一种便携式路基原位动回弹模量测试装置及方法

本发明属于道路工程，涉及一种便携式路基原位动回弹模量测试装置及方法。

背景技术：

1、路基模量具有显著的应力依赖特性，在不同的应力状态下其模量存在显著差异。基于这一特性，可以预见路基在修筑阶段(无路面结构和行车荷载)与运营阶段(有路面结构和行车荷载)的模量必定存在较大区别，且路基设计模量在本质上应为路基运营期模量。当前，路基修筑完成后通常需要结合模量(弯沉)测试来评价路基施工质量，而传现场统测试方法(承载板、贝克曼梁、pfwd)在测试时将均将路基视为线弹性体系，且大多忽略了路面结构荷载效应，由此将导致测试结果并不能表征运营期路基实际力学特性。

2、为解决这一问题，可在路基模量测试中同步施加路面结构约束，而如何准确模拟路面结构约束则成为了首要难题。按照现有高速公路路面结构75cm计算，其静载大小约为20kpa，若加载范围取2m2，则所需约束荷载高达4吨，这使得开发相应的测试仪器面临自重大、不便携、研制难度高等难题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，能够模拟真实的行车荷载，减少了仪器自重及尺寸，提高了便携性和适用性，解决了现有技术中存在的问题。

2、本发明的另一目的是，提供一种便携式路基原位动回弹模量测试方法，基于机器学习算法及非线性有限元数值计算方法，建立路面结构的约束效应，实现了以较小的仪器自重获取全尺寸路面约束下路基模量，在路基建造期内快速预测路基实际运营状态下的力学性能。

3、本发明所采用的技术方案是，一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，包括：

4、静载施加装置，所述静载施加装置包括环形的外环加载板，外环加载板的顶部连接静载气缸的伸缩端，静载气缸安装于外环加载板上方的车架底部，外环配重装置放置在车架上，作为外环荷载施加的反力架；

5、动载施加装置，所述动载施加装置包括圆形的加载板，加载板安装于外环加载板的中间，外环加载板与加载板的底部平齐，加载板的顶部中间与动载气缸的输出端连接，动载气缸安装于内环配重装置的底部；内环配重装置置于内环反力架顶部，内环反力架置于车架的上方，内环反力架底部对称安装有内环伸缩支腿，为内环反力架提供重力支撑；内环伸缩支腿能够将内环反力架和车架进行分离，避免内环动载和外环静载间的相互干扰；

6、数据采集装置，所述数据采集装置安装于加载板的底部中心和外环加载板外部的路面，所有传感器以直线形排列。

7、本发明所采用的另一技术方案是，一种便携式路基原位动回弹模量测试方法，采用上述便携式路基原位动回弹模量测试装置，包括以下步骤：

8、s1，确定路基现场测试点位，要求点位附近路基表面平整；将路基原位动回弹模量测试装置置于测点上方，按设定的加载序列于加载板和外环加载板上施加荷载，获取基于不同加载序列或应力状态下的实测回弹弯沉；

9、s2，基于s1采集的各加载序列或应力状态下的实测回弹弯沉，结合机器学习算法反演反映路基土非线性特性的一系列关键参数；

10、s3，基于s2得到的路基非线性参数，构建包含实际路面结构的考虑路基非线性有限元模型，计算路面表面位移响应；根据弯沉等效原则获取实际设计路面结构及行车荷载作用下的等效模量，即实现动回弹模量修正。

11、本发明的有益效果是：

12、1、本发明实施例充分考虑了路基土模量的应力依赖特性，在测试方法上通过基于现场加载序列的测试方法实现了路基非线性模型参数的现场获取；充分考虑了路基应力依赖特性及路面结构的荷载作用。装置体积小，反算方法快，可以在路基建造期内快速预测路基实际运营状态下的力学性能，有效解决当前所存在的路基设计状态与运营状态不匹配的问题。

13、2、本发明实施例通过加载序列的方式施加荷载，能够充分捕捉路基土回弹模量所存在的应力依赖特性，较传统基于线弹性的测试方法而言是一次重大革新，能进一步完善目前的路基回弹模量设计方法；在测试和计算模型上均不同于传统手段，通过本发明方法获得的路基模量更能代表路基运营期实际力学性能。

技术特征：

1.一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，其特征在于，所述加载板(3)的直径为15～25cm，外环加载板(4)的外径为30～50cm，加载范围0～3kn，加载调节级位为0.10kn/级，加载荷载40～60kpa，装置总重量0.6～0.8吨。

3.根据权利要求1所述一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，其特征在于，所述内环反力架(8)放置内环配重装置(9)的位置向上凸起，为动载气缸(7)提供足够的安装空间，动载气缸(7)的伸缩端贯穿车架(11)。

4.根据权利要求1所述一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，其特征在于，所述数据采集装置包括高精度位移传感器(15)，加载板(3)的底部中心位置安装有高精度位移传感器(15)；动载气缸(7)与水平设置的传感器钢梁(12)固定连接，传感器钢梁(12)上均匀设有多个高精度位移传感器(15)，使得所有高精度位移传感器(15)以直线形排列。

5.根据权利要求3所述一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，其特征在于，所述加载板(3)和外环加载板(4)靠近路面的一面均安装有柔性橡胶垫(5)，所述高精度位移传感器(15)通过弹簧(14)紧紧压在路基表面。

6.根据权利要求1所述一种便携式路基原位动回弹模量测试装置，其特征在于，所述内环伸缩支腿(2)的下端安装有车轮(1)。

7.一种便携式路基原位动回弹模量测试方法，其特征在于，采用如权利要求1所述便携式路基原位动回弹模量测试装置，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述一种便携式路基原位动回弹模量测试方法，其特征在于，所述s1，包括以下步骤：

9.根据权利要求7所述一种便携式路基原位动回弹模量测试方法，其特征在于，所述s2中，所述机器学习算法为随机bp神经网络群算法，包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述一种便携式路基原位动回弹模量测试方法，其特征在于，所述s3包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种便携式路基原位动回弹模量测试装置及方法，测试装置包括静载施加装置、动载施加装置和数据采集装置，静载施加装置包括环形的外环加载板，外环加载板的顶部连接静载气缸，外环配重装置放置在车架上；动载施加装置包括圆形的加载板，加载板安装于外环加载板的中间，加载板的顶部中间与动载气缸的输出端连接，动载气缸安装于内环配重装置的底部；内环配重装置置于内环反力架顶部；内环伸缩支腿能够将内环反力架和车架进行分离；数据采集装置安装于加载板的底部中心和外环加载板外部的路面。本发明基于机器学习算法及非线性有限元数值计算方法，实现了以较小的仪器自重获取全尺寸路面约束下路基模量，大大提高了便携性和适用性。

技术研发人员：张军辉,范海山,尚桦雨
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12