动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统

1.本技术涉及交通岩土工程技术领域，具体涉及一种动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统。


背景技术：

2.在高速公路的修筑过程中，填料的主要来源是大量的石质挖方和隧道弃方产生的宕渣。宕渣填料具有强度高、压实密度大、沉降变形小、透水性能强、抗冲刷性能高、可就近取材等优点，而且宕渣用作路堤填料，可有效解决弃土占地污染问题，对于减少整个社会资源的消耗和可持续发展都具有重大意义。
3.但宕渣路基服役时，通常会发生边坡失稳、路基滑塌、路基不均匀沉降等典型的路基病害，其主要原因是：作为一种易破碎的中-强风化泥岩宕渣的颗粒级配和填料内部组构是影响其力学特性和稳定性的关键，而车辆循环动载作用与强降雨渗蚀影响是使得宕渣填料级配和组构变化的重要因素，从而引起宕渣路基服役性能的劣化。
4.为有效预防和应对循环动载与强降雨渗蚀耦合作用导致宕渣土石质路基风险所带来的直接或间接灾害，进一步开展循环动载作用宕渣颗粒破碎演化及累积塑性变形特征探究，与复杂渗流路径的强降雨渗蚀作用下非饱和宕渣路基水分运移及细颗粒迁徙时空分布特征分析，归纳“动载-渗蚀”耦合作用下宕渣路基服役性能劣化的演变过程，是宕渣路基设计与维护时机确定的理论保证。
5.开展试验研究是最为直观且有效地途径，但目前试验大多基于“动载”或“渗蚀”单个影响因素设计试验装置，鲜有针对“动载-渗流”耦合作用设计地试验系统。另一方面，目前渗流侵蚀试验通常是在圆柱形渗流仪中进行，仅能够对单元体的渗流侵蚀特性进行分析；同样地，循环加载试验一般通过动三轴仪于圆柱形展开，两者均很难得出模型试验的一般规律。
6.故而亟待开发一种动载-渗蚀耦合作用下非饱和宕渣路基响应场演化可视化研究试验系统。


