本发明属于道路工程室内试验，涉及一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台及其在水力模型构建中的应用。
背景技术：
1、路基内部的水分分布是影响路基整体结构性能的关键因素。而路基在施工阶段参照最佳含水率进行填筑。在运营期，受自重、行车荷载、降雨、坡面植被、蒸发、地下水等复杂环境因素驱动，路基内部的水分会发生迁移出现重分布，导致路基的结构性能也随之发生变化，因此准确揭示路基内部水分迁移的演变规律、提出描述其迁移的水力特性模型至关重要。
2、探究路基水分迁移的方法主要有室内试验、现场试验以及理论模拟。其中室内模拟试验因具有实施简单、代表性强等优点被广泛应用。目前采用室内试验进行路基水分迁移研究时，侧重于考虑某一单一因素(如：公开号为cn114577642a的发明专利公开的一种交通荷载作用下路基土持水状态演变规律测试装置及方法)，无法准确、系统的表征路基在实际工程中所处的复杂环境，因此亟需一种可以模拟多种环境因素的路基水分迁移试验平台，同时匹配相应的水力特性模型构建方法，为路基湿度演变准确评价奠定基础。
技术实现思路
1、为了达到上述目的，本发明提供一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台及其在水力模型构建中的应用，能够全面的模拟驱动路基水分迁移的环境状态，实现了在单一因素和多因素耦合影响下的路基水分迁移模拟，同时构建了相应的水力模型，以解决现有技术中存在的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，包括底座，所述底座上表面设置有多个试验区，各试验区之间通过隔温板隔开；所述隔温板之间通过中心轴固定连接；所述隔温板和中心轴的顶部连接有顶板，所述隔温板外侧与弧形罩板相接触，且弧形罩板上下两端分别与顶板、底座固定连接；所述试验区包括a试验区、b试验区、c试验区以及d试验区，其中：
3、所述a试验区用于模拟路基在地下水作用下发生的水分迁移；
4、所述b试验区用于模拟路基坡面面临降雨时的情况；
5、所述c试验区用于模拟路基所受路基路面自重和行车荷载组合下的水分迁移；
6、所述d试验区用于模拟路基所受路基路面自重和行车荷载组合下，同时承受外界环境温度变化和内部温度的差异对水分迁移的影响；
7、所述顶板与c试验区连接有第一加载头，所述顶板和d试验区连接有第二加载头，第一加载头和第二加载头分别与伺服控制系统连接，伺服控制系统和微机连接。
8、进一步地，所述a试验区包括第一土柱体、供排水系统以及数据采集系统，其中，
9、所述第一土柱体包括圆筒体和土体，所述圆筒体按照第一传感器埋设位置在侧壁设有开孔，所述土体位于圆筒体内部；
10、所述供排水系统包括第一进水管，第一进水管一端连接第一马氏瓶，另一端连接第一储水室；第一排水管两端分别连接第一储水室和第一集水器；所述第一储水室位于第一土柱体下方，并与第一土柱体之间设置有第一滤纸；所述第一储水室包括第一底板和第一顶板，所述第一底板和第一顶板之间通过第一支撑柱固定；所述第一顶板上设有开孔；所述第一进水管上设置有第一进水阀，第一排水管上设置有第一排水阀；
11、所述数据采集系统包括第一传感器，所述第一传感器设置于第一土柱体内部；第一传感器包括测试基质吸力、含水率和应力的传感器；第一传感器与数据采集仪电路连接，数据采集仪与微机电路连接。
12、进一步地，所述b试验区包括第二土柱体、数据采集系统、排水系统、降雨系统，其中，
13、所述第二土柱体包括圆筒体和土体，所述圆筒体按照第二传感器埋设位置在侧壁设有开孔，所述土体位于圆筒体内部；所述土体内种植有植物；
14、所述排水系统包括第二排水管，第二排水管两端分别连接第二储水室和第二集水器；所述第二排水管上设置有第三排水阀，所述第二土柱体顶部设置有第二排水阀；所述第二储水室位于第二土柱体下方，并与第二土柱体之间设置有第二滤纸；所述第二储水室包括第二底板和第二顶板，所述第二底板和第二顶板之间通过第二支撑柱固定；所述第二顶板上设有开孔；
