破碎块体间裂缝特性及其对加铺层影响的模拟装置及方法与流程

本发明涉及道路工程的技术领域，主要是旧水泥混凝土道路改造，尤其涉及一种破碎块体间裂缝特性及其对加铺层影响的模拟装置及方法，用于模拟和评价水泥混泥土破碎块体间嵌挤咬合力和块体间裂缝形式对于上部沥青加铺层裂缝开展的影响。

背景技术：

水泥混凝土路面是我国路面结构的重要形式之一。在我国目前急剧增长的交通状况之下，水泥混凝土路面开始出现了大面积严重的破坏，对于水泥混凝土路面的修复与改造是当务之急。水泥混凝土路面碎石化技术能有效地抑制道路裂缝的出现。

目前，我国现有的水泥混凝土路面由于在使用期间的超载、养护不足等问题，有相当一部分已经接近或超过了其设计年限，越来越多的旧水泥混凝土路面面临着修复工作。而沥青路面不仅行车舒适性较好，而且其修复较水泥混凝土路面容易，因而在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层是一种改善其使用性能的有效措施。

沥青混凝土加铺层的破坏主要是由于旧水泥混凝土路面裂缝或接缝这种原始缺陷及破坏的存在，引起沥青混凝土加铺层的应力集中与内部损伤，这种损伤的主要表现形式就是沥青加铺层裂缝。道路裂缝不仅会影响行车舒适性，而且会导致路表水下浸，影响到路基的强度与稳定性。更为重要的是，在行车荷载反复作用和周期性变化环境温度的影响下，常常使得裂缝迅速向四周扩展，大大缩短了沥青面层的使用寿命。

对于旧路改造中的沥青加铺层出现裂缝问题，目前仍缺少全面的试验方法和可靠的评价指标，无法系统地还原实际工况下水泥混凝土块体间嵌挤力及裂缝形式对上部加铺层的影响。

技术实现要素：

针对无法深入研究和模拟水泥混凝土路面破碎后，块体相互嵌挤力和块体间裂缝形式对上部加铺层裂缝开展影响的技术问题，本发明提出一种破碎块体间裂缝特性及其对加铺层影响的模拟装置及方法，用于模拟和评级水泥混凝土块体间嵌挤力和块体间裂缝形式对上部加铺层裂缝开展的影响；通过裂缝扩展速率、应变及破坏应力来评价如何打裂和压路机如何碾压来降低加铺层裂缝的开展，为实际工程提供技术支持和积累。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种破碎块体间裂缝特性及其对加铺层影响的模拟装置，包括环境箱，所述环境箱的下部设有基座，基座的中部设有预制裂缝的复合层试件，复合层试件上套设有约束框；所述复合层试件下部的两侧设有水平方向加载装置，复合层试件的上部设有加铺层加载装置和模拟降雨装置，加铺层加载装置的下部固定在基座上，水平方向加载装置、模拟降雨装置和加铺层加载装置均与采集控制系统相连接。

所述复合层试件包括设有预制裂缝的预制裂缝混凝土梁和沥青混凝土加铺层，沥青混凝土加铺层设置在预制裂缝混凝土梁的上部；所述沥青混凝土加铺层的上部设有应变片，应变片设置在加铺层加载装置的下方，应变片与采集控制系统相连接；所述预制裂缝为竖向裂缝、斜裂缝或“V”字型等形状裂缝。

所述复合层试件的制作方法为：先浇筑水泥混凝土梁，待水泥混凝土梁达到养护龄期后，对水泥混凝土梁的中部进行切割得到预制裂缝；当切割完毕后用环氧胶粘剂粘在基座的中部形成试件，将约束框固定于试件上；设置水平方向加载装置对破碎水泥混凝土层两侧的加载力大小，对切割裂缝后的水泥混凝土两侧进行加载，模拟块体嵌挤力，稳定1h，待其自适应阶段稳定；再在切割裂缝后的水泥混凝土的上部均匀洒布透层油，室温中静置2h形半成品试件；之后将拌和好的沥青混合料铺装在半成品试件上形成加铺层，用上部的加铺层加载装置的加载轮对半成品试件进行碾压，先是一个方向碾压2次，旋转90°后继续压实24次，之后将该试件室温放置48h，并在加铺层中部粘贴三个应变片，复合层试件的制样完毕。

