研究静动荷载下土石混合料干湿循环变形特性的试验系统

本发明涉及岩土工程试验，具体涉及一种研究静动荷载下土石混合料干湿循环变形特性的试验系统，具有岩土试样的干湿循环、温度湿度控制、静动耦合加载、变形测量、图像采集的功能。

背景技术：

1、随着我国经济社会的不断发展，在广大的山区，大量民用机场项目投入规划建设之中。山区机场的建设通常涉及高填方工程，由自然原因和人工开挖得到的土石混合料被广泛用作填方材料。高填方土石混合料在降雨入渗及地下水反复升降等干湿循环作用下会产生不可忽视的湿化变形，进而诱发填方道面工程病害，对构筑物及基础设施产生安全隐患。

2、对于山区高填方机场工程，受填方自重的影响，地基和填料处于较高应力水平，在飞机等往复循环荷载作用下，会引起土石混合料颗粒的错动与破碎，产生额外的压缩变形，影响填方道面整体的沉降及差异沉降，对飞机起降的稳定产生危害，从而威胁到机场的安全运营。

3、因此，通过试验研究静-动耦合荷载作用下土石混合料的干湿循环变形特性及颗粒破碎规律，对于高填方工程的沉降控制及山区机场运营具有重要意义。

4、目前，针对土石混合料变形特性的试验系统通常采用大型侧限压缩仪，而常规的侧限压缩试仪器往往不具有干湿循环的功能，一些试验系统虽然能够实现试样的注水与排水，但无法对试样进行干燥处理。同时，对于高填方土石混合料的动力特性研究则采用室内循环三轴仪，然而对于具有较大颗粒的土石混合料，室内动三轴试验较小的模型尺寸对于试验结果具有一定的影响。

5、由此，亟需一种研究静动荷载下土石混合料干湿循环变形特性的试验系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，为克服现有技术的缺陷而提供一种研究静动荷载下土石混合料干湿循环变形特性的试验系统。该试验系统，不但可以实现在恒定静载下岩土试样的干湿循环过程，而且还可以在静载基础上施加交通循环动载，以研究在静-动荷载及干湿循环多因素耦合状态下对土石混合料变形特性的影响。该试验系统，基于配套的计算机伺服控制系统，可以自动控制静动耦合荷载的施加，还可以实现进排水、试样脱湿干燥的过程，具备自动控制温度及湿度的功能。同时，该试验系统还具备图像采集功能，能够获取荷载施加及干湿循环过程中岩土颗粒的破碎及错动的图像。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种研究静动荷载下土石混合料干湿循环变形特性的试验系统，包括：刚性模型箱，其适于装载试样；反力框架，其设置于地面并且适于固定所述刚性模型箱；干湿循环系统，其与所述刚性模型箱连接并且适于实现所述试样的浸水饱和及脱湿干燥；静-动加载系统，其与所述刚性模型箱连接并且适于向所述试样施加恒定荷载和循环动载，以模拟高填方的填方静载和飞机动载的作用；图像处理系统，其面对所述刚性模型箱设置并且适于采集所述刚性模型箱内荷载施加及干湿循环过程中所述试样变形、颗粒的错动及破碎的图像；试验控制和数据采集系统，其与所述刚性模型箱、所述干湿循环系统、所述静-动加载系统、所述图像处理系统分别连接，并且适于控制这些系统工作、以及获取所述试样的位移、所述刚性模型箱内的环境数据。

4、可选地，所述反力框架包括加载横梁、反力架立柱及反力架底座；所述反力架底座设置于地面，所述反力架立柱安装在所述反力架底座上，所述加载横梁安装在所述反力架立柱上；所述刚性模型箱放置在所述反力架底座上。

5、可选地，所述刚性模型箱包括模型箱箱体、以及设置于所述模型箱箱体上的模型箱顶盖；所述模型箱箱体的内底部设置有刚性支撑底座，以提供竖向承载力；所述模型箱箱体的正面为透明的，以便于所述图像处理系统对其内部进行观察和图像采集。

