CN109738312B - 模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置及其试验方法。本发明提出的装置位于恒温模型试验室中，由沥青道路模型、交通荷载施加装置、伺服油源、控制器组成。沥青道路模型包括面层、基层、底基层和垫层，为按照规范制备的标准试样，其中预先埋置了电热导线和光纤光栅传感器，交通荷载施加装置由作动器、交通荷载模拟箱以及反力框架组成，通过控制作动器和电机的运行可以控制输出多种交通荷载组合。本发明可以根据道路类型、交通指标和气候条件，研究各种工况条件下电热融冰式沥青道路的材料耐久度特性，试验现象易于观察，数据精度较高，弥补了国内在该领域研究中试验手段的空白。

Description

模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置及试验方法，属于道路工程技术领域。

背景技术

我国地域辽阔，北方的冬季常面临严重的冰雪问题，尤其是道路路面的冰雪堆积与清除问题一直困扰着各级交通管理部门，每年由于道路路面积雪结冰所造成的直接间接经济损失达到数亿元。世界各国长期以来均非常重视道路路面积雪结冰的处理问题，开展了大量的相关试验研究，探索出多种治理路面积雪结冰的技术方法。目前工程界普遍采用电热法解决这一问题，电热法一般通过埋设发热导线采用电热法向道路内部提供热量，以达到融雪化冰效果。然而，电热法直接向路面材料提供大量热量，路面材料在接受热量的同时还面临着交通荷载的重复循环施加，两种因素叠加作用，将造成路面材料耐久性问题。目前学术界和工程界对电热除冰法引发的道路路面材料耐久性问题尚缺乏足够的研究，理论研究仰赖于实验研究的充分开展，目前研究路面材料耐久度的试验装置尚不成熟。综上所述，亟需提出一种能够研究交通荷载作用下电热融冰路面材料耐久度特性的试验装置及其试验方法。

发明内容

本发明的目的在于针对交通荷载作用下电热融冰路面材料耐久度特性试验手段的缺乏，提供一种模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置及试验方法。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置，其特征在于：整个模型试验装置位于恒温模型实验室中，模型试验装置由沥青道路模型、交通荷载施加装置、伺服油源1、控制器30组成；

恒温模型实验室为实验平台提供封闭的室内空间，配备有低温设备与温度保持装置，可以保证模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置能够长时间处于0℃以下的低温试验条件中；

伺服油源1为向作动器2提供动力的机械装置，所述控制器30为整个装置的控制单元，伺服油源1、作动器2、电机7及传感器均与其直接相连，并受其控制；

沥青道路模型自上而下包括：道路模型面层上层21、道路模型面层中层22、道路模型面层下层23、道路模型基层24、道路模型底基层25和道路模型垫层26；其中，道路模型面层上层21采用AC-13沥青混合料，厚4㎝；道路模型面层中层22采用AC-20沥青混合料，厚6㎝；道路模型面层下层23采用AC-25沥青混合料，厚8㎝；道路模型基层24采用5％水泥稳定碎石，厚20～30㎝；道路模型底基层25采用4％水泥稳定碎石，厚20～30㎝；道路模型垫层26采用压实度90％以上的中沙，厚10～20㎝；所述沥青道路模型试件长度为100～150㎝，宽度为80～100㎝，高度为80～100㎝；

在道路模型基层24中部预先埋置“S”型纵向排布的加热导线27，在道路模型面层下层23中部预先埋置平行横向排布的光纤光栅应变传感器28，在道路模型面层上层21放置结冰探头，道路模型按照沥青路面铺设规范进行预制施工，养护脱模后放置在交通荷载施加装置下方；

所述加热导线27直接与控制器30相连，由控制器30控制其发热效率，所述光纤光栅应变传感器28与控制器30相连，由控制器30接收记录其监测应变信号；

所述交通荷载施加装置包括：作动器2、作动器伸缩杆3、压力传感器4、位移传感器5、循环荷载箱6、电机7、电机传动轮8、荷载滚轮传动轮9、荷载滚轮轴10、传动带11、荷载滚轮12、荷载滚轮支架13、框架柱14、框架梁15、循环荷载箱框架16、循环荷载箱承载板17、循环荷载箱面板18、电机支架19、轴承20；

