CN110082213B - 模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试方法及装置，在测试装置的模型箱内分层填筑非饱和道基土体和道面材料，在各层土体中分别设置测试道基性能所需参数的监测设备，在模型箱的顶部设置加载装置。从模型箱侧壁的注水孔给道基土体的中间夹层多次注入水来改变其含水量，针对不同含水量通过加载装置的荷载施加设备施加荷载，监测不同含水量及施加荷载情形下的道基性能变化。相当于以机场道基道面工程为依托，通过测试装置结合监测设备来反复模拟测试不同飞机荷载作用下道基土体变形破坏机理，提出的无损探测方法能及时发现道基潜在灾害，减少道基灾害引起的道面损伤，保证飞机适航性，为类似机场工程提供强参考意义的技术依据。
Description
技术领域
本发明属于岩土试验仪器领域，具体涉及一种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试方法及装置。
背景技术
机场道基作为飞机荷载的主要承载部分，在机场综合运输系统中起着至关重要的作用。一方面，飞机荷载长期作用引起道基内附加应力，导致土体变形；另一方面，道面板覆盖阻隔了道基与大气间的水分运移，引起道面板下一定范围水分集中，弱化道基土体力学性质，降低道基土体强度；在飞机荷载和水分聚集作用下，道基土体发生不均匀沉降，此类道基灾害严重影响飞机适航性。
飞机荷载作用下道基灾害隐蔽性强，飞机运营密集程度高，维修窗口期短，因而及时发现道基潜在灾害，采取有效措施进行预防和治理，对机场后期运营与维护起着关键作用。但目前未有相关手段对机场非饱和道基的性能及运营期的隐蔽灾害进行有效评估和探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可反复模拟测试不同飞机类型在道面上起降时的道基性能变化，可为机场道基病害探测提供具有很强参考意义和技术指导的测试方法和装置。
本发明提供的这种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试方法，本方法设置模型箱，在模型箱内填筑可真实模拟机场工程的道基土体和道面材料，将道基土体分层填筑，顶层和底层道基土体之间设置中间夹层，在各层土体中设置监测设备，在模型箱顶部设置加载设备，改变中间夹层的含水量，通过加载设备模拟不同飞机类型荷载给道面施加不同的动静荷载，通过监测设备自动监测道基的性能变化。
本发明提供的这种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试装置，包括模型箱和加载装置，模型箱为上开口的箱体，用于分层填筑非饱和道基土体和道面材料，模型箱侧壁的中部有注水孔；加载装置有两套，每套加载装置分别包括支撑架和荷载施加设备，两支撑架平行布置，两荷载施加设备分别固定于支撑架底面，支撑架的两端分别固定于模型箱开口面两侧的支撑板上，通过荷载施加设备提供分层道基土体压实荷载及施加道面荷载。
上述技术方案的一种实施方式中，所述模型箱为长方体形箱体，包括安装骨架及固定于其上的侧板和底板，侧板的中部安装有可视化有机玻璃板，侧板和有机玻璃的外侧均设置有加强肋。
上述技术方案的一种实施方式中，所述模型箱采用侧板模块和底板模块的拼装式结构，侧板模块包括侧板、可视化有机玻璃板及其安装骨架和加强肋，底板模块包括底板及其安装骨架和加强肋；侧板模块和底板模块拼装后进行防渗漏处理。
上述技术方案的一种实施方式中，所述注水孔处连接有内螺纹套管，内螺纹套管配套有止水螺栓。
