域，具体涉及全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统。


背景技术：

2.路基作为交通基础设施上部结构的支撑，关系到交通运输工具的平稳、安全、高效运行。然而，目前的交通基础建设领域，路基的长期服役性能及韧性往往被忽视，比如在道路工程中存在“重路面，轻路基”，在铁路工程领域中存在“重线路，轻路基”。随着交通运输“高速化”和“重载化”的发展趋势，路基承受的动应力影响范围和水平变大，使得路基的不均匀沉降变大，这便对路基结构的性能提出了更高的要求。同时，区域气候复杂多变，存在湿热多雨地区、季冻地区以及永久冻土地区等等，导致路基在服役过程中往往面临环境荷载和交通荷载的双重作用，加剧了路基累积变形的发展，进一步对上部结构造成安全隐患。
3.目前，路基累积变形的试验研究手段主要有室内试件试验、全比尺模型试验以及现场原位试验。室内试件试验受尺寸和边界效应影响较大；全比尺模型试验缺乏对路基全服役环境的模拟，以及对交通荷载作用下路基内部应力主轴旋转效应的真实、精确模拟，仅有的可模拟交通荷载移动效应的加载装置应用于铁路工程领域；现场原位试验的地质条件和环境条件复杂且不易控制，难以开展定性、定量研究；现有的系统均难以实现对不同交通荷载形式的路基动应力复现、全服役环境与交通荷载的耦合模拟。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统及方法，通过配置路基地基模型、全服役环境模拟试验箱、激励系统和监测系统，对于路基处于冻结、冻融、干湿、降雨、地下水位中的全服役环境和交通荷载作用时的累积变形进行模拟实验，达到对不同交通荷载形式的路基动应力复现、全服役环境与交通荷载的耦合模拟，从而满足对路基累积变形的研究需求。
5.本发明的第一目的是提供全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统，采用以下方案：
6.试验箱，扣罩于模型表面形成环境腔；
7.水位控制系统，位于模型一侧，包括布置在砂石垫层内的管网和连通管网供水组件，以调节模型所处环境及模型内部水位；
8.环境模拟系统，包括喷洒组件和温控组件，喷洒组件布置在环境腔内并作用于模型，温控组件分别布置在环境腔和模型内；
9.激励系统，于模型表面施加应力作用；
10.监测系统，包括布置在环境腔内的环境监测组件和布置在模型内的模型监测组件，用于获取环境腔内的环境参数数据和模型内的模型参数数据。
11.进一步地，所述供水组件包括储水管、进水管和出水管，储水管底部通过管网连通
模型底部形成连通器，储水管连通进水管和排水管，储水管通过升降调节模型内部水位。
12.进一步地，所述进水管一端连接水源，另一端分别连通储水管和管网区域的砂石垫层，以向储水管和/或砂石垫层供水。
13.进一步地，所述管网设有多个出口，管网的所有出口均匀分布在砂石垫层内。
14.进一步地，还包括控制装置，控制装置分别连接水位控制系统、环境模拟系统、激励系统和监测系统。
15.进一步地，所述环境监测组件包括安装于试验箱的环境温度探针、环境湿度探针，环境参数数据包括环境温度数据和环境湿度数据。
16.进一步地，所述模型监测组件包括埋设于模型内的动态土压力传感器、孔隙水压力传感器、土体湿度传感器、土体温度传感器以及安装在激励系统作用位置的激光位移传感器，激光位移传感器用于测取模型顶面的沉降量。
17.进一步地，所述模型包括布置在预埋基坑内的地基和路基，模型下方铺设砂石垫层，模型内部设有容纳模型检测组件的插入式仪器埋设孔。
18.本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统的试验方法，包括：
19.通过温控组件模拟模型的冻结和融化过程，通过喷洒组件模拟模型湿度变化，通过水位控制系统调节模型所处环境及模型内部水位；
20.通过激励系统对模型施加应力作用，模拟荷载作用下模型动应力；
21.调节模拟过程实现全服役环境和交通荷载作用下的路基累积变形试验。
22.进一步地，对于水位控制系统，控制水位逐渐上升到模型的路基表层，然后控制水位逐渐降低至初始位置，模拟地下水位变化引起的干湿循环作用。
