一种“锅盖效应”现场模型试验的方法及装置与流程

本发明提供一种“锅盖效应”现象的现场模型试验方法及装置，属于非饱和土体水分迁移现场试验方法及装置领域。

背景技术：

作为干旱半干旱寒冷地区机场跑道易发的工程灾害之一，“锅盖效应”引起了工程领域的广泛关注。“锅盖效应”是指由于道面密闭导致道基上部水分不能排出而引起的道基浅层土体含水量增加强度降低的现象。干旱地区地下水位低，地下水毛细作用向上输水范围有限，几乎不能直接补充道基上部土体水分，浅层土体中水分一般来源于温差效应引起的水分迁移在上部形成的冷凝水。道面温度降低使浅层土体温度随之降低，近道面土中水蒸气在道基底部附近区域凝结，同时浅层道基土与温度较为恒定的深层道基土之间也有温差，导致深层土孔隙气中的水蒸气随空气流动向上迁移，深层土体中的水气平衡维持孔隙气体湿度恒定，故深层土体中的液态水会变成水蒸气被空气流动运送到浅层，浅层土中水蒸气继续在道面处凝结而导致上层土含水量持续增加。严重地可引发道基土强度降低、道基翻浆等严重工程灾害。

目前国内还没有专门针对“锅盖效应”这一工程灾害现象有效的现场模型试验方法，这对分析不同地区的“锅盖效应”灾害的成因及防治十分不利。因此，针对“锅盖效应”灾害，提出一种边界条件明确，试验方法简单并能够真实反映土体中“锅盖效应”现象的现场模型试验方法成为亟须解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种大尺寸、边界条件明确、试验方法简单的“锅盖效应”现场模型试验方法及装置，该模型试验方法及装置通过设置大尺寸隔水隔气试验试筒、设置碎石层能够保证试验土体中测得的数据真实反映“锅盖效应”现象，为研究“锅盖效应”这一工程灾害现象提供了一种有力的手段。

本发明所采用的技术方案是：

本发明为解决其技术问题所采用的一种“锅盖效应”现场模型试验装置，试验试筒放置在试验坑底部，在试验试筒的侧壁设置传感器引线管，传感器引线管一侧外壁紧贴试验试筒的内壁，另一侧外壁根据需要开设若干个传感器引线孔，在试验试筒顶部设置混凝土盖板，用来模拟混凝土道面，在试验试筒中回填试验土体，试验试筒底部设置碎石层。

所述试验试筒的材料为隔水隔气的水泥管，内径为1.5米，高度为2.5米，试验土体的土质与试验坑底部土体的土质一致，依据试验的需要设定试验土体的含水率和干密度。

所述传感器引线管分为水平段和垂直段，两段紧密连接为一个整体，传感器引线管的材料为pvc材料，传感器引线管垂直段紧贴试验试筒内壁，传感器引线管水平段紧贴试验试筒顶部边缘。

所述传感器引线孔开设在传感器引线管垂直段远离试验试筒一侧的管壁上，传感器引线孔开设位置与温湿度集成传感器探头在试验土体中的埋深位置一致，传感器引线孔为圆形孔。

所述传感器引线管一部分水平段设置在混凝土盖板底部，混凝土盖板底面与试验试筒顶面、试验土体顶面紧密接触。

所述碎石层的材料为粗粒碎石，厚度为0.3米。

本发明解决其技术问题所采用的一种“锅盖效应”现场模型试验方法，包括如下步骤：

a.试验坑土方开挖并鉴别试验坑底部土体的土质，测定试验坑底部土体的含水率及干密度；

b.将试验试筒固定在试验坑底部，试验坑与试验试筒的空隙用回填土填充并夯实；

c.在固定好的试验试筒内底部填充0.3米厚的碎石层，保证碎石层平整；

d.将传感器引线管垂直段紧贴试验试筒内壁，传感器引线管水平段紧贴试验试筒顶部边缘安装，将连接不同深度位置温湿度集成传感器探头的传感器数据线由传感器引线孔穿入传感器引线管内，再由传感器引线管出口穿出，最终与数据采集仪相连接；

e.根据试验土体的含水率和干密度以及试验试筒除去碎石层所占体积后的容积，计算出制备试验土体所需土的质量和需加入水的质量，然后将试验土体制出；

f.将制备好的试验土体分层回填至试验试筒内部的碎石层上方，每0.05米厚度作为一个分层，分层回填过程中，当回填至温湿度集成传感器探头设计埋深位置时，埋设温湿度集成传感器探头，试验土体全部回填完成后，将埋设的所有传感器数据线与数据采集仪连接，进行读数确保每个位置的温湿度集成传感器探头工作正常；

g.在试验试筒顶部设置混凝土盖板，确保混凝土盖板底面与试验试筒顶面、试验土体顶面及传感器引线管水平段外壁紧密接触；

h.引线管出口附近安装数据采集仪；

i.完成a至h操作后，开始进行试验数据的采集、记录，资料整理及计算。

本发明的优点和产生的有益效果是：

1.本发明是首个提出的专门针对“锅盖效应”工程灾害所设计的现场模型试验，对于“锅盖效应”现象的研究有重要意义；

2.本发明采用大尺寸的试验试筒，使得试验土体具有足够大的深度和直径，从而能够保证在试验土体中测得的数据能够真实反映现场土体中的水气迁移现象；

3.试验试筒底部碎石层的设置，可以使气态水顺利向上迁移，阻止液态水通过毛细作用向上迁移，使试验土体内只有气态水补充而没有液态水补充，从而确保试验土体底部边界条件清晰；

