專利名稱：模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種研究碎石土路基力學行為的裝置，尤其是涉及一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，適用于機場跑道、鐵路及公路等路基工程領域。
背景技術：
隨著航空交通量和大型寬體飛機比例的快速增長，我國一些早期修建的機場跑道，跑道下碎石土路基沉降嚴重，使用性能急劇下降，迫切需要進行結(jié)構(gòu)補強或功能恢復，以提高使用性能，延長使用壽命；傳統(tǒng)的循環(huán)大三軸試驗儀無法實現(xiàn)荷載移動的試驗模擬，得到的循環(huán)三軸路徑與真實場地循環(huán)路徑有著本質(zhì)的差異，從而不能客觀地揭示道路運營期碎石土路基的安定狀態(tài)與累計變形特性。因此，對循環(huán)交通荷載下碎石土路基安定狀態(tài)及長期變形特性的研究具有重要的工程應用價值。長期往復交通動載下，碎石土路基應力主軸方向與大小發(fā)生耦合變化，這一復雜動載下碎石土路基的變形規(guī)律及其所依賴的力學機理在理論上存在諸多難題，導致運營期的沉降預測理論尚不完善，計算精度低，無法滿足工程需要。碎石土路基是一種較為普遍的機場基礎形式，國內(nèi)外對其在循環(huán)交通荷載作用下力學特性的研究并不充分，機場碎石土路基變形沉降的試驗研究基本處于空白狀態(tài)。為此，本發(fā)明提出一種用于模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，并能夠研究碎石土路基中的主應力軸旋轉(zhuǎn)問題，從而更有效地指導碎石土路基的工程設計。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置。本發(fā)明的目的可以 通過以下技術方案來實現(xiàn):一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，該裝置包括外圍框架、試樣盒、軸向加載單元、水平加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的試樣盒設在外圍框架內(nèi)部，所述的試樣盒內(nèi)裝填碎石土路基試樣，碎石土路基試樣的上方鋪設路面板，所述的軸向加載單元包括小車輪和液壓加載系統(tǒng)，所述的小車輪設在路面板上，所述的液壓加載系統(tǒng)設在小車輪的上方，為小車輪施加軸向壓力，所述的水平加載系統(tǒng)與小車輪連接，維持小車輪水平向往復運動，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設在試樣盒的側(cè)壁的四角處。所述的外圍框架為鋼結(jié)構(gòu)框架。所述的試樣盒由垂直于小車輪運動方向的兩個位移約束側(cè)邊界、平行于小車輪運動方向的兩個應力約束側(cè)邊界和一個底面組成，所述的位移約束側(cè)邊界通過鐵柱連接在外圍框架上，所述的應力約束側(cè)邊界通過液壓千斤頂與外圍框架連接，其中一個位移約束側(cè)邊界為鋼化玻璃，另一個位移約束側(cè)邊界、兩個應力約束側(cè)邊界和一個底面均為鋼板。所述的應力約束側(cè)邊界的外側(cè)中間設有正方形鋼板，所述的液壓千斤頂設在正方形鋼板與外圍框架之間。所述的碎石土路基試樣包括由下到上依次鋪設的地基土試樣、土工格柵網(wǎng)及碎石土試樣；所述的路面板為混凝土路面板。所述的小車輪上端設有一豎軸，該豎軸的頂端設有滑輪。所述的液壓加載系統(tǒng)包括儲油箱、提供動力的高壓油泵、控制加載的控制組件、測力裝置及管路，所述的儲油箱與高壓油泵連接，所述的高壓油泵通過管路與豎軸連接，所述的控制組件及測量裝置與高壓油泵連接，所述的控制組件設定軸向載荷的加載方式和加載大小，所述的高壓油泵提供的壓力通過管路作用于小車輪上。所述的水平加載系統(tǒng)為一根鋼梁軌道，所述的滑輪連接在該鋼梁軌道上，所述的鋼梁軌道限制小車輪的運動軌跡為直線。所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器及與傳感器連接并控制傳感器的計算機，所述的傳感器為自動實時記錄加載次數(shù)、路面板軸向荷載與軸向應變、試樣盒內(nèi)部應力、位移約束側(cè)邊界與應力約束側(cè)邊界的應力和位移的傳感器。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果:本發(fā)明的裝置可以模擬交通荷載下碎石土路基中的主應力軸大小及方向耦合旋轉(zhuǎn)，可量測循環(huán)交通荷載作用下碎石土路基的塑性安定狀態(tài)和累計變形規(guī)律，得到碎石土路基變形沉降與加載次數(shù)、加載頻率、軸向荷載等參數(shù)的關系，從而合理地指導道路工程建設的工程實踐，確保碎石土路基的穩(wěn)定性。