水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置及方法

摘要

本发明公开了一种水‑热‑力耦合作用路基动力响应试验装置及方法，该装置包括：路基体、供水系统、加载系统、温控系统及数据采集处理系统，该方法包括：连接数据采集装置；路基体的固结稳定；抽真空保温过程；设置供水条件和底部恒温板的工作温度；路基体冻结过程；路基体融化过程；水‑热‑力耦合作用路基动力响应试验及数据采集及处理。因此，本发明提供的试验装置及方法，利用加载框架和压力室、恒温系统、供水系统及数据处理系统，结合轴向不同频率的动态荷载技术，实现了在路基体轴向施加不同频率的动态荷载及横向加围压的大尺度路基体加载技术，实验结果为建立逼真的水‑热‑力耦合路基动力响应模型提供精准的物理参数，并可优选路基材料。

说明书

技术领域

本发明涉及道路路基室内动力响应技术领域，尤其涉及一种水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置及方法。

背景技术

道路是国民经济发展、社会进步和方便人民通行的保障，作为道路的结构基础，路基体的力学性质的好坏直接影响到路基的变形与稳定，一些工程性质不稳定或者容易受环境影响的填料填入路基会引起路基病害。特别是季冻区道路路基的变形和破坏问题十分复杂，材料自身的含水量、外部的行车荷载、环境温度以及冻融循环都会严重影响路基的稳定性。

动力响应是结构在动荷载下所发生的应力、应变、加速度的变化，对道路路基进行动力响应分析能有效掌握路基体在交通荷载下的强度和变形特性，能够评价道路的使用稳定性和研究路基病害机理。准确地评价路基体在温度，水分及外部荷载等多场耦合作用下的动力响应，给出精准的设计参数指标，对于解释各种道路病害的深层原因、制定有效的防治对策、保证季冻区道路路基的强度和稳定性具有重大意义。

关于路基体动力响应试验研究，大部分在野外现场进行勘测或进行有限元仿真模拟分析，存在的问题是在设计阶段不能提供优良路基体，缺少相关参数建立准确的有限元模型，对于病害的治理往往是出现了，再提供方案进行治理，对于预先防止路基病害，模拟路基体所处运行环境条件，提供强度高，稳定性强并廉价的路基体的路基动力响应室内试验还鲜有报道；路基体多场耦合作用试验研究趋向于大尺度路基体的多场耦合试验。

目前，国内外针对温度，水分和荷载等多场耦合作用下路基体的室内研究多借助常规三轴仪、低温三轴仪和万能试验机等仪器设备。而这些仪器设备及组合试验系统在路基体多场耦合作用下的动力表现测试方面存在着明显的不足：(1)三轴仪可以实现力学试验条件的精确控制，但受限于试样的尺寸，无法进行大尺度试件在特定围压、温度梯度等条件下的轴向变频动荷载动力响应试验；(2)低温三轴仪可以实现不同低温的试验环境的控制，但试验无法得到不同温度梯度下的路基体的力学参数；(3)已有的土体水分迁移试验系统没有考虑轴压及围压作用，无法研究在动态轴压及静态围压条件下的水分移规律；(4)万能压力机可用于大尺寸试样的动力响应测定，但无法对试验围压和外界的温度条件进行控制。

发明内容

本发明实施例提供了一种水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置及方法，解决了现有技术中无法对路基体动力响应试验系统中的温度、水分和动荷载等多场准确控制的问题。