23.与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
24.(1)针对路基累积变形难以开展定性、定量研究的问题，通过配置路基地基模型、全服役环境模拟试验箱、激励系统和监测系统，对于路基处于冻结、冻融、干湿、降雨、地下水位中的全服役环境和交通荷载作用时的累积变形进行模拟实验，达到对不同交通荷载形式的路基动应力复现、全服役环境与交通荷载的耦合模拟，从而满足对路基累积变形的研究需求。
25.(2)全服役环境模拟模块实现了对冻土环境、冻融循环、干湿循环、降雨以及地下水位变化的模拟，并结合激励系统模拟不同交通荷载形式，从而实现环境荷载与交通荷载的耦合。
26.(3)全服役环境模拟试验箱实现了环境舱与激励-控制系统的有效分离，避免了激励-控制系统中敏感元件遭受环境因素影响，同时节省了箱外的无效环境模拟空间。该形式较外置包裹式缩小了95％的环境模拟空间，可降低能耗85％。
27.(4)针对路基累积变形试验周期长的特点，为试验系统提供了远程云端操作模块，方便试验人员在后台观测和操作试验系统，提高工作效率；应用场景广泛，针对不同气候条件和交通荷载类型均可开展试验和研究，推广性强。
附图说明
28.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示
意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.图1为本发明实施例1或2中全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统的正视示意图。
30.图2为本发明实施例1或2中全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统的侧视示意图。
31.图3为本发明实施例1或2中路基地基室内模型端面示意图。
32.图4为本发明实施例1或2中地下水位升降系统及路基地基室内模型内部传感器埋设位置示意图。
33.图中1、原路面，2、路基地基模型，3、试验箱，4、激励系统，5、监测系统，6、水箱，7、加热装置，8、供冷装置，9、雨水喷洒器，10、大功率制冷设备，11、恒温板，12、环境温度探针，13、环境湿度探针，14、第二输送管，15、第一输送管，16、线路，17、转轮，18、离心泵，19、给水泵，20、砂石垫层，21、牵引绳，22、布置管，23、储水管，24、进水管，25、排水管，26、管网，27、温度传感器，28、动态土压力传感器，29、孔隙水压力传感器，30、湿度传感器。
具体实施方式
34.实施例1
35.本发明的一个典型实施例中，如图1-图4所示，给出全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统。
36.如图1所示全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统，包括模型、试验箱3、水位控制系统、环境模拟系统、激励系统4和监测系统5，本实施例中，模型为路基地基模型2，从原路面1位置开挖后，铺设相应结构后形成路基地基模型2；试验箱3扣罩在模型表面形成环境腔，使得试验箱3形成全服役环境模拟试验箱3。全服役环境模拟试验箱3用于模拟冻结、冻融、干湿、降雨、地下水位变化。
37.1.路基地基模型2：在预埋基坑底部由下至上依次铺设砂石垫层20、地基及路基，并设置有水位控制系统，本实施例中，水位控制系统为模拟地下水位升降的地下水位升降系统。路基地基模型2中地基高度与路基高度根据具体试验要求决定。在基坑四周表面涂抹防水材料，并且在内部设置插入式仪器埋设孔，便于仪器的埋设与数据采集导线的引出。
38.地下水位升降系统包括可升降储水管23、进水管24、水箱6、排水管25和带有出水口的底部管网26系统组成。可升降储水管23用来控制地下水位，它在一定高度处可以进行常水头控制；储水管23通过柔性索连接有转轮17，转轮17通过收卷释放储水管23，调节储水管23的竖直高度，从而调节储水管23内水位的高度。柔性索采用牵引绳21，牵引绳21上设有刻度，通过牵拉调节储水管23的高度。
