一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置及使用方法与流程

1.本发明属于道路工程监测技术领域，具体地讲，本发明涉及一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置及使用方法。


背景技术：

2.弯沉值是指荷载对路基或路面作用前后，路基或路面发生变形的大小，由于弯沉值很小，用0.01毫米作计算单位。
3.弯沉试验是基于高速公路、桥梁隧道等路基施工的控制检测,通过对不同路段和不同土质的路基进行落锤式弯沉仪(fwd)和贝克曼梁(bb)对比试验及相关性分析,提出了fwd检测路基的控制指标。主要分落锤式弯沉仪(fwd)与贝克曼梁式弯沉仪(bb)的对比试验研究。
4.回弹弯沉是指在规定的标准轴载bzz—100作用下，路基、路面表面轮隙位置产生的垂直回弹变形值。贝克曼梁是常见的一种回弹弯沉值测量装置，贝克曼梁由铝合金制成，其包括梁身和用于支撑梁身的支座，支座前侧的梁身称为前臂，支座后侧的梁身称为后臂，通常前臂与后臂的长度比为2:1，前臂的端部设置有测头，前臂的长度一般为2.4米或3.6米，长度为3.6米的贝克梁适用于各种类型的路面结构回弹弯沉的测试，长度为2.4米的贝克曼梁适用于柔性基层沥青路面回弹弯沉的测试。
5.对道路测试时，加载车停于测试路段的测试位置上，加载车为单后轴、单侧双轮组的载重车，将支座置于地面上，将贝克曼梁的测头插入加载车的后轮轮隙处，梁臂不接触轮胎，贝克曼梁的测头置于轮隙中心前方的30～50mm处测点上，车辆后轮对路面施压，使得路面产生一个弯沉盆，而前臂的长度存在使得支座处于弯沉盆之外，即支座所对应的路面没有产生弯沉变形，将百分表安装在后臂尾端的测定杆顶面，指挥加载车前进，百分表示值随路面变形持续增加，当示最大时，迅速读取读数l1，加载车继续前进，示值开始反向变化，待加载车行驶至远离弯沉影响范围之外时，百分表示值稳定后，读取百分表读数l2，则回弹弯沉值lt＝(l1-l2)*2。
6.落锤式弯沉仪由拖车(包括加载系统和位移传感器)与微机控制系统(包括控制及数据采集处理部分)组成。其工作原理是：在计算机控制下，把一定质量的重锤由液压传动装置提升至一定高度后自由落下，冲击力作用于承载板上并传递到路面，从而对路面施加脉冲荷载，导致路面表面产生瞬时变形，分布于距测点不同距离的传感器检测结构层表面的变形，记录系统将信号传输至计算机，即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。测试数据可用于反算路面结构层模量，从而科学地评价路面的承载能力。
7.cn111254787b公开了一种路基路面动静态弯沉与回弹模量联合测试装置及测试方法，该装置包括横向导杆、轮胎式加载机构、承载板式加载机构；所述轮胎式加载机构通过第一横向移动机构与横向导杆活动连接，所述承载板式加载机构通过第二横向移动机构与横向导杆活动连接；所述横向导杆两侧分别通过螺栓固定连接支腿，所述支腿下端固定连接纵向行走机构；还包括液压系统，测控系统；该测试方法包括选择测试点，选择对应的
加载机构并通过测控系统将加载机构移动至测试点上方，设置测试参数，进行计算分析，本测试装置只能通过单个传感器测量弯沉数据，其得到的数据对于弯沉测试的分析计算有限。
8.现有的这种贝可曼梁或落锤式弯沉仪检测回弹弯沉值的方法主要存在以下问题：一、每个路段测试之初，都需要加载车停于测试路段上，l1值测量后，加载车朝前移动一段距离后，还是要停于测试路段上，也就是说整个测量过程是一个静态的测量过程，这就导致现有的弯沉值测量方法只能在无其它车辆行驶中的路况中使用，如果道路弯沉值进行测量时，需要提前进行封路，不便于车辆通行，且测试的路面结构单一，无法进行多结构路面的弯沉检测；二、现有的检测设备只能进行单一的弯沉试验，不能同时通过对不同路段和不同土质的路基进行落锤式弯沉仪(fwd)和贝克曼梁(bb)对比试验及相关性分析，耗时耗力。


技术实现要素：