同時本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單、組裝及拆卸容易，實驗過程操作容易，測量準備度高。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為移動小車輪不同位置時碎石土路基中心單元大主應力方向示意圖。圖中:1為外圍框架，2為試樣盒，21為路面板，22為碎石土路基試樣，23為應力約束側(cè)邊界，24為位移約束側(cè)邊界，25為底面，26為正方形鋼板，3為小車輪，4為液壓加載系統(tǒng)，5為傳感器，6為液壓千斤頂，7為鐵柱，8為碎石土顆粒，9為鋼梁軌道。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，如圖1所示，該裝置包括外圍框架1、試樣盒2、軸向加載單元、水平加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，夕卜圍框架I為鋼結(jié)構(gòu)框架。試樣盒2設在外圍框架I內(nèi)部，試樣盒2內(nèi)裝填碎石土路基試樣22，碎石土路基試樣22的上方鋪設路面板21。碎石土路基試樣22包括由下到上依次鋪設的地基土試樣、土工格柵網(wǎng)及碎石土試樣；路面板21為混凝土路面板，路面板21的尺寸為800mmX 500mmX 46mm。試樣盒2為800mmX500mmX646mm的長方體，試樣盒2由垂直于小車輪3運動方向的兩個位移約束側(cè)邊界24、平行于小車輪3運動方向的兩個應力約束側(cè)邊界23和一個底面25組成，位移約束側(cè)邊界24通 過鐵柱7連接在外圍框架I上，應力約束側(cè)邊界23通過液壓千斤頂6與外圍框架I連接，其中一個位移約束側(cè)邊界24為IOmm厚的鋼化玻璃，可用于觀察并記錄試驗過程中盒內(nèi)試樣變化情況；另一個位移約束側(cè)邊界24、兩個應力約束側(cè)邊界23和一個底面25均為IOmm厚的鋼板。應力約束側(cè)邊界23的外側(cè)中間設有IOOmmX IOOmm的正方形鋼板26，液壓千斤頂6設在正方形鋼板26與外圍框架I之間。外圍框架I通過鐵柱7及液壓千斤頂6為試樣盒2提供圍壓，以保證碎石土處于較為均勻的應變狀態(tài)，其中，應力約束側(cè)邊界23與底面25之間留有Imm縫隙，以消除摩擦力引起的誤差。軸向加載單元包括小車輪3和液壓加載系統(tǒng)4，小車輪3設在路面板21上，小車輪3上端設有一豎軸，該豎軸的頂端設有滑輪。液壓加載系統(tǒng)4包括儲油箱、提供動力的高壓油泵、控制加載的控制組件、測力裝置及管路，儲油箱與高壓油泵連接，高壓油泵通過管路與豎軸連接，控制組件及測量裝置與高壓油泵連接，控制組件設定軸向載荷的加載方式和加載大小 ，高壓油泵提供的壓力通過管路作用于小車輪3上并通過小車輪3傳遞至試樣，水平加載系統(tǒng)為一根鋼梁軌道9，滑輪連接在該鋼梁軌道9上，鋼梁軌道9限制小車輪3的運動軌跡為直線。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器5及與傳感器5連接并控制傳感器5的計算機，傳感器5設在試樣盒2的側(cè)壁的四角處，傳感器5為自動實時記錄加載次數(shù)、路面板21軸向荷載與軸向應變、試樣盒2內(nèi)部應力、位移約束側(cè)邊界24與應力約束側(cè)邊界23的應力和位移的傳感器。首先檢測碎石土路基試樣22均勻裝填，同時保證地基土試樣、土工格柵網(wǎng)及碎石土試樣及路面板21的平整。注意檢查各傳感器5讀數(shù)是否歸零。通過控制臺在試樣盒2兩側(cè)施加一定數(shù)值圍壓后，再次檢查各層試樣是否出現(xiàn)傾斜或不均勻分布，檢查無誤后靜置至少Ih時間，待試樣充分穩(wěn)定后，做好開始試驗的準備。按照試驗設計的加載頻率，開始水平方向往復循環(huán)加載，加載過程中保持軸向荷載數(shù)值不變，同時循環(huán)次數(shù)、試樣豎向沉降、試樣水平方向應變、試樣內(nèi)部應力都會通過傳感器5自動采集，并傳給計算機。到達預定加載次數(shù)，或者試樣出現(xiàn)明顯破壞特征后，試驗結(jié)束。如圖2所示,小車輪3原始位置為B,向左移動后位置到達A處，向右移動后位置到達C處，碎石土顆粒8開始時位置在E處，隨著小車輪3向A處移動，碎石土顆粒8向D處移動，移動的角度在σι范圍內(nèi)，隨著小車輪3向C處移動，碎石土顆粒8向F處移動，移動的角度在σι范圍內(nèi)，其中O1取值在I 45°范圍內(nèi)。試驗結(jié)束后，首先停止水平向加載，再緩慢撤去軸向荷載。之后從上到下拆除試樣，分析碎石土顆粒8的破碎程度。
權利要求