15、所述数据采集系统包括第二传感器，所述第二传感器设置于第二土柱体内部；第二传感器包括测试基质吸力、含水率和应力的传感器；第二传感器与数据采集仪电路连接，数据采集仪与微机电路连接；
16、所述降雨系统包括供水箱、流量控制阀和喷洒头，所述流量控制阀设置在供水箱和喷洒头之间的管道上。
17、进一步地，所述c试验区包括第三土柱体、供排水系统、数据采集系统以及加载系统，其中，
18、所述第三土柱体包括圆筒体和土体，所述圆筒体按照第三传感器埋设位置在侧壁设有开孔，所述土体位于圆筒体内部；
19、所述供排水系统包括第二进水管，第二进水管一端连接第二马氏瓶，另一端连接第三储水室；第三排水管两端分别连接第三储水室和第三集水器；所述第三储水室位于第三土柱体下方，并与第三土柱体之间设置有第三滤纸；所述第三储水室包括第三底板和第三顶板，所述第三底板和第三顶板之间通过第三支撑柱固定；所述第三顶板上设有开孔；所述第二进水管上设置有第二进水阀，第三排水管上设置有第四排水阀；
20、所述加载系统包括第一加载头、第一加载杆、伺服控制系统以及第一加载板，所述第一加载板顶部与第一加载杆连接，所述第一加载杆上方与第一加载头固定连接；所述第一加载板位于第三土柱体正上方；所述伺服控制系统与第一加载头电性连接；
21、所述数据采集系统包括第三土柱体(37)内部的传感器和外部的传感器，所述第三土柱体(37)内部的传感器包括第三传感器(50)，所述第三传感器(50)分层埋设在第三土柱体(37)中，包括测试基质吸力、含水率和应力的传感器；所述外部的传感器包括安装于第一加载板(51)顶部的第一笔式位移计(48)和安装于第一加载头(7)上的第一荷载传感器(78)；所述第三传感器(50)、第一笔式位移计(48)、第一荷载传感器(78)分别与数据采集仪(18)电路连接，数据采集仪(18)与微机(9)电路连接。
22、进一步地，所述d试验区包括第四土柱体、供排水系统、数据采集系统、加载系统以及温控系统，其中，
23、所述第四土柱体包括圆筒体和土体，所述圆筒体按照第三传感器埋设位置在侧壁设有开孔，所述土体位于圆筒体内部；所述土体外侧设置有保温层；
24、所述供排水系统包括第三进水管，第三进水管一端连接第三马氏瓶，另一端连接第四储水室；第四排水管两端分别连接第四储水室与第四集水器；所述第四储水室位于第四土柱体下方，并与第四土柱体之间设置有第四滤纸；所述第四储水室包括第四底板和第四顶板，所述第四底板和第四顶板之间通过第四支撑柱固定；所述第四顶板上设有开孔；所述第三进水管上设置有第三进水阀，第四排水管上设置有第五排水阀；
25、所述加载系统包括第二加载头、第二加载杆、伺服控制系统以及第二加载板，所述第二加载板顶部与第二加载杆连接，所述第二加载杆上方与第二加载头固定连接；所述第二加载板位于第四土柱体正上方；所述伺服控制系统与第二加载头电性连接；
26、所述数据采集系统包括第四土柱体(53)内部的传感器和外部的传感器，所述第四土柱体(53)内部的传感器包括第四传感器(65)，所述第四传感器(65)分层埋设在第四土柱体(53)中，包括测试基质吸力、含水率和应力的传感器；所述外部的传感器包括安装于第二加载板(66)顶部的第二笔式位移计(80)和安装于第二加载头(77)上的第二荷载传感器(79)；所述第四传感器(65)、第二笔式位移计(80)、第二荷载传感器(79)分别与数据采集仪(18)电路连接，数据采集仪(18)与微机(9)电路连接；
27、所述温控系统包括第二温度板、第一温度板，所述第二温度板位于第四储水室内部，所述第二温度板两端分别与第二供温管道、第二回流管道连接；所述第二供温管道、第二回流管道均与温度调控装置连接；所述第二温度板根据第四支撑柱的位置设置有支撑柱预留孔；所述第一温度板位于第二加载板下方，所述第一温度板两端分别与第一供温管道、第一回流管道固定连接；所述第四土柱体侧壁与第一供温管道、第一回流管道接触位置分别设置有通孔槽，所述第四土柱体两侧设置有变形协调装置，所述第一供温管道、第一回流管道分别穿过变形协调装置并与温度调控装置连接。