4.本发明采用了防水隔气的材料来制作试验试筒，能够使试验土体模拟处于自然状态下的土体；

5.本发明结构简单，容易操作。

附图说明

图1为本发明试验装置布置剖面图。

图2为传感器引线管的整体结构图。

图3为传感器引线管的开孔位置图。

图1中，1为试验试筒；2为温湿度集成传感器探头；3为传感器引线管；4为传感器引线孔；5为传感器数据线；6为引线管出口；7为混凝土盖板；8为数据采集仪；9为试验土体；10为碎石层。

具体实施方式

为便于理解本发明的内容，下面便对其具体过程做详细陈述。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

如图1所示，本发明所涉及的一种“锅盖效应”现场模型试验装置，所述试验试筒1放置在试验试验坑底部，在试验试筒1的侧壁设置传感器引线管3，传感器引线管3一侧外壁紧贴试验试筒1的内壁，另一侧外壁根据需要开设若干个个传感器引线孔4，在试验试筒1顶部设置混凝土盖板7，用来模拟混凝土道面，在试验试筒1中回填试验土体9，试验试筒1底部设置碎石层10。试验试筒1的材料为隔水隔气的水泥管，内径为1.5米，高度为2.5米。由于采用了隔水隔气材料来制作试验试筒1，能够使试验试筒1内的试验土体9模拟处于自然状态下的土体。由于采用较大体量的试验试筒1设计，从而能够保证在试验土体中测得的数据能够真实反映现场土体中的水气迁移现象。试验土体9的土质与试验坑底部土体的土质一致，依据试验的需要设定试验土体9的含水率和干密度。传感器引线管3分为水平段和垂直段，两段紧密连接为一个整体，传感器引线管3的材料为pvc，直径为0.15米。由于采用pvc材料来制作传感器引线管3，可以保证传感器引线管3的强度，从而可以确保传感器引线管3对传感器数据线5起到有效的保护作用。传感器引线管3垂直段紧贴试验试筒1内壁，传感器引线管3水平段紧贴试验试筒1顶部边缘。用强力胶水将传感器引线管3按上述位置固定在试验试筒1内壁。

传感器引线孔4开设在传感器引线管3垂直段远离试验试筒1一侧的管壁上。传感器引线孔4开设位置与温湿度集成传感器探头2在试验土体9中的埋深位置一致，这样设置可以方便温湿度集成传感器探头2的埋设。传感器引线孔4为圆形孔，圆形孔的设计在满足传感器数据线5能够穿入的前提下，可以使孔的面积尽量小。

传感器引线管3一部分水平段设置在混凝土盖板7底部，混凝土盖板7底面与试验试筒1顶面、试验土体9顶面紧密接触。碎石层10的材料为粗粒碎石，厚度为0.3米。试验试筒1底部粗粒碎石层10的设计，使试验土体9与试验坑底部土体隔离开，碎石层10可以使气态水顺利通过，同时阻止液态水通过毛细作用向上迁移，使试验土体9内只有气态水补充而没有液态水补充，从而确保试验土体9底部边界条件清晰。

设备安装及试验过程如下：

本发明所涉及的一种“锅盖效应”现场模型试验方法，包括如下步骤：

a.试验坑土方开挖并鉴别试验坑底部土体的土质，测定试验坑底部土体的含水率及干密度；

b.将试验试筒1固定在试验坑底部，试验坑与试验试筒1的空隙用回填土填充并夯实；

c.在固定好的试验试筒1底部填充0.3米厚的碎石层10，保证碎石层平整；

d.将传感器引线管3垂直段紧贴试验试筒1内壁，传感器引线管3水平段紧贴试验试筒1顶部边缘安装，将连接不同深度位置温湿度集成传感器探头2的传感器数据线5由传感器引线孔4穿入传感器引线管3内，再由传感器引线管出口6穿出，最终与数据采集仪8相连接；

e.根据试验土体9的含水率和干密度以及试验试筒1除去碎石层10所占体积后的容积，计算出制备试验土体9所需土的质量和需加入水的质量，然后将试验土体9制出；

f.将制备好的试验土体9分层回填至试验试筒1内部的碎石层10上方，每0.05米厚度作为一个分层，分层回填过程中，当回填至温湿度集成传感器探头2设计埋深位置时，埋设温湿度集成传感器探头2，试验土体9全部回填完成后，将埋设的所有传感器数据线5与数据采集仪8连接，进行读数确保每个位置的温湿度集成传感器探头2工作正常；

g.在试验试筒1顶部设置混凝土盖板7，确保混凝土盖板7底面与试验试筒1顶面、试验土体9顶面及传感器引线管3水平段外壁紧密接触；

h.引线管出口6附近安装数据采集仪8；

i.完成a至h操作后，开始进行试验数据的采集、记录，资料整理及计算。