考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于道路工程领域，涉及一种考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置及方法。

背景技术

据统计，季节性冻土地区约占我国陆地总面积的53.5%，这意味着我国季节性冻土地区的分布与综合交通枢纽规划存在着大面积重叠。因此，我国在开展交通基础设施建设时离不开对冻融课题的关注。土是一种典型的散体颗粒介质，土体颗粒组成及其结构的稳定是维持路基强度、渗透性和抵抗变形等力学与工程性质的重要保障。同时，土体受到的冻融作用，是指大气温度发生周期性变化时，土中的液态水、固态冰与气态水相互转变，并与外界环境不断进行物质和能量交换，是一种常见的物理风化现象。然而，路基土的颗粒组成与性质在荷载、含水量以及温度等复杂交通-环境效应耦合作用下往往会发生累积变化，并最终诱发形成一系列自然或工程灾变（如冻胀、融沉、翻浆及不均匀沉降等）。因此，深入开展路基土在复杂交通-环境效应下的颗粒迁移机制研究对认识和分析上述病害的细观致灾机制和形成演化机制具有十分重要的意义。

开展复杂交通-环境效应下路基土的颗粒迁移机制研究主要是通过室内模拟和室外监测两种途径得以实现。然而，室外监测存在的费用较高、重复性较差等情况使得其广泛适用性值得商榷。同时，目前存在的室内模拟方法也存在一些问题，如直接将土样放入冰箱进行冻结，致使土样由四周向中心冻结，这与实际环境自上而下的降温过程不符；如通过管道包裹土样放入冰箱进行冻结，但土样直径过小，致使管壁由外向内影响土样冻结过程，无法实现土样的单向冻结；如密封包裹土样进行冻结，造成冻融过程中无水源补给；如冻融过程中无法进行荷载加载、水分迁移的考虑，这也与真实交通环境实际存在很大差异。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置及方法，以解决现有复杂交通-环境效应下路基土的颗粒迁移模拟方法无法同时实现土样单向冻结、荷载加载、土颗粒迁移研究以及水分迁移研究的问题。

本发明实施例所采用的技术方案是：考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，包括道路结构模型箱、冻融循环系统和静动力加载系统；

所述的道路结构模型箱，包括：

箱体，箱体内设有道路结构，道路结构包括从上到下依次设置的路面板、路堤结构土体、路床结构土体和地基结构土体；

箱体的一个侧面为透明的高强度保温隔热钢化玻璃，箱体的另外三个侧面的内壁上设置有保温材料层；

冻融循环系统的进气端与道路结构模型箱的顶部连通，在冻结阶段向道路结构模型箱内输送冷气，在融化阶段向道路结构模型箱内输送暖气，控制道路结构的单向冻结和融化；

静动力加载系统的汽车模型设置在路面板上，汽车模型在其加载装置的带动下以设定的静、动荷载等级在路面板上进行往复运行。

进一步的，所述的冻融循环系统，包括：

高低温交变机，高低温交变机的进气端通过出气管道与箱体顶部连通，高低温交变机的出气端通过进气管道与箱体顶部连通，高低温交变机在设定的时间范围内通过进气管道向箱体内提供冷气或暖气，并根据箱体内的实际温度值以及预设温度值控制冷气或暖气的温度，对道路结构进行冻结或融化；