上述技术方案的一种实施方式中，所述支撑板有两块，其下侧有加强梁，对称固定于模型箱一对侧板模块安装骨架的顶部。
上述技术方案的一种实施方式中，所述荷载施加设备包括静荷载施加设备气缸或者油缸或者电动推杆或者液压千斤顶，还包括动荷载施加设备GDS激振器。
本发明提供的这种利用上述测试装置模拟测试机场非饱和道基动、静荷载下性能变化的方法，装置需配套监测设备多点位移计、微型土压力计、TDR探针、张力计和微型透地雷达，包括以下步骤：
一、静荷载条件下的道面性能测试
(1)制作满足试验要求的模型箱，准备试验所需的道基土体和道面材料，给荷载施加设备配置加载板；
(2)将设定厚度对应的底层道基土体装入模型箱中，在土体中设置多个微型土压力计和多点位移计，将土体表面整平后铺上压实板；
(3)通过静荷载施加设备给压实板加载将底层土体压实后移走压实板；
(4)在底层压实土体表面铺设防水膜，从注水孔处插入注水导管，往模型箱内装入设定厚度对应的中间夹层道基土体，在土体中分别均布多个微型土压力计、多点位移计、TDR探针和张力计，将土体表面整平后铺上压实板，重复步骤(3)的操作后铺设防水薄膜；
(5)将设定厚度对应的顶层道基土体装入模型箱中，在土体中设置多个微型土压力计和多点位移计，将土体表面整平后铺上压实板，重复步骤(3)后铺设道面材料并养护至道面结构成型；
(6)将各土层中设置的监测设备的数据线接入动静态分析系统，对数据采集装置进行调试，确保各监测设备处于正常状态；
(7)根据选定的飞机类型对应的两主起落架荷载作用点之间的间距和几何相似比在模型箱顶部安装固定两加载装置的支撑架；
(8)根据设定的不同含水量，逐次往中间夹层土体中注水，每次注水在TDR探针的读数达到相应设定的含水量时停止，每次注水结束后使荷载施加设备通过加载板给道面分级加载至设定的静荷载并记录各监测设备反映的测试数据。
(9)卸去加载装置，使用微型透地雷达在道面的表面进行无损探测，收集波形；
(10)移去微型透地雷达，选定另一飞机类型，重新安装加载装置，根据几何相似比和该飞机类型两主起落架荷载作用点之间的间距调整两支撑架之间的间距，重复步骤(8)和(9)。
二、动荷载条件下的道面性能测试
(11)将荷载施加设备更换成动荷载施加设备，重复步骤(8)-(10)。
三、分析
依据每次加载时各监测设备反映的测试数据绘制荷载-位移曲线、荷载-土压曲线、荷载-含水量变化曲线、荷载-基质吸力变化曲线，根据曲线分析机场非饱和道基性能演化规律；同时根据微型透地雷达测得的波形图分析道基积水区分布以及道基隐蔽灾害，将波形图上显示的道基积水区与TDR探针实测含水量分布进行对比，验证该方法的可行性，为机场非饱和道基长期服役性能感知与灾害防治措施制定提供技术依据。
本发明首先提出了一种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试方法，在该方法的指导下提出了相应的测试装置，还提出了利用该装置配合监测设备如何进行模拟试验的方法。在测试装置的模型箱内分层填筑非饱和道基土体和道面材料，道基土体和道面材料可保持与机场工程建设时的实际一致，在各层土体中分别设置测试道基性能所需参数的监测设备，在模型箱的顶部设置加载装置。通过模型箱侧壁的注水孔给道基土体的中间夹层多次注入水来改变其含水量，针对不同含水量通过加载装置的荷载施加设备施加荷载，监测不同含水量及施加荷载情形下的道基性能变化，有效揭示道基隐蔽灾害，相当于以实际机场工程为研究背景，测试结果能较好的用于机场道基灾害防治工程中。道基土体的压实通过荷载施加设备进行，能保证达到要求的压实度。在进行加载试验时，通过预设的监测设备自动反映各层道基土体的性能变化至数据采集仪，尤其是首次采用微型透地雷达来进行道基灾害检测及积水区分布探测。