CN106706454A - 钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,涉及岩土力学领域。本装置包括支架部分、路基模型部分、驱动与传动部分、荷载施加部分、传感器监测部分和水位波动部分;支架部分为整个装置的支撑部分;在路基模型部分内盛装有钙质砂,在钙质砂内埋设有传感器监测部分;驱动与传动部分、荷载施加部分、水位波动部分分别与路基模型部分相连接。本发明用于模拟车辆、飞机等交通工具行驶过程中对路面施加的交通荷载,并可探测路基内部土体所受压力、孔隙水压力以及土体变形情况。

Description

钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置
技术领域
本发明涉及岩土力学领域,尤其涉及一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置;用于模拟车辆、飞机等交通工具行驶过程中对路面施加的交通荷载,并可探测路基内部土体所受压力、孔隙水压力以及土体变形情况。
背景技术
随着我国建设事业的发展,公路、桥梁、铁路等建设工程飞速进度,交通工具也在进行不断发展,重型车辆、飞机等交通工具的产生对于公路的承载特性提出了更高要求。以车辆、飞机为代表的交通工具产生的荷载具有其自身特点,其中交通荷载的长期周期性的施加会造成路基的变形沉降,更有甚者会因此造成道路的损坏,不仅包括其自重,还因为路面、轮胎的不平整,加上行驶过程中机器运行的振动,属于典型的动荷载,还例如飞机在起飞、降落过程中还会对路基产生明显的冲剪效应,这些复杂多变的交通荷载是工程设计时考虑的难题,很容易对于道路路基产生影响,影响交通工具行驶安全。
此外路基工程设计时不仅要考虑控制宏观的路基沉降变形,同时还要考虑路基内部土层的受力和变形特点,由于岛礁特殊的地理条件,路基的填筑多采用岛礁现有岩土工程介质材料,需要考虑钙质砂砾在路基受荷条件下的变形和颗粒破碎问题,同时由于岛礁路基其服役条件往往是在临海环境中进行,还要考虑水位升降、雨水淋滤蒸发等对路基结构性的影响。
因此在研究钙质砂路基时,需要探究路基在交通荷载作用下的路基沉降、土体内部受力、变形的情况,同时还要分析路基变形过程中土体的位移情况,进而对工程建设提出相应的改进措施。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足,提供一种钙质砂交通荷载路基模型试验装置。
本发明的目的是这样实现的:
采用环形对称结构,研究在长期交通荷载作用下钙质砂路基形以及土体内部压力、孔隙水压力变化情况,同时通过在路基模型槽侧壁开设一定区域观察窗,利用数字图像关联和跟踪技术(DIC),观测并分析路基变形情况;模型装置的特点在于采用了一种环形跑道结构,其特点是能够节约空间,减少试验耗费,并通过荷载施加系统对路基施加不同大小、频率、形式的交通荷载,通过埋设在路基中的传感器实时获取土体内部压力情况。
具体地说,本装置包括支架部分、路基模型部分、驱动与传动部分、荷载施加部分、传感器监测部分和水位波动部分;
其位置和连接关系是:
支架部分为整个装置的支撑部分;
在路基模型部分内盛装有钙质砂,在钙质砂内埋设有传感器监测部分;
驱动与传动部分、荷载施加部分、水位波动部分别与路基模型部分相连接。
与现有技术相比,本发明具有下列优点和有益效果:
①采用环形对称结构,对比于直线型重物堆载车式的反复碾压的测试方法,节约空间场地,操作简便,提升工作效率,并可对路基模型施加不同形式的交通荷载,尤其是可变的线性荷载,可模拟实际工程中各类交通荷载对路基的动力作用效果,以及飞机对路基的冲剪效应,解决了常规路基模型试验采用静力加载不符合实际、荷载单一、占用空间大和耗时耗力的问题;
②可模拟岛礁环境中海洋潮汐涨落的水位波动现象、雨水淋滤蒸发的干湿循环现象等造成的路基内部土体结构变化,可进一步对海况条件下路基的稳定性进行评价分析;
③采用环形对称结构,荷载施加形式包括轮胎双向圆周旋转和竖立自转扭动两种形式,可模拟车辆反复来回行驶和飞机停靠起落原地水平打转的情形,更切近与实际交通荷载形式;
④利用数字图像关联和跟踪技术(DIC),通过控制轮胎运动半径,使轮胎作用点紧临模型槽外壁,根据半无限体空间假定,通过外壁设置的透明观察窗可实时获取此时路基在交通荷载作用下,其内部各层土体的变形沉降以及土体的位移图像,利用数字图像关联和跟踪技术,进一步分析土体颗粒在荷载作用下的土体位移。