温度传感器，温度传感器设置在箱体的侧壁上，用于测量箱体内的温度， 温度传感器检测的温度反馈至高低温交变机。

进一步的，所述的静动力加载系统，包括：

电动钢制推拉杆，电动钢制推拉杆的端部与液压加载装置固定连接；

液压加载装置，液压加载装置的加载杆竖直设置在汽车模型的顶部中心位置，用于控制汽车模型的静、动荷载等级。

进一步的，路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体分别采用不同颜色的石材染色剂标记；

箱体的高强度保温隔热钢化玻璃前方设置有图像采集系统。

进一步的，所述的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，还包括地下水流模拟系统；

地下水流模拟系统，包括：

水箱，水箱密封设置，且水箱中的水添加有水性荧光剂；

气囊，气囊设置在水箱中；

伺服系统，伺服系统的出气端与气囊内部连通，伺服系统结合气囊控制箱体内的水位高度；

其中，水箱中的水通过进水管道进入箱体内，进水管道上设置有流速球阀；

若探究水气混合迁移，则进水管道位于地基结构土体底部，若探究气态水迁移，则在地基结构土体底部放置毛细水隔断多孔板，进水管道设置在毛细水隔断多孔板底部，毛细水隔断多孔板的孔径＜1μm；

进水管道位于地基结构土体或毛细水隔断多孔板底部的部分上开设有小孔，水从进水管道上的小孔流出。

进一步的，所述的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，还包括监测传感系统，所述的监测传感系统包括多个监测传感元件，每个监测传感元件包括力敏传感器、位移传感器、孔隙水压力传感器及体积含水率传感器；

在路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体中分别埋装多个监测传感元件。

进一步的，所述的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，还包括数据采集系统，所述的数据采集系统包括数据采集仪，数据采集仪与路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体中的各个监测传感元件电连接，用以采集各个监测传感元件的数据。

本发明实施例所采用的另一技术方案是：考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验方法，采用如上所述的虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，包括以下步骤：

填筑土样：

通过击实试验及筛分试验等系列基本物理性能试验获取试验土样的基本物理性能参数；然后，依据公路路基设计规范，对土样烘干处理后进行最佳含水率的配置，并对路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体依次进行96%、93%和91%压实度的填筑，采用SINO-401石材染色剂对路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体进行不同颜色的染色标记，各结构层在填筑过程中埋装监测传感元件；

水源补给：

水箱中的水添加SINO水性荧光剂；然后，通过伺服系统对气囊充入不同等级气压，使气囊发生对应的体积变形；水箱中的水在伺服系统以及气囊的控制下通过进水管道进入箱体中，通过进水管道上的小孔实现土体的水源补给；

冻融循环：

在冻结过程中，开启高低温交变机使得冷空气从进气管道进入箱体中，并通过出气管道进行大气循环；当温度传感器监测的温度达到预设负温后，停止冷空气温度下降，并进行预设时间的冻结过程；在融化过程中，高低温交变机输出的暖气从进气管道进入箱体中，当温度传感器监测的温度达到预设正温后，停止暖气温度上升，并进行预设时间的融化过程；

静-动力组合加载：

通过电动钢制推拉杆带动汽车模型在路面板上进行往复运行，以模拟季节性冻土地区真实的交通状态，并通过安装在汽车模型上的液压加载装置模拟季节性冻土地区真实的静、动荷载作用；

土体状态的实时监测：

通过各个监测传感元件，实时监测路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体的土体在复杂交通-环境效应下的受力、变形及孔隙水压力变化；

图像采集分析：

利用图像采集系统通过荧光素追踪方法确定试验中不同阶段的水分迁移及冻结锋面变化；

数据的采集分析：

通过与各个监测传感元件电性连接的数据采集仪，获得路堤结构土体、路床结构土体、地基结构土体的土体在冻融作用及动-静组合荷载作用下的受力状态、轴向变形量以及土样内部孔隙水压力的反复累积与消散过程；

颗粒迁移结果获取：

在数据采集分析完成后，将道路结构模型箱内的道路结构的各结构层分开，对于每一结构层，拍照后通过PCAS软件使用图像识别的方法进行颜色识别，得到每一结构层的每种颜色颗粒的面积；以各种颜色颗粒的面积之比等于其质量之比，根据总质量计算得到每一结构层各个颜色颗粒的质量，即可追踪道路结构中各结构层的颗粒迁移结果。