经过对数据采集仪采集的各向数据进行分析，绘制出反映道基性能变化的各种变化曲线，根据曲线分析机场非饱和道基性能演化规律。同时根据透地雷达测得的波形图分析道基积水区分布以及道基隐蔽灾害，运用TDR探针测试的含水量分布对比验证该方法的可行性，为机场非饱和道基长期服役性能感知与灾害防治措施制定提供技术依据。本发明以机场道基道面工程为依托，通过测试装置结合监测设备可反复模拟测试不同飞机荷载作用下道基土体变形破坏机理，提出的无损探测方法能够及时发现道基潜在灾害，减少由于道基灾害引起的道面损伤，保证飞机适航性，研究成果可为类似机场工程提供很强参考意义的技术依据。
附图说明
图1为本发明中测试装置一个实施例的结构示意图。
图2为图1中加载装置的放大结构示意图。
具体实施方式
从图1可以看出，本实施例公开的这种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试装置，包括模型箱1和固定于其上端的加载装置2。
为了便于制作及装配，本实施例的模型箱1采用图1所示的方形结构箱体，由侧板模块11和底板模块12围成。
侧板模块11包括方钢骨架和固定于其内侧的侧板。侧板包括中间位置的可视化玻璃板111和其周围的钢板，由于可视化玻璃板的强度低于钢板，需要进一步加强，所以方钢骨架在可视化玻璃板外的对应区域设置独立的小模块，该处方钢布置采用井字形，以保证可视化玻璃板的受力性能。
四个侧板模块11的拼接处通过紧固件固定。从图1可以看出，本实施例将左右侧板模块的侧板两侧伸出于其侧缘的方钢外，通过伸出部分与前后侧板模块的侧缘方钢之间通过螺栓连接紧固。制作时四个侧板模块可同时独立制作，其中两侧板模块的方钢骨架上端还需设置用于安装加载装置的支撑板112，从图1可以看出，支撑板112的下侧设置有加强方钢。为了使加载装置的安装位置可调整，在支撑板112上设置有沿其长度方向的两排圆孔。
底板模块12包括方钢骨架及固定于其顶面的底板。
具体拼装时，依次将相邻的侧板模块11置于底板模块12上后通过螺栓连接紧固。
模型箱1拼装好后，需在拼接处涂抹泡沫胶密封，在箱体内壁内部铺设塑料布防渗漏，但在对应可视化玻璃板111处将塑料布裁掉。
加载装置2有两套，每套分别包括支撑架和荷载施加设备。荷载施加设备包括静荷载施加设备和动荷载施加设备。
本实施例的静荷载施加设备采用液压千斤顶21，动荷载施加设备采用GDS激振器，图1所示为液压千斤顶。支撑架采用反力架22。
如图2所示，液压千斤顶21固定于反力架22的长度方向中心面上。反力架22两端的安装板上设置与支撑板112上圆孔相应的长圆孔，以便反力架22安装固定时微调位置。液压千斤顶需配置多块加载板，根据机场道面设计规范中不同飞机类型轮印尺寸计算方法和几何相似比确定各加载板的尺寸。
当然也可在支撑板上沿长度方向开设条形槽，在支撑架两端的安装板上开设长圆孔，在长圆孔中配套螺栓及紧固螺母及垫片。支撑架调整位置时，螺栓沿支撑板上的条形槽滑行至合适位置，然后动过紧固螺母将垫片压紧于支撑板上。
模型箱拼装好进行防渗漏处理后先往其内分三次往其内装入准备好的道基土体，三层土体压实至设定厚度后，底层和顶层的厚度相同，中间夹层的厚度较小。中间夹层土体与底层土体和顶层土体之间均铺设一层防水薄膜。
道基土体装入模型箱中时，需在各层土体中设置监测设备，具体如下：底层土体中分别均布多个微型压力计和多点位移计；中间夹层需在下层防水薄膜上均布多个微型土压力计、多点位移计、TDR探针和张力计；顶层土体中分别均布多个微型土压力计和多点位移计。