框架柱14和框架梁15形成门型框架，作为交通荷载施加装置的反力支架；作动器2竖向安装于框架梁15的上部，作动器2的上端固定有位移传感器5，作动器2的作动器伸缩杆3穿过框架梁15，其下端与压力传感器4相连，压力传感器4固定在循环荷载箱承载板17上，循环荷载箱承载板17牢固固定在循环荷载箱6上方；循环荷载箱6为框架型箱体结构，其外部由多块循环荷载箱面板18安装在循环荷载箱框架16构成，循环荷载箱框架16是循环荷载箱6主要传力结构；电机支架19牢固吊装在循环荷载箱框架16上部框架的下方，电机7安装在电机支架19的底板上，电机7的转轴向下伸出，连接两个电机传动轮8；两根荷载滚轮轴10竖向安装在循环荷载箱框架16内的前后位置，两根荷载滚轮轴10的中部分别配置一个荷载滚轮传动轮9，两个荷载滚轮传动轮9分别通过传动带11与荷载滚轮传动轮9相连，电机7转动带动电机传动轮8高速转动，通过传动带11带动荷载滚轮传动轮9低速转动；两根荷载滚轮轴10的下端分别连接固定一个“Y”型的荷载滚轮支架13，每个荷载滚轮支架13的三个端部分别固定一个荷载滚轮12；两根荷载滚轮轴10通过固定在循环荷载箱框架16上对应位置的轴承20提供稳定的支撑；两组一共六个荷载滚轮12直接与沥青道路模型的上表面接触；

作动器2、压力传感器4、位移传感器5均直接与控制器30相连，控制器30控制作动器2的伸缩情况和施加轴力大小，电机7直接与控制器30相连，控制器30控制电机7的旋转速率，使得电机荷载滚轮12能够按照设定的竖向压力和旋转速率向沥青道路模型施加循环交通荷载；

所述的结冰探头29为EagleEye结冰探头，该结冰探头采用电磁谐振原理，由电磁振动线圈和解算器的交流放大器组成一个闭环振荡系统，当该系统达到稳定工作状态时会产生一个固定频率的输出信号，该信号会随着冰层厚度的变化而改变，所述结冰探头结冰厚度探测范围为0.3～7㎜，结冰厚度探测灵敏度(0.3±0.1)㎜，使用温度-40～70℃。

本发明的工作过程：

本装置利用恒温模型实验室模拟低温环境，通过加热导线(27)向道路模型供热，以模拟路面融化雪冰；通过操作控制器30，可以控制作动器2的伸缩情况和施加轴力大小，电机7直接与控制器30相连，控制器30控制电机7的旋转速率，使得电机荷载滚轮12能够按照设定的竖向压力和旋转速率向沥青道路模型施加循环交通荷载。

基于本发明提出试验装置的融冰路面结构耐久性试验方法，包括以下步骤：

①将沥青道路模型安置在交通荷载施加装置下方，在沥青道路模型上表面合适位置安装好结冰探头29，将加热导线27、光纤光栅应变传感器28与控制器30相连，控制作动器2的伸缩，保持荷载滚轮12与沥青道路模型表面不接触；

②开启低温设备与温度保持装置，调试各个传感器状态并清零数据；

③在沥青道路模型上泼一层水，控制温度使其表面覆盖上一层薄冰，保持控制温度不变，通过结冰探头29监测冰的覆盖情况；

④通过控制加热导线27向沥青道路模型提供热量，使道路模型表面的冰融化；

⑤控制作动器2使作动器伸缩杆3伸长，荷载滚轮12与沥青道路模型表面发生接触，随后增加作动器2输出的轴力，继而控制电机7转动，向沥青道路模型施加循环交通荷载；

⑥根据模拟的道路类型、交通指标和气候条件，制备不同的沥青道路模型，模拟不同的低温条件和加热速率，设置不同的竖向压力水平、电机转动速率和荷载施加时间，监测记录光纤光栅应变传感器28的应变数据。

⑦试验结束后，测量沥青道路模型的变形情况，配合光纤光栅应变传感器28记录的应变数据，分析沥青道路的耐久度特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明可以根据模拟的道路类型、交通指标和气候条件，制备不同的沥青道路模型，模拟不同的低温条件和加热速率，设置不同的竖向压力水平、电机转动速率和荷载施加时间，模拟各种不同的工况，同时试验现象易于观察，数据精度较高，弥补了国内在该领域研究中试验手段的空白。

