CN110286068A - 一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2d模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了对振动压实过程中土颗粒流动状态的2D模拟实验方法，准备一前壁透明，左右壁可拆卸调整的木箱，准备一组不同直径的铝棒，根据直径不同在其端面上标记不同颜色，按一定比例混合，利用纱布、细砂包裹在铝棒表面模拟内摩擦角，并用黄油或慢干弱粘性胶水模拟粘聚力，制作小型加载设备，将铝棒在纸箱内铺好，测量并计算实验前孔隙率，开始压实实验，测量并计算压实后孔隙率，将前后空隙率进行比较，确定压实效果，观察高速相机所得的照片，分析微观运动机理。本发明能够方便并详细地模拟振动压实过程中土颗粒的流动状态，为从微观角度解释振动压实机理提供便利，为研究振动压密过程中微观运动与宏观参数的联系提供了直观有效的实验手段。

Description

一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及到以铝棒对振动压实过程中土颗粒流动情况进行2D实验模拟的方法。

背景技术

近年来，由于公路交通量逐渐繁重，车辆负载逐渐增加，再加上公路运行时间不断变长，导致公路在运营过程中很容易出现沉陷、坑洼、水毁、开裂和车辙等破损现象。为了适应新的交通环境，延长公路的使用寿命并提高服务质量，广大学者对路基路面的压实质量提出了更高的要求。良好的压实质量能够有效地提升土基填方与路面材料的强度和刚度，是被压实材料的不透水性和整体稳定性得到显著改善，从而避免路基路面在车辆荷载以及其他因素影响下产生超标变形，迫使土体的结构发生损坏。道路施工的经验表明：对路基路面进行压实作业，是使路面与土基达到应有稳定性和强度非常有效而且经济的技术措施。

为了提高振动压实质量，专家学者们针对振动压实技术展开了大量研究。在振动压实技术初步发展阶段，学者们只着力于改进压实机械本身，而往往忽略了对压实材料本身运动及响应的认识。经过大量的实验研究和摸索，学者们逐渐认识到只有将压实设备与压实材料关联起来综合考虑，才能取得更理想的压实效果，由此引申出了“机械—地面”这一动力学系统的概念，将振动压路机与被压实材料组成一个闭环振动系统，以后针对振动压实技术的研究大都建立在这一系统的基础上。

目前，国内外针对这一振动系统的研究主要分为宏观和微观两个方面。首先，在宏观层面上，主要是将土壤简化为弹性—阻尼元件以建立不同自由度的“压路机—土壤”系统动力学模型，采用数值模拟分析的方法分析系统的动态响应特征；或者是通过有限元分析的方法，将土壤假设为连续均匀的弹性或弹塑性结构，通过模拟施工荷载进行力学响应分析；也可以通过室外实验路或者室内缩尺实验的方法对施工场景进行模拟，但是这些实验方法工作体量太大，成本过高，即便是室内缩尺实验，为了保证小型压路机的影响范围和一定的运动距离，对于实验耗材以及实验槽体积要求也是非常之高，而且这些实验大都只能都到土体位移、振动加速度等宏观参数，对于振动压实过程中土颗粒流动状态，密实、填充等微观作用机理却无法展现。而在微观方面，前人的研究大都集中在离散元仿真分析上，但却一直缺乏有效的微观实验与之结合，真正地揭示土体压密环节中颗粒运动、填充以及空隙衰变的过程，从而实现从微观运动的角度解释宏观的动态响应。

发明内容

本发明目的是提供一种对振动压实过程中土颗粒流动状态的2D模拟试验方法，以便于能够细致观察和记录土体压密过程中空隙衰变以及颗粒运动和填充的过程，为开展针对振动压实微观作用机理的研究提供实验手段。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，包括如下步骤：

步骤1：准备一长方体木箱，箱的前壁为透明，箱子的左右壁为可拆卸的，便于调整木箱的长度。

步骤2：选取材料铝棒来模拟土颗粒，准备一组铝棒，铝棒的长度略小于木箱宽度，但大于木箱宽度的2/3，铝棒的直径根据级配需要选择不同规格，不同直径的铝棒在其端面涂上不同色彩；