一方面，本发明提供一种水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置，包括：路基体、供水系统、加载系统、温控系统及数据采集处理系统，该供水系统用于对该路基体进行水补给；该加载系统用于对该路基体施加轴向动态荷载及围压；该温控系统用于控制该路基体及该供水系统的温度；该数据采集处理系统用于数据采集及处理；其中，加载系统包括加载框架、轴向加载设备及侧向加载设备；该加载框架包括底座、支柱、第二反力板、第三反力板及至少一个第一高强螺杆；该支柱固定在该底座上，该第二反力板设置在该支柱上，该第一高强螺杆设置在该第二反力板上，该第三反力板设置在该第一高强螺杆顶部；该轴向加载设备包括用于向该路基体提供动态载荷的液压动力机及用于监测该动态载荷的荷载传感器，该液压动力机设置在该第三反力板底部，该荷载传感器设置在该液压动力机的底部；该侧向加载设备包括压力室及气体供应站，该路基体密封在该压力室内，该压力室包括底壁、侧壁及顶壁，该底壁为该第二反力板，该侧壁为设置在该第二反力板上的第一筒体，该顶壁为设置在该第一筒体上的第一反力板，该第一反力板中部设有第一密封活塞套，该第一密封活塞套中心位置设有与该第一密封活塞套吻合接触的传力轴，该荷载传感器的底部与该传力轴的顶面相接触；该压力室与该气体供应站之间通过第二气体传输管接通；该供水系统包括供水箱、供水管、第一透水石、第二透水石、出水管及玻璃管，该第一透水石及该第二透水石分别设置在该路基体底部两侧，该第一透水石及所述第二透水石上面铺设粉细砂层，该第一透水石用于向所述路基体供水，该供水管的两端分别与该供水箱的出水口及该第一透水石连通，该出水管的两端分别与该第二透水石及该玻璃管连通；该温控系统包括供温系统和保温系统，该供温系统用于对该路基体施加温度梯度，该供温系统包括底部恒温板、底部恒温槽、顶部恒温板、顶部恒温槽及恒温箱；该底部恒温板设置在该第一透水石及该第二透水石底部，且通过底部冷却液循环管与该底部恒温槽连通，该顶部恒温板设置在该路基体的顶端，且通过顶部冷却液循环管与该顶部恒温槽连通；该供水箱置于恒温箱内，且该供水箱外缠绕有该底部冷却液循环管；该恒温箱上布置有控制面板、第一温度探针及第二温度探针，该控制面板用于设置恒温箱的工作温度，该第二温度探针用于监测该恒温箱的工作温度，该第一温度探针用于监测该供水箱内水的温度；该保温系统包括真空泵、分别置于该压力室顶部、侧部及底部的第一保温室、第二保温室及第三保温室，该第一保温室、该第二保温室及该第三保温室通过多个连通管连通，该真空泵通过抽真空管与该第一保温室、该第二保温室或该第三保温室连通；该数据采集与处理系统包括传感器组、数据采集箱、工作站及处理软件；传感器组包括用于监测路基体整体位移的外部位移计、用于监测路基体分层位移的内部位移计、用于监测路基体水分含量的水分传感器、用于监测路基体加速度的加速度传感器、用于监测路基体应力变化的压力盒、用于监测压力室及第一保温室、第二保温室或第三保温室压力的压力传感器，工作站用于向数据采集箱发送采集指令，数据采集箱用于根据采集指令采集传感器组采集的数据，并向工作站发送数据，工作站的处理软件用于分析处理数据，数据包括路基体的整体位移、分层位移、加速度、动态压力和水分含量及压力室、第一保温室、第二保温室，第三保温室内的气体压力。

另一方面，本发明实施例提供了一种水-热-力耦合作用路基动力响应试验方法，包括：S11，连接数据采集装置：将数据传输线与数据采集箱连接，通过电连接线将数据采集箱和工作站相连接，通过电连接线将电液伺服控制器和工作站连接；S12，打开数据采集装置：开启工作站，通过工作站设置数据采集箱的工作参数及控制数据采集箱的数据采集频率，采集的数据包括路基体的整体位移、分层位移、加速度、动态压力和水分含量变化数据及压力室、第一保温室、第二保温室，第三保温室内的气体压力数据；S13，路基体的固结稳定：利用工作站设置电液伺服控制器的工作参数，控制液压动力机根据工作参数对路基体施加轴向固定荷载，并利用第一精密调压阀及第二精密调压阀调节气体供应站的供气气压，其中，固结过程中路基体产生的排水排气通过与路基体底部粉细砂层相连通的出水管和刻度玻璃管输出，且确定路基体中埋设的土压力盒、加速度传感器、水分传感器，位移计的监测数据稳定不变；S14，抽真空保温过程：打开抽真空泵，通过抽真空作用将第一保温室，第二保温室和第三保温室抽为真空状态；S15，设置供水条件和底部恒温板的工作温度：将供水箱内玻璃管底部与粉细砂层顶部设置在一个水平面上；打开底部恒温槽，根据地下水补给温度，设置底部低温恒温槽和恒温箱的工作温度，当底部恒温槽达到工作温度后，开启底部恒温槽内的外部循环泵，利用底部冷却液循环管和恒温箱对供水箱内的水进行加热或降温，当控制面板的显示温度达到设计值时，打开止水夹进行供水，当刻度玻璃管和出水管内的气体排净，进行下一步骤；S16，路基体冻结过程：打开顶部恒温槽，根据路基体冻结温度设置顶部恒温槽的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，对路基体进行冻结，当路基体的土压力盒、加速度传感器、水分传感器及内部位移计的监测数据达到稳定时，结束冻结过程试验，进行下一步骤；S17，路基体融化过程：调节顶部恒温槽的工作温度：根据路基体进行融化的温度设置顶部恒温槽的工作温度，达到工作温度后，开启顶部恒温槽的外部循环泵，对路基体进行融化，当路基体的温度达到冻结前的温度，并且路基体内的土压力盒、加速度传感器、水分传感器及内部位移计的监测数据稳定时，结束融化过程试验；S18，水-热-力耦合作用路基动力响应试验：本试验装置的水-热-力耦合作用路基动力响应试验过程发生在第S16步骤进行中或第S17步骤进行中，或者在进行多次冻融循环后，方法如下：a)与步骤S16同时进行的动力响应试验：在步骤S16开始对路基体进行冻结的过程中，利用加载系统对路基体的轴向施加动态荷载，在工作站中的多种组合波形中选择加载波形，并利用电液伺服控制器控制液压动力机，加载过程中路基体的围压保持为步骤S13中路基体的固结稳定过程的围压大小，或应用第一精密调压阀及第二精密调压阀更改围压大小；b)与步骤S17同时进行的动力响应试验：在步骤S17开始对路基体进行融化的过程中，利用加载系统对路基体的轴向施加动态荷载，在工作站中的多种组合波形中选择加载波形，利用电液伺服控制器控制液压动力机，加载过程中路基体的围压保持为步骤S13中路基体的固结稳定过程的围压大小，或应用第一精密调压阀及第二精密调压阀更改围压大小；c)在进行多次冻融循环后进行的动力响应试验：进行第S16步骤之后进行第S17步骤，且依次循环，在完成设定的冻融循环次数后，利用加载系统对路基体的轴向施加动态荷载，在工作站中的多种组合波形中选择加载波形，利用电液伺服控制器控制液压动力机，加载过程中路基体的围压为步骤S13中路基体的固结稳定过程的围压大小，或用第一精密调压阀及第二精密调压阀更改围压大小；S19，数据采集箱将采集到的数据发送到工作站，利用工作站实时显示路基体内部的土压力盒、水分传感器、加速度传感器和内部位移计的数据时程曲线，且对上述数据进行处理。