附图说明

图1为本发明所述模拟交通荷载的融冰路面模型试验装置的示意图。

图2为本发明装置的主体结构正视图。

图3为本发明装置的循环荷载箱示意图。

图4为本发明装置的循环荷载箱传力机构示意图。

图5为本发明装置的路面模型示意图。

图6为本发明装置的加热导线布置俯视图。

图7为本发明装置的光纤光栅应变传感器布置俯视图。

图8为本发明装置的整体封装示意图。

附图标记说明

1为伺服油源，2为作动器，3为作动器伸缩杆，4为压力传感器，5为位移传感器，6为循环荷载箱，7为电机，8为电机传动轮，9为荷载滚轮传动轮，10为荷载滚轮轴，11为传动带，12为荷载滚轮，13为荷载滚轮支架，14为框架柱，15为框架梁，16为循环荷载箱框架，17为循环荷载箱承载板，18为循环荷载箱面板，19为电机支架，20为轴承，21为道路模型面层上层，22为道路模型面层中层，23为道路模型面层下层，24为道路模型基层，25为道路模型底基层，26为道路模型垫层，27为加热导线，28为光纤光栅应变传感器，29为结冰探头，30为控制器。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的模拟交通荷载的融冰路面模型试验装置及其试验方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。

本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。

本发明提供模拟交通荷载的融冰路面模型试验装置装置，如图1～图8所示，实施例的主要步骤如下：

第一步：试验设计。根据模拟的道路类型、交通指标和气候条件，制备下一组沥青道路模型，模拟不同的低温条件和加热速率，设置不同的竖向压力水平、电机转动速率和荷载施加时间，

第二步：制备沥青道路模型。道路模型面层上层21采用AC-13沥青混合料，厚4㎝；道路模型面层中层22采用AC-20沥青混合料，厚6㎝；道路模型面层下层23采用AC-25沥青混合料，厚8㎝；道路模型基层24采用5％水泥稳定碎石，厚30㎝；道路模型底基层25采用4％水泥稳定碎石，厚30㎝；道路模型垫层26采用压实度90％以上的中沙，厚20㎝；所述沥青道路模型试件长度为150㎝，宽度为100㎝，高度为100㎝；

在道路模型基层24中部预先埋置“S”型纵向排布的加热导线27，间距为10cm；在道路模型面层下层23中部预先埋置平行横向排布的光纤光栅应变传感器28，，间距为10cm；在道路模型面层上层21放置结冰探头29，道路模型按照沥青路面铺设规范进行预制施工，养护脱模后放置在交通荷载施加装置下方；

将加热导线27、光纤光栅应变传感器28、结冰探头29与控制器30相连，控制作动器2的伸缩，保持荷载滚轮12与沥青道路模型表面不接触。

第三步：开展试验。开启低温设备与温度保持装置，调试各个传感器状态并清零数据；

在沥青道路模型上泼一层水，控制温度使其表面覆盖上一层薄冰，保持控制温度不变，通过结冰探头29监测冰的覆盖情况；

通过控制加热导线27向沥青道路模型提供热量，使道路模型表面的冰融化；

控制作动器2使作动器伸缩杆3伸长，荷载滚轮12与沥青道路模型表面发生接触，随后增加作动器2输出的轴力，使输出轴力保持在60kN，继而控制电机7转动，使荷载滚轮12输出旋转角速度为0.6rad/s，向沥青道路模型施加循环交通荷载；试验过程中通过控制器30监测记录光纤光栅应变传感器28的应变数据。

第四步：试验结果分析。试验结束后，测量沥青道路模型的变形情况，配合光纤光栅应变传感器28记录的应变数据，分析沥青道路的耐久度特性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

①将沥青道路模型安置在交通荷载施加装置下方，在沥青道路模型上表面合适位置安装好结冰探头(29)，将加热导线(27)、光纤光栅应变传感器(28)与控制器(30)相连，控制作动器(2)的伸缩，保持荷载滚轮(12)与沥青道路模型表面不接触；

②开启低温设备与温度保持装置，调试各个传感器状态并清零数据；

③在沥青道路模型上泼一层水，控制温度使其表面覆盖上一层薄冰，保持控制温度不变，通过结冰探头(29)监测冰的覆盖情况；

④通过控制加热导线(27)向沥青道路模型提供热量，使道路模型表面的冰融化；

⑤控制作动器(2)使作动器伸缩杆(3)伸长，荷载滚轮(12)与沥青道路模型表面发生接触，随后增加作动器(2)输出的轴力，继而控制电机(7)转动，向沥青道路模型施加循环交通荷载；

