CN110700225B - 路基动态回弹模量现场测试设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路基动态回弹模量现场测试设备及其测量方法，由具有显示、输入、存储功能的处理设备、测控系统、电液伺服加载油源系统、油压管、电液伺服作动器、支架系统、压力位移传感器、承载板、承压板、加重砝码组成。本发明能够解决规范现有检测方法没有考虑动荷载及与路基的实际工作状态不相符的问题，通过模拟路面行车荷载作用，并测得测试点的动荷载大小和路基结构层的位移值，自动计算生成路基结构层的动态回弹模量值。所测试的路基结构层的动态回弹模量值能够更为有效地反映动荷载条件下路基结构层的路基动态回弹模量，也能够更好地为公路、铁路设计参数提供技术支撑。

Description

路基动态回弹模量现场测试设备及其测量方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，特别是涉及一种路基动态回弹模量现场测试设备及其测量方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，我国的公路建设事业得到了快速发展，路基作为公路路面的基础，为公路路面提供支撑。公路路面设计的重要依据之一便是路基的回弹模量值，因此，如何准确测定路基的回弹模量值，尤其是现场测定路基的回弹模量值是非常关键的。

目前，关于路基回弹模量的现场测试方法主要为贝克曼梁法和承载板法。

贝克曼梁法主要用于现场测定路基的回弹模量值，其涉及到的主要设备有标准车、路面弯沉仪、路表温度计、百分表、接长杆。通过测试标准车(后轴双轮)轮隙中心处的回弹弯沉值后，并考虑温度修正、路面弯沉仪支点的变形修正因素，计算得到路基的代表弯沉值。通过测定(或通过规范选取)路基材料的泊松比，结合路基的代表弯沉值，计算结构层的回弹模量值，其测定的回弹模量值为静态回弹模量，属于结构层的静态回弹模量范畴。

承载板法现场测定路基回弹模量，其涉及到的主要设备有加载设备(后轴重不小于60kN的载重汽车一辆)、现场测试设备(由千斤顶，测力计及球座组成)、刚性承载板一块(厚度20mm，直径为30cm的圆盘，圆盘边缘设有可调整高度的支座)、两台路面弯沉仪、液压千斤顶、秒表、水平尺。通过千斤顶开始加载，先进行预压，然后进行逐级加载卸载(通过压力表控制加载量)，记录每次加载和卸载时，两台路面弯沉仪上百分表的数值(每次加载和卸载都稳定一分钟后才进行读数)，通过压力～变形曲线，计算得到路基的回弹模量值。其测试的回弹模量值为结构层的静态回弹模量值。

车辆在公路上行驶时，是通过路面结构层，将行车荷载传递给路基的，而车辆荷载是动荷载，因此路基受到的荷载应该为动荷载，动荷载下的路基回弹模量应为动态回弹模量；此外，由于车辆的速度不同、路面的平整度不同，传递至路基顶面的动荷载形式和频率也相应不同。路基回弹模量作为路面结构的设计参数，以往的路基设计规范中，都是通过测定路基结构层的静态回弹模量(现场承载板法、现场贝克曼梁法)来进行路基质量检测，与路面设计参数中的动态回弹模量不符合；同时，以往的检测方法没有考虑路面结构的自重，这与路基的实际工作状态不相符。

综上所述，将路基结构层的动态回弹模量值作为路面的设计参数才是合理的，也是与路基的实际工作状态相符的；因此，一种新的能够表征路基结构在不同荷载大小与不同荷载周期下的现场测试设备开发是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路基动态回弹模量现场测试设备，解决了现有技术中没有考虑动荷载和路面结构层自重与路基的实际工作状态不相符的问题，同时也解决了现有技术中回弹模量检测值与动态回弹模量设计值不匹配的问题。

本发明的另一目的在于提供一种路基动态回弹模量现场测试设备的测量方法，解决了现有技术中没有考虑路面结构的自重与路基的实际工作状态不相符的问题。

本发明所采用的技术方案是，路基动态回弹模量现场测试设备，由具有显示、输入、存储功能的处理设备、测控系统、电液伺服加载油源系统、油压管、电液伺服作动器、支架系统、压力位移传感器、承载板、承压板、加重砝码组成；

