專利名稱：低路堤防排水試驗系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明屬于檢驗高速公路細粒土低路提防排水效果的試驗技術領域，具體涉及一 種低路提防排水試驗系統(tǒng)及其方法。
背景技術：
目前我國公路用地指標偏高，平原地區(qū)高速公路路基平均填土高度3. 7m 5m，路 基過高將造成土石方數(shù)量增加，橋涵、排水和防護工程數(shù)量增加，公路用地面積增大，工程 規(guī)模大，造價高，對周圍自然環(huán)境也產生負面影響。隨著國家高速公路網和農村公路建設的 全面實施，環(huán)境和資源約束的矛盾更加突出。節(jié)約土地是公路建設必須優(yōu)先考慮的問題。我 國平原地區(qū)高速公路路基平均填土高度較大，已不能適應建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社 會的要求。降低路基高度，采用低路提方案是實現(xiàn)土地節(jié)約的有效措施。雖然低路提方案具有“節(jié)約土地、降低工程規(guī)模、節(jié)省工程投資、路側安全性好、與 自然、人文環(huán)境和諧”的優(yōu)點；但低路提也存在排水困難問題，氣候環(huán)境、地下水等對路基土 性能產生顯著影響，不僅造成路基土長期強度衰減，而且含水量較高的路基在重型汽車動 荷載作用下將產生較大的塑性變形，并加劇軟土地基的沉降變形，導致路基路面產生過早 的變形破壞。因此，要保證低路提在抵抗環(huán)境影響和汽車荷載作用時具有足夠的強度，就 必須采取十分有效的防排水技術措施，但目前尚無成熟的低路提防排水設計方法與技術措 施。為此，尋求一種科學有效的檢驗低路提防排水效果的試驗方法和設備，已經成為低路提 防排水設計乃至整個低路提工程建設中一個亟待解決的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種低路提防排水試驗系統(tǒng)及其方法，用于檢驗高速公路細 粒土低路提防排水效果，為低路提防排水設計和施工提供科學的依據(jù)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的地下水位、土的類型以及環(huán)境因素是影響低路基濕度的主要因素，而路基濕度對 路基回彈模量具有重要的影響。隨著濕度的增大路基回彈模量將會降低，其抵抗變形的能 力會大大減弱，從而影響路基的使用壽命。對于一般粘質土和粉質土路基，毛細水上升高度 為地下水位線以上0. 5 1. 0m，通常毛細水高度范圍內這部分路基含水量過高。若在路基 內部設置一定厚度的沙石墊層，由于沙石墊層孔徑較大，不易形成毛細帶，從而可以阻止毛 細水的上升，起到防水的效果；若在路基內部設置透水性較好的PVC軟式透水管或三維復 合排水網等，再設置相應排水通道，則可將滲入路基的地面水和部分地下水排出，從而降低 地下水位，到達排水的目的。然而，如何檢驗路基中防排水設施的效果，反過來指導低路提 防排水設計顯得十分重要。為檢驗低路基中防排水設施的效果，本發(fā)明設計了三個模型槽，分別模擬三種工 況，用以比較。工況一，不設防排水設施；工況二，設置普通沙墊層防水材料；工況三，設置 新型復合防排水材料。
地下水在粘質土或粉質土壓實路基中上升緩慢，為加快試驗速度，在模型槽底部鋪設一層IOcm厚的碎石層作為持水層，其上鋪設一層透水土工布，防止地基細粒土落入碎 石孔隙中。同時在通入模型槽的進水口處設置濾網，防止碎石堵塞進水管道。為了消除溫度對試驗結果的影響，試驗要求在(25士2°C )的恒溫試驗室中進行。具體地說，本發(fā)明包括低路提防排水試驗系統(tǒng)和低路提防排水試驗方法。