CN110108601A - 一种3d分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置及方法 - Google Patents

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张靖霖
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Abstract

本发明公开了一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法及装置，首先根据试验模拟的需求，制作一定体积的模型试槽；而后，通过筛分试验，将一定级配的集料按照粒径大小的不同进行分级，将需要重点观察分析的某一粒径区间内的颗粒的表面镀上一层极薄的金属膜，或者密度明显区别于集料的其他物质；之后，将各粒径集料再次混合，填入试槽中，通过振动力的输入将级配碎石压实，通过X光扫描仪实时扫描监测被标记集料的流动状态。本发明通过运用安检仪的原理，能够观察某些重要粒径区间内。

Description

一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置及方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置及方法。
背景技术
振动压实是目前工程中最为常用的提高道路各层材料密实度的方法，目前对于振动压实过程的理论，主要有以下三种：
（1）共振学说。由于振动压实输出的是具有一定振动频率的激振力，因此，当振动频率与被压实材料的固有频率接近时，发生共振，颗粒重排，从而变得更为密实；
（2）反复荷载学说。其主要说明被压材料在周期性压缩运动作用下，受到振动所产生的反复荷载作用而达到压实的目的；
（3）交变剪应变学说。该理论认为，根据土力学理论，由振动作用产生的交变剪应力使土壤发生剪切变形，从而导致颗粒重排，密实度提高；
（4）内部摩擦减小学说。该学说认为，振动荷载作用产生的冲击波能够沿着被压材料的纵深方向不断传播扩散，是被压实材料颗粒的静摩擦力变为动摩擦力，因此发生运动，重排。此时，运动状态下的颗粒之间的内摩擦力急剧减小，压实变得更为容易。
目前，大部分认为以上理论观点之间是相互联系、互有补充的，各独立理论都有一定局限性。例如，共振学说中被压实材料的固有频率在压实过程中是不断变化的，因此这一状态只能存在与振动频率不断相应变化的工况下；反复荷载学说在低频率的荷载作用下才会具有意义。
通过传统的分析，可以得出，在被压实过程中，颗粒的受力状态主要为粘结力、摩擦力、颗粒自身重力、振动作用产生的惯性力以及上部颗粒的作用。颗粒发生运动的条件是自身重力以及外力（惯性力和上部颗粒作用）的组合能够克服颗粒间的粘结力和摩擦力。因此，大颗粒具有更大的惯性力，会首先脱离相邻颗粒而向下运动；颗粒之间粒径差别很大的，粘结力较小，也容易发生相对运动。但以上理论观点却并未有很好的试验进行证明，各学说都尚需进一步的研究探讨。
发明内容
本发明目的是提供一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置及方法，用于观测分析关键粒径的集料在振动压实状态下的流动路径，与离散元软件的模拟分析结果进行对比，为模拟的可靠性提供试验验证方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置，包括铅房，在所述的铅房的左右以及上下侧壁上采用铅帘板，在铅房的前后侧壁上设置有铅帘，在所述的左右侧壁上的铅帘板上还设置有X光扫描仪，X光扫描仪分为发射端和接收端，分别在于左右侧壁上的铅帘板上，所述的X光扫描仪与计算机相连接；在铅房的内部设置有支架，所述的支架上设置有传送带，在所述的传送带上设置有填筑试验料的试验槽，在所述的试验槽上方还设置有振压装置。
本发明还公开了一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照试验模拟需求或振动影响范围的计算，制作内合适的试槽，用于填筑试验所用混合料；