步骤3：模拟土体粘聚力与内摩擦角，对于砂性土，在铝棒的外围包裹一层纱布提供摩擦力；对于粘性土，在上述操作的基础上，对铝棒进行浸泡或在其表面涂抹一层黄油，提供基质吸力以及模拟粘聚力，如对粘聚力要求更高，则选用加水稀释后的浆糊溶液或建筑801胶水等慢干弱粘性胶，涂在铝棒表面，以提供化学胶结作用；

步骤4：模拟加载设备，制作压路机模型，压路机模型的压轮带有驱动马达；

步骤5：称量处理好的铝棒，记质量为m，铝棒密度为G=2.69g/cm3，则铝棒所占体积为V1=m/G，然后将铝棒在木箱内铺好，略微整平为一长方体，测量长方体长宽高，计算其体积为V2，计算孔隙率为e1=(1- V1/ V2)*100%；

步骤6：推动压路机模型进行运动，第1~2个往返不开动马达，以作为初压，以后若干次往返，前进时开动马达，退回时关闭马达，以模拟复压，同时用高速相机拍摄记录下全过程，加载结束后，在测量一下铝棒长方体的体积，记为V3，计算孔隙率e2=(1- V1/ V3)*100%；

步骤7：比较孔隙率e1与e2，确认压实效果，并根据高速相机拍摄所得的照片资料，观察不同颜色铝棒运动过程，分析微观运动规律。

作为本发明的一种改进，步骤1所述的长方体木箱，其长、宽、高分别选为60cm、15cm和20cm。

作为本发明的一种改进，步骤6所述的压实遍数，初压可选2遍，复压可选为4遍。

作为本发明的一种改进，步骤3中若需要模拟出更大的内摩擦角，则选取较密纱布，根据需要在其内面撒布一定数量细砂，然后再黏贴在铝棒外围，实现对内摩擦角的调节。

作为本发明的一种改进，步骤2中，铝棒的直径选取2.0、3.0、5.0、9.0 mm按一定比例混合而成。

作为本发明的一种改进，所述的压路机模型的制作步骤为：选取一空瓶易拉罐，将其沿中间剪开，在其内壁用胶带均匀对称地粘贴一定数量的钢珠作为配重，然后选取其中一半，在其开口横截面中心位置固定一小型马达，并在马达转轴上固定一偏心钢珠，再用胶带将两半的易拉罐重新粘起来，并在其表面包裹一层砂纸，然后在易拉罐两端横截面中心位置各固定一个塑料短管，最后准备一L型小杆，将其短边插入塑料短管内，长边固定支撑在一玩具小车上。

有益效果：

与常规振动压实模拟试验方法相比，本发明在以下方面具有明显的优势：

（1）经济性，目前对于振动压实的模拟实验，常规的做法是在室外铺筑实验路或者是在室内利用小型压路机进行缩尺实验，但无论是哪一种，实验工程量都十分巨大，实验成本过高，即便是室内的缩尺实验，为了保证小型压路机的影响范围以及一定的运动距离，所需要的实验槽尺寸以及铺筑路面的实验耗材量都是不容小觑。本发明提供的方法所需木箱尺寸小，铝棒消耗量不大，实验成本低，而且准备周期短，操作起来也很方便。

（2）微观性，室外实验路或者是室内的缩尺实验都属于宏观层面上的模拟实验，所得的实验数据包括位移、土压力、加速度等都是宏观参数，但对于土颗粒微观层面上的运动填充机理却无法反映，而本实验使用铝棒来模拟土颗粒，在二维层面上反映振动压实的微观过程，并用高速相机进行拍摄记录，方便对微观机理的深入研究。

本发明能够方便并详细地模拟振动压实过程中土颗粒的流动状态，为从微观角度解释振动压实机理提供便利，为研究振动压密过程中微观运动与宏观参数的联系提供了直观有效的实验手段。