所述约束框为上表面和下表面开口、两侧表面的下部开口的透明可拆卸的框体。

所述水平方向加载装置包括水平动力系统、连接横梁、加载板和横向荷载传感器，加载板竖直设置在预制裂缝混凝土梁的两侧，加载板与连接横梁相连接，连接横梁与水平动力系统相连接；所述连接横梁上设有横向荷载传感器，横向荷载传感器与采集控制系统相连接。

所述加铺层加载装置包括支架平台、立柱、水平轴、横杆、竖向荷载传感器、竖向加载轴和加载轮，立柱的下部固定在基座上，立柱的上部固定有水平轴，水平轴通过滑块与支架平台相连接，支架平台上设有水平驱动机构和竖直加载机构；竖直加载机构与设置在水平轴下方的横杆相连接，横杆的下部固定有竖向加载轴，竖向加载轴的下部活动连接有加载轮，竖向荷载传感器设置在竖向加载轴上，竖向荷载传感器与采集控制系统相连接。

所述水平驱动机构包括原动机、连杆机构和加速传感器，原动机与连杆机构相连接，连杆机构与支架平台的一端相连接，加速传感器设置在连杆机构上，原动机和加速传感器均与采集控制系统相连接；所述水平轴的两端设有用于限位支架平台水平移动范围的限位弹簧。

所述竖直加载机构包括重力加载装置、导柱和千斤顶，千斤顶和与导柱相匹配的导套固定在支架平台上，重力加载装置固定在导柱的上部，千斤顶位于重力加载装置中部的下方；导柱的下部与横杆固定连接。

所述模拟降雨装置包括导水管、压力传感器、空压机、储水箱和出水管，导水管和空压机均与储水箱相连接，导水管与出水管相连接，出水管穿过支架平台设置在加载轮的上方；所述空压机与储水箱之间设有压力传感器，压力传感器和空压机均与采集控制系统相连接。

一种采用上述模拟装置模拟水泥混凝土块体间嵌挤力和块体间裂缝形式对于上部加铺层裂缝扩展的方法，S1，按照水泥混凝土块体间的裂纹形式和嵌挤力制作和固定复合层试件，水平方向加载装置对预制裂缝混凝土梁施加水平方向的嵌挤咬合作用；S2，采集控制系统通过环境箱上部的制冷机和下部的制热装置设定环境箱内的测试温度，采集控制系统控制模拟降雨装置的水流速，采集控制系统控制水平驱动机构和竖直加载机构分别调节加载轮的车速及荷载；S3，启动加铺层加载装置至模拟结束，加载轮在沥青混凝土加铺层左右往复运动，对沥青混凝土加铺层同时产生水平与竖向作用力，并由模拟降雨装置产生水流，实现评价块体相互嵌挤力和块体间裂缝形式对上部沥青混凝土加铺层裂缝开展的影响。

本发明的有益效果：不仅模拟了环境温度对于试件的影响，还考虑了降水的作用，能模拟行车荷载、温度和水等因素耦合作用对复合结构的影响；可以模拟不同车速及不同轴载车辆对于加铺层的作用；应用范围广，试验的复合结构可以存在不同的裂纹形式及不同的前挤咬合力，试验的复合结构材料可以改变；能够对块体相互嵌挤力和块体间裂缝形式对上部加铺层裂缝开展进行真实贴近模拟，对于碎石化技术的抗裂及路工程旧水泥混凝土路面改造设计提供技术支撑和积累。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明约束框的结构示意图。