9.本发明的目的是针对上述存在的问题，本发明提供一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置及使用方法，通过采用与实体道路完全相同的材料、机具设备及施工工艺铺筑不同结构方案的足尺路面模型，用以验证路面结构的整体性能，进行多结构路面结构的动态弯沉测试、实时动态模量采集及长期性能观测。
10.为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置，包括：门式支架、门式支架驱动装置、门式支架紧固装置、模型轨道、足尺路面模型、作动器、弯沉测试支架、弯沉测试梁、位移传感器和轮胎，所述的模型轨道设置在足尺路面模型纵向方向的两侧，门式支架驱动装置驱动门式支架在模型轨道上往复运动，所述的门式支架上设置有作动器，所述的作动器控制轮胎向足尺路面模型的表面上的施加荷载，多个所述的位移传感器间距分布在弯沉测试梁的下方，所述的位移传感器测试以轮胎中心为中心的足尺路面模型纵向方向上不同位置的弯沉值。
11.进一步的，所述的足尺路面模型包括：足尺试槽、土基层、底基层、下基层、上基层、柔性基层、下面层、中面层和上面层；所述的足尺试槽为钢筋混凝土试槽，所述的钢筋混凝土试槽内设置有上述各层位按照不同设计方案组合而成的混合层。
12.进一步的，所述的弯沉测试梁设置在弯沉测试支架上，所述的弯沉测试支架包括横梁支架和竖梁，所述的横梁支架横跨模型轨道，所述的模型轨道设置在足尺试槽的顶部边缘处，所述的弯沉测试梁沿足尺路面模型纵向上与横梁支架垂直连接，所述的竖梁底端与弯沉测试梁一端连接，所述的竖梁顶端与弯沉测试梁通过斜梁连接。
13.本发明提供的另一种技术方案为：所述的弯沉测试支架包括横梁支架和纵梁，所述的横梁支架横跨模型轨道，所述的模型轨道设置在足尺试槽的顶部边缘处，所述的纵梁沿足尺路面模型纵向上与横梁支架垂直连接，所述的纵梁下方设置有与纵梁平行的弯沉测试梁，所述的弯沉测试梁与纵梁可拆卸连接，当测试轮胎需要横向移动测试不同点位时，弯沉测试梁可以同步横向移动。确保第一个高精度激光位移传感器位于两加载轮胎中心处。
14.进一步的，所述的位移传感器与弯沉测试梁的底面可拆卸连接，所述位移传感器为激光位移传感器。
15.进一步的，所述的门式支架与模型轨道的连接处设置有门式支架紧固装置，所述的门式支架紧固装置包括底板一和螺栓，所述的底板一与门式支架底部连接，所述底板一
通过螺栓与模型轨道可拆卸连接。
16.进一步的，所述的弯沉测试支架与模型轨道的连接处设置有弯沉测试梁紧固装置，所述的弯沉测试梁紧固装置包括底板二和螺栓，所述的底板二与弯沉测试支架底部连接，所述的底板二通过螺栓与模型轨道可拆卸连接。
17.进一步的，所述的作动器通过螺栓设置在门式支架上，所述的作动器驱动轮胎支架运动，所述的轮胎支架上安装轮胎。
18.一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置的使用方法,包括以下步骤：
19.s1.根据将要建设的路面结构铺筑同结构的足尺路面模型；
20.s2.安装动态弯沉测试装置；
21.s3.在足尺路面模型上按需选择测试点，将动态弯沉测试装置移动至测试点；
22.s4.通过荷载施加装置对足尺路面模型的地面施加不同荷载，通过位移传感器测定路面变形值。
23.在s1中，一种结构的足尺路面模型的铺筑方法包括以下步骤：
24.a1.土基施工：铺筑好足尺试槽后，将实体道路路基挖方土或实际所用路基填土通过运料车运送至足尺试槽；将土分层摊铺至足尺试槽之上并采用压路机分层压实至设计标高；
25.a2.底基层施工：将水泥稳定碎石拌合站生产的水泥稳定碎石混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将水泥稳定碎石混合料摊铺至土基之上并用压路机进行压实，压实结束后覆盖土工布并洒水进行养生；
26.a3.基层施工：将水泥稳定碎石拌合站生产的水泥稳定碎石混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将水泥稳定碎石混合料摊铺至底基层之上并用压路机进行压实，压实结束后喷洒透层油进行养生；
