专利名称：模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种研究碎石土路基力学行为的装置，尤其是涉及一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，适用于机场跑道、铁路及公路等路基工程领域。
背景技术：
随着航空交通量和大型宽体飞机比例的快速增长，我国一些早期修建的机场跑道，跑道下碎石土路基沉降严重，使用性能急剧下降，迫切需要进行结构补强或功能恢复，以提高使用性能，延长使用寿命；传统的循环大三轴试验仪无法实现荷载移动的试验模拟，得到的循环三轴路径与真实场地循环路径有着本质的差异，从而不能客观地揭示道路运营期碎石土路基的安定状态与累计变形特性。因此，对循环交通荷载下碎石土路基安定状态及长期变形特性的研究具有重要的工程应用价值。长期往复交通动载下，碎石土路基应力主轴方向与大小发生耦合变化，这一复杂动载下碎石土路基的变形规律及其所依赖的力学机理在理论上存在诸多难题，导致运营期的沉降预测理论尚不完善，计算精度低，无法满足工程需要。碎石土路基是一种较为普遍的机场基础形式，国内外对其在循环交通荷载作用下力学特性的研究并不充分，机场碎石土路基变形沉降的试验研究基本处于空白状态。为此，本发明提出一种用于模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，并能够研究碎石土路基中的主应力轴旋转问题，从而更有效地指导碎石土路基的工程设计。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置。本发明的目的可以 通过以下技术方案来实现:一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，该装置包括外围框架、试样盒、轴向加载单元、水平加载系统及数据采集系统，所述的试样盒设在外围框架内部，所述的试样盒内装填碎石土路基试样，碎石土路基试样的上方铺设路面板，所述的轴向加载单元包括小车轮和液压加载系统，所述的小车轮设在路面板上，所述的液压加载系统设在小车轮的上方，为小车轮施加轴向压力，所述的水平加载系统与小车轮连接，维持小车轮水平向往复运动，所述的数据采集系统设在试样盒的侧壁的四角处。所述的外围框架为钢结构框架。所述的试样盒由垂直于小车轮运动方向的两个位移约束侧边界、平行于小车轮运动方向的两个应力约束侧边界和一个底面组成，所述的位移约束侧边界通过铁柱连接在外围框架上，所述的应力约束侧边界通过液压千斤顶与外围框架连接，其中一个位移约束侧边界为钢化玻璃，另一个位移约束侧边界、两个应力约束侧边界和一个底面均为钢板。所述的应力约束侧边界的外侧中间设有正方形钢板，所述的液压千斤顶设在正方形钢板与外围框架之间。所述的碎石土路基试样包括由下到上依次铺设的地基土试样、土工格栅网及碎石土试样；所述的路面板为混凝土路面板。所述的小车轮上端设有一竖轴，该竖轴的顶端设有滑轮。所述的液压加载系统包括储油箱、提供动力的高压油泵、控制加载的控制组件、测力装置及管路，所述的储油箱与高压油泵连接，所述的高压油泵通过管路与竖轴连接，所述的控制组件及测量装置与高压油泵连接，所述的控制组件设定轴向载荷的加载方式和加载大小，所述的高压油泵提供的压力通过管路作用于小车轮上。所述的水平加载系统为一根钢梁轨道，所述的滑轮连接在该钢梁轨道上，所述的钢梁轨道限制小车轮的运动轨迹为直线。所述的数据采集系统包括传感器及与传感器连接并控制传感器的计算机，所述的传感器为自动实时记录加载次数、路面板轴向荷载与轴向应变、试样盒内部应力、位移约束侧边界与应力约束侧边界的应力和位移的传感器。与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果:本发明的装置可以模拟交通荷载下碎石土路基中的主应力轴大小及方向耦合旋转，可量测循环交通荷载作用下碎石土路基的塑性安定状态和累计变形规律，得到碎石土路基变形沉降与加载次数、加载频率、轴向荷载等参数的关系，从而合理地指导道路工程建设的工程实践，确保碎石土路基的稳定性。同时本发明的装置结构简单、组装及拆卸容易，实验过程操作容易，测量准备度高。