总之,本发明对钙质砂路基模拟施加不同类型的交通荷载装置,采用环形对称结构,节省模型试验空间和耗费,可模拟岛礁海洋环境下的临海路基,研究水位升降、雨水淋滤蒸发等情况对路基土体结构性稳定性的影响;可施加车辆反复来回行驶、飞机起落冲切、轮胎原地自转等多种形式的交通荷载,获取路基变形,土体内部受力和孔隙水压力变化等参数,并利用数字图像关联和跟踪技术对路基分层变形、土体位移进行分析。
附图说明
图1.1是本装置的结构方框图,
图1.2是本装置的组装效果图,
图1.3是支架部分的结构示意图;
图2.1是路基模型部分的结构俯视图,
图2.2是路基模型部分的结构主视图,
图2.3是路基凹槽的结构立体图,
图2.4是路面示意图;
图3.1是驱动与传动部分300的结构示意图,
图3.2是传动轴330和限位单元340的结构爆炸图;
图4.1是荷载施加部分400的结构示意图,
图4.2是荷载动力模块410的结构示意图,
图4.3是传压帽及其连接组成结构图,
图4.4是圆周旋转模块420的结构示意图,
图4.5是圆周旋转组装结构图,
图4.6是承压帽多角度结构图,
图4.7是圆周旋转主横梁结构图,
图4.8是支撑架结构图,
图4.9是圆周旋转减震架结构图,
图4.10是自旋转模块430的结构示意图,
图4.11是自旋转模块430的剖切结构示意图,
图4.12 是自旋转组装结构图,
图4.13 是自旋转主横梁结构图,
图4.14 是自旋转支架结构图;
图5是传感器布设方法示意图;
图6.1是水位波动部分图,
图6.2是水箱多角度结构图;
图7是线性荷载施加单元的结构方框图;
图8是数字图像测量路基变形和土体位移方法的流程图。
图中
100—支架部分,
110—支架槽钢;
120—支撑槽钢;
130—丝杆;
140—安装槽钢,
141—气缸安装槽钢,142—轴承支座安装槽钢,
143—驱动安装槽钢;
150—安装角钢;
160—轴承支座。
200—路基模型部分,
211—素混凝土路面,212—钙质砂路基土,213—钙质砾路基基床;
214—位移计支板;
220—凹槽,
221—出水口,222—水位管,223—第一进水口,
224—第二进水口,225—第三进水口,226—观察窗。
300—驱动与传动部分,
310—主电动机;
320—SEW减速器;
330—传动轴,
331—键槽,332—方形轴,333—限位滑槽;
340—限位单元,
341—销钉、342—第一限位螺母、343—第二限位螺母;
350—电机转向控制器。
400—荷载施加部分,
410—荷载动力模块,
412—调压阀,
413—气缸,
414—气缸推杆,
415—传压帽,
415a—传压帽外壳,415b—传压推力球轴承,
415c—外紧固螺母,415d—内紧固螺母,
417—调压阀,
418a—电气比例阀,418b—直流电源,418c—信号发生器;
420—圆周旋转模块,
421—第一承压帽,
422—第一主横梁,
423a—第一大螺母,423b—第二大螺母,
424a—第一支撑板,424b—第二支撑板,
425a—第一弹簧,425b—第二弹簧,
427a—第一减震架,427b—第二减震架,
428a—第一橡胶轮,428b—第二橡胶轮、
429a—第一轮轴,429b—第二轮轴;
430—自旋转模块,
431—第二承压帽,
432—第二主横梁,
433a—第一副电机,433b—第二副电机,
434a—第一圆锥齿轮,434b—第二圆锥齿轮,
435a—第一推力球轴承,435b—第二推力球轴承,
436a—第一自旋转支架,436b—第二自旋转支架、
437a—第三轮轴,437b—第四轮轴,
438a—第三橡胶轮,438b—第四橡胶轮,
439a—第一限位轴承,439b—第二限位轴承。
500—传感器监测部分
m—土压力采集器,m1—微型土压力盒,
n—孔隙水压力采集器,n1—微型孔隙水压力盒
g—计算机,s—摄像头。
600—水位波动部分,
610—门吊,
611—门形支架,612—第一环扣,613—手拉葫芦,
614—万向轮;
620—水箱,
621—水箱箱体,
621a—水箱泻水口,621b—第一出水口,
621c—第二出水口,621d—第三出水口;
622—第二环扣;623—第三环扣。
具体实施方式 下面结合附图和实施例详细说明: 一、装置 1、总体
如图1.1、图1.2,本装置包括支架部分100、路基模型部分200、驱动与传动部分300、荷载施加部分400、传感器监测部分500和水位波动部分600;
其位置和连接关系是:
支架部分100为整个装置的支撑部分;
在路基模型部分200内盛装有钙质砂A,在钙质砂A内埋设有传感器监测部分500;
驱动与传动部分300、荷载施加部分400、水位波动部分600分别与路基模型部分200相连接。
工作机理是:
支架部分100是整个装置的基础承载框架,在支架部分100的内部设置有驱动与传动部分300,驱动与传动部分300的活动端作用于路基模型部分200上;荷载施加部分400位于支架100上,其荷载通过驱动与传动部分300传递到路基模型部分200;路基模型部分200由素混凝土路面211、钙质砂路基土212、钙质砾路基基床213组成,依次传递荷载;传感器监测部分500所属微型土压力盒501、微型孔隙水压力盒504位于钙质砂路基土212中,分别用来测定对应的参数;水位波动部分600用于模拟海洋潮汐作用引起的水位升降,通过起吊外部水箱实现。
2、功能部分
1)支架部分100
如图1.3,支架部分100是本装置的支撑体,由支架槽钢110、支撑槽钢120、丝杆130、安装槽钢140、安装角钢150和轴承支座160搭建而成的长方体结构;
所述的安装槽钢140包括气缸安装槽钢141、轴承支座安装槽钢142和驱动安装槽钢143,分别设置在支架部分100的上、中、下部。
2)路基模型部分200
如图2.1、2.2,路基模型部分200包括路基210和凹槽220;在凹槽220内设置有路基210;
(1)路基210
路基210包括素混凝土路面211、钙质砂路基土212、钙质砾路基基床213和位移计支板214;
从上到下,素混凝土路面211、钙质砂路基土212和钙质砾路基基床213依次连接,位移计支板214;
*素混凝土路面211是由水泥、钙质砂按照一定比例混合后在模具中浇筑制成环形混凝土结构;其主要作用是模拟实际交通路面,直接承受上部驱动和传动部分300所传递的荷载;提供足够的摩擦系数、与钙质砂路基土212协调变形,其一侧设置有位移计支板214;
*钙质砂路基土212由0.5~2mm粒径大小钙质砂按照一定比例混合形成;
*钙质砾路基基床213由5~20mm粒径大小钙质砾按照一定比例混合形成;
*位移计支板214为一长方形板,嵌于素混凝土路面211一侧边缘,上部与电位移计w1连接,其作用为测量路面211沉降位移。
(2)凹槽220
如图2.3,凹槽220为一外径1000mm、内径200mm、高500mm的环状容器,在外壁上均布有第一进水口223、第二进水口224和第三进水口225,还设置有出水口221、水位管222和观察窗226;
*水位管222为L形带刻度的透明塑料管,与出水口221连接。
*第一进水口223、第二进水口224和第三进水口225均为通用阀门;
*观察窗226为一略带弧度的透明高强窗形玻璃板,具有良好的透视性。
3)驱动与传动部分300
如图3.1、图3.2,驱动与传动部分300包括主电动机310、SEW减速器320、传动轴330、限位单元340和转向控制器350;
转向控制器350、主电动机310、SEW减速器320和传动轴330依次连接;
在传动轴330的上设置有限位单元340。
(1)主电动机310
主电动机310是一种通用件,功率为1.4KW;
其作用是提供动力。
(2)SEW减速器320
SEW减速器320是一种通用件,减速比是40:1;
其作用是转速换向,将主电动机310水平旋转转换为竖向旋转,并控制传动轴330旋转速度。
(3)传动轴330
如图3.2,传动轴330包括键槽331、方形轴332、限位滑槽333和轴身334;
轴身334为一种圆铁柱,在轴身334的上半部分连接有方形轴332,在方形轴332的上端设置有限位滑槽333,在轴身334的下端设置有键槽331;
在传动轴330的上端通过限位滑槽333和限位单元340连接,下端通过键槽331和SEW减速器320连接。
限位滑槽333是一种中部是长方形、两端是半圆形的孔槽;
其作用是给传动轴330与第一主横梁422的上下相对滑动提供足够的运动空间。
(4)限位单元340
限位单元340包括销钉341、第一限位螺母342和第二限位螺母343。
在销钉341的前、后端分别连接有第一限位螺母342和第二限位螺母343。
限位单元340通过限位滑槽333与传动轴330上半部分方形轴332相连。
限位单元340的作用是限制传动轴330与第一主横梁422发生相对转动,但可以上下滑动。
*销钉341是一细丝杆。
*第一限位螺母342和第二限位螺母343为通用件。
作用是将销钉341卡在限位滑槽333中。
(5)电机转向控制器350
电机转向控制器350是一种通用件,其作用是控制主电动机310实现正反向转换,用以模拟交通工具前进和后退的情形。
4)荷载施加部分400
如图4.1,荷载施加部分400包括荷载动力模块410、圆周旋转模块420和自旋转模块430,圆周旋转模块420和自旋转模块430分别与荷载动力模块410连接。