附图说明

图1为本发明具体实验装置示意图。

具体实施方法

下面结合具体实施方式和说明书附图进一步阐明本发明的内容。

如图1所示，本发明公开了一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，包括如下步骤：

步骤1：准备一长方体木箱，箱的前壁是透明的玻璃，便于观察，箱子的左右壁是可拆卸的，便于根据实验需要调整木箱的长度。

步骤2：准备一组铝棒，铝棒的长度略小于木箱宽度，但应大于木箱宽度的2/3，铝棒的直径可根据级配需要选择不同规格，一般可选取2.0、3.0、5.0、9.0 mm等几种按一定比例混合而成，不同直径的铝棒在其端面涂上不同色彩，便于观察。

步骤3：模拟土体粘聚力与内摩擦角。对于砂性土，只存在内摩擦角，故在铝棒的外围包裹一层纱布提供摩擦力，若需要模拟出更大的内摩擦角，则选取较密纱布，根据需要在其内面撒布一定数量细砂，然后再黏贴在铝棒外围，实现对内摩擦角的调节。对于粘性土，既有粘聚力又有内摩擦角，为模拟其抗剪强度，要在上述操作的基础上，对铝棒进行浸泡或在其表面涂抹一层黄油，如对粘聚力要求更高，则选用加水稀释后的浆糊溶液或建筑801胶水等慢干弱粘性胶，涂在铝棒表面，以提供化学胶结作用。

步骤4：模拟加载设备。选取一空瓶易拉罐，将其沿中间剪开，在其内壁用胶带均匀对称地粘贴一定数量的钢珠作为配重，然后选取其中一半，在其开口横截面中心位置固定一小型马达，并在马达转轴上固定一偏心钢珠，再用胶带将两半的易拉罐重新粘起来，并在其表面包裹一层砂纸，然后在易拉罐两端横截面中心位置各固定一个塑料短管，最后准备一L型小杆，将其短边插入塑料短管内，长边固定支撑在一玩具小车上，由此完成压路机模型。

步骤5：称量处理好的铝棒，记质量为m，铝棒密度为G=2.69g/cm³，则铝棒所占体积为V₁=m/G，然后将铝棒在木箱内铺好，略微整平为一长方体，测量长方体长宽高，计算其体积为V₂，计算孔隙率为e₁=(1- V₁/ V₂)*100%。

步骤6：用小车推动易拉罐从一端出发，第1~2个往返不开动马达，以作为初压，以后若干次往返，前进时开动马达，退回时关闭马达，以模拟复压，同时用高速相机拍摄记录下全过程。加载结束后，在测量一下铝棒长方体的体积，记为V₃，计算孔隙率e₂=(1- V₁/V₃)*100%。

步骤7：比较孔隙率e₁与e₂，确认压实效果。并根据高速相机拍摄所得的照片资料，观察不同颜色铝棒运动过程，分析微观运动规律。

实施例1：

本发明的测定方法已经得到了良好的试验验证。采用本发明中的方法模拟了振动压实过程中土颗粒的微观流动过程。

该实施例需要的仪器与材料包括：

一长方体木箱，其长、宽、高分别为60cm、15cm和20cm，箱前壁为透明玻璃，左右壁可拆卸；一组铝棒1，分别包含有2.0、3.0、5.0、9.0 mm等四种不同直径，每种直径数量若干；空瓶易拉罐2；玩具小车4一辆；小型电动马达；配重钢珠3若干，塑料短管和L型小杆各两个；电子秤一台，量尺一个；高速相机一台纱布、砂纸、彩笔以及胶带、胶水若干。

准备好长方体木箱和铝棒，铝棒含有2.0、3.0、5.0、9.0 mm等四种不同直径，在其端面分别涂上不同色彩，并按质量比为2:4:2:1混合均匀，在铝棒外表面刷上胶水，并包裹一层纱布，使用易拉罐、钢珠、马达、小车等材料拼装好加载设备模型。