技术实现要素：

7.本技术实施例的目的是提供一种动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其可控制进出口水头，有效调节渗流路径，灵活多变地模拟渗流侵蚀过程；可多级变频循环加载，实现多种类型交通荷载的模拟；内置多种传感器，能直观得出内部应力场、位移场分布演化规律；同时能对细颗粒迁徙路径进行实时示踪，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。
8.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
9.本技术实施例提供了一种动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，包括：路基模型箱主体、用于给所述路基模型箱主体施加振动的动力加载系统、用于给所述路基模型箱主体供水的供水系统、用于与所述路基模型箱主体连接并用于排水和收集
土壤的排水集土系统、用于采集所述路基模型箱主体的各种信息的信号采集系统以及用于细颗粒及水流体动态迁徙路径追踪的颗粒迁徙追踪系统，其中，
10.所述路基模型箱主体的底部贯穿设有用于细颗粒及水流排出的孔洞；
11.所述排水集土系统包括用于承托所述路基模型箱主体的钢支架和焊接于所述钢支架上并位于所述孔洞正下方的双层铁盒，所述双层铁盒包括可拆卸并用于收集所述路基模型箱主体流出的细颗粒的上层铁盒与位于所述上层铁盒下方的下层铁盒，所述上层铁盒的底部贯穿设有多个第一圆孔，并铺设过滤网，过滤网紧贴所述上层铁盒的底部及侧壁；所述下层铁盒的底部贯穿设有用于安装排水管的第二圆孔。
12.可选的，所述路基模型箱主体的底部铺设有用于削弱上部循环荷载在底部发生的应力波反射现象的泡沫板。
13.可选的，所述路基模型箱主体的内部侧壁涂有凡士林并贴有用于减小土体与侧壁摩阻力与动力波反射的四氟乙烯膜。
14.可选的，所述加载系统包括用于承载所述钢支架的底板、竖立设置于所述底板上的支撑立柱、安装于所述支撑立柱顶部并位于所述路基模型箱主体上方的加载架顶板、安装于所述加载架顶板上的振动电机、与所述振动电机连接的变频器、安装于所述路基模型箱主体上的圆形刚性加载板、连接所述圆形刚性加载板与所述振动电机输出端的加载杆以及安装于所述加载杆上的力敏传感器。
15.可选的，所述加载架顶板通过两组相同刚度系数的压缩弹簧固定在所述支撑立柱上，并采用反力架施加轴向弹性约束。
16.可选的，所述供水系统包括储水罐、用于控制所述储水罐水压的压力控制器以及连接所述储水罐与所述路基模型箱主体的导水管。
17.可选的，所述压力控制器包括气泵、连接所述气泵与所述储水罐的导管以及安装于所述导管上的控压阀门。
18.可选的，所述信号采集系统包括安装于所述路基模型箱主体内的激光位移计和埋设于路基模型箱主体内部土体中的土压力盒、孔隙水压力计以及张力计。
19.可选的，所述颗粒迁徙追踪系统采用3d-dic系统，包括高速摄像机、高精度测量头、同步触发器、测量软件、标定板以及图形工作站。
20.可选的，所述力敏传感器由dyly-108型称重传感器和cyy-jsd01加速度传感器组成。
21.本技术的有益效果如下：
22.1、本技术提出的非饱和宕渣路基响应场演化可视化研究试验系统，可实现循环荷载及渗流场的同步施加。其中，本技术可实现多种幅值-频率组合循环荷载的施加，幅值与频率可通过力敏传感器精准控制；同样地，渗流速度也可控压阀门精准调节，灵活、多变地探究多种组合工况的影响。
23.2、本技术可对动载-渗蚀耦合作用下路基颗粒破碎演化、累积塑性变形特征，细颗粒、水分动态迁徙路径及路基内部响应场分布进行整体模型试验研究，进一步地探究动载-渗流耦合作用下宕渣路基服役性能劣化机理及演变过程。
24.3、本技术提供的试验系统结构简单、操作方便，实用性强，极大简化实验流程。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
26.图1为本技术实施例提供的试验系统整体结构示意图；
27.图2为本技术实施例提供的路基模型填土级配曲线；
28.图3为本技术实施例提供的信号采集系统示意图；
29.图4为本技术实施例提供的颗粒迁徙追踪系统示意图。
30.其中，1、路基模型箱主体；2、动力加载系统；3、供水系统；4、排水集土系统；5、信号采集系统；6、颗粒迁徙追踪系统；7、角钢；8、钢化玻璃；9、钢板；10、泡沫板；11、四氟乙烯膜；12、矩形活动板；13、圆孔；14、孔洞；15、圆台环；16、加载架顶板；17、底板；18、支撑立柱；19、振动电机；20、反力架；21、压缩弹簧；22、变频器；23、加载杆；24、力敏传感器；25、圆形刚性加载板；26、蓄水罐；27、压力控制器；28、导水管；29、第一进水口；30、第二进水口；31、进气口；32、排气口；33、注水压力表；34、出水口；35、排水口；36、连通器；37、气泵；38、控压阀门；39、导管；40、钢支架；41、双层铁盒；42、过滤网；43、第一圆孔；44、排水管；45、激光位移计；46、土压力盒；47、孔隙水压力计；48、张力计；49、动态信号采集模块；50、计算机终端；51、高速摄像机；52、高精度测量头；53、同步触发器；54、标定板；56、图形工作站；57、dyly-108型称重传感器；58、cyy-jsd01加速度传感器；59、转换器；60、分导水管。
具体实施方式
31.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
32.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
33.下面结合附图1-4，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统进行详细地说明。