综上，本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置及方法具有以下有益效果：

(1)设计了专门用于大尺度路基体的加载框架和压力室，结合轴向不同频率的动态荷载技术，实现了在路基体轴向施加不同频率的动态荷载，横向加围压的大尺度路基体加载技术；

(2)设计了用于路基体顶部和底部的恒温板，恒温板分别与顶部和底部恒温槽相连，形成闭合回路，提供温度差形成温度梯度，结合真空室形成的真空隔热边界，进而保持试验的温度环境；

(3)通过工作站、数据采集箱、传感器组的联合应用，实现了试验数据的自动采集和处理，有效保证了数据采集的可靠性；

(4)试验系统将水分场、温度场，力学场共同作用于大尺度路基体，用于研究直径50cm，高100cm的圆柱路基体在动态荷载、围压，温度梯度和地下水补给环境下的动力响应，实验成果可以发现水-热-力三场耦合作用的路基动力响应新数据，提出治理路基病害新原理，为建立逼真的有限元模型提供精准物理力学参数，提供优良的路基体。

附图说明

图1为本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的密封螺杆的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的传感器布置平面结构示意图。

图4为本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的内部位移计的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的路基体的成形装置平面结构示意图。

图6为本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的路基体的成形装置截面结构示意图。

附图标记说明：

11.工作站，12.数据采集箱，13.电液伺服控制器，14.第一保温室，15.第二保温室，16.第三保温室，17.压力传感器，18.压力室，19.数据传输线，20.土压力盒，21.加速度传感器，22-1.底部铜制盘管，22-2.顶部铜制盘管，23.水分传感器，24-1.外部位移计，24-2.内部位移计，25.橡皮膜，26.路基体，27.顶部恒温板，28.底部恒温板，29.液压动力机，30.荷载传感器，32-1.第一透水石，32-2.第二透水石，33.粉细砂层，34.密封螺杆，34-1.内密封螺杆，34-2.外密封螺杆，35.供水管，35-1.止水夹，36-1.底部冷却液循环管，36-2.顶部冷却液循环管，37.出水管，38-1.抽真空管，38-2.抽真空泵，39.刻度玻璃管，40.供水箱，40-1.玻璃管，41-1.第一温度探针，41-2.第二温度探针，42.恒温箱，43.控制面板，44.勒紧橡皮套，44-1.底部恒温槽，44-2.顶部恒温槽，45.高压供应钢瓶，46.气体供应站，47-1.第一反力板，47-2.第二反力板，47-3.第三反力板，48-1.第一筒体，48-2.第二筒体，49-1.第一密封橡胶圈，49-2.第二密封橡胶圈，49-4.第三密封橡胶圈，49-4.第四密封橡胶圈，50-1.第一密封活塞套，50-2.第二密封活塞套，51-1.第一保温盖，51-2.第二保温盖，52.支柱，52-1.第一精密调压阀，52-2.第二精密调压阀，53.传力轴，54.数据传输线连接头，55.管道接头，56.密封胶垫，57.密封胶，58-1.第一密封螺母，58-2.第二密封螺母，59.抽气孔，60-1.第一成形保护桶，60-2.第二成形保护桶，60-3.第三成形保护桶，61.法兰，62.螺杆定位槽，64.混凝土底座，65.底座螺母，65-1.第一螺母，65-2.第二螺母，66.底座螺杆，67.螺杆固定孔，68-1.第一气体传输管，68-2.第二气体传输管，70.钢筋，71-1.第一高强度杆，71-3.高强螺杆，72.连通管。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

下面通过图1详细说明本发明实施例提供的一种水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置。如图所示，该装置可以包括：

路基体26、供水系统、加载系统、温控系统及数据采集处理系统，供水系统用于对路基体26进行水补给；加载系统用于对路基体26施加轴向动态荷载及围压；温控系统用于控制路基体26及供水系统的温度；数据采集处理系统用于数据采集及处理。

