CN108195695B - 级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置及评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置及评价方法，试验装置包括固定在减振台上的发动机，发动机经传动杆带动橡胶压头对试模中的级配碎石试件施加冲击力；试模包括外筒，外筒的内部设置有复合套筒及复合垫层；发动机上连接有用于调节传动杆以实现波形控制的伺服阀，传动杆上设置有用于调节传动杆自身长度的升降阀。本发明评价方法以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，能够在计算量相同的情况下实现更高的精度，以线性函数的形式定义时间间隔，能够简化时间数列的展开过程，便于应用。本发明釆用PDI指标能够综合反映级配碎石材料在多个时刻的塑性变形情况。

Description

级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置及评价方法
技术领域
本发明涉及公路工程领域，具体涉及一种级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置及评价方法，旨在对级配碎石的塑性变形性能做出快速准确的评价。
背景技术
级配碎石材料因为其具有取材容易、造价低廉等优点，曾广泛应用于我国早期的道路建设，但受限于当时的认识水平和技术能力，以及评价指标不合适等缺陷，使得级配碎石基层未能满足交通发展的需求。为评价级配碎石的变形性能，发明人周刚公开了一种车辙试验方法(200910103821.7)，其基本原理就是通过采用车轮在板块状级配碎石试件上反复行走，检测试件的变形量，并采用动稳定度来表征试验结果。但是经过很多车辙试验都发现，两份级配碎石材料的动稳定度相同时，它们的永久变形却有着明显的差别甚至相互矛盾。
这主要是因为，以往的动稳定度主要依据D45和D60(第45min和第60min的塑性变形量)进行计算，却忽略了其他时刻的塑性变形量，因此经常在试验中出现抗变形性能较好的假象，却在实际使用过程中产生过大的变形。此外，以往的试验多数采用刚性试模，刚性试模导致级配碎石处于完全侧限的状态，这与实际存在较大差异。反之，若进行脱模试验，则导致级配碎石处于无侧限的状态，亦不符合实际情况。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置及评价方法，能够比较真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，从而对级配碎石的塑性变形性能做出快速准确的评价。
为了实现上述目的，本发明级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置采用的技术方案为：包括固定在减振台上的发动机，所述的发动机经传动杆带动橡胶压头对试模中的级配碎石试件施加冲击力；所述的试模包括外筒，外筒的内部设置有复合套筒及复合垫层；所述的复合套筒由两层氯丁橡胶圆筒以及设置在两层氯丁橡胶圆筒之间的钢筒组成，所述的钢筒由弧形筒体拼接而成，并且接缝处预留有间隙；所述的复合垫层设置在外筒内部的底面上，复合垫层由两层氯丁橡胶圆板以及设置在两层氯丁橡胶圆板之间的钢板组成；氯丁橡胶圆筒以及氯丁橡胶圆板在接合外筒内部空间的表面上，均覆盖有直接与级配碎石试件进行接触的有机硅防粘涂层；所述的发动机上连接有用于调节传动杆以实现波形控制的伺服阀，所述的传动杆上设置有用于调节传动杆自身长度的升降阀。
所述的钢筒至少由两块弧形筒体拼接而成，并且接缝至少具有两个。
所述橡胶压头对级配碎石试件所施加冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa。
所述的试模内径为300mm，高度为300mm。
本发明级配碎石塑性变形性能的线性近似评价方法，包括以下步骤：
a.称取级配碎石混合料，拌匀后装入试模；
b.碾压装有级配碎石混合料的试模，制得级配碎石试件；