34.请参见图1所示，本技术实施例提供的一种动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，包括：路基模型箱主体1、用于给所述路基模型箱主体1施加振动的动力加载系统2、用于给所述路基模型箱主体1供水的供水系统3、用于与所述路基模型箱主体1连接并用于排水和收集土壤的排水集土系统4、用于采集所述路基模型箱主体1的各种信息的信号采集系统5以及用于细颗粒及水流体动态迁徙路径追踪的颗粒迁徙追踪系统，其中，
35.所述路基模型箱主体1的尺寸为150cm(长)
×
80cm(宽)
×
100cm(高)，采用5mm厚的
角钢7焊接而成，四周用10mm厚的钢化玻璃8包围，底板采用10mm厚的钢板9焊接。
36.所述路基模型箱主体1的底部铺设1.5cm厚的泡沫板10，用于削弱上部循环荷载在底部发生的应力波反射现象。
37.所述路基模型箱主体1的内部侧壁涂有凡士林并贴有四氟乙烯膜11，以减小土体与侧壁的摩阻力与动力波反射。
38.所述路基模型箱主体1的上部安装有两块长80cm、宽60cm的矩形活动板12，可左右移动。
39.为方便传感器引线导出与激光位移计的安装固定，所述路基模型箱主体1的左侧壁、后侧壁及活动盖板开设若干圆孔13。
40.所述路基模型箱主体1的底部钢板距左侧壁10cm位置开设4个直径5cm间距15cm的孔洞14，孔洞14焊接有上底圆直径2cm、下底圆直径5cm、高10cm的圆台环15，用于实现模型箱内细颗粒及水流的排出。
41.为直观地观察细粒的迁徙路径，所述路基模型箱主体1内填土的粗颗粒骨架采用黑色的中-强风化泥岩，细粒土组分则是采用红壤，两者按照附图2所示级配曲线充分拌匀并压实填筑。
42.加载系统2包括加载架顶板16、底板17、支撑立柱18、振动电机19以及反力架20。所述加载架顶板16通过两组相同刚度系数的压缩弹簧21固定在所述支撑立柱18上，并采用反力架20施加轴向弹性约束。
43.所述加载架顶板16的中心位置安装所述振动电机19，通过变频器22实现精准控制振动电机19的输出激振力强度和振动频率。
44.具体的，所述振动电机19采用mv300/3型三相交流离心式振动电机，所述变频器22采用vfd750型号变频器。
45.所述加载系统2还包括加载杆23、力敏传感器24和圆形刚性加载板25，其中，所述力敏传感器24被用于测量循环动荷载的输出强度和频率。
46.具体的，所述力敏传感器24由dyly-108型称重传感器57和cyy-jsd01加速度传感器58组成。
47.所述供水系统3包括蓄水罐26、压力控制器27以及导水管28。所述蓄水罐26上部设置有第一进水口29、第二进水口30、进气口31、排气口32以及注水压力表33；所述蓄水罐26的下部设置有出水口34及排水口35；所述蓄水罐26的外部设置连通器36，用于实时监测蓄水罐26内部水位高度。
48.其中，所述第一进水口29用于向蓄水罐注水；所述第二进水口30与出水口34连通，进气口31与压力控制器27连通；排气口32与排水口35用于蓄水罐的排气与排水。
49.所述导水管28直径为1cm，连通转换器59，所述转换器59连通9根直径为0.5cm的分导水管60，9根所述分导水管60分3层埋设于路基模型箱主体1右端边坡不同位置。
50.进一步说明的是，所述压力控制器27包括气泵37、控压阀门38以及导管39，所述气泵37通过导管39与蓄水罐26的进气口31相连通，所述控压阀门38安装于所述导管39上，用于调节气泵37供气压力，以此调节蓄水罐26内部压力，以此控制水流速度。
51.所述排水集土系统4包括用于承托所述路基模型箱主体1的钢支架40和焊接于所述钢支架40上并位于所述孔洞14正下方的双层铁盒41，所述双层铁盒41包括可拆卸并用于
收集所述路基模型箱主体1流出的细颗粒的上层铁盒与位于所述上层铁盒下方的下层铁盒，所述上层铁盒的底部贯穿设有多个第一圆孔43，并铺设过滤网42，过滤网42紧贴所述上层铁盒的底部及侧壁；所述下层铁盒的底部贯穿设有用于安装排水管44的第二圆孔(未标号)，所述排水管44与试验场地下水道相连。
52.再结合图3所示，所述信号采集系统5包括安装于所述路基模型箱主体1的左侧壁及上部活动板的激光位移计45、埋设于土体内部的土压力盒46、孔隙水压力计47、张力计48、动态信号采集模块49以及计算机50。
53.其中，所述激光位移计45用于监测路基模型箱主体1的上部及左侧边坡变形。所述土压力盒46用于监测循环加载下路基模型箱主体1内部动应力时程变化。所述孔隙水压力计47与张力计48则是用来实时监测渗流侵蚀下路基模型箱主体1内部孔隙水压及含水率变化特征。所述动态采集模块49用于收集各传感器动态信号，并传输给计算机50进行处理。
54.再结合图4所示，所述颗粒迁徙追踪系统采用3d-dic(digital image correlation)系统，结合双目立体视觉系统和dic技术实现三维空间的位移和应变测量。所述3d-dic系统由两台高速摄像机51、高精度测量头52、同步触发器53、测量软件54、标定板55以及图形工作站56组成。该系统支持瞬时测量物体的空间三维坐标、载荷作用下的位移及应变等数据，能实现细颗粒及水流体动态迁徙路径追踪。
55.本技术的有益效果如下：
56.1、本技术提出的非饱和宕渣路基响应场演化可视化研究试验系统，可实现循环荷载及渗流场的同步施加。其中，本技术可实现多种幅值-频率组合循环荷载的施加，幅值与频率可通过力敏传感器精准控制；同样地，渗流速度也可控压阀门精准调节，灵活、多变地探究多种组合工况的影响。
57.2、本技术可对动载-渗蚀耦合作用下路基颗粒破碎演化、累积塑性变形特征，细颗粒、水分动态迁徙路径及路基内部响应场分布进行整体模型试验研究，进一步地探究动载-渗流耦合作用下宕渣路基服役性能劣化机理及演变过程。
58.3、本技术提供的试验系统结构简单、操作方便，实用性强，极大简化实验流程。
59.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
60.此外，需要指出的是，本技术实施方式中的方法和的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
61.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。