进一步的，对于每一结构层，通过PCAS软件使用图像识别的方法进行颜色识别，得到每一结构层的每种颜色颗粒的面积的具体流程如下：

对于每一结构层，每次以所要提取的颗粒颜色为白色、其他颗粒颜色为黑色对拍照获得的图像进行二值化处理，然后分别统计每种颗粒颜色的二值化图像中白色颗粒的面积，即为每一结构层每种颜色颗粒的面积。

进一步的，在追踪得到道路结构中各结构层的颗粒迁移结果后，对试验前后的颗粒迁移结果进行对比，分析土体水分在冻融作用下由暖端向冷端迁移以及迁移过程中孔隙水压力形成的抽吸作用所造成的土颗粒迁移结果。

本发明实施例的有益效果是：可模拟外界真实的环境温度变化，快速实现土体由上自下的单向冻结融化过程；同时，可模拟季冻区路基土遭受的地下水源补给以及实现静、动荷载等级的控制，并实时监测土体在复杂交通-环境效应下的受力、变形、水分迁移、冻结锋面及孔隙水压力变化，通过使用SINO水性荧光剂配合工业相机拍照以及图像处理技术，实现水分迁移模拟和追踪，通过石材染色剂对不同土层颗粒进行染色标记，并结合工业相机拍照以及图像处理技术，得到各层颗粒的迁移结果，同时实现了土样单向冻结、荷载加载、土颗粒迁移研究以及水分迁移研究，解决了现有复杂交通-环境效应下路基土的颗粒迁移模拟方法无法同时实现土样单向冻结、荷载加载、土颗粒迁移研究以及水分迁移模拟的问题，从而为土颗粒在复杂交通-环境效应下的颗粒迁移机制研究提供数据支撑。成本低、易于复刻且方便快捷，适用性强，便于推广使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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他的附图。

图1是本实施例的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置的结构示意图。

图2是本实施例的道路结构模型箱的示意图。

图3是本实施例的静动力加载系统的结构示意图。

图4是本实施例的监测传感系统的结构示意图。

图中，1.箱体，2.高强度保温隔热钢化玻璃，3.活动卡扣，4.路面板，5.路堤结构土体，6.路床结构土体，7.地基结构土体，8.保温材料层，9.毛细水隔断多孔板，10.高低温交变机，11.进气管道，12.出气管道，13.温度传感器，14.水箱，15.伺服系统，16.气囊，17.流速球阀，18.进水管道，19.电动钢制推拉杆，20.液压加载装置，21.汽车模型，22.监测传感元件，23.力敏传感器，24.位移传感器，25.孔隙水压力传感器，26.体积含水率传感器，27.工业相机，28.数据采集仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提出一种考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，如图1~2所示，包括道路结构模型箱、冻融循环系统和静动力加载系统，其中：

所述的道路结构模型箱，包括：

箱体1，箱体1内设有道路结构，道路结构包括从上到下依次设置的路面板4、路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7，路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7分别采用不同颜色的石材染色剂标记；

活动卡扣3，箱体1与对应的箱盖通过活动卡扣3卡接，保证道路结构模型箱的密封性；

毛细水隔断多孔板9，毛细水隔断多孔板9用于隔离外界液态水，以控制水分迁移模式，若探究气态水迁移，则在地基结构土体7底部放置毛细水隔断多孔板9；若探究水气混合迁移，则在地基结构土体7底部不放置毛细水隔断多孔板9；为便于隔离外界液态水，毛细水隔断多孔板9的孔径＜1μm。

箱体1的一个侧面为透明的高强度保温隔热钢化玻璃2，高强度保温隔热钢化玻璃2前方设置有图像采集系统，可便于观察土体在试验过程中的变化，箱体1的另外三个侧面的内壁上设置有保温材料层8，以便于实现土体的单向冻融过程。

冻融循环系统的进气端与道路结构模型箱的顶部连通，在冻结阶段向道路结构模型箱内输送冷气，在融化阶段向道路结构模型箱内输送暖气，控制道路结构的单向冻结和融化。所述的冻融循环系统，包括：