6、可选地，所述刚性模型箱内自上向下依次布置有上透水钢板、上透水石、上滤网、下滤网、下透水石、下透水钢板；所述上滤网和所述下滤网之间具有试样腔室，以装载所述试样。

7、可选地，所述干湿循环系统包括水泵；所述刚性模型箱还包括位于所述上透水钢板上方的上部腔室；所述上部腔室的侧壁分别设置有进水管道和排气管道；所述进水管道上设置有进水电动阀门，所述进水管道通过所述进水电动阀门与外置的所述水泵连接，以通过所述水泵向所述上部腔室按恒定流量注水；所述排气管道上设置有排气电动阀门；所述进水电动阀门和所述排气电动阀门分别与所述试验控制和数据采集系统连接。

8、可选地，所述试验控制和数据采集系统包括布置于所述上部腔室内的湿度传感器、温度传感器和水位传感器；所述水位传感器布置于所述温度传感器和所述湿度传感器的下方且位于所述进水管道的上方。

9、可选地，所述干湿循环系统包括电热鼓风机；所述刚性模型箱还包括位于所述下透水钢板下方的下部腔室；所述下部腔室的侧壁分别设置有排水管道和进气管道；所述排水管道上设置有排水电动阀门；所述进气管道上设置有进气电动阀门，所述进气管道通过所述进气电动阀门连接所述电热鼓风机，以通过所述电热鼓风机向所述下部腔室输送高温干燥气体；所述排水电动阀门和所述进气电动阀门分别与所述试验控制和数据采集系统连接。

10、可选地，所述静-动加载系统包括电液伺服作动器、伺服阀和作动器底座；所述作动器底座安装于所述反力框架；所述电液伺服作动器的上端与所述作动器底座连接，其下端适于向所述试样施加荷载；所述电液伺服作动器与所述试验控制和数据采集系统连接，以实时传输作动器压力数据；所述伺服阀分别与所述电液伺服作动器以及所述试验控制和数据采集系统连接；所述试验控制和数据采集系统适于基于所述作动器压力数据控制所述伺服阀调整所述电液伺服作动器作用于所述试样的荷载。

11、可选地，所述试验控制和数据采集系统包括位移传感器；所述位移传感器布置于所述电液伺服作动器，以采集所述试样的位移。

12、可选地，所述图像处理系统包括粒子图像测速照相机；所述粒子图像测速照相机设置于所述刚性模型箱外，并且适于采集所述刚性模型箱内荷载施加及干湿循环过程中所述试样变形、颗粒的错动及破碎的图像。

13、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

14、(1)本发明配备了进排水通道能够实现土石混合料的干湿循环过程，同时配备了电热鼓风机以实现试样的脱湿干燥，可以实现多次干湿循环作用及试样的完全干燥。

15、(2)本发明采用电子计算机驱动控制系统，通过多通道控制器实时监测位移、湿度、温度及水位数据，并实现进排水、加载卸载、脱湿干燥的全自动控制，自动化程度高。

16、(3)本发明采用的静-动加载系统配备了电液伺服作动器，可以实现静-动耦合荷载的施加，能够考虑工程中的填方静载、交通循环动载及干湿循环作用等多因素耦合环境下土石混合料的压缩变形特性，而传统试验仪器则不具有此功能。

17、(4)本发明配套了透水石、透水钢板和滤网，能够有效阻止干湿循环过程中的颗粒流失，可在试验结束后筛分试样、分析试土石混合料颗粒级配的变化及颗粒破碎特征。

18、(5)本发明在模型箱正面设有可透视的钢化玻璃，通过piv照相机记录不同时刻的试样变形图像，可以观察试验过程中土石混合料的颗粒错动和破碎状况，结合试样筛分结果可以获取土石混合料颗粒破碎规律。

19、(6)本发明系统结构简单，拆卸容易，便于维护，且过程操作较为简便。