c.通过级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置反复冲击级配碎石试件，橡胶压头对级配碎石试件所施加冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa，记录塑性变形量；
d.以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，根据橡胶压头的冲击速度加权后作为级配碎石试件塑性变形性能指标PDI；
所述级配碎石试件塑性变形性能指标PDI的算式建立方法为：
d.1)构造关于时间间隔Δti的线性函数；
d.2)构造关于时间ti的数列，并将ti时间发生的塑性变形记为yi；
d.3)计算塑性变形曲线在各时间间隔Δti内的近似积分，并记为Si；
d.4)根据橡胶压头的冲击速度对近似积分Si进行加权，得到塑性变形性能指标PDI。
所述级配碎石试件塑性变形性能指标PDI具体按照以下步骤进行计算：
d.1)构造关于时间间隔Δti的线性函数：
Figure BDA0001539434970000031
d.2)构造关于时间ti的数列，并将ti时间发生的塑性变形记为yi：
Figure BDA0001539434970000032
d.3)计算塑性变形曲线在各时间间隔Δti内的近似积分，并记为Si：
Figure BDA0001539434970000033
d.4)根据橡胶压头的冲击速度对近似积分Si进行加权，得到塑性变形性能指标PDI：
Figure BDA0001539434970000034
所述塑性变形性能指标PDI的单位为次·mm。
与现有技术相比，本发明级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置能够真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，通过将发动机固定在减振台上，能够减少其自身的振动以消除试验误差，发动机连接伺服阀进行波形控制，伺服阀再通过传动杆连接橡胶压头，传动杆上设置有用于调节传动杆自身长度的升降阀，橡胶压头以一定频率和波形反复冲击试件，继而模拟车辆实际行驶过程中橡胶轮胎对级配碎石基层的冲击过程。在试模外筒的内部设置有复合套筒以及复合垫层，在橡胶压头的冲击作用下复合套筒和复合垫层能够压缩变形，单纯采用橡胶套筒和橡胶垫层难以承受冲击作用产生的压力，因此本发明采用了氯丁橡胶与钢材组成的复合层状结构，装置整体结构简单，能够较好的满足试验需要。本发明试模的钢筒由弧形筒体拼接而成，并且接缝处预留有间隙，保证复合套筒能够发生压缩变形。此外，氯丁橡胶圆筒与氯丁橡胶圆板表面覆盖有直接与级配碎石试件进行接触的有机硅防粘涂层，能够防止级配碎石试件与复合套筒、复合垫层的黏结。
与现有技术相比，本发明级配碎石塑性变形性能的线性近似评价方法首先采用轮碾成型机碾压装有级配碎石混合料的试模，制得级配碎石试件，该步骤模拟了实际施工过程中对级配碎石基层的碾压过程，然后利用试验装置的橡胶压头以一定频率和波形反复冲击试件，冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa，模拟车辆实际行驶过程中橡胶轮胎对级配碎石基层的冲击过程，由于以往采用的试模多为刚性试模，导致试样处于完全侧限的状态，不能反映实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，本发明试验装置对试模进行了改进，改善了试样的侧限状态，有利于更真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，从而更好地反映其塑性变形性能。最后本发明以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，能够在计算量相同的情况下实现更高的精度，以线性函数的形式定义时间间隔，能够简化时间数列的展开过程，便于应用。本发明釆用PDI指标能够综合反映级配碎石材料在多个时刻的塑性变形情况，较之动稳定度DS更加全面。
附图说明
图1本发明试验装置的结构示意图；
图2本发明试模的复合套筒结构示意图；