其中，加载系统包括加载框架、路基体26的轴向荷载加载设备和路基体26侧向围压加载设备。加载框架包括试验系统底部的底座64、底座64上部的支柱52、置于支柱52上的第二反力板47-2、通过第一螺母65-1固定在第二反力板47-2上的多个第一高强螺杆71-1、通过第一螺母65-1和第一高强螺杆71-1固定在靠近高强螺杆71-1顶部的第三反力板47-3。

加载框架底部的混凝土底座64通过固定在其内部的底座螺母65和底座螺杆66与第二反力板47-2下部的支柱52连接。混凝土底座64的作用是防止液压动力机29对路基体26提供动态荷载时的震动带动整个试验系统脱离地面，达到固定整个试验系统的目的。

本发明实施例提供的实验装置中，混凝土底座64由水泥与砂砾石的混合制成，制作过程中加入4个底座螺母65和底座螺杆66，底座螺杆66固定在底座螺母65上，支柱52经由其底部的螺纹旋转固定在底座螺杆66上，并与混凝土底座64相接触。

本发明实施例提供的实验装置中，轴向加载设备包括用于向路基体26提供动态载荷的液压动力机29及用于监测动态载荷的荷载传感器30，液压动力机29设置在第三反力板47-3底部，荷载传感器30设置在液压动力机29的底部。

应理解，路基体26的轴向荷载加载设备通过液压动力机29提供动态荷载，并通过动态荷载传感器30监测荷载输出。

可选的，本发明实施例提供的实验装置中的液压动力机29通过电连接线与电液伺服控制器13相连，电液伺服控制器13与工作站11相连，通过工作站11设置电液伺服控制器13的工作参数即可控制液压动力机29的加载形式。加载形式可以包括三角波、正弦波、梯形波及设计的各种组合波形等加载形式，动态加载使得本试验系统可以模拟路基体的动力响应试验。

本发明实施例提供的实验装置中，侧向加载设备可以包括压力室18及气体供应站46。压力室18将路基体26密封在气体压力空间内。第二气体传输管68-2一端与压力室18相连通，另一端与气体供应站46相连通。且第二气体传输管68-2一端穿过第二反力板47-2与压力室18相连通。压力室18包括加载框架中的作为底壁的第二反力板47-2、置于第二反力板47-2上部的作为侧壁的第一筒体48-1及置于第一筒体48-1顶部的作为顶壁的第一反力板47-1。且在顶壁的第一反力板47-1中部设置了第一密封活塞套50-1，在第一密封活塞套50-1中心设置了与第一密封活塞套50-1吻合接触的传力轴53。

本发明实施例中，荷载传感器30的底部与压力室18顶部的传力轴53的顶面相接触。

优选的，本发明实施例中，由于气体的导热系数相比液体和固体更小，更有利于温度梯度的形成。因此，选用安全的CO₂气体来提供路基体需要的围压条件。即压力室18可以为CO₂压力室，气体供应站46供应CO₂。

应理解，本发明对提供实验的围压的气体不做限制，可以根据实际条件确定。

进一步，本发明实施例提供的实验装置中，路基体26侧向围压加载设备还可以包括高压CO₂供应钢瓶45和第一气体传输管68-1。即高压CO₂供应钢瓶45通过第一气体传输管68-1与CO₂气体供应站46相连通。CO₂气体供应站46通过第二气体传输管68-2与CO₂压力室18相连通。

优选的，本发明实施例提供的实验装置中，第一气体传输管68-1上设置有第一精密调压阀52-1，第一精密调压阀52-1上带有两个压力表，其中一个用于显示高压CO₂供应钢瓶45内的压力值，另一个用于显示通过第一精密调压阀52-1调节供应的第一气体传输管68-1内的气体压力值，由此控制CO₂气体供应站46内的压力值。第二气体传输管68-2上设置有第二精密调压阀52-2，第二精密调压阀52-2上带有两个压力表，其中一个用于显示CO₂气体供应站46内的压力值，另一个用于显示通过第二精密调压阀52-2调节供应的第二气体传输管68-2内的气体压力值，由此控制CO₂压力室18内压力值。通过高压CO₂供应钢瓶45和第一精密调压阀52-1保证CO₂气体供应站46内CO₂压力的稳定，CO₂气体供应站46内压力的稳定有利于第二精密调压阀52-2性能的发挥，减小CO₂的供压误差。因此，提高了CO₂压力室18内的压力控制精度；

本发明实施例提供的实验装置中，供水系统可以包括供水箱40、与供水箱40的出水口相连通的供水管35、与供水管35出口处相连通的第一透水石32-1、覆盖第一透水石32-1的顶部的粉细砂层33、同样由粉细砂层33覆盖的位于路基体底部的第二透水石32-2及置于第二透水石32-2下部并且一端与第二透水石32-2连通的出水管37。出水管37另一端与带刻度的玻璃管39相连通，由此，刻度玻璃管39可以显示供水箱40对路基材料26的供水水头，供水管35上设置有止水夹35-1。

