本發(fā)明提供一種“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法及裝置，屬于非飽和土體水分遷移現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法及裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

作為干旱半干旱寒冷地區(qū)機(jī)場(chǎng)跑道易發(fā)的工程災(zāi)害之一，“鍋蓋效應(yīng)”引起了工程領(lǐng)域的廣泛關(guān)注?！板伾w效應(yīng)”是指由于道面密閉導(dǎo)致道基上部水分不能排出而引起的道基淺層土體含水量增加強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。干旱地區(qū)地下水位低，地下水毛細(xì)作用向上輸水范圍有限，幾乎不能直接補(bǔ)充道基上部土體水分，淺層土體中水分一般來(lái)源于溫差效應(yīng)引起的水分遷移在上部形成的冷凝水。道面溫度降低使淺層土體溫度隨之降低，近道面土中水蒸氣在道基底部附近區(qū)域凝結(jié)，同時(shí)淺層道基土與溫度較為恒定的深層道基土之間也有溫差，導(dǎo)致深層土孔隙氣中的水蒸氣隨空氣流動(dòng)向上遷移，深層土體中的水氣平衡維持孔隙氣體濕度恒定，故深層土體中的液態(tài)水會(huì)變成水蒸氣被空氣流動(dòng)運(yùn)送到淺層，淺層土中水蒸氣繼續(xù)在道面處凝結(jié)而導(dǎo)致上層土含水量持續(xù)增加。嚴(yán)重地可引發(fā)道基土強(qiáng)度降低、道基翻漿等嚴(yán)重工程災(zāi)害。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門針對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”這一工程災(zāi)害現(xiàn)象有效的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法，這對(duì)分析不同地區(qū)的“鍋蓋效應(yīng)”災(zāi)害的成因及防治十分不利。因此，針對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”災(zāi)害，提出一種邊界條件明確，試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單并能夠真實(shí)反映土體中“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法成為亟須解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種大尺寸、邊界條件明確、試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單的“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法及裝置，該模型試驗(yàn)方法及裝置通過(guò)設(shè)置大尺寸隔水隔氣試驗(yàn)試筒、設(shè)置碎石層能夠保證試驗(yàn)土體中測(cè)得的數(shù)據(jù)真實(shí)反映“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象，為研究“鍋蓋效應(yīng)”這一工程災(zāi)害現(xiàn)象提供了一種有力的手段。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的一種“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)試筒放置在試驗(yàn)坑底部，在試驗(yàn)試筒的側(cè)壁設(shè)置傳感器引線管，傳感器引線管一側(cè)外壁緊貼試驗(yàn)試筒的內(nèi)壁，另一側(cè)外壁根據(jù)需要開(kāi)設(shè)若干個(gè)傳感器引線孔，在試驗(yàn)試筒頂部設(shè)置混凝土蓋板，用來(lái)模擬混凝土道面，在試驗(yàn)試筒中回填試驗(yàn)土體，試驗(yàn)試筒底部設(shè)置碎石層。

所述試驗(yàn)試筒的材料為隔水隔氣的水泥管，內(nèi)徑為1.5米，高度為2.5米，試驗(yàn)土體的土質(zhì)與試驗(yàn)坑底部土體的土質(zhì)一致，依據(jù)試驗(yàn)的需要設(shè)定試驗(yàn)土體的含水率和干密度。

所述傳感器引線管分為水平段和垂直段，兩段緊密連接為一個(gè)整體，傳感器引線管的材料為pvc材料，傳感器引線管垂直段緊貼試驗(yàn)試筒內(nèi)壁，傳感器引線管水平段緊貼試驗(yàn)試筒頂部邊緣。

所述傳感器引線孔開(kāi)設(shè)在傳感器引線管垂直段遠(yuǎn)離試驗(yàn)試筒一側(cè)的管壁上，傳感器引線孔開(kāi)設(shè)位置與溫濕度集成傳感器探頭在試驗(yàn)土體中的埋深位置一致，傳感器引線孔為圓形孔。

所述傳感器引線管一部分水平段設(shè)置在混凝土蓋板底部，混凝土蓋板底面與試驗(yàn)試筒頂面、試驗(yàn)土體頂面緊密接觸。

所述碎石層的材料為粗粒碎石，厚度為0.3米。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的一種“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

a.試驗(yàn)坑土方開(kāi)挖并鑒別試驗(yàn)坑底部土體的土質(zhì)，測(cè)定試驗(yàn)坑底部土體的含水率及干密度；

b.將試驗(yàn)試筒固定在試驗(yàn)坑底部，試驗(yàn)坑與試驗(yàn)試筒的空隙用回填土填充并夯實(shí)；

c.在固定好的試驗(yàn)試筒內(nèi)底部填充0.3米厚的碎石層，保證碎石層平整；

d.將傳感器引線管垂直段緊貼試驗(yàn)試筒內(nèi)壁，傳感器引線管水平段緊貼試驗(yàn)試筒頂部邊緣安裝，將連接不同深度位置溫濕度集成傳感器探頭的傳感器數(shù)據(jù)線由傳感器引線孔穿入傳感器引線管內(nèi)，再由傳感器引線管出口穿出，最終與數(shù)據(jù)采集儀相連接；