1.一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，該裝置包括外圍框架、試樣盒、軸向加載單元、水平加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述的試樣盒設在外圍框架內(nèi)部，所述的試樣盒內(nèi)裝填碎石土路基試樣，碎石土路基試樣的上方鋪設路面板，所述的軸向加載單元包括小車輪和液壓加載系統(tǒng)，所述的小車輪設在路面板上，所述的液壓加載系統(tǒng)設在小車輪的上方，為小車輪施加軸向壓力，所述的水平加載系統(tǒng)與小車輪連接，維持小車輪水平向往復運動，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設在試樣盒的側(cè)壁的四角處。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的外圍框架為鋼結(jié)構(gòu)框架。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的試樣盒由垂直于小車輪運動方向的兩個位移約束側(cè)邊界、平行于小車輪運動方向的兩個應力約束側(cè)邊界和一個底面組成，所述的位移約束側(cè)邊界通過鐵柱連接在外圍框架上，所述的應力約束側(cè)邊界通過液壓千斤頂與外圍框架連接，其中一個位移約束側(cè)邊界為鋼化玻璃，另一個位移約束側(cè)邊界、兩個應力約束側(cè)邊界和一個底面均為鋼板。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的應力約束側(cè)邊界的外側(cè)中間設有正方形鋼板，所述的液壓千斤頂設在正方形鋼板與外圍框架之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的碎石土路基試樣包括由下到上依次鋪設的地基土試樣、土工格柵網(wǎng)及碎石土試樣；所述的路面板為混凝土路面板。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的小車輪上端設有一豎軸，該豎軸的頂端設有滑輪。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的液壓加載系統(tǒng)包括儲油箱、提供動力的高壓油泵、控制加載的控制組件、測力裝置及管 路，所述的儲油箱與高壓油泵連接，所述的高壓油泵通過管路與豎軸連接，所述的控制組件及測量裝置與高壓油泵連接，所述的控制組件設定軸向載荷的加載方式和加載大小，所述的高壓油泵提供的壓力通過管路作用于小車輪上。
8.根據(jù)權利要求6所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的水平加載系統(tǒng)為一根鋼梁軌道，所述的滑輪連接在該鋼梁軌道上，所述的鋼梁軌道限制小車輪的運動軌跡為直線。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括傳感器及與傳感器連接并控制傳感器的計算機，所述的傳感器為自動實時記錄加載次數(shù)、路面板軸向荷載與軸向應變、試樣盒內(nèi)部應力、位移約束側(cè)邊界與應力約束側(cè)邊界的應力和位移的傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為的試驗裝置，該裝置包括外圍框架、試樣盒、軸向加載單元、水平加載系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，試樣盒設在外圍框架內(nèi)部，試樣盒內(nèi)裝填碎石土路基試樣，碎石土路基試樣的上方鋪設路面板，軸向加載單元包括小車輪和液壓加載系統(tǒng)，小車輪設在路面板上，液壓加載系統(tǒng)為小車輪施加軸向壓力，水平加載系統(tǒng)維持小車輪水平向往復運動，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設在試樣盒的側(cè)壁的四角處。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的裝置可以模擬往復交通移動荷載下碎石土路基力學行為，得到碎石土路基變形沉降與加載次數(shù)、加載頻率、軸向荷載等參數(shù)的關系，從而合理地指導道路工程建設的工程實踐，確保碎石土路基的穩(wěn)定性。
文檔編號G01N3/36GK103217348SQ20131012774
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權日2013年4月12日
發(fā)明者錢建固, 由子沛, 王其偉, 黃茂松, 王琳靜 申請人:同濟大學