27.a4.下面层施工：在养生结束后的基层表面喷洒同步碎石封层，将沥青拌合楼生产的下面层热拌沥青混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将热拌沥青混合料摊铺至基层之上，并用压路机进行压实；
28.a5.中面层施工：在养生结束的下面层上喷洒粘层油，将沥青拌合楼生产的中面层热拌沥青混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将热拌沥青混合料摊铺至基层之上，并用压路机进行压实；
29.a6.上面层施工：在养生结束的中面层上喷洒粘层油，将沥青拌合楼生产的上面层热拌沥青混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将热拌沥青混合料摊铺至基层之上，并用压路机进行压实。
30.在s2中，通过螺栓将动态弯沉测试装置的纵梁通过螺栓安装在横梁之上；再将弯沉测试梁通过螺栓安装在纵梁上，将高精度激光位移传感器通过螺栓按一定间距安装在动态弯沉测试装置的弯沉测试梁上，高精度激光位移传感器底部与待测试路面顶面间距离按照不同型号激光位移传感器的测试精度及测试要求进行设置。
31.在s3中，将动态弯沉测试装置的横梁通过t型螺栓安装在足尺试槽的反力基础之上，反力基础即为足尺试槽的边缘的钢筋混凝土结构，模型轨道设置在反力基础上，门式支架作为反力基础的反力架，确保动态弯沉测试装置的纵梁末端第一个高精度激光位移传感器位于待测试点的正上方即两加载轮胎中心处。
32.在s4中，通过改变作动器参数设置通过加载轮胎对测试路面施加不同大小、不同频率、不同波形的垂直荷载，通过动态弯沉测试装置测定某个测定点的动态弯沉值、动态弯沉盆、动态模量时，具体步骤为：先将弯沉测试梁下放至轮胎中心，控制作动器施加所需荷载，弯沉测试梁上的传感器可实时记录不同位置处弯沉值的动态变化，弯沉测试梁保持水平状态，通过各激光位移传感器测定路面变形值，通过多个激光位移传感器测得多个点的变形值，进行模量反算。测试需分两次进行，第一次，作动器下接的轮胎轮隙中心与首端测头对应时，此时轮胎与地面刚刚接触，施加的荷载小于5kn；将轮隙中心处的测试点位记为c1其后测试点位依次为c2-cn,所测得的弯沉量分别记为a1、a2
……
an，控制作动器施加荷载后，进行第二次的弯沉值测量，各测量点所测得的弯沉量分别为b1、b2
……
bn，则路面各点处的弯沉值分别为b1-a1，b2-a2，
……
，bn-an。当第二次测量结束后，就可以将荷载解除，松开紧固装置将门式支架及作动器在轨道上进行前后移动，便于对不同结构类型的路面进行弯沉检测。
33.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
34.1、在室内铺筑足尺路面模型即可测试弯沉，在大规模铺筑试验路之前可通过修筑相同路面结构的足尺路面模型验证路面结构的整体性能，有利于路面结构方案比选，确定方案的路面结构动力响应数据采集和性能验证。避免大规模铺筑试验路和采用加载车的传统方法来测试弯沉。
35.2、作动器下接的轮胎类型可根据需要进行更换，每次测试的时间短，作动器可施加不同的荷载，可更精准快速的测试弯沉。
36.3、弯沉测试梁上所安装传感器的位置及数量均可调，可以准确检测所施加荷载在不同路面结构中的传播速度、影响范围及不同位置产生竖向变形量。
37.4、通过对参照实体路面结构铺筑的足尺路面模型进行加速加载试验，实时记录加载过程中路面结构动态弯沉值、动态弯沉盆及动态模量衰减过程，可以在较短时间内验证实体路面结构全寿命周期内服役性能，为实体道路铺筑时材料选择、结构设置及施工工艺优化提供有效的数据支撑。
附图说明
38.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。
39.图1为本技术提供的主视图；
40.图2为本技术提供的侧视图；
41.图3为本技术提供的俯视图。
42.附图中：1、门式支架，2、门式支架驱动装置，3、门式支架紧固装置，4、作动器，5、底板一，6、底板二，7、弯沉测试支架，8、弯沉测试梁，9、模型轨道，10、弯沉测试梁紧固装置，11、轮胎。
具体实施方式