一、低路提防排水試驗系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))本系統(tǒng)包括有機玻璃模型箱、帶刻度水箱、聯(lián)結管路、進水閥門、排水閥門、濾網、 自來水、碎石持水層、透水土工布、地基填土、路提填土、滲水土工織物、沙墊層防水設施、 PVC滲溝、新型復合防排水板、孔隙水壓力計、土壤吸力傳感器、含水率探頭、帶排水孔的隔 板和綜合測試儀；帶刻度水箱、聯(lián)結管路和有機玻璃模型箱前后依次連接成一個整體；在帶刻度水箱內盛有自來水；在聯(lián)結管路上設置有進水閥門和排水閥門，在聯(lián)結管路插入有機玻璃模型箱內的 端口連接有濾網；在有機玻璃模型箱內設置有兩塊帶排水孔的隔板，將有機玻璃模型箱分隔成三個 大小一樣的第1、2、3模型槽；在第1模型槽內，底部鋪設碎石持水層和透水土工布，下部填筑地基填土，上部填 筑路提填土；在第2模型槽內，從下到上依次鋪設有碎石持水層、透水土工布、地基填土、滲水 土工織物、沙墊層防水設施和填筑路提填土 ；在第3模型槽內，從下到上依次鋪設有碎石持水層、透水土工布、地基填土、PVC滲 溝、新型復合防排水板和填筑路提填土 ；在第1、2、3模型槽內埋設傳感儀器在地基填土內的同一高度埋設有兩組孔隙水壓力計、土壤吸力傳感器和含水率探 頭；在路提填土內上下不同高度內分別埋設有兩組孔隙水壓力計、土壤吸力傳感器和 含水率探頭。用導線引出傳感儀器如孔隙水壓力計、土壤吸力傳感器和含水率探頭到有機玻璃 模型箱外的綜合測試儀。二、低路提防排水試驗方法(簡稱方法)本方法基于上述的低路提防排水試驗系統(tǒng)，包括以下步驟①以實際工程中的最優(yōu)含水率為控制標準，用三個模型槽分別進行路基分層填 筑，可同時模擬三種不同防排水設施情況；②利用帶刻度水箱控制地下水位升降；③用導線引出傳感儀器如孔隙水壓力計、土壤吸力傳感器和含水率探頭到有機玻 璃模型箱外的綜合測試儀進行含水量、孔壓和吸力讀數(shù)的數(shù)據(jù)觀測和記錄；④將觀測數(shù)據(jù)按力學有關分析處理后為低路提防排水設計和施工提供科學依據(jù)。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果①可較好地模擬實際工程，直觀地獲得低路提在鋪設各種防排水材料前后含水量、孔隙水壓力及吸力的變化規(guī)律，從而檢驗不同防排水設施的使用效果；②可以精確模擬地下水位升降對于路基性能影響；③為制定我國低路提防排水設計和施工技術規(guī)范提供科學依據(jù)；④試驗成本低，經濟效益巨大，有利于節(jié)約土地、降低工程規(guī)模、節(jié)省工程投資、路側安全性好，與自然、人文環(huán)境和諧?？傊?，本發(fā)明可直觀地獲得低路提在鋪設各種防排水材料前后的含水量、孔隙水 壓力及吸力的變化規(guī)律，從而檢驗不同防排水設施的使用效果，具有接近實際工程、規(guī)模合 理及可模擬的工況多等優(yōu)點，可為低路提防排水設計和施工提供科學技術保障。


圖1是低路提防排水試驗系統(tǒng)主視圖；圖2是圖1的I-I剖視圖；圖3是圖1的II-II剖視圖。其中1-有機玻璃模型箱； 2-帶刻度的水箱；3-聯(lián)結管路；
4-進水閥門； 5-排水閥門； 6-濾網；7-自來水；8-碎石持水層；9-透水土工布；10-地基填土；11-路提填土；12-滲水土工織物；13-沙墊層防水設施； 14-PVC滲溝；15-新型復合防排水板；16-孔隙水壓力計；17- 土壤吸力傳感器； 18-含水率探頭；19-帶排水孔的隔板；六、8、(-第1、2、3模型槽。