应理解，本发明实施例提供的实验装置中，出水管37和刻度玻璃管39还可以起到排水排气的作用。

本发明实施例提供的实验装置中，温控系统可以包括供温系统和保温系统。供温系统可以包括与供水系统中粉细砂层33、第一透水石32-1及第二透水石32-2的底面相接触的底部恒温板28、与底部恒温板28相连通的底部冷却液循环管36-1及与底部冷却液循环管36-1相连通的底部恒温槽44-1，且底部恒温板28、底部冷却液循环管36-1和底部恒温槽44-1形成封闭循环系统。

供温系统还可以包括置于路基体26顶面的顶部恒温板27、与顶部恒温板27相连通的顶部冷却液循环管36-2及与顶部冷却液循环管36-2相连通的顶部恒温槽44-2。顶部恒温板27、顶部冷却液循环管36-2和顶部恒温槽44-2形成封闭循环系统。

应理解，通过对底部恒温槽44-1和顶部恒温槽44-2设置不同工作温度，可以实现对路路基体26施加不同温度梯度的目的。

供温系统还包括为供水箱40提供恒温环境的恒温箱42，供水箱40置于恒温箱42内并且瓶身盘绕有底部冷却液循环管36-1，恒温箱42上布置有控制面板43、第一温度探针41-1及第二温度探针41-2。通过控制面板43设置恒温箱42的工作温度，第二温度探针41-2可以监测恒温箱42的工作温度，第一温度探针41-1可以监测供水箱40内水的温度。

本发明实施例提供的实验装置中，恒温箱42与底部恒温槽44-1的工作温度设置为相同，实现供水系统的恒温供水。

可选的，本发明实施例提供的实验装置中，顶部恒温板27和底部恒温板28为圆柱形钢板，并且顶部恒温板27和底部恒温板28内部分别盘绕有顶部铜制盘管22-1及底部铜制盘管22-2。底部恒温板28内的底部铜制盘管22-1与底部冷却液循环管36-1相连通。传力柱53内部设置有两根钢管，钢管一端与顶部冷却液循环管36-2相连通，另一端与顶部恒温板27中的顶部铜制盘管22-2相连通。顶部恒温板27和底部恒温板28侧面都设置有凹槽，通过勒紧橡皮套44，顶部恒温板27和底部恒温板28上的凹槽将橡皮膜25，顶部恒温板27和底部恒温板28紧密贴合，防止试验期间路基体26的部分脱落和CO₂压力室18内CO₂气体侵入路基体26。

可选的，本发明实施例提供的实验装置中，供水箱40应用马氏瓶原理制成，实现恒水位供水，供水箱40中的水为纯水，供水箱40外部设置有供底部冷却液循环管36-1盘绕的凹槽或者凸起，由底部冷却液循环管36-1盘绕，并且置于恒温箱42内，实现恒温供水。

本发明实施例提供的实验装置中，保温系统可以包括真空泵38-2、位于CO₂压力室18上部的第一保温室14、位于CO₂压力室18下部的第二保温室15及位于CO₂压力室18侧面的第三保温室16。

第一保温室14包括CO₂压力室18顶部的作为底板的第一反力板47-1、置于第一反力板47-1中心并与第一反力板47-1和传力轴53吻合接触的第一密封活塞套50-1、置于第一反力板47-1上部的第一保温盖51-1、置于第一保温盖51-1中心并与第一保温盖51-1和传立轴53吻合接触的第二密封活塞套50-2，置于第一密封活塞套50-1与第二密封活塞套50-2之间的第四密封橡胶圈49-4。还包括穿过第一保温盖51-1，第一反力板47-1和第二反力板47-2的多个第二高强螺杆71-2，套装在第二高强螺杆71-2上限定高强螺杆71-2，第一反力板47-1和第一保温盖51-1位置的第二密封螺母58-2。

第二保温室15包括CO₂压力室18顶部的作为顶壁的第一反力板47-1及CO₂压力室18底部的作为底壁的第二反力板47-2，还包括置于第一反力板47-1和第二反力板47-2之间的作为侧壁的第二筒体48-2。且第二筒体48-2半径大于第一筒体48-1，从而在两个筒体的之间形成一个空腔体。进一步，可以在第一反力板47-1、第二反力板47-2与第一筒体48-1及第二筒体48-2之间布置有第一密封橡胶圈49-1。

第三保温室16包括CO₂压力室18底部的作为顶壁的第二反力板47-2、置于第二反力板47-2下部的作为底壁及侧壁的第二保温盖51-2、置于第二反力板47-2和第二保温盖51-2中心并与第二反力板47-2和第二保温盖51-2吻合接触的中空的密封螺杆34。还包括穿过第二保温盖51-2、第一反力板47-1和第二反力板47-2的第二高强螺杆71-2及套装在高强螺杆71-2上限定第二高强螺杆71-2和第二保温盖51-2位置的第二密封螺母58-2。

