[发明专利]干湿交替环境下胀缩性土路基的变形模拟装置及模拟方法

说明书

一种干湿交替环境下胀缩性土路基的变形模拟装置及模拟方法，包括一路基模型，路基模型设在用于调节温度和湿度的环境发生器内的实验槽中，路基模型的填筑土为干密度1.27g/cm³、粒径小于10mm的红粘土，路基模型的上方安装喷淋式降雨装置，路基模型的下方设有粗砂排水层；TDR探管与路基模型的土体表面垂直，TDR探管延路基模型的长度方向等间距布设成一列，相邻的TDR探管底端不在同一平面；在路基模型的不同深度处分别埋设沉降板，所有沉降板延路基模型的长度方向等间距布设成一列，沉降板由底板和连接管构成，所有测杆均与3cm量程百分表连接；沉降板所在列与TDR探管所在列间隔一定距离。

技术领域

本发明属于土路基模型实验技术领域，涉及一种干湿交替环境下胀缩性土路基的变形模拟装置及模拟方法。

背景技术

胀缩性土是指土中黏粒主要成分为亲水性矿物，具有显著的吸水膨胀和失水收缩变形特性的黏性土，主要以膨胀土和胀缩性红黏土的形式存在。胀缩性土在我国20多个省市均有分布，而在西南部的广西、贵州、云南和四川分布尤为集中。由于胀缩性土的工程特性对气候变化特别敏感，在干湿交替频繁的气候环境下常引发建筑物变形、边坡失稳、路面开裂、隆起等工程灾害。以广西为例，据不完全统计，胀缩性土已造成广西数百万平米的建筑物受损，使已建成的公路、铁路等交通设施的直接经济损失达数亿元，其病害已成为广西自治区的主要工程地质灾害之一，影响大量基础工程设施的建设与生态环境的改善。

胀缩性土因其特殊的矿物组成，对水分的敏感性特别强，在干湿交替频繁的气候环境中，工程特性变化很大，抗剪强度表现出明显的“变动”特性。与此同时，胀缩性土典型的裂隙性对其强度衰减和变形特性具有强烈的影响；例如，含水量变化引起土体胀缩变形达到一定程度时，土中产生裂隙；裂隙的存在破坏土的整体性，降低了强度，同时便于土中水分迁移，使得胀缩性更为显著。广西处于亚热带季风区域，炎热多雨，干湿交替频繁，同时，膨胀土和红粘土在广西全区范围内广泛分布。因此，开展干湿交替环境下胀缩性土的强度和变形研究是一项非常有意义的工作。

目前关于土体干湿循环效应的研究工作大部分都是在实验室内完成：例如，王国利等通过离心模型试验研究了干湿循环下膨胀土边坡的变形和稳定性；杨和平等通过室内干湿循环模拟试验研究了干湿循环效应对膨胀土抗剪强度的影响；刘义虎等对干湿循环下水对膨胀土路基的破坏机理进行了试验研究；吕海波等通过南宁地区原状膨胀土的干湿循环试验研究了抗剪强度与各循环控制参数的关系，并利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布；赵艳林等通过干湿循环试验研究了膨胀土胀缩变形指标的变化规律。但是室内试验由于采用的试验控制参数不同，由此得到的结果有时差异较大，如循环后膨胀率的变化、达到强度参数衰减稳定的循环次数等。事实上膨胀土力学性质变化与干湿路径密切相关，在多种循环方式作用下的强度衰减和胀缩变形必然有明显差异。一部分研究者也进行现场原位观测，如包承刚、刘观仕、孔令伟等，但是由于现场的气象因素、试验对象边界条件以及土层分布的不确定性，会导致试验结果与理论模型之间产生偏差，并且偏差将随时间增加而放大。

在实际工程中，胀缩性土造成的破坏具有多发性、反复性和长期性的特点。为弄清胀缩性土的成灾机理，建立合理的理论模型，进行室内模型试验是一项非常有意义的研究工作。室内模型试验根据相似理论，采用类似于实际工程的小尺寸模型，严格控制边界条件和环境参数，对自然气候下的实际工程进行各种工况下的试验模拟，最大限度的接近于工程实践，可有效克服室内试验的控制参数不同导致试验结果差异较大的缺点；同时，较之现场观测试验，室内模型试验具备边界条件明确、环境参数可控的优点，是联系理论模型与实际工程的桥梁。

发明内容