(1)荷载动力模块410
如图4.2,荷载动力模块410包括空压机411、调压阀412、气缸413、气缸推杆414和传压帽415;
空压机411、调压阀412和气缸413依次连接,使气缸推杆414运动;
气缸推杆414和传压帽415连接,带动传压帽415运动。
荷载动力模块410的工作原理:
荷载动力模块410可以对圆周旋转模块420和自旋转模块430施加竖向静荷载和线性荷载,同时可以对荷载频率、大小进行改变。
如图4.3,所述的传压帽415包括传压帽外壳415a、传压推力球轴承415b、外紧固螺母415c和内紧固螺母415d;
气缸活塞推杆414、外紧固螺母415c、传压帽外壳415a、内紧固螺母415d、传压推力球轴承415b依次连接。
工作原理:
传压帽415上部与气缸推杆414连接,下部传压推力球轴承416b与承压帽421连接,传压帽415可与承压帽421发生相对滚动,在运动时传递垂直荷载。
(2)圆周旋转模块420
如图4.4,圆周旋转模块420包括第一承压帽421、第一主横梁422、第一大螺母423a、第二大螺母423b、第一支撑架424a、第二支撑架424b、第一弹簧425a、第二弹簧425b、第一减震架427a、第二减震架427b、第一橡胶轮428a、第二橡胶轮428b、第一轮轴429a、第二轮轴429b;
其位置和连接关系是:
第一承压帽421和第一主横梁422上下连接;
第一主横梁422左边、第一支撑架424a、第一大螺母423a、第一减震架427a、第一弹簧425a、第一橡胶轮428a和第一轮轴429a依次连接;
第一主横梁422右边、第二支撑架424b、第二大螺母423b、第二减震架427b、第二弹簧425b、第二橡胶轮428b和第二轮轴429b依次连接。
工作原理:
如图4.5,所述的圆周旋转模块420为一个功能性主体,与传动轴330连接,并可方便地从传动轴330上取下;主电动机310工作,通过SEW减速器320带动传动轴330转动,传动轴330在方孔422a和方形轴332的配合和限位单元340的作用下,通过第一主横梁422驱动着圆周旋转模块420结构体在素混凝土路面211上旋转,同时气缸414通过气缸推杆415给第一承压帽421施加静荷载或线性荷载,进而给圆周旋转结构体施加竖向的静荷载或线性荷载,迫使第一橡胶轮428a和第二橡胶轮428b给路基模型部分200施加荷载。
如图4.6(a),所述第一承压帽421为一上部封闭的空心圆筒;
第一承压帽421其上端与传压推力球轴承415b连接,下端与第一主横梁422连接;其作用是承受传压帽415传递的荷载;
如图4.7,所述的第一主横梁422为一方钢横梁,在中心设置有竖向的方孔422a,其中部水平方向有第一小圆孔422b和第二小圆孔422c;
销钉341、第一限位螺母342、第一小圆孔422b、方孔422a、限位滑槽333、第二小圆孔422c、第二限位螺母343依次连接;
方孔422a套在方形轴332上,与其活动连接,上下滑动。
如图4.8(a),所述的第一支撑架424a为一H型支架,为非标准件,中部开设有第一安装孔424a-H;在H型支架下部分别开设有左第一支撑架滑槽H1和右第一支撑架滑槽H2;
如图4.8(b),所述的第二支撑架424b为一H型支架,为非标准件,中部开设有第二安装孔424b-H;在H型支架下部分别开设有左第二支撑架滑槽H3和右第二支撑架滑槽H4;
如图4.9(a),所述的第一减震架427a为非标准件,包括上下连接的第一减震架圆轴c-1和第一减震架门形板d-1;
在第一减震架门形板d-1的下端两侧分别设置有左第一减震架小孔e-1和右第一减震架小孔f-1;
如图4.9(b),所述的第二减震架427b为非标准件,包括上下连接的第二减震架圆轴c-2和第二减震架门形板d-2;
在第二减震架门形板d-2的下端两侧分别设置有左第二减震架小孔e-2和右第二减震架小孔f-2;
所述的第一轮轴429a为非标准件,包括左第一轮轴限位螺母429a-1、第一轮轴限位丝杠429a-2和右第一轮轴限位螺母429a-3;
(3)自旋转模块430
如图4.10、图4.11,自旋转模块430包括第二承压帽431、第二主横梁432、第一副电机433a、第二副电机433b、第一圆锥齿轮434a、第二圆锥齿轮434b、第一推力球轴承435a、第二推力球轴承435b、第一自旋转支架436a、第二自旋转支架436b、第三轮轴437a、第四轮轴437b、第三橡胶轮438a、第四橡胶轮438b、第一限位轴承439a、第二限位轴承439b;
所述的第二承压帽431为一圆筒,下端通过螺丝与第二主横梁432连接,上端与气缸推杆415下端相连;