图3本发明试模的复合垫层结构示意图；
图4基于变时间间隔的近似积分示意图；
图5基于等时间间隔的近似积分示意图；
图中：1-发动机；2-伺服阀；3-升降阀；4-减振台；5-橡胶压头；6-试模；7-传动杆；8-外筒；9-有机硅防粘涂层；10-氯丁橡胶圆筒；11-钢筒；12-氯丁橡胶圆板；13-钢板；14-间隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-3，本发明级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置包括固定在减振台4上的发动机1，发动机1经传动杆7带动橡胶压头5对试模6中的级配碎石试件施加冲击力。
试模6包括外筒8，外筒8内嵌套有复合套筒和复合垫层，复合套筒由内外两层氯丁橡胶圆筒10与其之间的钢筒11组成，复合垫层由上下两层氯丁橡胶圆板12与其之间的钢板13组成。复合套筒和复合垫层上涂有有机硅防粘涂层9，钢筒11至少有两道预留缝14。钢筒11和钢板13能够提高复合套筒和复合垫层的强度。有机硅防粘涂层9防止试样粘结复合套筒和复合垫层。其中，复合套筒和复合垫层的模量根据位移边界条件进行计算：
(1)使用BISAR软件，计算级配碎石在标准轴载作用下的位移，并将其层底的位移记为l0，侧向位移记为l1；
(2)计算级配碎石在橡胶压头冲击作用下产生的侧向压强p1：
p1＝p0×k；
式中，p0为橡胶压头的冲击压力，即0.7±0.05MPa；
k为侧向力系数，近似按照k＝μ/(1-μ)进行计算；μ为级配碎石材料的泊松比。
(3)根据位移边界条件计算所需的弹性模量。复合垫层的弹性模量为E0＝p0/l0；复合套筒的弹性模量为E1＝p1/l1。故选取钢板13和弹性模量为E0的氯丁橡胶圆板12和组成复合垫层。选取薄钢筒和弹性模量为E1的氯丁橡胶圆筒10组成复合套筒。
使用此试模进行试验，有利于更真实的模拟实际交通荷载作用下级配碎石基层所处的位移边界条件，从而更好地反映其塑性变形性能。
以试件处于最佳含水率条件下进行试验，集料级配见表1。
表1集料级配
筛孔(mm) 31.5 19 9.5 4.75 2.36 0.6 0.075
通过率(％) 100 64 47 36 28 17.5 7.5
选用内径为300mm，高度为300mm的试模6，按试件的体积乘以最佳干密度称取级配碎石，拌匀后装入试模6。采用轮碾成型机碾压级配碎石，制得级配碎石试件，并进行橡胶压头冲击试验。在橡胶压头冲击试验中，首先需要通过升降阀3将传动杆7升起，放入试件后重新降下传动杆7，使橡胶压头5刚好与试件充分接触。再开启伺服阀2，并对输出波形进行设置，可以设置为正弦波、Haversine波等波形。最后开启发动机1，带动传动杆7工作，对试件施加冲击力。发动机1自身产生的振动由减振台4减弱以控制试验误差。试验过程中记录级配碎石的塑性变形量，以变时间间隔的方式计算级配碎石塑性变形曲线的近似积分，根据橡胶压头的冲击速度加权后作为其塑性变形性能指标PDI。
塑性变形性能指标PDI的计算过程如下：
(1)构造关于时间间隔Δti(min)的线性函数：
Figure BDA0001539434970000061
从而得到按线性规律增长的时间间隔Δti：
Δt1＝1；Δt2＝2；Δt3＝3；Δt4＝4；Δt5＝5；Δt6＝6；Δt7＝7；Δt8＝8；Δt9＝9；Δt10＝10；
(2)构造关于时间ti(min)的数列：
Figure BDA0001539434970000062
从而得到变间隔的时间数列：
t1＝4；t2＝5；t3＝7；t4＝11；t5＝15；t6＝20；t7＝26；t8＝33；t9＝41；t10＝50；t11＝60；
相应地，将ti时间发生的塑性变形记为yi。试验中，橡胶压头的冲击速度N被设置为42次/min。经计算得，其真实PDI值(次·mm)为：
Figure BDA0001539434970000063
由式
Figure BDA0001539434970000064
可见，真实PDI值的计算需要使用大量数据，不便于工程应用。因此，有必要提出一种基于变时间间隔的评价级配碎石变形性能的近似方法。