第一保温室14，第二保温室15和第三保温室16通过多个连通管72相连通，第一保温室14顶部与抽真空管38-1相连通，抽真空管38-1与抽真空泵38-2相连通，通过开通抽真空泵38-2制造第一保温室14，第二保温室15和第三保温室16的真空环境。

第一反力板47-1与第一保温盖51-1之间，第二反力板47-2与第二保温盖51-2之间都布置有第三密封橡胶圈49-3和支撑螺杆9。第二密封螺母58-2与第一反力板47-1、第二反力板47-2、第一保温盖51-1，第二保温盖51-2之间都布置有第二密封橡胶圈49-2。

本发明实施例提供的实验装置中，第一保温盖51-1与第一反力板47-1之间，第二保温盖51-2与第二反力板47-2之间布置的支撑螺杆9为带有螺纹的高强钢制螺杆，起到支撑固定第一保温盖51-1和第二保温盖51-2的作用。多个密封橡胶圈的作用是保证第一保温室14、第二保温室15和第三保温室16的密封性。第一保温盖51-1和第二保温盖51-2可以为高强度钢制造。

本发明实施例提供的实验装置中，第二真空盖51-2、第二反力板47-2和底部恒温板28上都设置有与密封螺杆34吻合的螺纹穿孔，密封螺杆34为中空螺杆，用于数据传输线19、底部冷却液循环管36-1、入水管35和出水管37的穿过。

本发明实施例提供的实验装置中，数据采集与处理系统包括传感器组、数据采集箱12、工作站11及处理软件。传感器组包括监测路基体26整体变形的外部位移计24-1、监测路基体26内部分层位移的内部位移计24-2、监测路基体26水分含量的水分传感器23、监测路基体26应力变化的动态土压力盒20、监测路基体26加速度变化的加速度传感器21、监测CO₂压力室18、第一保温室14、第二保温室15及第三保温室16中气体压力的压力传感器17。路基体26内的内部位移计24-2、水分传感器23、土压力盒20内部设置有温度传感器，起到温度矫正采集数据的作用，同时省去了单独埋设温度传感器到路基体26中。

数据采集与处理系统中的传感器组的传感器通过数据传输线19与数据采集箱12相连，数据采集箱12通过电连接线与工作站11相连，通过工作站11控制数据采集箱12的数据采集频率，数据采集箱12采集由传感器组监测的数据，由工作站11的数据处理软件对采集的数据进行分析处理，工作站11由工作主机，显示器及相应的输入设备组成。

进一步的，如图1和图2所示，本发明实施例提供的实验装置中的密封螺杆34包括内部中空的外密封螺杆34-1和内密封螺杆34-2，外密封螺杆34-1的内径大于内密封螺杆34-2的外径，长度短于内密封螺杆34-2。内密封螺杆34-2和外密封螺杆34-1之间布置有底部冷却液循环管36-1、入水管35和出水管37，入水管35和出水管37管道的两端布置有管道接头55。内密封螺杆34-2内布置有数据传输线19，数据传输线19两端布置有数据传输线连接头54。内密封螺杆34-2和外密封螺杆34-1外部都布置有第一密封螺母58-1，并且第一密封螺母58-1上都带有密封胶垫56；外密封螺杆34-1和内密封螺杆34-2内部都由密封胶57进行密封；通过数据传输线连接头54、管道接头55、中空的外密封螺杆34-1和内密封螺杆34-2，还有密封胶57的使用，使得更换传感器和管道时不用重新密封，方便了试验系统的组装和密封。

进一步的，如图1和图3所示，本发明实施例提供的实验装置中，埋设在路基体26内的水分传感器23、动态土压力盒20、加速度传感器21数量皆为4个，并且分别布置在同一直线上，竖向间隔为20cm，内部位移计24-2得数量也为四个，其布置的水平面的垂直距离为20厘米；

进一步的，如图1和图4所示，本发明实施例提供的实验装置中，测量路基体26分层位移的内部位移计24-2为伸缩探杆式位移计，内部位移计24-2的一端由钢筋70固定，另一端可自由移动，钢筋70的一端用于固定内部位移计24-2，另一端通过螺纹固定在底部恒温板28上，这中组合连接方式使得内部位移计24-2可以监测路基体26的分层位移。

可选的，本发明实施例提供的实验装置中，路基体26为直径50cm，高100cm的圆柱形路基体，路基体26可以是路基工程中常用的粉质黏土，也可以是设计的不同组成的路基体的改良土。

进一步的，如图5和图6所示，本发明实施例还提供路基体26的成形装置，通过该成形装置将设计的土料击实塑造为圆柱形的路基体26，包括置于第二反力板47-2上的第一成形保护桶60-1，置于第一成形保护桶60-1上部的第二成形保护桶60-2，置于第二成形保护桶60-2上部的第三成形保护桶60-3，与第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3内壁紧贴的橡皮膜25，与第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3的侧面吻合接触的法兰61，通过第二反力板47-2上的螺杆固定孔67，法兰61上的螺杆固定槽62固定第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3的高强螺杆71-3和螺母65-2，还包括对设计的土料进行击实的手动击实锤，制成路基体26后使橡皮膜25与上恒温板27和下恒温板28紧密贴合的勒紧橡皮套44。