步骤2：通过筛分试验，将不同粒径区间的集料筛分；
步骤3：使用镀金属薄膜或者其他涂料标记需要重点观察的一种或者多种粒径区间内的颗粒；
步骤4：将集料重新混合，并置于搅拌仪内搅拌均匀，而后填筑于试槽内，并进行振动压实；
步骤5：利用X光扫描仪，观测被标记的集料的流动状态，监测的输出结果为连续的动态画面或是关键帧的画面集，能够动态观测被标记材料在振动压实状态下位置的变化，与软件模拟结果进行对比分析。
作为本发明的一种优选，对于镀上金属薄膜，采用电镀的方法，先将其表面进行处理，再使用电镀镀上金属铜或者镍；
作为本发明的一种优选，对于涂料标记，可将被标记的涂料放置在常用的大过滤勺内，勺上的钢丝网可让涂料流过，却不会让集料掉落，当涂料密布在集料表面后，静置滤干至少24h，使得多余的涂料流出，附着在集料表面的涂料能够凝固硬化。
作为本发明的一种优选，步骤3所述的金属薄膜或者涂料，是与集料密度差别明显的材料，其质量相对于被标记集料的质量而言，忽略，由于该步骤造成的集料尺寸的扩大量忽略不计。
有益效果：
本发明引入X光扫描技术，将需要被标记的集料颗粒表面镀上金属膜，或者密度与集料有较大差别的涂料，在X光扫描后，便能够清晰成像，以此可以观测在振动作用下，该集料颗粒的运动状态特点。
基于可视化监测的基础上，通过试验，可以观察集料颗粒在不同时间下状态的改变，总结颗粒重排流动的规律，判断各种学说的适用性，以及分析在各个阶段颗粒流动重排的主要影响因素，为振动压实理论做进一步完善。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置内部结构示意图。
图3为本发明的模拟的监测画面。
具体实施方法
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1到图2所述的一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置，包括铅房，在所述的铅房的左右以及上下侧壁上采用铅帘板1，在铅房的前后侧壁上设置有铅帘4，在所述的左右侧壁上的铅帘板1上还设置有X光扫描仪，X光扫描仪分为发射端2和接收端7，分别在于左右侧壁上的铅帘板1上。所述的X光扫描仪与计算机相连接；在铅房的内部设置有支架6，所述的支架6上设置有传送带5，在所述的传送带5上设置有填筑试验料的试验槽9，在所述的试验槽上方还设置有振压装置。
本发明还公开了一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法，包括如下步骤：
步骤1：按照试验模拟需求或振动影响范围的计算，制作内体积尺寸为a(mm)*b(mm)*c(mm)的试槽，用于填筑试验所用混合料。其中a、b分别为试槽的长和宽，c为试槽的高度；
步骤2：通过筛分试验，将不同粒径区间的集料筛分；
步骤3：使用镀金属薄膜或者其他涂料标记需要重点观察的一种或者多种粒径区间内的颗粒。对于镀上金属薄膜，可采用电镀的方法，先将其表面进行处理，使其具有良好的表面状态和导电性，再使用电镀镀上金属铜或者镍；对于涂料标记，可将被标记的涂料放置在常用的大过滤勺内，勺上的钢丝网可让涂料流过，却不会让集料掉落。当涂料密布在集料表面后，应静置滤干至少24h，使得多余的涂料流出，附着在集料表面的涂料能够凝固硬化。
步骤4：将集料重新混合，并置于搅拌仪内搅拌均匀，而后填筑于试槽内，并进行振动压实；
步骤5：利用X光扫描仪，观测被标记的集料的流动状态。X光扫描仪分为发射端和接收端，分别在于试验槽的长边两侧，试验槽四周应用铅帘密布，放置X光漏出对测试结果及人体造成影响。（见图1、图2）监测的输出结果应为连续的动态画面或是关键帧的画面集，能够动态观测被标记材料在振动压实状态下位置的变化，与软件模拟结果进行对比分析。
下面，将以某一级配的级配碎石为例，介绍本发明的实施过程。
该实施例需要的仪器和材料包括：
（1）定制的模型试槽；（2）碎石材料；（3）套筛；（4）小型振动压实仪；（5）电镀装置，可将金属材料镀至集料颗粒表面；（6）涂料，与碎石材料的密度有明显区别；（7）搅拌仪；（8）X光扫描仪及成像仪，并能将图像数据传输至电脑端。