⑥根据模拟的道路类型、交通指标和气候条件，制备不同的沥青道路模型，模拟不同的低温条件和加热速率，设置不同的竖向压力水平、电机转动速率和荷载施加时间，监测记录光纤光栅应变传感器(28)的应变数据；

⑦试验结束后，测量沥青道路模型的变形情况，配合光纤光栅应变传感器(28)记录的应变数据，分析沥青道路的耐久度特性；

模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置，其特征在于：整个模型试验装置位于恒温模型实验室中，模型试验装置由沥青道路模型、交通荷载施加装置、伺服油源(1)、控制器(30)组成；

所述的恒温模型实验室为实验平台提供封闭的室内空间，配备有低温设备与温度保持装置，可以保证模拟交通荷载的道路融冰模型试验装置能够长时间处于0℃以下的低温试验条件中；

所述伺服油源(1)为向作动器(2)提供动力的机械装置，所述控制器(30)为整个装置的控制单元，伺服油源(1)、作动器(2)、电机(7)及传感器均与其直接相连，并受其控制；

所述的沥青道路模型自上而下包括：道路模型面层上层(21)、道路模型面层中层(22)、道路模型面层下层(23)、道路模型基层(24)、道路模型底基层(25)和道路模型垫层(26)，在道路模型基层(24)中部预先埋置“S”型纵向排布的加热导线(27)，在道路模型面层下层(23)中部预先埋置平行横向排布的光纤光栅应变传感器(28)，在道路模型面层上层(21)放置结冰探头，所述道路模型按照沥青路面铺设规范进行预制施工，养护脱模后放置在交通荷载施加装置下方；

所述加热导线(27)直接与控制器(30)相连，由控制器(30)控制其发热效率，所述光纤光栅应变传感器(28)与控制器(30)相连，由控制器(30)接收记录其监测应变信号；

所述交通荷载施加装置包括：作动器(2)、作动器伸缩杆(3)、压力传感器(4)、位移传感器(5)、循环荷载箱(6)、电机(7)、电机传动轮(8)、荷载滚轮传动轮(9)、荷载滚轮轴(10)、传动带(11)、荷载滚轮(12)、荷载滚轮支架(13)、框架柱(14)、框架梁(15)、循环荷载箱框架(16)、循环荷载箱承载板(17)、循环荷载箱面板(18)、电机支架(19)、轴承(20)；

框架柱(14)和框架梁(15)形成门型框架，作为交通荷载施加装置的反力支架；作动器(2)竖向安装于框架梁(15)的上部，作动器(2)的上端固定有位移传感器(5)，作动器(2)的作动器伸缩杆(3)穿过框架梁(15)，其下端与压力传感器(4)相连，压力传感器(4)固定在循环荷载箱承载板(17)上，循环荷载箱承载板(17)牢固固定在循环荷载箱(6)上方；循环荷载箱(6)为框架型箱体结构，其外部由多块循环荷载箱面板(18)安装在循环荷载箱框架(16)构成，循环荷载箱框架(16)是循环荷载箱(6)主要传力结构；电机支架(19)牢固吊装在循环荷载箱框架(16)上部框架的下方，电机(7)安装在电机支架(19)的底板上，电机(7)的转轴向下伸出，连接两个电机传动轮(8)；两根荷载滚轮轴(10)竖向安装在循环荷载箱框架(16)内的前后位置，两根荷载滚轮轴(10)的中部分别配置一个荷载滚轮传动轮(9)，两个荷载滚轮传动轮(9)分别通过传动带(11)与荷载滚轮传动轮(9)相连，电机(7)转动带动电机传动轮(8)高速转动，通过传动带(11)带动荷载滚轮传动轮(9)低速转动；两根荷载滚轮轴(10)的下端分别连接固定一个“Y”型的荷载滚轮支架(13)，每个荷载滚轮支架(13)的三个端部分别固定一个荷载滚轮(12)；两根荷载滚轮轴(10)通过固定在循环荷载箱框架(16)上对应位置的轴承(20)提供稳定的支撑；两组一共六个荷载滚轮(12)直接与沥青道路模型的上表面接触；

作动器(2)、压力传感器(4)、位移传感器(5)均直接与控制器(30)相连，控制器(30)控制作动器(2)的伸缩情况和施加轴力大小，电机(7)直接与控制器(30)相连，控制器(30)控制电机(7)的旋转速率，使得电机荷载滚轮(12)能够按照设定的竖向压力和旋转速率向沥青道路模型施加循环交通荷载。

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