参见图4-5，若以变时间间隔的方式计算级配碎石塑性变形曲线的近似积分，可以在计算量相同的情况下实现较等时间间隔更高的精度。为说明这一优点，首先将变时间间隔塑性变形与常规的等时间间隔塑性变形进行对比，如表1所示。
表1级配碎石塑性变形记录表
Figure BDA0001539434970000071
再计算塑性变形曲线在各时间间隔Δti内的近似积分Si＝(yi+yi+1)Δti/2，计算结果如表2所示。若以变时间间隔的方式计算级配碎石塑性变形曲线的近似积分，可以有效减少误差。
表2近似积分
Figure BDA0001539434970000072
最后根据橡胶压头的冲击速度对近似积分Si进行加权，得到塑性变形性能指标PDI(次·mm)：
Figure BDA0001539434970000073
将PDI计算结果与真实的PDI值(3460.199)进行比较，结果如表2所示。由表3可知，采用变时间间隔的方法可以在相同计算量的情况下将PDI的计算误差缩小。
表3PDI计算结果
Figure BDA0001539434970000074

Claims (2)

1.一种级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置的线性近似评价方法，其特征在于，试验装置包括固定在减振台(4)上的发动机(1)，所述的发动机(1)经传动杆(7)带动橡胶压头(5)对试模(6)中的级配碎石试件施加冲击力；所述的试模(6)包括外筒(8)，外筒(8)的内部设置有复合套筒及复合垫层；所述的复合套筒由两层氯丁橡胶圆筒(10)以及设置在两层氯丁橡胶圆筒(10)之间的钢筒(11)组成，所述的钢筒(11)由弧形筒体拼接而成，并且接缝处预留有间隙(14)；所述的复合垫层设置在外筒(8)内部的底面上，复合垫层由两层氯丁橡胶圆板(12)以及设置在两层氯丁橡胶圆板(12)之间的钢板(13)组成；氯丁橡胶圆筒(10)以及氯丁橡胶圆板(12)在接合外筒(8)内部空间的表面上，均覆盖有直接与级配碎石试件进行接触的有机硅防粘涂层(9)；所述的发动机(1)上连接有用于调节传动杆(7)以实现波形控制的伺服阀(2)，所述的传动杆(7)上设置有用于调节传动杆(7)自身长度的升降阀(3)；钢筒(11)至少由两块弧形筒体拼接而成，并且接缝至少具有两个；
包括以下步骤：
a.称取级配碎石混合料，拌匀后装入试模(6)；
b.碾压装有级配碎石混合料的试模(6)，制得级配碎石试件；
c.通过级配碎石变形性能的二次近似评价试验装置反复冲击级配碎石试件，橡胶压头(5)对级配碎石试件所施加冲击力的大小控制在0.65MPa～0.75MPa，记录塑性变形量；
d.以变时间间隔的方式计算级配碎石试件塑性变形曲线的近似积分，根据橡胶压头(5)的冲击速度加权后作为级配碎石试件塑性变形性能指标PDI；
所述级配碎石试件塑性变形性能指标PDI的算式建立方法为：
d.1)构造关于时间间隔Δti的线性函数；
d.2)构造关于时间ti的数列，并将ti时间发生的塑性变形记为yi；
d.3)计算塑性变形曲线在各时间间隔Δti内的近似积分，并记为Si；
d.4)根据橡胶压头的冲击速度对近似积分Si进行加权，得到塑性变形性能指标PDI。
2.根据权利要求1所述的级配碎石塑性变形性能的线性近似试验装置的线性近似评价方法，其特征在于，所述级配碎石试件塑性变形性能指标PDI具体按照以下步骤进行计算：
d.1)构造关于时间间隔Δti的线性函数：
Figure FDA0002521192150000021
d.2)构造关于时间ti的数列，并将ti时间发生的塑性变形记为yi：
Figure FDA0002521192150000022
d.3)计算塑性变形曲线在各时间间隔Δti内的近似积分，并记为Si：
Figure FDA0002521192150000023
d.4)根据橡胶压头的冲击速度对近似积分Si进行加权，得到塑性变形性能指标PDI：
Figure FDA0002521192150000024
所述塑性变形性能指标PDI的单位为次·mm。
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