高低温交变机10，高低温交变机10的进气端通过出气管道12与箱体1顶部连通，高低温交变机10的出气端通过进气管道11与箱体1顶部连通，高低温交变机10在设定的时间范围内通过进气管道11向箱体1内提供冷气或暖气，并根据箱体1内的实际温度值以及预设温度值控制冷气或暖气的温度，对道路结构进行冻结或融化；

温度传感器13，温度传感器13设置在箱体1的侧壁上，用于测量箱体1内的温度，温度传感器13检测的温度反馈至高低温交变机10，达到预设温度后，高低温交变机10以设定温度在设定时间内对试样进行冻结/融化处理。该冻融循环系统可模拟外界实际的环境变化，实现土体由上自下的降温冻结过程和升温融化过程。

静动力加载系统的汽车模型21设置在路面板4上，汽车模型21在其加载装置的带动下以设定的静、动荷载等级在路面板4上进行往复运行。所述的静动力加载系统，包括：

电动钢制推拉杆19，电动钢制推拉杆19的端部与液压加载装置20固定连接；

液压加载装置20，液压加载装置20安装在汽车模型21上，用于控制汽车模型21的静、动荷载等级。

具体的，如图3所示，液压加载装置20的加载杆竖直设置在汽车模型21的顶部中心位置，通过液压加载装置20实现静、动荷载等级的控制，电动钢制推拉杆19工作通过液压加载装置20带动汽车模型21在路面板4上进行往复运行。

本实施例的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，还包括地下水流模拟系统，所述的地下水流模拟系统包括：

地下水流模拟系统，包括：

水箱14，水箱14密封设置，且水箱14中的水添加有水性荧光剂；

气囊16，气囊16设置在水箱14中；

伺服系统15，伺服系统15的出气端与气囊16内部连通，伺服系统15结合气囊16控制箱体1内的水位高度，实现不同水头下的水分迁移和土颗粒迁移研究；

其中，水箱14中的水通过进水管道18进入箱体1内，进水管道18上设置有流速球阀17，可调节进水管道18的水流流速，防止因水流流速过大对土样形成渗透破坏。

若探究水气混合迁移，则进水管道18位于地基结构土体7底部，若探究气态水迁移，则在地基结构土体7底部放置毛细水隔断多孔板9，进水管道18设置在毛细水隔断多孔板9底部；进水管道18位于地基结构土体7或毛细水隔断多孔板9底部的部分上开设有小孔，水从进水管道18上的小孔流出，实现土体的水源补给。

具体的，伺服系统15简是一个可以实现不同等级气压充入的气泵，通过伺服系统15对气囊16充入不同等级的气压，使得气囊16发生对应的体积变形，实现箱体1内的水头控制。

本实施例的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，还包括监测传感系统，所述的监测传感系统包括多个监测传感元件22，如图4所示，每个监测传感元件22包括力敏传感器23、位移传感器24、孔隙水压力传感器25及体积含水率传感器26，在路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7中分别埋装多个监测传感元件22，以监测各层结构土体在复杂交通-环境效应下的受力、变形及孔隙水压力变化，从而为土颗粒在复杂交通-环境效应下的颗粒迁移机制研究提供数据支撑。

所述的图像采集系统包括工业相机27，工业相机27设置在箱体1的透明的高强度保温隔热钢化玻璃2前方，用于通过透明的高强度保温隔热钢化玻璃2追踪试验过程中的水分迁移及冻结锋面变化。

本实施例的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，还包括数据采集系统，所述的数据采集系统包括数据采集仪28，数据采集仪28与路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7中的各个监测传感元件22电连接，用以采集各个监测传感元件22的数据。

实施例2

本实施例提出一种考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验方法，采用实施例1的考虑复杂交通-环境效应的土颗粒迁移模型试验装置，包括以下步骤：

