一种路面材料动水与动载三维加速破坏仪及其方法与流程

1.本发明属于交通运输工程中公路工程领域，具体涉及一种路面材料动水与动载三维加速破坏仪及其方法。


背景技术：

2.路面结构由于存在一定的空隙，在受降雨影响条件下，路面结构内会存在一定量的流动水，尤其是大空隙沥青路面材料，在降雨条件下其内部流动水量更多，加之车辆荷载作用，导致路面材料内部形成较大的冲刷破坏效应。
3.然而，现阶段对路面材料内部水冲刷破坏的试验，是采用将路面材料放置于密闭注满水的容器内，在容器底部通过气囊的鼓动和收缩，反复施加压力与密闭注满水的容器，使得水形成对试件的冲刷作用，以此来评价水对路面材料的冲刷破坏效果。该方法仅模拟了在一定压力条件下水对路面材料的冲刷作用，并未考虑车辆动荷载的叠加作用，无法真实模拟路面材料在动水和动载双重作用条件下的破坏效应。
4.在实际工程中，路面材料在服役过程中，受到降雨的影响，路面材料内部既有水的流动冲刷作用，又有车辆在含水路面结构上面反复加载作用，这就对路面材料形成了动水和动载双重破坏效应。根据路面材料实际应用场景，以及现阶段针对路面材料动水破坏试验的缺点，即现有路面材料动水试验无法模拟车辆动荷载与动水冲刷的双重作用效果，因此亟需研发一种仪器来真实模拟路面材料在实际服役过程中受雨水影响的破坏，将路面材料内部动水冲刷与车辆动荷载协同作用在一起，为路面材料的使用性能和耐久性能提供可靠试验数据。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种路面材料动水与动载三维加速破坏仪及其方法。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种路面材料动水与动载三维加速破坏仪，包括动水试验舱；动水试验舱内中部固定有可透水固定装置，可透水固定装置上部安装有固定阀；动水试验舱内一侧安装有推拉装置；推拉装置的一端与连接杆的一端相连；连接杆的另一端穿出动水试验舱与动水冲刷动力输出仪的动力输出端相连，动水冲刷动力输出仪的受控端与动水冲刷控制器的控制端相连；在动水试验舱的正上方固定安装有加载动力输出装置；加载动力输出装置的动力输出端通过加载传动轴与加载装置相连；路面材料试件通过固定阀固定在可透水固定装置上；加载装置设于该路面材料试件的正上方；加载动力输出装置与加载控制器相连，且加载动力输出装置安装在支撑架上。
7.进一步，优选的是，还包括过水控制器；过水控制器设于动水试验舱内，且位于推
拉装置的左侧，用于限定推拉装置推动水流通过的面积。
8.进一步，优选的是，在动水试验舱内，且在过水控制器与推拉装置之间设有限位器。
9.进一步，优选的是，路面材料试件为直径101.6mm，高63.5mm的圆柱体。
10.进一步，优选的是，可透水固定装置上部四周均匀安装有4个固定阀。
11.进一步，优选的是，动水试验舱右侧设有顶壁；推拉装置的推板四周分别与顶壁、底壁、前壁、后壁相接触；进一步，优选的是，过水控制器固定于顶壁的左端。
12.本发明同时提供一种路面材料动水与动载三维测试方法，采用上述路面材料动水与动载三维加速破坏仪，包括如下步骤：首先将路面材料试件通过可透水固定装置固定在动水试验舱内，拧紧固定阀；将推拉装置推送至限位器限定位置，并将过水控制器上下垂直调整至试验所需位置，通过动水试验舱敞口处向其内部注入试验用水，直至淹没路面材料试件以上2cm-5cm；开启加载控制器，通过加载控制器控制加载动力输出装置，从而控制加载传动轴，使得加载装置通过加载传动轴垂直下降至于路面材料试件刚刚接触；然后先开启动水冲刷控制器，通过动水冲刷控制器控制动水冲刷动力输出仪的运行频率和作用时间，动水冲刷动力输出仪带动连接杆运动，从而控制推拉装置往复试验运动；同时，通过加载控制器控制加载动力输出装置的加载频率和作用时间，通过加载装置对浸没在试验用水中的路面材料试件进行连续反复加载作用，直至试验完毕；试验结束后，先关闭加载控制器，停止动荷载作用，再关闭动水冲刷控制器，停止动水冲刷作用。将路面材料试件取出。