称量铝棒质量为12.11kg，铝棒密度为G=2.69g/cm³，则铝棒所占体积为V₁=12.11×1000÷2.69=4502cm³，将铝棒在木箱内铺好，略微整平为一长方体，测量并计算其体积为V₂=5868 cm³，计算孔隙率为e₁=(1- 4502/ 5868) ×100%=23.3%。

用小车推动易拉罐从一端出发，初压2遍，复压4遍，同时使用高速相机进行记录拍摄，加载结束后，在测量一下铝棒长方体的体积V₃=4902 cm³，计算孔隙率e₂=(1- 4502/4902) ×100%=8.2%。

比较孔隙率e₁与e₂，可见孔隙率发生了大幅衰减，虽与实际工程的压实程度相比仍有一定差距，但本实验的压实效果业已非常明显，足以对实际振动压实进行有效模拟。确定实验有效后，再根据高速相机所得的照片资料，分析土颗粒微观运动过程，总结相关规律。

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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：准备一长方体木箱，箱的前壁为透明，箱子的左右壁为可拆卸的，便于调整木箱的长度；

步骤2：选取材料铝棒来模拟土颗粒，准备一组铝棒，铝棒的长度略小于木箱宽度，但大于木箱宽度的2/3，铝棒的直径根据级配需要选择不同规格，不同直径的铝棒在其端面涂上不同色彩；

步骤3：模拟土体粘聚力与内摩擦角，对于砂性土，在铝棒的外围包裹一层纱布提供摩擦力；对于粘性土，在上述操作的基础上，对铝棒进行浸泡或在其表面涂抹一层黄油，提供基质吸力以及模拟粘聚力，如对粘聚力要求更高，则选用加水稀释后的浆糊溶液或建筑801胶水等慢干弱粘性胶，涂在铝棒表面，以提供化学胶结作用；

步骤4：模拟加载设备，制作压路机模型，压路机模型的压轮带有驱动马达；

步骤5：称量处理好的铝棒，记质量为m，铝棒密度为G=2.69g/cm³，则铝棒所占体积为V₁=m/G，然后将铝棒在木箱内铺好，略微整平为一长方体，测量长方体长宽高，计算其体积为V₂，计算孔隙率为e₁=(1- V₁/ V₂)*100%；

步骤6：推动压路机模型进行运动，第1~2个往返不开动马达，以作为初压，以后若干次往返，前进时开动马达，退回时关闭马达，以模拟复压，同时用高速相机拍摄记录下全过程，加载结束后，在测量一下铝棒长方体的体积，记为V₃，计算孔隙率e₂=(1- V₁/ V₃)*100%；

步骤7：比较孔隙率e₁与e₂，确认压实效果，并根据高速相机拍摄所得的照片资料，观察不同颜色铝棒运动过程，分析微观运动规律。

2.根据权利要求1所述的一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，其特征在于：步骤1所述的长方体木箱，其长、宽、高分别选为60cm、15cm和20cm。

3.根据权利要求1所述的一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，其特征在于：步骤6所述的压实遍数，初压可选2遍，复压可选为4遍。

4.根据权利要求1所述的一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，其特征在于：步骤3中若需要模拟出更大的内摩擦角，则选取较密纱布，根据需要在其内面撒布一定数量细砂，然后再黏贴在铝棒外围，实现对内摩擦角的调节。

5.根据权利要求1所述的一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，其特征在于：步骤2中，铝棒的直径选取2.0、3.0、5.0、9.0 mm按一定比例混合而成。

6.根据权利要求1所述的一种振动压实过程中土颗粒流动情况的2D模拟实验方法，其特征在于，所述的压路机模型的制作步骤为：选取一空瓶易拉罐，将其沿中间剪开，在其内壁用胶带均匀对称地粘贴一定数量的钢珠作为配重，然后选取其中一半，在其开口横截面中心位置固定一小型马达，并在马达转轴上固定一偏心钢珠，再用胶带将两半的易拉罐重新粘起来，并在其表面包裹一层砂纸，然后在易拉罐两端横截面中心位置各固定一个塑料短管，最后准备一L型小杆，将其短边插入塑料短管内，长边固定支撑在一玩具小车上。