39.在储水管23通过管网26连通模型下方，形成连通器，在储水管23内水位变化时，模型内部的水位也会逐渐变化直至与储水管23水位平齐，利用水力梯度模拟地下水位的变化。
40.为了增加水流均匀性，模型试验箱3底部的砂石垫层20内设有控制水位用的供水管网26。试验中利用底部管网26系统经过反滤层将地下水直接渗入土体，达到使水头均匀分布的效果，防止出现沿模型槽侧面的集中渗流现象。另外在砂石垫层20表面铺设土工织物，起到反滤和分离砂土的作用。
41.需要指出的是，供水管网26设有多个出口，管网26的所有出口均匀分布在砂石垫层20内，覆盖路基地基模型2竖直方向的投影，并在其投影面内均匀分布。一方面供水管网26上设置多个出口能够提高水体输出时分布的均匀性，另一方面，在水体从管网26的出口输出后，通过密集布置的砂石垫层20内部间隙使水体进一步分散从而提高其均匀分布。
42.可以理解的是，排水管25、进水管24和牵引绳21均设置在布置管22内，通过布置管22建立各个管路和柔性索的布置空间，减少原路面1与模型对其的干涉。排水管25一端通过离心泵18连接布置管22底，一端连接水箱6，布置管22延伸至模型底部，从而在模型析出水体时将水体通过排水管25抽出，用于排水阶段及供水阶段的溢出水量回收。
43.进水管24一端通过水泵连接水源，另一端分别连通储水管23和管网26区域的砂石垫层20，以向储水管23或砂石垫层20单独供水，也可以同时向储水管23、砂石垫层20供水。本实施例中的水源可以采用水箱6，水箱6内储存有水体。
44.2.全服役环境模拟试验箱3：用于模拟路基在服役过程中遭遇冻结、冻融、干湿、降雨及地下水位变化等环境条件，以研究在环境荷载和交通荷载耦合作用下路基累积变形发展规律以及灾变机理。其外侧结构由四个侧面钢板和上覆板构成的长方体钢结构试验箱3，在试验箱3侧面设置了有机玻璃可视窗口，可以实时观测试验过程；同时侧面钢板设置有恒温板11，以保证试验箱3的保温性能。
45.全服役环境模拟试验箱3顶部设置有雨水喷洒组件、温控组件及控制装置。控制装置通过线路16连接雨水喷洒组件、温控组件。雨水喷洒组件包括吊装于箱体内部顶壁上的雨水喷洒器9以及连通雨水喷洒器9与设置于箱体外部的外水箱6的第一输送管15。温控组件包括加热装置7、冷却系统与恒温板11，用于控制模型试验箱3内的温度。控制装置是指设置于箱体外侧的控制机组，负责调控全服役环境模拟试验箱3整体运行。
46.加热装置7指设置于全服役环境模拟试验箱3顶部的用于给箱体内部加热并与控制装置电连接的光电加热器。冷却装置包括大功率制冷设备10、供冷装置8及连接制冷设备及供冷装置8的第二输送管14。大功率制冷设备10安装于箱体外侧，通过第二输送管14与供冷装置8连接，供冷装置8安装于全服役环境模型试验箱3顶部。恒温板11布置在箱体内侧，与箱体外部控制面板电连接，并设置温度探针用于监测全服役环境模型试验箱3内部温度。
47.水箱6负责供水给雨水喷洒组件及水位升降系统，水箱6通过第一输送管15与雨水喷洒器9以及箱体连通，通过泵送供水系统与水位升降系统连通。
48.3.激励系统4：包括动力加载模块及约束加载模块，其中包含多个作动器、分配梁以及反力系统。动力加载模块包括四个动态加载缸及加载头组成；约束加载装置由圆形加载板及3个静态液压缸组成；加载头与圆形加载板底面直接与路基土体接触。同时，激励系统4通过多缸联动的动静协同加载，可以实现交通荷载作用下路基土体的应力主轴旋转效应。
49.4.监测系统5：包括高精度激光位移传感器、动态土压力传感器28、孔隙水压力传感器29、土体湿度传感器30、土体温度传感器27、环境温度探针12、环境湿度探针13及云端远程操作模块。本实施例中，监测系统5分为布置在环境腔内的环境监测组件和布置在模型内的模型监测组件，用于获取环境腔内的环境参数数据和模型内的模型参数数据。
50.环境监测组件包括安装于试验箱3的环境温度探针12、环境湿度探针13，环境参数数据包括环境温度数据和环境湿度数据；模型监测组件包括埋设于模型内的动态土压力传
感器28、孔隙水压力传感器29、土体湿度传感器30、土体温度传感器27以及安装在激励系统4作用位置的激光位移传感器，激光位移传感器用于测取模型顶面的沉降量。