其中，1、原动机；2、连杆机构；3、加速度传感器；4、重力加载装置；5、导柱；6、千斤顶；7、支架平台；8、导水管；9、压力传感器；10、空压机；11、储水箱；12、限位弹簧；13、水平轴；14、横杆；15、出水管；16、竖向加载轴；17、竖向荷载传感器；18、加载轮；19、约束框；20、沥青混凝土加铺层；21、预制裂缝混凝土梁；22、应变片；23、预制裂缝；24、横向荷载传感器；25、连接横梁；26、水平动力系统；27、基座；28、采集控制系统；29、环境箱；30、加载板；31、立柱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种破碎块体间裂缝特性及其对加铺层影响的模拟装置，包括环境箱29，所述环境箱29的下部设有基座27，基座27的中部设有预制裂缝的复合层试件，复合层试件上套设有约束框19；所述复合层试件下部的两侧设有水平方向加载装置，复合层试件的上部设有加铺层加载装置和模拟降雨装置，加铺层加载装置的下部固定在基座27上，水平方向加载装置、模拟降雨装置和加铺层加载装置均与采集控制系统28相连接。水平方向加载装置和加铺层加载装置可同时作用于复合层试件，但二者互不影响。采集控制系统28通过测量水平运动的加速度、横向和竖向的载荷大小及水的流速，来调节相应的动力设备实现相应的控制。环境箱29内设置有温度控制装置，温度控制装置包括制冷机和制热装置，制冷机设置在环境箱29内的上部，制热装置设置在环境箱29内的下部。温度控制装置可以模拟不同温度的工况，包括严寒冰冻和炎热高温的工况。

所述复合层试件包括设有预制裂缝23的预制裂缝混凝土梁21和沥青混凝土加铺层20，沥青混凝土加铺层20设置在预制裂缝混凝土梁21的上部；所述沥青混凝土加铺层20的上部设有应变片22，应变片22设置在加铺层加载装置的下方，应变片22与采集控制系统28相连接，应变片22感应上部加铺层加载装置对其作用的应变力并传送只采集控制系统28。

所述复合层试件的制作方法为：先浇筑水泥混凝土梁，待水泥混凝土梁达到养护龄期后，对水泥混凝土梁的中部进行切割得到预制裂缝23，所述预制裂缝23为常见的竖向裂缝、斜裂缝或“V”字型等形状裂缝；当切割完毕后用环氧胶粘剂粘在基座27的中部形成试件，将约束框19固定于试件上；设置水平方向加载装置对破碎水泥混凝土层两侧的加载力大小，对切割裂缝后的水泥混凝土两侧进行加载，模拟块体嵌挤力，稳定1h，待其自适应阶段稳定；再在切割裂缝后的水泥混凝土的上部均匀洒布透层油，室温中静置2h形半成品试件；之后将拌和好的沥青混合料铺装在半成品试件上形成加铺层，用上部的加铺层加载装置的加载轮对半成品试件进行碾压，先是一个方向碾压2次，旋转90°后继续压实24次，之后将该试件室温放置48h，并在加铺层中部粘贴三个应变片22，复合层试件的制样完毕。

如图2所示，所述约束框19为上表面和下表面开口、两侧表面的下部开口的透明可拆卸的框体。约束框19的前表面和后表面是实体的，可以对复合层试件进行限位。约束框19更加贴近实际路面四周约束的实际工况，约束框19主要对上部的沥青混凝土加铺层20起到固定约束的作用，透明以便观测试验过程中沥青混凝土加铺层20的裂缝变化。

所述水平方向加载装置包括水平动力系统26、连接横梁25、加载板30和横向荷载传感器24，加载板30竖直设置在预制裂缝混凝土梁21的两侧，加载板30与约束框19两侧面的开口相匹配，不影响约束框19对复合层试件的限位约束。加载板30与连接横梁25相连接，连接横梁25与水平动力系统26相连接；所述连接横梁25上设有横向荷载传感器24，横向荷载传感器24与采集控制系统28相连接。水平方向加载装置通过加载板30会对破碎水泥混凝土层保持施加稳定的力，以保证模拟预制裂缝混凝土梁21块体间的嵌挤力。