本发明实施例提供的实验装置中，第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3都是由两个半月形的钢制桶拼合组成，使得制成路基体26后第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3容易摘掉；第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3侧壁都设置有抽气孔59，通过抽气使得橡胶膜25可以和第一成形保护桶60-1，第二成形保护桶60-2和第三成形保护桶60-3紧密结合。

本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置中路基体26成形方法为：

1、在第二反力板47-2上放置下恒温板28和透水石32-1～32-2；

2、通过准备好的路基体26内的传感器数据传输线19连接内密封螺杆34-2内穿出的数据传输线连接头54；

3、由高强螺杆71-3和螺母65-2通过法兰61上的螺杆定位槽62和第二反力板47-2上的螺杆固定孔67固定第一成形保护桶60-1和橡胶膜25，橡皮膜25长度120cm，将橡皮膜25多余的长度卷起套在第一成形保护桶60-1的外部，并利用抽气孔59和抽气设备使橡皮膜25和第一成形保护桶60-1紧密贴合；

4、加装厚度5cm粉细砂层33后，分层击实设计土料，在设计高度埋设相关传感器；

5、完成第一成形保护桶60-1的击实高度后，释放已经卷起的橡皮膜25的长度度至第二成形保护桶60-2，加装第二成形保护桶60-2，橡皮膜25的多余长度套在第二成形保护桶60-2的外部，并利用抽气孔59和抽气设备使橡皮膜25和第二成形保护桶60-2紧密贴合；加装土料，进行分层击实，埋设传感器；

6、完成第二成形保护桶60-2的击实高度后，释放已经卷起的橡皮膜25的所有长度，加装第三成形保护桶60-3，并利用抽气孔59和抽气设备使橡皮膜25和第三成形保护桶60-3紧密贴合，加装土料，继续分层击实并埋设传感器，直至击实高度距离第三成形保护桶60-3顶部10cm，加装上恒温板27，至此，完成了路基体26的击实成形；

7、完成土体26的击实成形后，逐次拆掉螺母65-2、法兰61、高强螺杆2-3、第一成形保护桶60-1、第二成形保护桶60-2，第三成形保护桶60-3；

8、用勒紧橡皮套44使橡皮膜25分别与上恒温板27和下恒温板28紧密贴合。

下面详细阐述本发明实施例还提供的基于水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置的路基体动力响应试验方法。该方法包括：

S11，连接数据采集装置：将数据传输线19与数据采集箱12连接，通过电连接线将数据采集箱12和工作站11相连接，通过电连接线将电液伺服控制器13和工作站11连接。

S12，打开数据采集装置：开启工作站11，通过工作站11设置数据采集箱12的工作参数，控制数据采集箱12的数据采集频率，采集的数据包括路基体26的整体位移、分层位移、加速度，动态压力和水分含量变化数据，还包括CO₂压力室18、第一保温室14、第二保温室15，第三保温室16内的气体压力数据。

S13，路基体的固结稳定：按照设计的路基体26上部的固定荷载和侧向围压，模拟路基体26的上部固定荷载和侧向围压，进行固结稳定步骤；按照设计的路基上部固定荷载和侧向围压，通过工作站11设置电液伺服控制器13的工作参数，控制液压动力机29对路基体26施加轴向固定荷载，通过两个密调压阀调节CO₂气体供应站46的供气气压，以此调节CO₂压力室18的压力，CO₂压力室18的压力即为路基体26的围压，固结过程中路基体26产生的排水排气由与路基体26底部粉细砂层33相连通的出水管37和刻度玻璃管39进行，固结稳定的标准是路基体26中埋设的土压力盒20、加速度传感器21、水分传感器23，内部位移计24-2的监测数据稳定不变。

S14，抽真空保温过程：打开抽真空泵38-2，通过抽真空作用将第一保温室14，第二保温室15和第三保温室16抽为真空状态，真空状态以第一保温室14、第二保温室15，第三保温室16内的气体压力传感器17的数据接近零为佳。

S15，设置供水条件和底部恒温板28的工作温度：调节供水箱40位置，使供水箱40内玻璃管40-1底部与粉细砂层33顶部在一个水平面上，模拟恒定地下水位补给路基体26；打开底部恒温槽44-1，按照设计要模拟的地下水补给温度，设置底部低温恒温槽44-1和恒温箱42的工作温度，当底部恒温槽44-1达到工作温度后，开启底部恒温槽44-1内的外部循环泵，通过底部冷却液循环管36-1和恒温箱42对供水箱40内的水进行加热或降温，当控制面板43的显示温度达到设计值时，打开止水夹35-1进行供水，当刻度玻璃管39和出水管37内的气体排净，进行下一步骤。