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例詳細說明一、系統(tǒng)1、總體如圖1、2、3，本系統(tǒng)包括有機玻璃模型箱1、帶刻度水箱2、聯(lián)結管路3、進水閥門4、 排水閥門5、濾網6、自來水7、碎石持水層8、透水土工布9、地基填土 10、路提填土 11、滲水 土工織物12、沙墊層防水設施13、PVC滲溝14、新型復合防排水板15、孔隙水壓力計16、土 壤吸力傳感器17、含水率探頭18、帶排水孔的隔板19和綜合測試儀；帶刻度水箱2、聯(lián)結管路3和有機玻璃模型箱1前后依次連接成一個整體；在帶刻度水箱2內盛有自來水7 ；在聯(lián)結管路3上設置有進水閥門4和排水閥門5，在聯(lián)結管路3插入有機玻璃模型 箱1內的端口連接有濾網6;在有機玻璃模型箱1內設置有兩塊帶排水孔的隔板，將有機玻璃模型箱1分隔成 三個大小一樣的第1、2、3模型槽A、B、C ；在第1模型槽A內，底部鋪設碎石持水層8和透水土工布9，下部填筑地基填土 10， 上部填筑路提填土 11 ；
在第2模型槽B內，從下到上依次鋪設有碎石持水層8、透水土工布9、地基填土 10、滲水土工織物12、沙墊層防水設施13和填筑路提填土 11 ；在第3模型槽C內，從下到上依次鋪設有碎石持水層8、透水土工布9、地基填土 10、PVC滲溝14、新型復合防排水板15和填筑路提填土 11 ；在第1、2、3模型槽A、B、C內埋設傳感儀器地基填土 10內的同一高度埋設有兩組孔隙水壓力計16、土壤吸力傳感器17和含 水率探頭18 ；在路提填土 11內上下不同高度內分別埋設有兩組孔隙水壓力計16、土壤吸力傳 感器17和含水率探頭18。用導線引出傳感儀器如孔隙水壓力計16、土壤吸力傳感器17和含水率探頭18到 有機玻璃模型箱1外的綜合測試儀。工作原理該系統(tǒng)主要由有機玻璃模型箱1和帶刻度水箱2兩大部件組成。兩大部件由聯(lián)結 管路3相互連通，為了控制有機玻璃模型箱1內水位升降并保證刻度水箱2排水操作方便， 在聯(lián)結管路3上安裝了進水閥門4和排水閥門5。為保證有機玻璃模型箱1在路提填筑過 程中不產生過大變形而破壞，在有機玻璃模型箱1四周利用角鋼進行加固。地下水在粘質 土或粉質土壓實路基中上升緩慢，為加快試驗速度，在有機玻璃模型箱1底部鋪設一定厚 度的碎石持水層8，其上鋪設一層透水土工布9，防止地基土顆粒落入碎石孔隙中。因設置 有帶排水孔的隔板19，保證了碎石持水層8底部水流通暢；同時在通入有機玻璃模型箱1 的進水口處設置濾網6，防止碎石堵塞進水管道。為了形成密閉條件，保證試驗過程中有機 玻璃模型箱1不漏水，在有機玻璃模型箱1和聯(lián)結管路3接口處涂上玻璃膠或真空脂。為 了模擬真實的公路路基情況，在有機玻璃模型箱1內按不同壓實度分層填筑地基填土 10和 路提填土 11。為比較不同防排水設施下的防排水效果，試驗時分三種工況工況一，在第1模型槽A內，不設防排水設施；工況二，在第2模型槽B內，設置沙墊層防水設施13 ；工況三，在第3模型槽C內，設置新型復合防排水板15。防排水設施鋪設在地基填土 10和路提填土 11之間，以模擬實際工程情況。為保 證沙墊層防水設施13阻隔毛細水上升的效果，在沙墊層防水設施13周圍包裹一層滲水土 工織物12。對于新型復合防排水板15，需設置排水通道，即PVC滲溝14，PVC滲溝14周圍 用細沙包裹，作用是在路提壓實過程中保證PVC滲溝14不被破壞。模型填筑過程中，根據(jù) 需要在不同深度處埋設傳感儀器如孔隙水壓力計16、土壤吸力傳感器17和含水率探頭18。 傳感儀器分別在防排水設施上部和下部分層埋設，以觀測不同高度處路基土體的含水量、 孔隙水壓力和基質吸力，從而檢驗防排水設施的防排水效果。2、功能部件本系統(tǒng)的功能部件均為常用件。1、有機玻璃模型箱1有機玻璃模型箱1是一個由IOmm厚的有機玻璃粘結而成的模型箱，大小為240cmX80cmX160cm左右，可以根據(jù)試驗容量的大小作出調整。另外利用30mmX30mmX4mm角鋼焊接而成的框架，用于加固有機玻璃模型箱1，保證模型箱在路基填筑過程中不被破 壞，角鋼框架大小及角鋼規(guī)格可根據(jù)玻璃模型箱作適當調整。在有機玻璃模型箱1中間利用兩塊IOmm厚的帶排水孔的隔板19隔開，形成三個 體積相等的模型槽。每塊帶排水孔的隔板19其底部開設3 5個直徑為3cm的圓孔作為 排水孔。2、帶刻度水箱2帶刻度水箱2是一個由5mm厚的有機玻璃粘結而成的帶刻度水箱。底部開設1個 直徑為3cm的排水圓孔，水箱大小為30cmX 30cmX 120cm左右，可以根據(jù)試驗容量的大小作