43.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。
44.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.如图1-3
46.实施例一
47.本发明提供如下技术方案：一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置，包括：门式支架1、门式支架驱动装置2、门式支架紧固装置3、模型轨道9、足尺路面模型、作动器4、弯沉测试支架7、弯沉测试梁8、位移传感器和轮胎11，所述的模型轨道9设置在足尺路面模型纵向方向的两侧，足尺路面模型包括：足尺试槽、土基层、底基层、下基层、上基层、柔性基层、下面层、中面层和上面层；所述的足尺试槽为钢筋混凝土试槽，所述的钢筋混凝土试槽内设置有上述各层位按照不同设计方案组合而成的混合层。门式支架驱动装置2驱动门式支架1在模型轨道9上往复运动，所述的门式支架1上设置有作动器4，所述的作动器4通过螺栓设置在门式支架1上，所述的作动器4驱动轮胎11支架运动，所述的轮胎支架上安装轮胎，所述的作动器4控制轮胎11向足尺路面模型的表面上的施加荷载，多个所述的位移传感器间距分布在弯沉测试梁8的下方，所述的弯沉测试支架7包括横梁支架和纵梁，所述的横梁支架横跨模型轨道9，所述的模型轨道9设置在足尺试槽的顶部边缘处，所述的纵梁沿足尺路面模型纵向上与横梁支架垂直连接，所述的纵梁下方设置有与纵梁平行的弯沉测试梁8，所述的弯沉测试梁8与纵梁可拆卸连接，所述的位移传感器与弯沉测试梁8的底面可拆卸连接，所述位移传感器为激光位移传感器，当测试轮胎11需要横向移动测试不同点位时，弯沉测试梁8可以同步横向移动。确保第一个高精度激光位移传感器位于两加载轮胎11中心处。所述的位移传感器测试以轮胎11中心为中心的足尺路面模型纵向方向上不同位置的弯沉值。
48.所述的门式支架1与模型轨道9的连接处设置有门式支架紧固装置3，所述的门式支架紧固装置3包括底板一5和螺栓，所述的底板一5与门式支架1底部连接，所述底板一5通过螺栓与模型轨道9可拆卸连接。弯沉测试支架7与模型轨道9的连接处设置有弯沉测试梁紧固装置10，所述的弯沉测试梁紧固装置10包括底板二6和螺栓，所述的底板二6与弯沉测试支架7底部连接，所述的底板二6通过螺栓与模型轨道9可拆卸连接。
49.弯沉测试支架7的另一种实施方式在于：弯沉测试梁8设置在弯沉测试支架7上，所述的弯沉测试支架7包括横梁支架和竖梁，所述的横梁支架横跨模型轨道9，所述的模型轨道9设置在足尺试槽的顶部边缘处，所述的弯沉测试梁8沿足尺路面模型纵向上与横梁支架垂直连接，所述的竖梁底端与弯沉测试梁8一端连接，所述的竖梁顶端与弯沉测试梁8通过斜梁连接。
50.作动器4由油源提供液压动力，冷却设备对作动器4进行降温。
51.一种基于足尺路面模型的动态弯沉测试装置的使用方法,包括以下步骤：
52.s1.根据将要建设的路面结构铺筑同结构的足尺路面模型；
53.s2.安装动态弯沉测试装置；
54.s3.在足尺路面模型上按需选择测试点，将动态弯沉测试装置移动至测试点；
55.s4.通过荷载施加装置对足尺路面模型的地面施加不同荷载，通过位移传感器测定路面变形值。
56.在s1中，一种结构的足尺路面模型的铺筑方法包括以下步骤：
57.a1.土基施工：铺筑好足尺试槽后，将实体道路路基挖方土或实际所用路基填土通过运料车运送至足尺试槽；将土分层摊铺至足尺试槽之上并采用压路机分层压实至设计标高；
58.a2.底基层施工：将水泥稳定碎石拌合站生产的水泥稳定碎石混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将水泥稳定碎石混合料摊铺至土基之上并用压路机进行压实，压实结束后覆盖土工布并洒水进行养生；
59.a3.基层施工：将水泥稳定碎石拌合站生产的水泥稳定碎石混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将水泥稳定碎石混合料摊铺至底基层之上并用压路机进行压实，压实结束后喷洒透层油进行养生；