进行性能测试时，需往中间夹层土体中注入水，通过中间夹层模拟机场道基水分聚集层，测试不同含水量条件下道基土体性能变化，所以在侧板模块制作时，需在中间夹层对应的高度加工孔，且在孔中焊接内螺纹套管，同时给内螺纹套管配套止水螺栓。内螺纹套管的数量及方位根据实际需要确定。道基土体加水时，将止水螺栓拧入内螺纹套管中。
每层土体需进行均匀压实至设定厚度。土体装入时需倒料均匀，且最后将土体表面整平，整平后铺上尺寸略小于箱体内腔尺寸的压实板，然后将加载装置置于模型箱的顶部，通过其荷载施加设备给压实板加载，压实完成后移走加载装置和压实板，再进行上一层土体的装入并压实。
三层道基土体压实完成后铺设道面材料并使道面材料养护成道面结构。
接下来就可进行道基性能测试了。首先要确定该机场各种飞机类型两主起落架荷载作用点之间的距离，试验时通过选定的几何相似比，分别使两套加载装置的荷载加载设备之间的距离与主起落架荷载作用点之间的距离对应。
下面以模型箱尺寸为2000mm×2000mm×1900mm为例来详细说明利用本测试装置对机场非饱和道基性能及灾害测试的具体步骤。
确定模型箱内各层道基土体的厚度分别为：底层和顶层650mm，中间夹层300mm，道面材料200mm。
一、静荷载条件下的道基性能测试
(1)准备试验所需的道基土体和道面材料，道基土体和道面材料与机场道基道面实际工程保持一致，本实施例采用山皮石材料作为道面材料；
(2)往模型箱中装入底层道基土体，底层道基土体分三次装填，每次填入土体后将土体表面整平并铺上压实板；第一次将底层土体压实至200mm后移走压实板，在土体表面分别均布5个YT-200G型应变式微型土压力计和5个BFDWJ型振弦式多点位移计；第二次将底层土体压实至400mm后移走压实板，在土体表面分别均布5个YT-200G型应变式微型土压力计和5个BFDWJ型振弦式多点位移计；第三次将底层土体压实至650mm后移走压实板，两层监测设备竖向位置分别对应；
(3)压实时通过液压千斤顶给压实板加载将土体压实至设定厚度后移走压实板，加载时在液压千斤顶顶杆的下方设置垫块；
(4)在底层压实土体表面铺设下层防水薄膜，检查每个内螺纹管都拧有止水螺栓。往模型箱内装入中间夹层道基土体，分两次装填，中间土体压实至150mm处分别均布5个YT-200G型应变式微型土压力计、BFDWJ型振弦式多点位移计、CS605型TDR探针和Tensio 140微型张力计，将土体表面整平后铺上压实板，重复步骤(3)将中间夹层压实至300mm，最后铺设上层防水薄膜；
(5)往模型箱中装入顶层道基土体，并将土体表面整平后铺上压实板，顶层土体分三次装填，在顶层土体压实厚度为200mm、400mm处分别均布5个YT-200G型应变式微型土压力计和5个BFDWJ型振弦式多点位移计，两层监测设备竖向位置分别和底层土体监测设备对应，顶层土体压实至650mm后移走压实板，最后铺设道面材料厚度200mm并养护至道面结构成型；
(6)将各土层中设置的监测设备的数据线接入DM-YB1820型动静态测试分析系统，测试分析系统由数据采集仪和其自带数据记录软件组成，将数据记录软件安装于电脑中，将数据采集仪和数据记录软件连接，设置数据采样频率为100Hz，调试测试分析系统，确保数据记录软件能够采集到测试数据；
(7)根据选定的飞机类型对应的两主起落架荷载作用点之间的间距和几何相似比在模型箱顶部安装固定两加载装置的反力架，通过螺栓紧固；
(8)根据设定的不同含水量(分别为20％、40％、60％、80％、100％)，逐次往中间夹层土体中注水，每次注水在CS605型TDR探针的读数达到相应设定的含水量时停止，试验采用分级加载方式，每次注水结束后使液压千斤顶的顶杆通过加载板给道面分级加载至设定的静荷载，不同类型飞机的静荷载通过道面设计规范确定，记录各监测设备反映的测试数据。