13.进一步，优选的是，试验用水最大液位线不能超过距离动水试验舱敞口处向下10cm。
14.本发明采用车辆动荷载与动水冲刷相结合的试验模式，既可以模拟客车、货车等不同车辆对路面材料的动荷载作用，同时又可以模拟动水冲刷对路面材料的破坏作用，从而真实反映了路面材料在实际工程中受到不利因素影响下的破坏试验，为路面材料使用性能和耐久性演变规律提供可靠数据支撑。同时，动水压力可以在三维空间结构中反复对路面材料进行试验，车辆动荷载可以反复加载，两者共同作用可以对路面材料形成了连续疲劳损伤试验，从而可以预测路面材料长期使用性能。
15.本发明与现有技术相比，其有益效果为：本发明采用车辆动荷载与动水冲刷相结合的试验模式，既可以模拟客车、货车等不同车辆对路面材料的动荷载作用，同时又可以模拟动水冲刷对路面材料的破坏作用，从而真实反映了路面材料在实际工程中受到不利因素影响下的破坏试验。同时，该发明可以模拟动水冲刷与车辆动荷载反复作用，可以形成对路面材料的连续疲劳损伤试验，可以实现路面材料在实际工程中受雨水影响下的长期性能观测。
16.本发明模拟车辆动荷载范围一般为0-50吨，也可根据实际情况增加车辆动荷载极限最大值。动水冲刷的频率及冲刷范围可调，实现不同动水冲刷破坏效应，动水冲刷频率范围一般为120次/分钟，也可根据试验要求调增和调减动水冲刷频率。
17.本发明摒弃了现有技术方案无法模拟车辆动荷载、无法调节动水冲刷频率和冲刷
范围的弊端，填补了国内外在路面材料动水与动载双重作用下三维加速破坏试验的空白，对路面材料的使用性能和耐久性能预测，以及路面养护、咨询及设计均有较大的支撑作用，具有较大的经济与社会效益。
附图说明
18.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的整体结构示意图；图2为本发明动水试验装置立体示意图；图3为本发明可透水固定装置示意图；图4为本发明被测试件与固定装置示意图；其中，1为动水试验舱，2为试验用水，3为路面材料试件，4为可透水固定装置，5为固定阀，6为推拉装置，7为动水冲刷控制器，8为连接杆，9为加载装置，10为加载传动轴，11为加载动力输出装置，12为加载控制器，13为过水控制器，14为限位器，15为动水冲刷动力输出仪，16为支撑架。
具体实施方式
20.下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
21.本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
22.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
23.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.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”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，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。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