51.试验开始之后，可以通过监测系统5对环境箱内温度和湿度条件、路基地基模型2内土体的动应力、温度、湿度、孔隙水压力以及累积变形发展等进行动态监测。
52.其中：
53.环境温度探针12安装在箱体侧壁一侧并与控制装置电连接，通过温度探针能够准确地得到全服役环境模拟试验箱3所需的温度。环境湿度探针13安装于箱体侧壁一侧并与控制装置电连接，通过湿度探针能够准确地得到全服役环境模拟试验箱3所需的湿度。
54.动态土压力传感器28分别布置在加载面下0.3m、1.0m、1.5m、2.5m、3.5m处，通过动态土压力传感器28可以获得土体动应力沿着路基由上往下的分布大小和衰减规律。
55.孔隙水压力传感器29分别布置在加载面下0.3m、1.0m、1.5m、2.5m、3.5m处，通过孔隙水压力传感器29可以获得交通荷载作用下土体在深度范围上的孔隙水压力变化。
56.湿度传感器30及温度传感器27分别布置在加载面下0.3m、1.0m、1.5m、2.5m处，通过湿度传感器30和温度传感器27可以实时获得路基地基土体在深度范围上的湿度和温度。
57.高精度激光位移传感器分别布置在上加载面板处，通过发射红外信号实时感知加载过程中路基顶面的沉降量，从而获得长期交通荷载作用下路基沉降规律，可用于建立长期交通荷载作用下路基累积变形的预测模型。
58.云端远程操作模块包括数据采集模块、数据分析模块及控制终端。数据采集模块可以实时将所采集到的综合数据传递给数据分析模块，由数据分析模块对其进行处理得到数字化信息。控制终端可以使用特制软件与手机连接形成移动端，将所有数字化信息分类存储在云端并显示进行共享，试验人员可以通过移动端实时获取信息、观察试验进度。
59.实施例2
60.本发明的另一典型实施方式中，如图1-图4所示，给出全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统的试验方法。
61.利用如实施例1中的全服役环境和交通荷载作用的路基累积变形模拟试验系统，该试验方法包括：
62.通过温控组件模拟模型的冻结和融化过程，通过喷洒组件模拟模型湿度变化，通过水位控制系统调节模型所处环境及模型内部水位；
63.通过激励系统4对模型施加应力作用，模拟荷载作用下模型动应力；
64.调节模拟过程实现全服役环境和交通荷载作用下的路基累积变形试验。
65.对于水位控制系统，控制水位逐渐上升到模型的路基表层，然后控制水位逐渐降低至初始位置，模拟地下水位变化引起的干湿循环作用。
66.结合实施例1和图1-图4，对于模拟试验系统的各个组成部分，路基地基模型2、全服役环境模型试验箱3、激励系统4和监测系统5，此处以道路工程中的公路结构要求为例，其试验方法包括：
67.1.路基地基模型2：如图3所示，路基地基模型2尺寸为长3m
×
宽5m
×
高4m，在预埋基坑底部由下至上依次设置有0.5m深的砂石垫层20、2.5m深的地基及1.0m厚的路基，并设置有地下水位升降系统。路基地基模型2内部设置插入式仪器埋设孔，便于仪器的埋设与数据采集导线的引出。
68.其中，地基2-1厚度为2.5m，采用原有地基土回填压实，分层填筑振动夯实，通过控制填土的含水量和密度来保证填土质量，所采用填土的含水量为18
±
2％，目标密度1.8g/cm^3。地基土体填筑时，采用振动夯实机，具体型号可视现场情况定。每一层虚铺厚度30cm，夯实至20cm。达到设计标高后，对该层抽样检查，环刀法测试填土密度，烘干法测试填土含水量。填筑完成后，对地基进行静力触探试验，抽取地基范围内的6个测点检验土体的比贯入阻力，其值不小于2.0mpa，从而验证其承载力满足地基承载力要求。在夯实过程中，防止与边缘碰撞，夯实机与边缘壁距离不得低于10cm，边缘部分采用人工夯实。
69.路基部分2-2同样采用分层填筑振动夯实的方法，通过控制填土的密度来保证填土质量。路基厚度为1.0m，采用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土，分层填筑夯实，虚铺35cm，夯实至25cm，控制填土的密度和含水量。达到设计标高后，采用激光平整度仪进行平整度测试，之后对路基的填筑质量进行监测，抽取路基范围内6个测点，核子密湿度仪测定压实度、原位测定cbr值及回弹模量，使得路基填料最小承载比、路基表面回弹模量及压实度符合表1、表2、表3规定。