(9)卸去加载装置，使用SIR-3000便携式透地雷达在道面的表面进行无损探测，收集波形；
(10)移去SIR-3000便携式透地雷达，选定另一飞机类型，重新安装加载装置，将根据该飞机类型主起落架荷载作用点之间的间距和几何相似比调整两反力架之间的间距，重复步骤(8)和(9)。
二、动荷载条件下的道基性能测试
动荷载条件下的试验只需将荷载施加设备更换成动荷载施加设备，本实施例采用GDS激振器作为动荷载施加设备，重复步骤(8)-(10)即可。
三、分析
依据每次加载时各监测设备反映的测试数据绘制荷载-位移曲线、荷载-含水量变化曲线、荷载-基质吸力变化曲线、荷载-土压曲线，根据曲线分析机场非饱和道基性能演化规律；依据荷载-位移曲线分析得出道基土体不同位置处土体沉降随时间、荷载变化规律，找出道基土体中不均匀沉降分布区域，在实际机场工程中采取增加填料压实度、不均匀填料等道基处治措施；依据荷载-含水量变化曲线分析得出飞机荷载作用下道基土体水分偏移规律，找出道基土体积水区，在实际工程对应位置处增加填料透水性，减小道基积水发生概率；依据荷载-基质吸力曲线得出飞机荷载作用下道基土体不同位置处饱和度变化规律，非饱和道基土体抗剪强度受饱和度和基质吸力影响较大，找出飞机荷载作用下道基土体中抗剪强度变化敏感区，同时得出非饱和道基土体抗剪强度变化规律；依据荷载-土压曲线分析得出非饱和道基土压分布规律，找出道基塑性区分布以及应力集中区；根据微型透地雷达测得的波形图分析道基积水区分布以及道基隐蔽灾害，运用TDR探针测试的含水量分布对比验证该方法的可行性，为机场非饱和道基长期服役性能感知与灾害防治措施制定提供技术依据。
本发明通过在道基中设置道基潜在灾害夹层揭示对道基性能影响，通过荷载施加设备模拟不同类型飞机对道基的荷载作用，将测试的监测设备设于道基内部，包括用于测试动静荷载条件下道基积水区分布以及隐蔽灾害的微型透地雷达、测试动静荷载条件下非饱和道基土压力变化规律的微型土压力计、测试动静荷载条件下道基土体变形规律的多点位移计、测试动静荷载条件下道基土体含水量变化的时域反射仪(TDR)探针和测试动静荷载条件下非饱和道基土体基质吸力变化的张力计。将这些监测设备的数据线接入动静态分析系统即可自动收集测试数据，再对测试数据进行分析即可得出道基发生的性能变化及隐蔽灾害。试验完全贴近实际机场工程，具有高精度和操作简便的优点；本发明提出的测试装置能够充分揭示道基性能变化机理，所得结论能够直接运用于机场道基维护治理工程中，同时弥补了机场道基隐蔽灾害测试技术的空缺。
Claims (6)
1.一种模拟机场非饱和道基在动静荷载下的性能测试方法，本方法设置模型箱，在模型箱内填筑可真实模拟机场道基的道基土体和道面材料，将道基土体分层填筑，顶层和底层道基土体之间设置中间夹层，在各层土体中设置监测设备，在模型箱顶部设置加载设备，改变中间夹层的含水量、积水夹层的厚度以及积水夹层与道基顶面的距离，通过加载设备模拟不同飞机类型荷载给道面施加不同的动静荷载，通过监测设备自动监测道基的性能变化；
模型箱为上开口的箱体，用于分层填筑非饱和道基土体和道面材料，模型箱侧壁的中部有注水孔；
加载装置有两套，每套加载装置分别包括支撑架和荷载施加设备，两支撑架平行布置，两荷载施加设备分别固定于支撑架底面，支撑架的两端分别固定于模型箱开口面两侧的支撑板上，通过荷载施加设备提供分层道基土体压实荷载及施加道面荷载；
试验装置需配套监测设备多点位移计、微型土压力计、TDR探针、张力计和微型透地雷达，包括以下步骤：
一、静荷载条件下的道基性能测试