图1为本发明的结构示意图；图2为移动小车轮不同位置时碎石土路基中心单元大主应力方向示意图。图中:1为外围框架，2为试样盒，21为路面板，22为碎石土路基试样，23为应力约束侧边界，24为位移约束侧边界，25为底面，26为正方形钢板，3为小车轮，4为液压加载系统，5为传感器，6为液压千斤顶，7为铁柱，8为碎石土颗粒，9为钢梁轨道。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，如图1所示，该装置包括外围框架1、试样盒2、轴向加载单元、水平加载系统及数据采集系统。其中，夕卜围框架I为钢结构框架。试样盒2设在外围框架I内部，试样盒2内装填碎石土路基试样22，碎石土路基试样22的上方铺设路面板21。碎石土路基试样22包括由下到上依次铺设的地基土试样、土工格栅网及碎石土试样；路面板21为混凝土路面板，路面板21的尺寸为800mmX 500mmX 46mm。试样盒2为800mmX500mmX646mm的长方体，试样盒2由垂直于小车轮3运动方向的两个位移约束侧边界24、平行于小车轮3运动方向的两个应力约束侧边界23和一个底面25组成，位移约束侧边界24通 过铁柱7连接在外围框架I上，应力约束侧边界23通过液压千斤顶6与外围框架I连接，其中一个位移约束侧边界24为IOmm厚的钢化玻璃，可用于观察并记录试验过程中盒内试样变化情况；另一个位移约束侧边界24、两个应力约束侧边界23和一个底面25均为IOmm厚的钢板。应力约束侧边界23的外侧中间设有IOOmmX IOOmm的正方形钢板26，液压千斤顶6设在正方形钢板26与外围框架I之间。外围框架I通过铁柱7及液压千斤顶6为试样盒2提供围压，以保证碎石土处于较为均匀的应变状态，其中，应力约束侧边界23与底面25之间留有Imm缝隙，以消除摩擦力引起的误差。轴向加载单元包括小车轮3和液压加载系统4，小车轮3设在路面板21上，小车轮3上端设有一竖轴，该竖轴的顶端设有滑轮。液压加载系统4包括储油箱、提供动力的高压油泵、控制加载的控制组件、测力装置及管路，储油箱与高压油泵连接，高压油泵通过管路与竖轴连接，控制组件及测量装置与高压油泵连接，控制组件设定轴向载荷的加载方式和加载大小 ，高压油泵提供的压力通过管路作用于小车轮3上并通过小车轮3传递至试样，水平加载系统为一根钢梁轨道9，滑轮连接在该钢梁轨道9上，钢梁轨道9限制小车轮3的运动轨迹为直线。数据采集系统包括传感器5及与传感器5连接并控制传感器5的计算机，传感器5设在试样盒2的侧壁的四角处，传感器5为自动实时记录加载次数、路面板21轴向荷载与轴向应变、试样盒2内部应力、位移约束侧边界24与应力约束侧边界23的应力和位移的传感器。首先检测碎石土路基试样22均匀装填，同时保证地基土试样、土工格栅网及碎石土试样及路面板21的平整。注意检查各传感器5读数是否归零。通过控制台在试样盒2两侧施加一定数值围压后，再次检查各层试样是否出现倾斜或不均匀分布，检查无误后静置至少Ih时间，待试样充分稳定后，做好开始试验的准备。按照试验设计的加载频率，开始水平方向往复循环加载，加载过程中保持轴向荷载数值不变，同时循环次数、试样竖向沉降、试样水平方向应变、试样内部应力都会通过传感器5自动采集，并传给计算机。到达预定加载次数，或者试样出现明显破坏特征后，试验结束。如图2所示,小车轮3原始位置为B,向左移动后位置到达A处，向右移动后位置到达C处，碎石土颗粒8开始时位置在E处，随着小车轮3向A处移动，碎石土颗粒8向D处移动，移动的角度在σι范围内，随着小车轮3向C处移动，碎石土颗粒8向F处移动，移动的角度在σι范围内，其中O1取值在I 45°范围内。试验结束后，首先停止水平向加载，再缓慢撤去轴向荷载。之后从上到下拆除试样，分析碎石土颗粒8的破碎程度。
权利要求