70.表1路基填料最小承载比(cbr)要求
[0071][0072]
表2路基压实度要求
[0073][0074]
表3路基顶面回弹模量(mpa)
[0075][0076]
路基地基模型22开挖前应观测地下水位，并且保证地下水位到振实面下不小于
600mm处。路基填料宜选用级配好的砾类土、砂类土，粒径最大不大于100mm。
[0077]
对于地下水位升降系统，由于采用水力梯度差别渗流的方式进行过程较慢，可增设给水泵19。给水泵19一端通过供水管24连接可升降储水管23，一端连接外水箱6。
[0078]
模拟试验中地基水位采用分阶段提高储水管23内水位高度的方法来实现地下水位的上升，达到水位标准后，保持储水管23内的水位恒定。由于储水管23与地基之间存在水位差，在水力梯度作用下，水将从水箱6沿着管网26流向地基土体。在水位上升过程中，对路基变形和路基地基内部孔隙水压力进行监测。
[0079]
试验开始前，储水管23内的水位与砂石垫层20持平，通过直接在模型槽底部注水使水位逐渐上升到路基表层，通过观测孔隙水压力传感器29控制供水量使得水位在土体内部平稳上升。待水位上升到最大位置后静置12h。之后通过降低储水管23内水位高度，使路基地基模型2内水位高度逐渐将低至初始位置，此时路基地基就经过了一次地下水位变化引起的干湿循环作用。
[0080]
2.全服役环境模拟试验箱3：由主体钢结构梁柱与主体结构侧面保温板钢板内设保温层组成的长方体钢结构模型槽，尺寸为长3.1m
×
宽5.5m
×
高0.3m；箱体具备一定的耐腐蚀性及绝缘性。全服役环境模型试验箱3内部多角度实时监控，并且箱体内设有可视窗口。
[0081]
参照图1、2，实际交通运行过程中会伴随多种环境条件并存的情况，可通过控制装置对雨水喷洒组件及温控组件进行操作。下面介绍一下冻融循环测试的过程：
[0082]
路基地基模型2冻结过程：通过温控组件对温度进行调节，制冷设备通过第三输送管将冷气输送给供冷设备从而对模型试验箱3内进行供冷，当温度探针显示温度已降低到预定的温度停止冷却且保持恒温，直到路基地基模型2内温度传感器27、湿度传感器30及激光位移传感器监测数据达到稳定时，结束冻结过程，进行下一步骤。
[0083]
路基地基模型2融化过程：通过调节温控组件使加热装置7以设定的工作温度对路基地基模型2进行升温，当温度探针显示温度已回到冻结前的温度停止升温且保持恒温，直到路基地基模型2内温度传感器27、湿度传感器30及激光位移传感器监测数据达到稳定时，结束融化过程。
[0084]
模拟土体内部湿度可通过雨水喷洒组件进行，通过控制装置调控雨水喷洒组件并实时观察土体内部湿度传感器30进行调整。当土体内部湿度达到平衡，关闭雨水喷砂装置，并进行模拟加载试验。在测试完毕后，通过控制装置驱动光电加热器对箱体内部进行加热以蒸发土体水分。
[0085]
该全服役环境模拟试验箱3工作时，箱内环境温度数值能够在-30～65℃的区间范围内进行调节，长期温度稳定性
±
1～5℃，均匀度≥80％；降雨量数值在0～3mm/min的区间范围内进行调节。
[0086]
3.激励系统4：根据汽车行驶条件、路面结构特征以及路基土体参数，设置各作动器的加载谱，实现对汽车荷载作用下路基动应力的模拟。激励系统4可耦合全服役环境模拟试验箱3中的环境条件进行试验。
[0087]
4监测系统5：通过控制主机显示终端实时监测显示实验过程中的各种信息参数、图像及曲线。多通道传感器采集卡及arm嵌入式linex系统作为采集、存储终端，并安装高稳定性无线传输模块，试验人员可以通过云端实时监测试验进度。监测传感器包括高精度激
光位移传感器、孔隙水压力传感器29、动态土压力传感器28、土体湿度传感器30、土体温度传感器27、环境温度探针12、环境湿度探针13及云端远程操作模块等，如图4所示。试验开始之后，可以通过监测系统5对路基地基模型2内土体的动应力、温度、湿度、孔隙水压力以及累积变形发展等进行动态监测。
[0088]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。