第二主横梁432左边、第一副电机433a、第一圆锥齿轮434a、第一推力球轴承435a、第一自旋转支架436a、第三轮轴437a、第三橡胶轮438a、第一限位轴承439a依次连接;
第二主横梁432右边、第二副电机433b、第二圆锥齿轮434b、第二推力球轴承435b、第二自旋转支架436b、第四轮轴437b、第四橡胶轮438b、第二限位轴承439b依次连接。
工作原理:
如图4.12,所述自旋转模块430为一个功能性主体,与传动轴330连接,并可方便地从传动轴330上取下,副电机433a(b)工作,通过圆锥齿轮434a(b)换向减速作用带动自旋转支架436a(b)转动,在限位轴承439a(b)和推力球轴承435a(b)的作用下,通过自旋转支架436a(b)驱动着第三橡胶轮438a和第四橡胶轮438b在素混凝土路面211上自旋转,同时气缸414通过气缸推杆415给第二承压帽431施加静荷载或线性荷载,迫使第三橡胶轮438a和第四橡胶轮438b给路基模型部分200施加荷载。
*第二承压帽431
如图4.6(b),第二承压帽431为一上部封闭的空心圆筒;
第二承压帽431其上端与传压推力球轴承416b连接,下端与第二主横梁432连接;其作用是承受传压帽415传递的荷载;
*第二主横梁432
如图4.13,第二主横梁432为方钢横梁,其两端分别设置有第一圆孔432b、第二圆孔432c,其中部设置有竖向方孔432a;
方孔432a套在方形轴332上,与其活动连接,上下滑动;
*第一自旋转支架436a
如图4.14(a),第一自旋转支架436a包括上下连接的第一自旋转支架圆轴436a-1和第一自旋转支架门形板436a-2;
第一自旋转支架门形板436a-2下端两侧设有第一自旋转支架门形板小孔g-1、第一自旋转支架门形板小孔h-1;
*第二自旋转支架436b
如图4.14(b),第二自旋转支架436b包括上下连接的第二自旋转支架圆轴436b-1和第二自旋转支架门形板436b-2;
第二自旋转支架门形板436b-2下端两侧设有第二自旋转支架门形板小孔g-2、第二自旋转支架门形板小孔h-2;
*第三轮轴437a
第三轮轴437a包括左第三轮轴限位螺母437a-1、第三轮轴限位丝杠437a-2和右第三轮轴限位螺母437a-3;
*第四轮轴437b
第四轮轴437b包括左第四轮轴限位螺母437b-1、第四轮轴限位丝杠437b-2和右第四轮轴限位螺母437b-3;
5)传感采集部分500
如图5,传感采集部分500包括土压力采集器m及其土压力探头m1,孔隙水压力采集器n及其孔隙水压力探头n1,位移采集器w及其电位移计w1,摄像头s和计算机g;
土压力探头m1和孔隙水压力探头n1分别置于路基210中的钙质砂路基土212中;
电位移计w1置于位移支板214上;
摄像头s的镜头对准观察窗226;
土压力采集器m、孔隙水压力采集器n、位移采集器w和摄像头s的输出端分别与计算机g连接。
(1)土压力采集器m及其土压力探头m1
土压力采集器m为通用件,其土压力探头m1是一种电阻式传感器,为土体所受压引起力其内部传感器阻值变化,从而得到该点土体受压力状态改变量;
(2)孔隙水压力采集器n及其孔隙水压力探头n1
孔隙水压力采集器n为通用件,其孔隙水压力探头n1是一种电阻式传感器,为孔隙水受压引起力其内部传感器阻值变化,从而得到该点孔隙水受压力状态改变量。
(3)位移采集器w及电位移计w1
位移采集器w为通用件,其电位移计w1是一种电阻式传感器,为伸缩位移引起其内部传感器阻值变化,从而得到该点位移状态改变量。
(4)摄像头s
摄像头s为通用件,通过数字图像关联和跟踪技术(DIC)计算土体位移。
6)水位波动部分600
如图6.1、6.2,水位波动部分600包括门吊610和水箱620;
在门吊610内设置有水箱620。
(1)门吊610
门吊610包括门形支架611、第一环扣612、手拉葫芦613和万向轮614;
在门形支架611的上横梁中间下部依次连接有第一环扣612和手拉葫芦613,在门形支架611的底部连接有4个万向轮614。
(2)水箱620
水箱620包括水箱箱体621、第二环扣622、第三环扣623和出水管624;
所述的水箱箱体621为一方筒形容器,在水箱箱体621的侧壁上部设置有第二环扣622和第三环扣623,分别与手拉葫芦613相连接;
在水箱箱体621底部设置有水箱泻水口621a,在水箱箱体621的侧壁下部分别设置有第一出水口621b、第二出水口621c和第三出水口621d,分别与出水管624相连接;
水位波动部分600的工作机理:
水位波动部分600为一个功能性主体,与路基模型部分200连接,其出水管624可方便地从路基模型部分200的进水口卸下。水位波动部分600主要作用是给路基模型部分200提供水位可以升降的水,模拟临海路堤在潮汐水位不断升降变化的情况下路基模型部分200受各种交通荷载的作用。水位波动部分600是用于模拟临海路堤工程环境中的水位上升或下降方式,通过水箱620的起吊来实现;水箱620的第一出水口621b、第二出水口621c、第三出水口621d与路基模型部分200的第一进水口223、第二进水口224、第三进水口225连通,通过水箱620的升降控制路基模型部分200内的水位。
二、使用方法
1、交通工具的自重荷载
如图4.1,交通工具的自重荷载是:
①将空气压缩机411、调压阀417、电磁阀412、气缸414依次通过导气管413连成气路,并接通空气压缩机411电源,打开空气压缩机411开关,验证气密性是否良好,验证完毕后关闭空气压缩机411开关。
②将微型土压力传感器盒m1,微型孔隙水压力盒n1埋入钙质砂路基土212相应位置,电位移计w1活动端安装在路基位移板214上,摄像头s对准观察窗226,其输出端接入传感采集仪503和计算机g,接通主电动机310的电源,传动轴330在轴承支座160的固定下转动,转动的传动轴330通过上端方形轴332与第一主横梁422的方孔422a的配合方式和限位销340的作用驱动圆周旋转模块420匀速转动,带动第一橡胶轮428a和第二橡胶轮428b贴紧在素混凝土路面211上转动。
③再打开空气压缩机411的开关,通过导气管413传导气体,气缸414在一定的气压的推动下,将气缸推杆415推出,压在第一承压帽421上,实现静荷载的施加;进一步通过调节调压阀417,实现荷载大小的调节。
2、飞机起落冲切荷载
如图4.1,飞机起落冲切荷载是:
①将空气压缩机411、调压阀417、电气比例阀418a、气缸414依次气路连通;将直流电源418b、电气比例阀418a、信号发生器418c依次电路连接;
②打开直流电源418b开关,调节信号发生器418c,按照所需波形荷载编程;打开电气比例阀418a开关,调节电气比例阀418a参数。再接通空气压缩机411电源并打开空气压缩机411开关,验证电路和气路是否能正常工作,若不能正常工作,则重新检查连接,若能正常工作,则关闭空气压缩机411开关;
③将微型土压力传感器盒m1,微型孔隙水压力盒n1埋入钙质砂路基土212相应位置,其输出端接入传感采集仪503和计算机g,接通主电动机310的电源,传动轴330在轴承支座160的固定下转动,转动的传动轴330通过上端方形轴332与第一主横梁422的方孔422a的配合方式和限位销340的作用驱动圆周旋转模块420匀速转动,带动第一橡胶轮428a和第二橡胶轮428b贴紧在素混凝土路面211上转动;
④再打开空气压缩机411的开关,通过导气管413传导气体,气缸414在一定的气压的推动下,将气缸推杆415推出,压在第一承压帽421上,根据编制好的程序,实现线性荷载的施加;进一步通过调节调压阀417,实现荷载大小的调节。
3、换向水平旋转荷载
所述模拟交通工具换向时自旋转荷载是这样施加的:
①将空气压缩机411、调压阀417、电磁阀412、气缸414依次通过导气管413连成管路,并接通空气压缩机411电源,打开空气压缩机411开关,验证气密性是否良好,验证完毕后关闭空气压缩机411开关;
②将微型土压力传感器盒m1,微型孔隙水压力盒n1埋入钙质砂路基土212相应位置,其输出端接入传感采集仪503和计算机g,;断开主电动机310的电源,接通副电动机433的电源使其工作,通过圆锥齿轮434的换向减速,自旋转支架436在限位轴承439的固定下转动,带动第三橡胶轮438a和第四橡胶轮438b贴紧在素混凝土路面211上自旋转运动;
③再打开空气压缩机411的开关,通过导气管413传导气体,气缸414在一定的气压的推动下,将气缸推杆415推出,压在第二承压帽431上,实现静荷载的施加;进一步通过调节调压阀,实现荷载大小的调节。
4、传感器布设方法
如图5,传感器布设方法是:
①微型土压力传感器m1沿深度和水平方向布置,深度方向布置为距离素混凝土路面211下部50cm处1个,100cm处1个。
②微型孔隙水压力传感器n1沿深度和水平方向布置,深度方向为距离素混凝土路面211下部50cm处1个,100cm处1个。
③微型土压力盒m1、微型孔隙水压力盒n1分别与土压力采集器m、孔隙水压力采集器n连接;
④位移计w1与位移采集器w连接,
⑤土压力采集器m、孔隙水压力采集器n、位移采集器w分别与计算机连接g。
5、水位波动方法