28、进一步地，所述变形协调装置包括支撑架与弹簧，所述弹簧位于支架内，且所述弹簧分别位于第一供温管道上下两侧以及第一回流管道上下两侧。
29、本发明还提供了一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台的应用，用于构建全环境条件下路基土水力特性模型。
30、进一步地，所述全环境条件下路基土水力特性模型包括土水特征曲线模型和渗透系数函数，所述土水特征曲线模型包括考虑地下水影响的土水特征曲线模型、考虑动静荷载组合的土水特征曲线模型、考虑温度效应和动静荷载组合影响的土水特征曲线模型、考虑植物根系影响的土水特征曲线模型，其中，所述考虑地下水影响的土水特征曲线模型的构建方法如下：
31、步骤1、取第一土柱体的中间截面测试的试验数据为代表用于描述路基土的土水特性；
32、步骤2、构建上述土柱试验过程中基质吸力和含水率演变的时程曲线；
33、步骤3、从基质吸力为0kpa开始，以50kpa～100kpa中任一值为间距进行取值，土质细颗粒含量越大，间距取值越大，并在基质吸力间距范围内取若干组数据点，并取同一时刻对应的含水率值，重复上述步骤获得描述土体土水特性的土水特征曲线；
34、步骤4、获取土水特征曲线后，采用下述模型对土水特征曲线进行拟合：
35、
36、式中：有效饱和度s＝(θ-θr)/(θs-θr)，θ为含水率，θr为残余含水率，θs为饱和含水率；hm为基质吸力；e为孔隙比；m1、m2、m3和m4为拟合参数；
37、步骤5、拟合后得到考虑地下水影响的土水特征曲线模型。
38、进一步地，所述考虑动静荷载组合的土水特征曲线模型的建立方法为：通过第三传感器记录的土体变形换算孔隙比e，建立孔隙比e与动静荷载值之间的函数关系，并通过下式拟合得到：
39、
40、式中，e(e0,σ静,σ动)为与e0、σ静、σ动相关的函数；e0为初始孔隙比，σ静为静荷载，σ动为动荷载幅值；
41、所述考虑温度效应和动静荷载组合影响的土水特征曲线模型的构建方法为：通过第四传感器记录的土体变形换算孔隙比e，将孔隙比e与动静荷载值、温度差之间建立函数关系，并通过下式拟合得到：
42、
43、式中：e(e0,σ静,σ动,t)为与e0、σ静、σ动、t相关的函数；t为温度；
44、所述考虑植物根系影响的土水特征曲线模型的构建方法为：采用ct扫描技术，计算第二土柱体内根系的体积比rv，与初始孔隙比e0建立关系构建孔隙比e，并通过下式拟合得到：
45、
46、式中：e(e0,rv)为与e0、rv相关的函数。
47、进一步地，所述渗透系数函数根据各传感器点位测得的土体含水率和基质吸力数据进行构建，步骤如下：
48、步骤一、以任一土柱体内两个传感器的位置为计算截面，高度记为h1和h2，测量时间间隔分别为t1、t2，计算截面的流速v等于t1-t2时间间隔内水量的变化率：
49、
50、式中：vw为t1-t2时间内经过计算截面的水量，△vw为t1-t2时间内经过计算截面的水量变化量；a为渗流土柱的截面面积，所述渗流土柱指所述任一土柱体内被水渗透的土柱；
51、
52、θ(z)为渗流剖面体积含水率随深度变化方程，可在体积含水率剖面采用分段线性拟合法得到，n为总参考截面数，n∈n；hn表示第n个截面高度；
53、步骤二、计算水力坡降ih,ave：
54、
55、式中，表示t1时刻位置点h1的水头值，表示t2时刻位置点h1的水头值，表示t1时刻位置点h2的水头值、表示t2时刻位置点h2的水头值；
56、步骤三、计算非饱和渗透系数k：
57、
58、步骤四，计算出非饱和渗透系数的同时取在t1和t2时刻h1位置的基质吸力值的平均值，获得基质吸力hm与非饱和渗透系数的关系，采用下式进行拟合以获得渗透系数函数：
59、
60、式中，ks为饱和渗透系数，m5、m6、m7、m8为拟合参数。
61、本发明的有益效果是：