1.一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，该装置包括外围框架、试样盒、轴向加载单元、水平加载系统及数据采集系统，所述的试样盒设在外围框架内部，所述的试样盒内装填碎石土路基试样，碎石土路基试样的上方铺设路面板，所述的轴向加载单元包括小车轮和液压加载系统，所述的小车轮设在路面板上，所述的液压加载系统设在小车轮的上方，为小车轮施加轴向压力，所述的水平加载系统与小车轮连接，维持小车轮水平向往复运动，所述的数据采集系统设在试样盒的侧壁的四角处。
2.根据权利要求1所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的外围框架为钢结构框架。
3.根据权利要求1所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的试样盒由垂直于小车轮运动方向的两个位移约束侧边界、平行于小车轮运动方向的两个应力约束侧边界和一个底面组成，所述的位移约束侧边界通过铁柱连接在外围框架上，所述的应力约束侧边界通过液压千斤顶与外围框架连接，其中一个位移约束侧边界为钢化玻璃，另一个位移约束侧边界、两个应力约束侧边界和一个底面均为钢板。
4.根据权利要求3所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的应力约束侧边界的外侧中间设有正方形钢板，所述的液压千斤顶设在正方形钢板与外围框架之间。
5.根据权利要求1所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的碎石土路基试样包括由下到上依次铺设的地基土试样、土工格栅网及碎石土试样；所述的路面板为混凝土路面板。
6.根据权利要求1所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的小车轮上端设有一竖轴，该竖轴的顶端设有滑轮。
7.根据权利要求6所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的液压加载系统包括储油箱、提供动力的高压油泵、控制加载的控制组件、测力装置及管 路，所述的储油箱与高压油泵连接，所述的高压油泵通过管路与竖轴连接，所述的控制组件及测量装置与高压油泵连接，所述的控制组件设定轴向载荷的加载方式和加载大小，所述的高压油泵提供的压力通过管路作用于小车轮上。
8.根据权利要求6所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的水平加载系统为一根钢梁轨道，所述的滑轮连接在该钢梁轨道上，所述的钢梁轨道限制小车轮的运动轨迹为直线。
9.根据权利要求1所述的一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，其特征在于，所述的数据采集系统包括传感器及与传感器连接并控制传感器的计算机，所述的传感器为自动实时记录加载次数、路面板轴向荷载与轴向应变、试样盒内部应力、位移约束侧边界与应力约束侧边界的应力和位移的传感器。
全文摘要
本发明涉及一种模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为的试验装置，该装置包括外围框架、试样盒、轴向加载单元、水平加载系统及数据采集系统，试样盒设在外围框架内部，试样盒内装填碎石土路基试样，碎石土路基试样的上方铺设路面板，轴向加载单元包括小车轮和液压加载系统，小车轮设在路面板上，液压加载系统为小车轮施加轴向压力，水平加载系统维持小车轮水平向往复运动，数据采集系统设在试样盒的侧壁的四角处。与现有技术相比，本发明的装置可以模拟往复交通移动荷载下碎石土路基力学行为，得到碎石土路基变形沉降与加载次数、加载频率、轴向荷载等参数的关系，从而合理地指导道路工程建设的工程实践，确保碎石土路基的稳定性。
文档编号G01N3/36GK103217348SQ20131012774
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月12日 优先权日2013年4月12日
发明者钱建固, 由子沛, 王其伟, 黄茂松, 王琳静 申请人:同济大学