水位波动方法是:
①用手拉葫芦613将水箱箱体621降到最低处,并用出水管623将水位波动部分600的第一出水口621b、第二出水口621c、第三出水口621d分别与路基模型部分200的第一进水口223、第二进水口224、第三进水口225连接,并关闭各出水阀口的开关;
②将水管连接实验室水龙头,通过水管给水箱620注水,注满水箱四分之三高度处停止注水,关闭水龙头;
③通过拉动手拉葫芦613,将水箱箱体621移动到初始高度;打开各进水口和出水口的阀开关,让水流进入路基模型部分200;不断通过手拉葫芦613拉动水箱箱体621,实现路基模型部分200内的水位升降变化;
④试验结束后,将水箱箱体621降到最低;待路基模型部分200的水全部流回水箱箱体621后,关闭所有阀开关,同时拆除管路;最后通过水箱泻水口621a将水泻下到合适位置。
6、数字图像测量路基变形和土体位移方法
本发明中在荷载施加过程中,利用数字图像测量路基变形和土体位移方法其基本原理如下:DIC即数字图像相关测量技术,是一种基于视觉技术的非接触式变形、运动位移测量手段,它通过比较分析物体变形前后的图像中像素点变化情况,并运用相关算法得到全场位移和形变。DIC在测量变形及位移方面具有非接触式的测量方式,测量范围广、精度高的优点。故可利用DIC技术在MATLAB的环境下来检测和计算路基钙质砂土212在交通荷载作用下的土体位移情况以及路基沉降形变。
本发明中在荷载施加过程中,DIC测量路基变形和土体位移流程如图8所示:
①所述摄像头s布设在观察窗226一侧,所述摄像头s与计算机g连接,摄像头s通过路基凹槽的观察窗22拍摄到连续的图像,在MATLAB的环境下,利用其工具箱里的函数对图片进行亚像素化处理;
②在MATLAB的环境下,运用相关算法,将处理后的图片分割成不同的像素区域块,然后选择一个正方形的图像子区。
③在MATLAB的环境下,在图像移动或变形的过程中,追踪图像子区在变形前后图像中的位置,获得像素点的的位移矢量。
④在MATLAB的环境下,经过多个子区中心点的位移矢量追踪计算,构成整个区域的位移场分析,最后由位移和应变的关系确定应变场,得到全场形变的检测和计算。

Claims (7)

1.一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
包括支架部分(100)、路基模型部分(200)、驱动与传动部分(300)、荷载施加部分(400)、传感器监测部分(500)和水位波动部分(600);
其位置和连接关系是:
支架部分(100)为整个装置的支撑部分;
在路基模型部分(200)内盛装有钙质砂(A),在钙质砂(A)内埋设有传感器监测部分(500);
驱动与传动部分(300)、荷载施加部分(400)、水位波动部分(600)分别与路基模型部分(200)相连接。
2.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
所述的支架部分(100)是本装置的支撑体,由支架槽钢(110)、支撑槽钢(120)、丝杆(130)、安装槽钢(140)、安装角钢(150)和轴承支座(160)搭建而成的长方体结构;
所述的安装槽钢(140)包括气缸安装槽钢(141)、轴承支座安装槽钢(142)和驱动安装槽钢(143),分别设置在支架部分(100)的上、中、下部。
3.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
所述的路基模型部分(200)包括路基(210)和凹槽(220);在凹槽(220)内设置有路基(210);
路基(210)包括素混凝土路面(211)、钙质砂路基土(212)、钙质砾路基基床(213)和位移支板(214);从上到下,素混凝土路面(211)、位移支板(214)、钙质砂路基土(212)和钙质砾路基基床(213)依次连接,
凹槽(220)为一外径1000mm、内径200mm、高500mm的环状容器,在外壁上均布有第一进水口(223)、第二进水口(224)和第三进水口(225),还设置有出水口(221)、水位管(222)和观察窗(226)。
4.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
所述的驱动与传动部分300包括主电动机(310)、SEW减速器(320)、传动轴(330)、限位单元(340)和转向控制器350;
转向控制器(350)、主电动机(310)、SEW减速器(320)和传动轴(330)依次连接。
5.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