所述加铺层加载装置包括支架平台7、立柱31、水平轴13、横杆14、竖向荷载传感器17、竖向加载轴16和加载轮18，立柱31的下部固定在基座27上，立柱31的上部固定有水平轴13，水平轴13通过滑块与支架平台7相连接，水平轴13作为水平滑道，支架平台7滑动连接于水平轴13的上部。支架平台7上设有水平驱动机构和竖直加载机构；竖直加载机构与设置在水平轴13下方的横杆14相连接，横杆14的下部固定有竖向加载轴16，竖向加载轴16的下部活动连接有加载轮18，竖向荷载传感器17设置在竖向加载轴16上，竖向荷载传感器17与采集控制系统28相连接。

所述水平驱动机构包括原动机1、连杆机构2和加速传感器3，原动机1与连杆机构2相连接，连杆机构2与支架平台7的一端相连接，加速传感器3设置在连杆机构2上，原动机1和加速传感器3均与采集控制系统28相连接；所述水平轴13的两端设有用于限位支架平台7水平移动范围的限位弹簧12，防止在支架平台7的带动下加载轮18移出复合层试件，增加了整个装置的可靠性。由原动机1通过连杆机构2带动支架平台7在水平方向做往复运动，通过加速度传感器3来测量支架平台7的移动加速度，采集控制系统28控制原动机1控制速度，来模拟不同车速对于路面的作用。

所述竖直加载机构包括重力加载装置4、导柱5和千斤顶6，千斤顶6和与导柱5相匹配的导套固定在支架平台7上，重力加载装置4固定在导柱5的上部，导柱5的下部与横杆14固定连接。重力荷载装置4通过两根导柱5穿过支架平台7与横杆14相连接，支架平台7上的千斤顶6为升降调节装置，从而调节横杆14下部依次连接的竖向荷载传感器17和加载轮18。千斤顶6位于重力加载装置4中部的下方，可以从重力加载装置4的中部向上托起，保证了调节过程中的稳定性。竖向压力通过千斤顶6和重力荷载装置4来实现，千斤顶6通过旋转螺杆可以顶到重力荷载装置4，从而产生压力调节横杆14对加载轮18的竖向压力，横杆14在加载轮18上方有竖向荷载传感器17测量对加载轮18的载荷，调节千斤顶6可以控制对加载轮18荷载的大小，从而模拟不同轴载车辆的作用。重力加载装置4具有多个数量可调的重块，从而实现对加载轮18不同重力载荷的调节。

所述模拟降雨装置包括导水管8、压力传感器9、空压机10、储水箱11和出水管15，导水管8和空压机10均与储水箱11相连接，导水管8与出水管15相连接，出水管15穿过支架平台7设置在加载轮18的上方；所述空压机10与储水箱11之间设有压力传感器9，压力传感器9和空压机10均与采集控制系统28相连接。出水管15放置在横杆14的中间，空压机10能产生气压将水压入到出水管15中，压力传感器9测量空压机输出的气压，从而通过采集控制系统28调节空压机10控制水压大小，从而模拟不同降雨的大小。

上述装置的工作原理为：首先在制样阶段采集控制系统28控制水平方向加载装置设置好水平嵌挤咬合力，水平动力系统26产生动力，连接横梁25将水平力传递到竖向的加载板30上，加载板30直接作用于预制裂缝混凝土梁21即破碎水泥混凝土层，横向荷载传感器24实时的检测水平方向的荷载，保持水平嵌挤力的稳定。环境箱29中的上部制冷机和下部制热装置调节其内温度。上部的原动机1驱动连杆机构2带动支架平台7在水平方向上做往复运动，采集控制系统28通过加速度传感器实时检测连杆机构2运动的加速度，通过调节原动机1来控制速度，水平轴13左右两端的限位弹簧12控制加载轮18左右的位置。竖向压力是由千斤顶6通过旋转螺杆可以顶到重力荷载装置4产生，通过加载轮18直接作用于沥青混凝土加铺层20。在加载轮18上方有竖向荷载传感器17，通过调节千斤顶6的伸长量和重力荷载装置4配重块的重量可以控制对加载轮18的荷载大小。同时，模拟降雨装置通过空压机10产生气压，压力传感器9实时检测压力大小调节空压机10控制出水流速，将储水箱11中的水压入出水管，水流作用于沥青混凝土加铺层20上。整个装置对于破碎水泥混凝土层产生稳定的水平力，上部加载轮18在沥青混凝土加铺层20左右往复运动，对沥青混凝土加铺层20产生水平与竖向作用力，同时模拟降雨装置产生水流，最终来评价块体相互嵌挤力和块体间裂缝形式对上部加铺层裂缝开展的影响。