e.根據(jù)試驗(yàn)土體的含水率和干密度以及試驗(yàn)試筒除去碎石層所占體積后的容積，計(jì)算出制備試驗(yàn)土體所需土的質(zhì)量和需加入水的質(zhì)量，然后將試驗(yàn)土體制出；

f.將制備好的試驗(yàn)土體分層回填至試驗(yàn)試筒內(nèi)部的碎石層上方，每0.05米厚度作為一個(gè)分層，分層回填過(guò)程中，當(dāng)回填至溫濕度集成傳感器探頭設(shè)計(jì)埋深位置時(shí)，埋設(shè)溫濕度集成傳感器探頭，試驗(yàn)土體全部回填完成后，將埋設(shè)的所有傳感器數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接，進(jìn)行讀數(shù)確保每個(gè)位置的溫濕度集成傳感器探頭工作正常；

g.在試驗(yàn)試筒頂部設(shè)置混凝土蓋板，確?；炷辽w板底面與試驗(yàn)試筒頂面、試驗(yàn)土體頂面及傳感器引線管水平段外壁緊密接觸；

h.引線管出口附近安裝數(shù)據(jù)采集儀；

i.完成a至h操作后，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄，資料整理及計(jì)算。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是：

1.本發(fā)明是首個(gè)提出的專門針對(duì)“鍋蓋效應(yīng)”工程災(zāi)害所設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)，對(duì)于“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)象的研究有重要意義；

2.本發(fā)明采用大尺寸的試驗(yàn)試筒，使得試驗(yàn)土體具有足夠大的深度和直徑，從而能夠保證在試驗(yàn)土體中測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)土體中的水氣遷移現(xiàn)象；

3.試驗(yàn)試筒底部碎石層的設(shè)置，可以使氣態(tài)水順利向上遷移，阻止液態(tài)水通過(guò)毛細(xì)作用向上遷移，使試驗(yàn)土體內(nèi)只有氣態(tài)水補(bǔ)充而沒(méi)有液態(tài)水補(bǔ)充，從而確保試驗(yàn)土體底部邊界條件清晰；

4.本發(fā)明采用了防水隔氣的材料來(lái)制作試驗(yàn)試筒，能夠使試驗(yàn)土體模擬處于自然狀態(tài)下的土體；

5.本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明試驗(yàn)裝置布置剖面圖。

圖2為傳感器引線管的整體結(jié)構(gòu)圖。

圖3為傳感器引線管的開(kāi)孔位置圖。

圖1中，1為試驗(yàn)試筒；2為溫濕度集成傳感器探頭；3為傳感器引線管；4為傳感器引線孔；5為傳感器數(shù)據(jù)線；6為引線管出口；7為混凝土蓋板；8為數(shù)據(jù)采集儀；9為試驗(yàn)土體；10為碎石層。

具體實(shí)施方式

為便于理解本發(fā)明的內(nèi)容，下面便對(duì)其具體過(guò)程做詳細(xì)陳述。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。

如圖1所示，本發(fā)明所涉及的一種“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)裝置，所述試驗(yàn)試筒1放置在試驗(yàn)試驗(yàn)坑底部，在試驗(yàn)試筒1的側(cè)壁設(shè)置傳感器引線管3，傳感器引線管3一側(cè)外壁緊貼試驗(yàn)試筒1的內(nèi)壁，另一側(cè)外壁根據(jù)需要開(kāi)設(shè)若干個(gè)個(gè)傳感器引線孔4，在試驗(yàn)試筒1頂部設(shè)置混凝土蓋板7，用來(lái)模擬混凝土道面，在試驗(yàn)試筒1中回填試驗(yàn)土體9，試驗(yàn)試筒1底部設(shè)置碎石層10。試驗(yàn)試筒1的材料為隔水隔氣的水泥管，內(nèi)徑為1.5米，高度為2.5米。由于采用了隔水隔氣材料來(lái)制作試驗(yàn)試筒1，能夠使試驗(yàn)試筒1內(nèi)的試驗(yàn)土體9模擬處于自然狀態(tài)下的土體。由于采用較大體量的試驗(yàn)試筒1設(shè)計(jì)，從而能夠保證在試驗(yàn)土體中測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)土體中的水氣遷移現(xiàn)象。試驗(yàn)土體9的土質(zhì)與試驗(yàn)坑底部土體的土質(zhì)一致，依據(jù)試驗(yàn)的需要設(shè)定試驗(yàn)土體9的含水率和干密度。傳感器引線管3分為水平段和垂直段，兩段緊密連接為一個(gè)整體，傳感器引線管3的材料為pvc，直徑為0.15米。由于采用pvc材料來(lái)制作傳感器引線管3，可以保證傳感器引線管3的強(qiáng)度，從而可以確保傳感器引線管3對(duì)傳感器數(shù)據(jù)線5起到有效的保護(hù)作用。傳感器引線管3垂直段緊貼試驗(yàn)試筒1內(nèi)壁，傳感器引線管3水平段緊貼試驗(yàn)試筒1頂部邊緣。用強(qiáng)力膠水將傳感器引線管3按上述位置固定在試驗(yàn)試筒1內(nèi)壁。