注：在调节供水条件时，应用了底部恒温槽44-1的外部循环泵的功能，因为底部恒温槽44-1，底部冷却液循环管36-1和底部恒温板28形成了封闭循环系统，所以此步骤也设置了底部恒温板28的工作温度，底部恒温板28的工作温度与供水箱40的供水温度相同。

S16，路基体冻结过程：打开顶部恒温槽44-2，按照设计要对路基体26进行冻结的温度设置顶部恒温槽44-2的工作温度，达到工作温度后，开启外部循环泵，对路基体26进行冻结，当路基体26的土压力盒20、加速度传感器21、水分传感器23，内部位移计24-2的监测数据达到稳定时，结束冻结过程试验，进行下一步骤。

S17，路基体融化过程：调节顶部恒温槽44-2的工作温度：按照设计要对路基体26进行融化的温度设置顶部恒温槽44-2的工作温度，达到工作温度后，开启顶部恒温槽44-2的外部循环泵，对路基体26进行融化，当路基体26的温度达到冻结前的温度，并且路基体26内的土压力盒20、加速度传感器21、水分传感器23，外部位移计24-2的监测数据稳定时，结束融化过程试验。

S18，水-热-力耦合作用路基动力响应试验：本试验装置的水-热-力耦合作用路基动力响应试验过程发生在第S16步骤进行中或第S17步骤进行中，或者在进行多次冻融循环后，方法如下。

a、与步骤S16同时进行的动力响应试验：在步骤S16开始对路基体26进行冻结的过程中，利用本试验装置的加载系统对路基体26的轴向施加动态荷载，加载波形通过工作站11在三角波、正弦波、梯形波及设计的各种组合波形中选择，通过电液伺服控制器13控制液压动力机29来实现，加载过程中路基体26的围压可保持为步骤S13中路基体26的固结稳定过程的围压大小，也可应用加载系统中的第一精密调压阀52-1及第二精密调压阀52-2更改围压大小。

b、与步骤S17同时进行的动力响应试验：在步骤S17开始对路基体26进行融化的过程中，利用本试验装置的加载系统对路基体26的轴向施加动态荷载，加载波形通过工作站11在三角波、正弦波、梯形波及设计的各种组合波形中选择，通过电液伺服控制器13控制液压动力机29来实现，加载过程中路基体26的围压可保持为步骤S13中路基体26的固结稳定过程的围压大小，也可应用加载系统中的第一精密调压阀52-1及第二精密调压阀52-2更改围压大小。

c、在进行多次冻融循环后进行的动力响应试验：进行第S16步骤之后进行第S17步骤，进行多次的同样步骤循环即实现了路基体26的冻融循环，在完成设定的冻融循环次数后，用本试验装置的加载系统对路基体26的轴向施加动态荷载，加载波形通过工作站11在三角波、正弦波、梯形波及设计的各种组合波形中选择，通过电液伺服控制器13控制液压动力机29来实现，加载过程中路基体26的围压可保持为步骤S13中路基体26的固结稳定过程的围压大小，也可应用本试验装置加载系统中的第一精密调压阀52-1及第二精密调压阀52-2更改围压大小。

S19，试验过程中，数据采集箱12将采集到的数据发送到工作站11，工作站11对数据显示和处理，在进行水-热-力耦合作用路基动力响应试验时，工作站11可实时显示路基体26内部的土压力盒20，水分传感器23，加速度传感器21和位移计24-2的数据时程曲线，以便实时进行水-热-力耦合作用路基动力响应试验的数据观察。

综上，本发明实施例提供的水-热-力耦合作用路基动力响应试验装置及方法具有以下有益效果：1设计了专门用于大尺度路基体的加载框架和CO₂压力室，结合轴向不同频率的动态荷载技术，实现了在路基体轴向施加不同频率的动态荷载，横向加围压的大尺度路基体加载技术；2设计了用于路基体顶部和底部的恒温板，恒温板分别与顶部和底部恒温槽相连，形成闭合回路，提供温度差形成温度梯度，结合真空室形成的真空隔热边界，进而保持试验的温度环境；3选用安全的CO₂气体提供路基体需要的围压条件，而且CO₂气体的导热系数相比液体和固体更小，更有利于温度梯度的形成；4应用马氏瓶原理设计的供水箱提供恒水头供水，通过在供水箱内部放置温度探针监测供水箱内水的温度，将供水箱外部盘绕由温控系统提供的底部冷却液循环管且将供水箱放置在恒温箱内实现恒温供水，实现了供水系统恒温恒水头的供水条件；5通过工作站、数据采集箱、传感器组的联合应用，实现了试验数据的自动采集和处理，有效保证了数据采集的可靠性；6试验系统将水分场、温度场，力学场共同作用于大尺度路基体，用于研究直径50cm，高100cm的圆柱路基体在动态荷载、围压，温度梯度和地下水补给环境下的动力响应，实验成果可以发现水-热-力三场耦合作用的路基动力响应新数据，提出治理路基病害新原理，为建立逼真的有限元模型提供精准物理力学参数，提供优良的路基体。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。