出調整。3、聯(lián)結管路3聯(lián)結管路3是一根直徑為3cm的有機玻璃水管，用于連接有機玻璃模型箱1和帶 刻度水箱2。在透聯(lián)結管路3和有機玻璃模型箱1連接的端口封上濾網6，防止碎石堵塞。4、碎石持水層8碎石持水層8是由直徑在Icm 3cm之間的碎石或卵石均勻鋪設的厚度約IOcm 一層碎石層，用于加快地下水在路基中的滲透速度。5、地基填土 10地基填土 10是一層80cm厚的壓實度在85%左右的壓實粘土，用于模擬實際低路 提工程中的地基，其具體厚度可根據(jù)有機玻璃模型箱1的容量作出調整。6、路提填土 11路提填土 11是一層IOOcm厚的壓實度在93%左右的壓實粘土，用于模擬實際低路 提工程中的路提，其具體厚度可根據(jù)有機玻璃模型箱1的容量作出調整。7、沙墊層防水設施13沙墊層防水設施13是一層厚度約為IOcm的細粒沙層，用于阻隔毛細水的上升，從 而達到防水效果。8、透水土工布9、滲水土工織物12、PVC滲溝14、新型復合防排水板15、孔隙水壓 力計16、土壤吸力傳感器17和含水率探頭18等均有上市產品。9、綜合測試儀綜合測試儀有上市產品。二、方法步驟①中，關于以實際工程中的最優(yōu)含水率為控制標準，用三個模型槽分別進行 路基分層填筑，可同時模擬三種不同防排水設施情況。1、儀器設備1)擊實儀由擊實筒、擊錘和護筒組成，其尺寸應符合《土工試驗規(guī)程 SL237-1999))的規(guī)定；2)標準篩孔徑為20mm的圓孔篩和5mm標準篩；3)烘箱可采用電熱烘箱或溫度能保持在105 110°C下的其他能源烘箱，也可用 紅外線烘箱；4)天平感重 0. Ig;5) 土壤水分傳感器量程0 100%，精度1 % ；
6)孔隙水壓力探頭量程0 4MPa，精度0. IKPa ；7) 土壤吸力傳感器量程0 500KPa，精度0. IKPa ；8)綜合測試儀可通過連接各傳感器進行含水量、孔壓和吸力讀數(shù)；9)其它碾土設備、盛土器、噴水設備、修土刀和保濕設備等。2、試驗步驟①取一定量的代表性風干土樣，進行室內輕型擊實試驗，按照《土工試驗規(guī)程 SL237-1999))的要求確定填土的最優(yōu)含水量和最大干密度；②選擇直徑為5mm 20mm的碎石均勻地鋪于有機玻璃模型箱1底部用于做碎石 持水層8，碎石厚度為IOcm;③碎石持水層8鋪設完成后，在其上鋪一層透水土工布9 ；④利用擊實試驗得到的最優(yōu)含水量為控制標準對路提進行分層填筑，為了能模擬 現(xiàn)場的路提填筑，盡量達到現(xiàn)場施工的壓實度，在分層填筑時，嚴格控制每層的松鋪厚度， 填筑厚度采用側壁畫線的方法控制，利用擊錘進行夯實，夯實后填土厚度為10 15cm，各 層交界面的土面應刨毛；⑤填筑到指定高度時在第2、3模型槽B、C中分別鋪設20cm厚沙墊層防水設施13 和新型復合防排水板15，分層填筑的同時，在需要觀測的位置進行傳感儀器埋設，傳感儀器 連線沿模型槽內側壁引出槽外，以方便連接綜合測試儀；⑥填筑完成后關閉進水閥門4和排水閥門5，在帶刻度水箱2中注入自來水7到一 定高度，記下讀數(shù)。然后打開進水閥門4，讓自來水7充滿持水碎石層8，待帶刻度水箱2里 水頭穩(wěn)定，記下此時讀數(shù)即為模擬地下水位高度；⑦進行含水量、孔隙水壓力和吸力觀測，觀測頻率為1次/12小時；⑧根據(jù)需要確定觀測日期，模擬下一地下水位高度之前，打開排水閥門5，讓帶刻 度水箱2里面的自來水7全部排出，與此同時，繼續(xù)觀測各傳感儀器讀數(shù)，待讀數(shù)穩(wěn)定，關閉 排水閥門5，繼續(xù)模擬下一地下水位，每次重復上述步驟，直到試驗完成為止。3、本試驗還可以進行不同沙墊層厚度、不同沙墊層鋪設高度、不同新型防排水材料及鋪設高度等工況下的路提土含水量、孔隙水壓力和吸力測試，用來檢驗不同工況下的 防排水設施的使用效果。