一种采用上述模拟装置模拟水泥混凝土块体间嵌挤力和块体间裂缝形式对于上部加铺层裂缝扩展的方法，S1，按照水泥混凝土块体间的裂纹形式和嵌挤力制作和固定复合层试件，复合层试件的尺寸以能放入支架平台下部约束框为准，水平方向加载装置对预制裂缝混凝土梁21进行水平方向的嵌挤咬合；S2，根据具体的试验类型，采集控制系统28通过环境箱上部的制冷机和下部的制热装置设定环境箱29内的测试温度，采集控制系统28控制模拟降雨装置的水流速，采集控制系统28控制水平驱动机构和竖直加载机构分别调节加载轮18的车速及荷载，打开相应的开关和计算机控制器；S3，启动加铺层加载装置至模拟结束，加载轮18在沥青混凝土加铺层20左右往复运动，对沥青混凝土加铺层20产生水平与竖向作用力，同时模拟降雨装置产生水流，通过计算机控制可以得到裂缝开展中的时间与长度、裂缝开展时的应变与破坏应力，实现评价块体相互嵌挤力和块体间裂缝形式对上部沥青混凝土加铺层20裂缝开展的影响。

试验中，可以根据不同的要求设置试验结束条件，如加载循环次数N，裂缝两端应变值或裂缝破坏应力，实验完成结束后，可以将数据导出到保存设备，进行下一步的数据分析。

进一步地，在步骤S1中，复合层试件制备的具体过程包括：

步骤S11，浇筑一块尺寸能放入进行固定的约束框19下半部分的水泥混凝土梁，待其达到养护龄期后，在其中间位置切割预制裂缝，预制裂缝形式根据不同试验的需要进行具体设计；

步骤S12，将完成裂缝切割的水泥混凝土梁放置在底部的约束框内，开动支架平台7下方的水平方向加载装置使裂缝紧密贴合，同时在试件底部涂抹环氧胶粘剂将其固定在实验平台上，静置1h以上，待其状态稳定；

步骤S13，在水泥混凝土梁的上部均匀洒布一层透层油，室温中静置冷却2h以上；

步骤S14，将拌合均匀的沥青混合料加入至上述放置了水泥混凝土梁的约束框中，将沥青混合料初步压实；

步骤S15，用竖直加载机构中的加载轮18将样品进行碾压，先是一个方向碾压2次；旋转90°后继续压实24次，得到最终成型的试样；

步骤S16，制备好的试样在常温常压下放置48h，方可进行后续试验步骤。

本发明反射裂缝模拟水平张开型反射裂缝的实验结束的终止条件为：1.达到设定的循环加载次数；2.待测试件裂缝贯穿表面发生破坏；3.待测试件中部达到设定的应变值；4.待测试件中部达到设定应力值；5.待测试件中部达到发生破坏。最终评价通过其循环周次N、裂缝扩展速率：μ=h∕T、裂缝缝端应变ε、破坏应力σ=E∙ε等。

本发明中裂缝模拟的一个周期为从初始距离到达最大位移然后回到初始位置为一个周期，一个周期所用的时间可进行调节。本发明装置的应用范围广，试验的复合层试件可以存在不同的裂纹形式及不同的前挤咬合力，试验的复合层试件的材料可以改变。

本发明不仅模拟了环境温度对于试件的影响，还考虑了降水的作用，能模拟行车荷载、温度和水等因素耦合作用对复合层试件的影响。本发明可以模拟不同车速及不同轴载车辆对于加铺层的作用。本发明能够对块体相互嵌挤力和块体间裂缝形式对上部加铺层裂缝开展进行真实贴近模拟，对于碎石化技术的抗裂及路工程旧水泥混凝土路面改造设计提供技术支撑和积累。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。