技术特征：
1.一种动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，包括：路基模型箱主体、用于给所述路基模型箱主体施加振动的动力加载系统、用于给所述路基模型箱主体供水的供水系统、用于与所述路基模型箱主体连接并用于排水和收集土壤的排水集土系统、用于采集所述路基模型箱主体的各种信息的信号采集系统以及用于细颗粒及水流体动态迁徙路径追踪的颗粒迁徙追踪系统，其中，所述路基模型箱主体的底部贯穿设有用于细颗粒及水流排出的孔洞；所述排水集土系统包括用于承托所述路基模型箱主体的钢支架和焊接于所述钢支架上并位于所述孔洞正下方的双层铁盒，所述双层铁盒包括可拆卸并用于收集所述路基模型箱主体流出的细颗粒的上层铁盒与位于所述上层铁盒下方的下层铁盒，所述上层铁盒的底部贯穿设有多个第一圆孔，并铺设过滤网，过滤网紧贴所述上层铁盒的底部及侧壁；所述下层铁盒的底部贯穿设有用于安装排水管的第二圆孔。2.根据权利要求1所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述路基模型箱主体的底部铺设有用于削弱上部循环荷载在底部发生的应力波反射现象的泡沫板。3.根据权利要求1或2所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述路基模型箱主体的内部侧壁涂有凡士林并贴有用于减小土体与侧壁摩阻力与动力波反射的四氟乙烯膜。4.根据权利要求1所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述加载系统包括用于承载所述钢支架的底板、竖立设置于所述底板上的支撑立柱、安装于所述支撑立柱顶部并位于所述路基模型箱主体上方的加载架顶板、安装于所述加载架顶板上的振动电机、与所述振动电机连接的变频器、安装于所述路基模型箱主体上的圆形刚性加载板、连接所述圆形刚性加载板与所述振动电机输出端的加载杆以及安装于所述加载杆上的力敏传感器。5.根据权利要求4所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述加载架顶板通过两组相同刚度系数的压缩弹簧固定在所述支撑立柱上，并采用反力架施加轴向弹性约束。6.根据权利要求1所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述供水系统包括储水罐、用于控制所述储水罐水压的压力控制器以及连接所述储水罐与所述路基模型箱主体的导水管。7.根据权利要求6所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述压力控制器包括气泵、连接所述气泵与所述储水罐的导管以及安装于所述导管上的控压阀门。8.根据权利要求1所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述信号采集系统包括安装于所述路基模型箱主体内的激光位移计和埋设于路基模型箱主体内部土体中的土压力盒、孔隙水压力计以及张力计。9.根据权利要求1所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其特征在于，所述颗粒迁徙追踪系统采用3d-dic系统，包括高速摄像机、高精度测量头、同步触发器、测量软件、标定板以及图形工作站。10.根据权利要求4所述的动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，其
特征在于，所述力敏传感器由dyly-108型称重传感器和cyy-jsd01加速度传感器组成。

技术总结
本申请公开了一种动载-渗蚀耦合作用下的宕渣路基响应场演化试验系统，包括：路基模型箱主体、动力加载系统、供水系统、排水集土系统、信号采集系统以及颗粒迁徙追踪系统。本申请的有益效果为：可实现循环荷载及渗流场的同步施加；可实现多种幅值-频率组合循环荷载的施加，幅值与频率可通过力敏传感器精准控制；可对动载-渗蚀耦合作用下路基颗粒破碎演化、累积塑性变形特征，细颗粒、水分动态迁徙路径及路基内部响应场分布进行整体模型试验研究，进一步地探究动载-渗流耦合作用下宕渣路基服役性能劣化机理及演变过程。役性能劣化机理及演变过程。役性能劣化机理及演变过程。


技术研发人员：张玲 陈昀灏 彭文哲 谭景鹏 高琼 史雅倩 刘钟书 彭芯钰
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/16