（1）制作满足试验要求的模型箱，准备试验所需的道基土体和道面材料，给荷载施加设备配置加载板；
（2）将设定厚度对应的底层道基土体装入模型箱中，在土体中设置多个微型土压力计和多点位移计，将土体表面整平后铺上压实板；
（3）通过静荷载施加设备给压实板加载将底层土体压实后移走压实板；
（4）在底层压实土体表面铺设防水膜，从注水孔处插入注水导管，往模型箱内装入设定厚度对应的中间夹层道基土体，在土体中分别均布多个微型土压力计、多点位移计、TDR探针和张力计，将土体表面整平后铺上压实板，重复步骤（3）的操作后铺设防水薄膜；
（5）将设定厚度对应的顶层道基土体装入模型箱中，在土体中设置多个微型土压力计和多点位移计，将土体表面整平后铺上压实板，重复步骤（3）后铺设道面材料并养护至道面结构成型；
（6）将各土层中设置的监测设备的数据线接入动静态测试分析系统，对数据采集装置进行调试，确保各监测设备处于正常状态；
（7）确定几何相似比，根据几何相似比和选定的飞机类型对应的两主起落架荷载作用点之间的间距在模型箱顶部安装固定两加载装置的支撑架；
（8）根据设定的不同含水量，逐次往中间夹层土体中注水，每次注水在TDR探针的读数达到相应设定的含水量时停止，每次注水结束后使荷载施加设备通过加载板给道面分级加载至设定的静荷载并记录各监测设备反映的测试数据；
（9）根据设定的不同积水夹层厚度、积水夹层与道基顶面的距离，分别进行不同工况下的道基加载试验；
（10）卸去加载装置，使用微型透地雷达在道面的表面进行无损探测，收集波形；
（11）移去微型探测雷达，选定另一飞机类型，重新安装加载装置，根据几何相似比和该飞机类型两主起落架荷载作用点之间的间距调整两支撑架之间的间距，重复步骤（8）、（9）和（10）；
二、动荷载条件下的道基性能测试
（12）将荷载施加设备更换成动荷载施加设备，重复步骤（8）-（11）；
三、分析
依据每次加载时各监测设备反映的测试数据绘制荷载-位移曲线、荷载-土压曲线、荷载-含水量变化曲线、荷载-基质吸力变化曲线，根据曲线分析机场非饱和道基性能演化规律；同时根据微型透地雷达测得的波形图分析道基积水区分布以及道基隐蔽灾害，将波形图上显示的道基积水区与TDR探针实测含水量分布进行对比，验证该方法的可行性，为机场非饱和道基长期服役性能感知与灾害防治措施制定提供技术依据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述模型箱为长方体形箱体，其侧板的中部安装有可观察道基土体沉降的可视化有机玻璃板。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述模型箱采用侧板模块和底板模块的拼装式结构，侧板模块包括安装骨架及固定于其内侧的侧板，底板模块包括安装骨架及固定于其顶面的底板，侧板模块和底板模块拼装后进行防渗漏处理。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述注水孔处连接有内螺纹套管，内螺纹套管配套有止水螺栓。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述支撑板有两块，其下侧有加强梁，对称固定于模型箱一对侧板模块安装骨架的顶部。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述荷载施加设备包括静荷载施加设备气缸或者油缸或者电动推杆或者液压千斤顶，还包括动荷载施加设备激振器。
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