62、(1)构建的试验平台集成了路基所处的主要环境条件，可以满足所有环境条件的单一或耦合影响下水分迁移演变规律试验。
63、(2)在供排水系统中采用储水室装置，解决了供水时紊动的水流对水体在土体内部迁移的影响，实现水体稳定渗入土柱内部。
64、(3)采用温控系统和加载系统，实现了温差和动、静荷载耦合影响下的路基水分迁移室内模拟试验。
65、(4)给出了各环境下路基水力特性曲线及其模型的构建方法。给出了考虑不同因素影响的土水模型构建方法。在渗透系数函数构建中给出了分段拟合法和cad软件快速处理含水量变化量计算方法；同时本方法可以自定义供水水头用于渗透系数计算，可以加快试验开展。
1.一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，包括底座(1)，其特征在于，所述底座(1)上表面设置有多个试验区，各试验区之间通过隔温板(4)隔开；所述隔温板(4)之间通过中心轴(3)固定连接；所述隔温板(4)和中心轴(3)的顶部连接有顶板(5)，所述隔温板(4)外侧与弧形罩板(2)相接触，且弧形罩板(2)上下两端分别与顶板(5)、底座(1)固定连接；所述试验区包括a试验区、b试验区、c试验区以及d试验区，其中：
2.根据权利要求1所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，其特征在于，所述a试验区包括第一土柱体(10)、供排水系统以及数据采集系统，其中，
3.根据权利要求1所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，其特征在于，所述b试验区包括第二土柱体(36)、数据采集系统、排水系统、降雨系统，其中，
4.根据权利要求1所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，其特征在于，所述c试验区包括第三土柱体(37)、供排水系统、数据采集系统以及加载系统，其中，
5.根据权利要求1所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，其特征在于，所述d试验区包括第四土柱体(53)、供排水系统、数据采集系统、加载系统以及温控系统，其中，
6.根据权利要求5所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台，其特征在于，所述变形协调装置(75)包括支撑架与弹簧，所述弹簧位于支架内，且所述弹簧分别位于第一供温管道(68)上下两侧以及第一回流管道(69)上下两侧。
7.如权利要求1～6任一项所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台的应用，其特征在于，用于构建全环境条件下路基土水力特性模型。
8.根据权利要求7所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台的应用，其特征在于，所述全环境条件下路基土水力特性模型包括土水特征曲线模型和渗透系数函数，所述土水特征曲线模型包括考虑地下水影响的土水特征曲线模型、考虑动静荷载组合的土水特征曲线模型、考虑温度效应和动静荷载组合影响的土水特征曲线模型、考虑植物根系影响的土水特征曲线模型，其中，所述考虑地下水影响的土水特征曲线模型的构建方法如下：
9.根据权利要求8所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台的应用，其特征在于，所述考虑动静荷载组合的土水特征曲线模型的建立方法为：通过第三传感器(50)记录的土体变形换算孔隙比e，建立孔隙比e与动静荷载值之间的函数关系，并通过下式拟合得到：
10.根据权利要求8所述的一种复杂条件下路基水分迁移模拟平台的应用，其特征在于，所述渗透系数函数根据各传感器点位测得的土体含水率和基质吸力数据进行构建，步骤如下：