傳感器引線孔4開(kāi)設(shè)在傳感器引線管3垂直段遠(yuǎn)離試驗(yàn)試筒1一側(cè)的管壁上。傳感器引線孔4開(kāi)設(shè)位置與溫濕度集成傳感器探頭2在試驗(yàn)土體9中的埋深位置一致，這樣設(shè)置可以方便溫濕度集成傳感器探頭2的埋設(shè)。傳感器引線孔4為圓形孔，圓形孔的設(shè)計(jì)在滿足傳感器數(shù)據(jù)線5能夠穿入的前提下，可以使孔的面積盡量小。

傳感器引線管3一部分水平段設(shè)置在混凝土蓋板7底部，混凝土蓋板7底面與試驗(yàn)試筒1頂面、試驗(yàn)土體9頂面緊密接觸。碎石層10的材料為粗粒碎石，厚度為0.3米。試驗(yàn)試筒1底部粗粒碎石層10的設(shè)計(jì)，使試驗(yàn)土體9與試驗(yàn)坑底部土體隔離開(kāi)，碎石層10可以使氣態(tài)水順利通過(guò)，同時(shí)阻止液態(tài)水通過(guò)毛細(xì)作用向上遷移，使試驗(yàn)土體9內(nèi)只有氣態(tài)水補(bǔ)充而沒(méi)有液態(tài)水補(bǔ)充，從而確保試驗(yàn)土體9底部邊界條件清晰。

設(shè)備安裝及試驗(yàn)過(guò)程如下：

本發(fā)明所涉及的一種“鍋蓋效應(yīng)”現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

a.試驗(yàn)坑土方開(kāi)挖并鑒別試驗(yàn)坑底部土體的土質(zhì)，測(cè)定試驗(yàn)坑底部土體的含水率及干密度；

b.將試驗(yàn)試筒1固定在試驗(yàn)坑底部，試驗(yàn)坑與試驗(yàn)試筒1的空隙用回填土填充并夯實(shí)；

c.在固定好的試驗(yàn)試筒1底部填充0.3米厚的碎石層10，保證碎石層平整；

d.將傳感器引線管3垂直段緊貼試驗(yàn)試筒1內(nèi)壁，傳感器引線管3水平段緊貼試驗(yàn)試筒1頂部邊緣安裝，將連接不同深度位置溫濕度集成傳感器探頭2的傳感器數(shù)據(jù)線5由傳感器引線孔4穿入傳感器引線管3內(nèi)，再由傳感器引線管出口6穿出，最終與數(shù)據(jù)采集儀8相連接；

e.根據(jù)試驗(yàn)土體9的含水率和干密度以及試驗(yàn)試筒1除去碎石層10所占體積后的容積，計(jì)算出制備試驗(yàn)土體9所需土的質(zhì)量和需加入水的質(zhì)量，然后將試驗(yàn)土體9制出；

f.將制備好的試驗(yàn)土體9分層回填至試驗(yàn)試筒1內(nèi)部的碎石層10上方，每0.05米厚度作為一個(gè)分層，分層回填過(guò)程中，當(dāng)回填至溫濕度集成傳感器探頭2設(shè)計(jì)埋深位置時(shí)，埋設(shè)溫濕度集成傳感器探頭2，試驗(yàn)土體9全部回填完成后，將埋設(shè)的所有傳感器數(shù)據(jù)線5與數(shù)據(jù)采集儀8連接，進(jìn)行讀數(shù)確保每個(gè)位置的溫濕度集成傳感器探頭2工作正常；

g.在試驗(yàn)試筒1頂部設(shè)置混凝土蓋板7，確?；炷辽w板7底面與試驗(yàn)試筒1頂面、試驗(yàn)土體9頂面及傳感器引線管3水平段外壁緊密接觸；

h.引線管出口6附近安裝數(shù)據(jù)采集儀8；

i.完成a至h操作后，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄，資料整理及計(jì)算。