填筑土样：

首先，通过击实试验及筛分试验等系列基本物理性能试验获取试验土样的基本物理性能参数；然后，依据公路路基设计规范(JTG D30-2015)，对土样烘干处理后进行最佳含水率的配置，并对路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7依次进行96%、93%和91%压实度的填筑。采用SINO-401石材染色剂对路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7进行不同颜色的染色标记，如将路堤结构土体5标记为黄色、路床结构土体6标记为绿色、地基结构土体7标记为红色，且各结构层在填筑过程中埋装监测传感元件22，以便监测土体在复杂交通-环境效应下的受力、变形及孔隙水压力变化，从而为土颗粒在复杂交通-环境效应下的颗粒迁移机制研究提供数据支撑；

水源补给：

水箱14中的水添加SINO水性荧光剂；然后，通过伺服系统15对气囊16充入不同等级的气压，使气囊16发生对应的体积变形；水箱14中的水在伺服系统15以及气囊16的控制下从进水管道18进入箱体1中，通过进水管道18上的小孔实现土体的水源补给；此外，通过流速球阀17调节管道中的水流流速防止因水流流速过大对土样形成渗透破坏，值得注意的是，当水箱14中的水位达到警戒线后，需对进行自动补水；

冻融循环：

在冻结过程中，开启高低温交变机10使得冷空气从进气管道11进入箱体1中，并通过出气管道12进行大气循环；当温度传感器13监测的温度达到预设负温后，停止冷空气温度下降，并进行预设时间的冻结过程；在融化过程中，高低温交变机10输出的暖气从进气管道11进入箱体1中，当温度传感器13监测的温度达到预设正温后，停止暖气温度上升，并进行预设时间的融化过程，结合保温材料层8可模拟外界实际的环境变化，实现土体由上自下的单向冻结融化过程；

静-动力组合加载：

通过电动钢制推拉杆19带动汽车模型21在路面板4上进行往复运行，以模拟季节性冻土地区真实的交通状态，并通过安装在汽车模型21上的液压加载装置20模拟季节性冻土地区真实的静、动荷载作用；

土体状态的实时监测：

通过各个监测传感元件22，实时监测路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7的土体在复杂交通-环境效应下的受力、变形及孔隙水压力变化；

图像采集分析：

由于土样水分含有荧光素，可以使未冻区呈现明亮的黄绿色以及在冻结区呈现深褐色，因此可利用图像采集系统的工业相机27通过荧光素追踪方法确定试验中不同阶段的水分迁移及冻结锋面变化；

数据的采集分析：

通过与各个监测传感元件22电性连接的数据采集仪28，获得路堤结构土体5、路床结构土体6、地基结构土体7的土体在冻融作用及动-静组合荷载作用下的受力状态、轴向变形量以及土样内部孔隙水压力的反复累积与消散过程，为试验结果提供机理解释；

颗粒迁移结果获取：

考虑到土体颗粒体积小、数量多，人工分拣确定颗粒迁移结果存在一定困难性，在数据采集分析完成后，将道路结构模型箱内的道路结构的各结构层分开，对于每一结构层，拍照后通过PCAS软件使用图像识别的方法进行颜色识别，得到每一结构层的每种颜色颗粒的面积；近似认为各种颗粒颜色的颗粒面积之比等于其质量之比，根据总质量计算得到每一结构层各个颜色颗粒的质量，即可追踪道路结构中各结构层的颗粒迁移结果；

其中，对于每一结构层，通过PCAS软件使用图像识别的方法进行颜色识别，得到每一结构层的每种颜色颗粒的面积的具体流程如下：

对于每一结构层，每次以所要提取的颗粒颜色为白色、其他颗粒颜色为黑色对拍照获得的图像进行二值化处理，然后分别统计每种颗粒颜色的二值化图像中白色颗粒的面积，即为每一结构层每种颜色颗粒的面积。

最后，对试验前后的颗粒迁移结果进行对比，定性、定量地分析土体水分在冻融作用下由暖端向冷端迁移以及迁移过程中孔隙水压力形成的抽吸作用所造成的土颗粒迁移结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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，均包含在本发明的保护范围内。