按照小型振动压实仪的尺寸限制、离散元模拟的单元大小等限制要求，制作尺寸适合的试验槽，本例选用的模型尺寸长宽高分别为300mm×200mm×200mm=1.2×107mm3的试验槽，选用集料的级配数据如下：
表1 集料的合成级配数据
筛孔尺寸(mm) 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075 <0.075
通过率/% 100.0 94.7 61.1 20.2 15.3 11.2 8.7 7.5 6.5 4.0
累计筛余/% 0.0 5.3 38.9 79.8 84.7 88.8 91.3 92.5 93.5 96.0 4.0
分计筛余/% 0.0 5.3 33.5 40.9 4.9 4.1 2.5 1.2 1.0 2.5 4.0
结合试验试槽尺寸，按照以上级配数据，称取质量为42.0kg的集料，进行筛分。现重点观察9.5mm-13.2mm这一档的集料的分布情况，故筛分后，该档集料重约为14.07kg，将其分出；
使用电镀装置或者其他染料，将9.5mm-13.2mm这一档的集料的表面镀上金属薄膜或者涂上染料。薄膜的厚度对集料尺寸的影响以及对集料质量的影响极小，忽略不计。标记后需将集料静止24h，是薄膜层稳定。
将标记后的集料与其他集料混合，使用搅拌仪搅拌45-60s，使其混合均匀后，填入试槽内。
接通X光扫描仪电源、成像仪以及电脑端口，将试槽内的集料初始状态进行记录。使用小型振动压路机进行振动压实，压实过程中，使用X光扫描仪连续观测被标记集料的流动状态，待压实结束后，形成关键帧图像以及视频数据等，待后续研究分析。
图3为使用离散元软件PFC2D所模拟的振动压实过程的图像。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的装置，其特征在于：包括铅房，在所述的铅房的左右以及上下侧壁上采用铅帘板，在铅房的前后侧壁上设置有铅帘，在所述的左右侧壁上的铅帘板上还设置有X光扫描仪，X光扫描仪分为发射端和接收端，分别在于左右侧壁上的铅帘板上，所述的X光扫描仪与计算机相连接；在铅房的内部设置有支架，所述的支架上设置有传送带，在所述的传送带上设置有填筑试验料的试验槽，在所述的试验槽上方还设置有振压装置。
2.一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：按照试验模拟需求或振动影响范围的计算，制作内合适的试槽，用于填筑试验所用混合料；
步骤2：通过筛分试验，将不同粒径区间的集料筛分；
步骤3：使用镀金属薄膜或者其他涂料标记需要重点观察的一种或者多种粒径区间内的颗粒；
步骤4：将集料重新混合，并置于搅拌仪内搅拌均匀，而后填筑于试槽内，并进行振动压实；
步骤5：利用X光扫描仪，观测被标记的集料的流动状态，监测的输出结果为连续的动态画面或是关键帧的画面集，能够动态观测被标记材料在振动压实状态下位置的变化，与软件模拟结果进行对比分析。
3.根据权利要求2所述的一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法，其特征在于：对于镀上金属薄膜，采用电镀的方法，先将其表面进行处理，再使用电镀镀上金属铜或者镍。
4.根据权利要求2所述的一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法，其特征在于：对于涂料标记，将被标记的涂料放置在常用的大过滤勺内，勺上的钢丝网可让涂料流过，却不会让集料掉落，当涂料密布在集料表面后，静置滤干至少24h，使得多余的涂料流出，附着在集料表面的涂料能够凝固硬化。
5.根据权利要求2-4中任意一项所述的一种3D分析颗粒在振动压实状态下流动状态的方法，其特征在于：步骤3所述的金属薄膜或者涂料，是与集料密度差别明显的材料，其质量相对于被标记集料的质量而言忽略，该步骤造成的集料尺寸的扩大量忽略不计。
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