60.a4.下面层施工：在养生结束后的基层表面喷洒同步碎石封层，将沥青拌合楼生产的下面层热拌沥青混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将热拌沥青混合料摊铺至基层之上，并用压路机进行压实；
61.a5.中面层施工：在养生结束的下面层上喷洒粘层油，将沥青拌合楼生产的中面层热拌沥青混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将热拌沥青混合料摊铺至基层之上，并用压路机进行压实；
62.a6.上面层施工：在养生结束的中面层上喷洒粘层油，将沥青拌合楼生产的上面层热拌沥青混合料通过运料车运至足尺试槽，采用摊铺机将热拌沥青混合料摊铺至基层之上，并用压路机进行压实。
63.上述足尺路面模型的铺筑方法的步骤中，土基层所采用的实体道路路基挖方土或实际所用路基填土不同，形成不同结构的土基层；底基层和基层所使用的水泥稳定碎石混合料材质不同以及施工方法不同形成不同结构的底基层和基层；下面层、中面层和中面层所使用的热拌沥青混合料的材质以及施工方法不同形成不同结构的下面层、中面层和中面层，经过上述步骤以制作不同结构的足尺路面模型。
64.在s2中，通过螺栓将动态弯沉测试装置的纵梁通过螺栓安装在横梁之上；再将弯沉测试梁8通过螺栓安装在纵梁上，将高精度激光位移传感器通过螺栓按一定间距安装在动态弯沉测试装置的弯沉测试梁8上，高精度激光位移传感器底部与待测试路面顶面间距离按照不同型号激光位移传感器的测试精度及测试要求进行设置。
65.在s3中，将动态弯沉测试装置的横梁通过t型螺栓安装在足尺试槽的反力基础之上，反力基础即为足尺试槽的边缘的钢筋混凝土结构，模型轨道9设置在反力基础上，门式支架1作为反力基础的反力架，确保动态弯沉测试装置的纵梁末端第一个高精度激光位移传感器位于待测试点的正上方即两加载轮胎11中心处。
66.在s4中，通过改变作动器4参数设置并通过加载轮胎11对测试路面施加不同大小、不同频率、不同波形的垂直荷载，通过动态弯沉测试装置测定某个测定点的动态弯沉值、动
态弯沉盆、动态模量时，具体步骤为：激光位移传感器通过螺丝固定在弯沉测试梁8上，弯沉测试支架7与轨道通过螺丝固定，弯沉测试梁8与弯沉测试支架7通过螺丝固定，先将弯沉测试梁8下放至轮胎11中心，控制作动器4施加所需荷载，弯沉测试梁8上的传感器可实时记录不同位置处弯沉值的动态变化，弯沉测试梁8保持水平状态，通过各激光位移传感器测定路面变形值，通过多个激光位移传感器测得多个点的变形值，进行模量反算。模量反算的方法见于参考文献：[1]钟燕辉.路面结构层模量及路基深度反算方法研究[d].郑州工业大学,2000.。对于上述模量反算的方法，本领域技术人员是知悉的。针对测试需分两次进行，第一次，作动器4下接的轮胎11轮隙中心与首端测头对应时，此时轮胎11与地面刚刚接触，施加的荷载小于5kn；将轮隙中心处的测试点位记为c1其后测试点位依次为c2-cn,所测得的弯沉量分别记为a1、a2
……
an，控制作动器4施加荷载后，进行第二次的弯沉值测量，各测量点所测得的弯沉量分别为b1、b2
……
bn，则路面各点处的弯沉值分别为b1-a1，b2-a2，
……
，bn-an。
[0067]
当第二次测量结束后，就可以将荷载解除，松开门式支架1紧固装置将门式支架1及作动器4在模型轨道9上进行前后移动，便于对不同结构类型的路面进行弯沉检测。
[0068]
用于模仿贝克曼梁测试法时，通过在激光位移传感器通过螺丝固定在弯沉测试梁8上，弯沉测试支架7与轨道通过螺丝固定，弯沉测试梁8与弯沉测试支架7通过螺丝固定，先将弯沉测试梁8下放至轮胎11中心，控制作动器4施加所需荷载，然后启动门式支架驱动装置驱动门式支架向原理位移传感器的方向移动，门式支架在模型轨道上移动时，门式支架在竖直方向处于限制状态，在作动器通过轮胎向地面施加荷载时，门式支架不会向上被顶离模型轨道，弯沉测试梁8上的传感器可实时记录该位置处弯沉值的变化，轮胎正下方的位移传感器所测得最大弯沉量减去最小完成量即为该测试点的弯沉值，弯沉测试梁8保持水平状态。
[0069]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。