所述的荷载施加部分(400)包括荷载动力模块(410)、圆周旋转模块(420)和自旋转模块(430),圆周旋转模块(420)和自旋转模块(430)分别与荷载动力模块(410)连接;
*所述的荷载动力模块(410)包括空压机(411)、调压阀(412)、气缸(413)、气缸推杆(414)和传压帽(415);
空压机(411)、调压阀(412)和气缸(413)依次连接,使气缸推杆(414)运动;
气缸推杆(414)和传压帽(415)连接,带动传压帽(415)运动;
*所述的圆周旋转模块(420)包括第一承压帽(421)、第一主横梁(422)、第一大螺母(423a)、第二大螺母(423b)、第一支撑架(424a)、第二支撑架(424b)、第一弹簧(425a)、第二弹簧(425b)、第一连杆(426a)、第二连杆(426b)、第一减震架(427a)、第二减震架(427b)、第一橡胶轮(428a)、第二橡胶轮(428b)、第一轮轴(429a)和第二轮轴(429b);
其位置和连接关系是:
第一承压帽(421)和第一主横梁(422)上下连接;
第一主横梁(422)左边、第一支撑架(424a)、第一大螺母(423a)、第一减震架(427a)、第一弹簧(425a)、第一橡胶轮(428a)和第一轮轴(429a)依次连接;
第一主横梁(422)右边、第二支撑架(424b)、第二大螺母(423b)、第二减震架(427b)、第二弹簧(425b)、第二橡胶轮(428b)和第二轮轴(429b)依次连接;
*所述的自旋转模块(430)包括第二承压帽(431)、第二主横梁(432)、第一副电机(433a)、第二副电机(433b)、第一圆锥齿轮(434a)、第二圆锥齿轮(434b)、第一推力球轴承(435a)、第二推力球轴承(435b)、第一自旋转支架(436a)、第二自旋转支架(436b)、第三轮轴(437a)、第四轮轴(437b)、第三橡胶轮(438a)、第四橡胶轮(438b、)第一限位轴承(439a)和第二限位轴承(439b);
所述的第二承压帽(431)为一圆筒,下端通过螺丝与第二主横梁(432)连接,上端与气缸推杆(415)下端相连;
第二主横梁(432)左边、第一副电机(433a)、第一圆锥齿轮(434a)、第一推力球轴承(435a)、第一自旋转支架(436a)、第三轮轴(437a)、第三橡胶轮(438a)和第一限位轴承(439a)依次连接;
第二主横梁(432)右边、第二副电机(433b)、第二圆锥齿轮(434b)、第二推力球轴承(435b)、第二自旋转支架(436b)、第四轮轴(437b)、第四橡胶轮(438b)和第二限位轴承
(439b)依次连接。
6.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
所述的传感采集部分(500)包括土压力采集器(m)及其土压力探头(m1)、孔隙水压力采集器(n)及其孔隙水压力探头(n1)、位移采集器(w)及其电位移计(w1)、摄像头(s)和计算机(g);
土压力探头(m1)和孔隙水压力探头(n1)分别置于路基(210)中的钙质砂路基土(212)中;
电位移计w1置于位移支板(214)上;
摄像头(s)的镜头对准观察窗(226);
土压力采集器(m)、孔隙水压力采集器(n)、位移采集器(w)和摄像头(s)的输出端分别与计算机(g)连接。
7.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置,其特征在于:
所述的水位波动部分(600)包括门吊(610)和水箱(620);
在门吊(610)内设置有水箱(620);
*门吊(610)包括门形支架(611)、第一环扣(612)、手拉葫芦(613)和万向轮(614);
在门形支架(611)的上横梁中间下部依次连接有第一环扣(612)和手拉葫芦(613),在门形支架(611)的底部连接有4个万向轮(614);
*水箱(620)包括水箱箱体(621)、第二环扣(622)、第三环扣(623)和出水管(624);
所述的水箱箱体(621)为一方筒形容器,在水箱箱体(621)的侧壁上部设置有第二环扣(622)和第三环扣(623),分别与手拉葫芦(613)相连接;
在水箱箱体(21)6底部设置有水箱泻水口(621a),在水箱箱体(621)的侧壁下部分别设置有第一出水口(621b)、第二出水口(621c)和第三出水口(621d),分别与出水管(624)相连接。
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