權利要求
一種低路堤防排水試驗系統(tǒng)，其特征在于包括有機玻璃模型箱(1)、帶刻度水箱(2)、聯(lián)結管路(3)、進水閥門(4)、排水閥門(5)、濾網(6)、自來水(7)、碎石持水層(8)、透水土工布(9)、地基填土(10)、路堤填土(11)、滲水土工織物(12)、沙墊層防水設施(13)、PVC滲溝(14)、新型復合防排水板(15)、孔隙水壓力計(16)、土壤吸力傳感器(17)、含水率探頭(18)、帶排水孔的隔板(19)和綜合測試儀；帶刻度水箱(2)、聯(lián)結管路(3)和有機玻璃模型箱(1)前后依次連接成一個整體；在帶刻度水箱(2)內盛有自來水(7)；在聯(lián)結管路(3)上設置有進水閥門(4)和排水閥門(5)，在聯(lián)結管路(3)插入有機玻璃模型箱(1)內的端口連接有濾網(6)；在有機玻璃模型箱(1)內設置有兩塊帶排水孔的隔板19，將有機玻璃模型箱(1)分隔成三個大小一樣的第1、2、3模型槽(A、B、C)；在第1模型槽(A)內，底部鋪設碎石持水層(8)和透水土工布(9)，下部填筑地基填土(10)，上部填筑路堤填土(11)；在第2模型槽(B)內，從下到上依次鋪設有碎石持水層(8)、透水土工布(9)、地基填土(10)、滲水土工織物(12)、沙墊層防水設施(13)和填筑路堤填土(11)；在第3模型槽(C)內，從下到上依次鋪設有碎石持水層(8)、透水土工布(9)、地基填土(10)、PVC滲溝(14)、新型復合防排水板(15)和填筑路堤填土(11)；在第1、2、3模型槽(A、B、C)內埋設傳感儀器在地基填土(10)內的同一高度埋設有兩組孔隙水壓力計(16)、土壤吸力傳感器(17)和含水率探頭(18)；在路堤填土(11)內上下不同高度內分別埋設有兩組孔隙水壓力計(16)、土壤吸力傳感器(17)和含水率探頭(18)；用導線引出傳感儀器如孔隙水壓力計(16)、土壤吸力傳感器(17)和含水率探頭(18)到有機玻璃模型箱(1)外的綜合測試儀。
2.基于權利要求1所述系統(tǒng)的低路提防排水試驗方法，其特征在于包括以下步驟①以實際工程中的最優(yōu)含水率為控制標準，用三個模型槽分別進行路基分層填筑，可 同時模擬三種不同防排水設施情況；②利用帶刻度水箱控制地下水位升降；③用導線引出傳感儀器如孔隙水壓力計、土壤吸力傳感器和含水率探頭到有機玻璃模 型箱外的綜合測試儀進行含水量、孔壓和吸力讀數(shù)的數(shù)據(jù)觀測和記錄；④將觀測數(shù)據(jù)按力學有關分析處理后為低路提防排水設計和施工提供科學依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低路堤防排水試驗系統(tǒng)及其方法，屬于檢驗高速公路細粒土低路堤防排水效果的試驗技術領域。本發(fā)明是在有機玻璃模型箱和帶刻度的水箱底部連接一根透水玻璃管組成，利用水箱水位模擬地下水位的升降，利用模型槽內鋪設防排水設施并分層填筑路堤模擬實際工程中防排水材料的工作狀況。本發(fā)明可直觀地獲得低路堤在鋪設各種防排水材料前后的含水量、孔隙水壓力及吸力的變化規(guī)律，從而檢驗不同防排水設施的使用效果，具有接近實際工程、規(guī)模合理及可模擬的工況多等優(yōu)點，可為低路堤防排水設計和施工提供科學技術保障。
文檔編號G01N1/28GK101819105SQ20101016023
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者盧正, 吳萬平, 姚海林, 詹永祥, 鄧濤 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所