26.如图1~4所示，一种路面材料动水与动载三维加速破坏仪，包括动水试验舱1；动水试验舱1内中部固定有可透水固定装置4，可透水固定装置4上部安装有固定阀5；动水试验舱1内一侧安装有推拉装置6；推拉装置6的一端与连接杆8的一端相连；连接杆8的另一端穿出动水试验舱1与动水冲刷动力输出仪15的动力输出端相连，动水冲刷动力输出仪15的受控端与动水冲刷控制器7的控制端相连；在动水试验舱1的正上方固定安装有加载动力输出装置11；加载动力输出装置11的动力输出端通过加载传动轴10与加载装置9相连；路面材料试件3通过固定阀5固定在可透水固定装置4上；加载装置9设于该路面材料试件3的正上方；加载动力输出装置11与加载控制器12相连，且加载动力输出装置11安装在支撑架16上。
27.优选方案，还包括过水控制器13；过水控制器13设于动水试验舱1内，且位于推拉装置6的左侧，用于限定推拉装置6推动水流通过的面积。
28.优选方案，在动水试验舱1内，且在过水控制器13与推拉装置6之间设有限位器14。
29.优选方案，路面材料试件3为直径101.6mm，高63.5mm的圆柱体。
30.优选方案，可透水固定装置4上部四周均匀安装有4个固定阀5。
31.优选方案，动水试验舱1右侧设有顶壁；推拉装置6的推板四周分别与顶壁、底壁、前壁、后壁相接触；优选方案，过水控制器13固定于顶壁的左端。
32.一种路面材料动水与动载三维测试方法，采用上述的路面材料动水与动载三维加速破坏仪，包括如下步骤：首先将路面材料试件通过可透水固定装置固定在动水试验舱内，拧紧固定阀；将推拉装置推送至限位器限定位置，并将过水控制器上下垂直调整至试验所需位置，通过动水试验舱敞口处向其内部注入试验用水，直至淹没路面材料试件以上2cm-5cm；开启加载控制器，通过加载控制器控制加载动力输出装置，从而控制加载传动轴，使得加载装置通过加载传动轴垂直下降至于路面材料试件刚刚接触；然后先开启动水冲刷控制器，通过动水冲刷控制器控制动水冲刷动力输出仪的运行频率和作用时间，动水冲刷动力输出仪带动连接杆运动，从而控制推拉装置往复试验运动；同时，通过加载控制器控制加载动力输出装置的加载频率和作用时间，通过加载装置对浸没在试验用水中的路面材料试件进行连续反复加载作用，直至试验完毕；试验结束后，先关闭加载控制器，停止动荷载作用，再关闭动水冲刷控制器，停止动水冲刷作用。将路面材料试件取出。
33.优选方案，试验用水最大液位线不能超过距离动水试验舱敞口处向下10cm。
34.本发明中：
动水试验舱1，用于动水冲刷试验支撑框架，存储试验用水2，固定路面材料试件3，为推拉装置6提供试验活动可操作空间，为敞口设计，加载装置9可通过敞口出对路面材料试件3进行动态加载试验。动水试验舱1具有足够的强度和刚度。
35.试验用水2，用于动水冲刷试验，质量符合生活饮用水标准。
36.路面材料试件3，为路面材料制成的试件，一般尺寸为直径101.6mm*63.5mm的圆柱体，也可以根据试验要求，采用其他尺寸试件。
37.可透水固定装置4，用于支撑和固定路面材料试件3，尺寸可根据试件要求调整，并具有足够的强度和刚度，能承受模拟车辆动荷载的连续加载作用，其内部为多孔设计，可以允许水通过，从而实现试验用水2对路面材料试件3三维空间动水冲刷效果。可透水固定装置4优选的具体结构是中空圆柱体，分为上下两部分的圆柱体，上部为空心结构，表面多孔设置，并在其上部设置有固定阀5，下部为多孔的实体结构，上下两部分均设置成多孔结构是为了让水流从360
°
全方位对路面材料试件3形成冲刷作用。
38.固定阀5，用于固定路面材料试件3的位置，防止路面材料试件3在动荷载和动水冲刷作用下发生位置移动，具有足够的强度和刚度。
39.推拉装置6，直接与试验用水2接触作用，可以推动试验用水2往复运动，在图1上，向左移动时可以推动试验用水2向路面材料试件3方向流动，向右移动时可以使得试验用水2向右回流，从而对路面材料试件3造成连续动水冲刷效应。推拉装置6为密闭不透水结构，以防止在推拉过程中试验用水2外泄。优选，推拉装置6的具体结构为长方体，其尺寸与动水试验舱1右侧仓体完全契合，并在其四周设置有密封橡皮胶条，可以防止水在推拉过程中泄漏。
40.动水冲刷动力输出仪15，作为动水冲刷动力输出装置，其为变频电动机，可以改变输出频率、加载速率及加载时间，从而实现不同的动水冲刷效果。
41.连接杆8，用于连接推拉装置6和动水冲刷动力输出仪15，将动水冲刷控制器7的调控指令通过动水冲刷动力输出仪15传递到推拉装置6，以实现不同频率、不同时间的动水冲刷试验。
42.动水冲刷控制器7，可以控制动水冲刷动力输出仪15工作，具体控制其输出频率、加载速率及加载时间，从而通过连接杆8进行动力传输，最终实现控制推拉装置6连续往复运动，调整推拉装置6的运动频率及作用时间，以形成不同的动水冲刷压力效果。
43.加载装置9，用于施加动荷载于路面材料试件3上，具有足够的强度和刚度，尺寸可根据路面材料试件3调整。优选，加载装置9为电动或液压加载装置，更为优选地，加载装置9四周设置有安全防护板。
44.加载传动轴10，用于将加载动力输出装置11的动力源传递到加载装置9上，具有垂直升降功能，具有足够的强度和刚度，为现有结构，其尺寸大小根据试验要求而定。
45.加载动力输出装置11，用于输出动荷载，模拟不同车辆荷载对路面材料试件3的反复作用，一般可输出动荷载范围为0-50吨，可根据试验要求调增极限最大荷载值。
46.加载控制器12，可以控制开启和关闭加载动力输出装置11，并可以调整加载动力输出装置11的加载频率和作用时间，实现对路面材料试件3的连续疲劳损伤试验。
47.过水控制器13，用于控制试验用水2的流动面积大小，形成不同的动水冲刷压力，可以上下垂直移动，并具有密封效果，不会导致试验用水2在试验过程中外泄。同时，具有足
够的强度和刚度，不会在动水冲刷作用下发生形变过水控制器13优选其具体结构为中间带螺纹丝杆挡水板，通过螺纹丝杆与动水试验舱1螺纹连接，过水控制器13的长度和宽度与推拉装置6一致，具有足够的刚度和强度，通过中间的螺纹丝杆可以调整过水控制器13上下高度，以此控制推拉装置6推动水流通过的面积，以形成不同的动水冲刷压力效果。
48.限位器14，用于限制推拉装置6的移动位置，在试验过程中当推拉装置6达到限位器14时，不能在向左移动，自动向相反方向移动，形成往复运动。
49.支撑架16，为整个加载相关部件提供支撑作用，可以有效支撑加载动力输出装置11、加载传动轴10及加载装置9，实现加载相关部件的正常加载功能，具有足够的刚度和强度，与地面接触牢固、稳定。
50.本发明三维加速破坏仪使用方法为：首先将路面材料试件3通过可透水固定装置4固定在动水试验舱1内，拧紧固定阀5，使得路面材料试件3固定在特定位置，在动荷载和动水冲刷作用下不发生位置移动。将推拉装置6推送至限位器14限定位置，并将过水控制器13上下垂直调整至试验所需位置，通过动水试验舱1敞口处向其内部注入试验用水2，直至淹没路面材料试件3以上2cm-5cm，试验用水2最大液位线不能超过距离动水试验舱1敞口处向下10cm，保证动水压力试验过程中，试验用水2不外溢。
51.开启加载控制器12，通过加载控制器12控制加载动力输出装置11，从而控制加载传动轴10，使得加载装置9通过加载传动轴10垂直下降至于路面材料试件3刚刚接触，然后先开启动水冲刷控制器7，通过动水冲刷控制器7控制动水冲刷动力输出仪15的运行频率和作用时间，动水冲刷动力输出仪15带动连接杆8运动，从而控制推拉装置6往复试验运动，通过加载控制器12控制加载动力输出装置11的加载频率和作用时间，通过加载装置9对浸没在试验用水2中的路面材料试件3进行连续反复加载作用，直至试验完毕。试验结束后，先关闭加载控制器12，停止动荷载作用，再关闭动水冲刷控制器7，停止动水冲刷作用。将路面材料试件3取出，检测其试验效果。
52.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。