所述具有显示、输入、存储功能的处理设备与所述测控系统信号连接，所述测控系统与所述电液伺服加载油源系统信号连接，所述电液伺服加载油源系统通过所述油压管与所述电液伺服作动器相连，所述电液伺服作动器穿设于所述支架系统并与所述压力位移传感器信号连接，所述支架系统置于路基上，所述压力位移传感器与所述承载板相接触，所述承载板置于路基上并位于所述支架系统的中心位置，所述承压板套在所述承载板外围并与路基相接触，所述承压板上设置有所述加重砝码。

进一步的，所述具有显示、输入、存储功能的处理设备上设置有预加动荷载系统，用于设置预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数；以及根据采集到的测试数据，并根据采集到的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，计算路基结构层的动态回弹模量值；

所述测控系统，用于接收所述具有显示、输入、存储功能的处理设备发送的预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，并对所述压力位移传感器受到的应力和变形进行测量和控制，使得路基动态回弹模量现场测试设备在运行中能够按照预先设定的指令进行；

所述电液伺服加载油源系统，用于提供加载荷载；

所述电液伺服作动器，用于给所述承载板施加荷载；

所述支架系统，用于使所述电液伺服作动器稳固在路基的表面上，保障施加动荷载时路基动态回弹模量现场测试设备的稳定性，防止加载过程中荷载的偏移或所述承载板的跳动；

所述承载板，用于承载所述电液伺服作动器所施加的荷载；

所述承压板，用于放置所述加重砝码；

所述加重砝码，用于模拟路面结构层自重，根据需求增减所述加重砝码来施加上覆压力。

进一步的，所述路基结构层的动态回弹模量值是加载动荷载大小与路基结构层的回弹变形位移值的比值；加载波形为正弦波、三角波、矩形波、梯形波、斜波的任意一种；加载波形根据行车荷载确定，不同的波形模拟不同的行车荷载；加载时间由行车速度确定。

进一步的，所述电液伺服加载油源系统总功率为11KW；电液伺服加载油源系统的荷载范围为0～25kN，测力分辨率为5N，施加荷载频率为0.1～25Hz。

进一步的，所述电液伺服作动器竖向位移范围为0～100mm，位移分辨率精度为0.001mm。

本发明所采用的另一种技术方案是，路基动态回弹模量现场测试设备的测量方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一、准备工作：在路基表面选定好测试点后，对路基表面进行整平，并确保实测路基表面的水平；

步骤二、路基动态回弹模量现场测试设备安装工作：在已整平好的测试点区域上面安放承载板及承压板，承载板及承压板下表面需平整光滑且与路基表面完全接触，并确保承载板及承压板水平且两者互不接触；在承载板的上表面安装压力位移传感器，安装好之后检查压力位移传感器是否水平；根据路面结构层自重荷载，在承压板上安装加重砝码，保证路基上覆压力与路面结构层自重压力相同；在压力位移传感器上面安装好支架系统及电液伺服作动器，使支架系统稳定固定在路基的表面上；安装完之后，检查支架系统是否水平，如不平整，应该继续调整；

步骤三、调试工作：将具有显示、输入、存储功能的处理设备与测控系统连接，再连接好电液伺服加载油源系统，再将油压管与电液伺服作动器连接；

步骤四、试验设置工作：路基动态回弹模量现场测试设备安装和调试完成后，在具有显示、输入、存储功能的处理设备上选取预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数；

步骤五、数据收集：启动具有显示、输入、存储功能的处理设备，电液伺服作动器在指定的参数下进行工作，测控系统记录压力位移传感器的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，并将记录的数据传输至具有显示、输入、存储功能的处理设备并进行自动存储；

步骤六、数据整理：具有显示、输入、存储功能的处理设备根据采集到的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，自动计算生成路基结构层动态回弹模量值。

本发明的有益效果是，通过模拟路面行车荷载作用，并测得测试点的动荷载大小和路基结构层的位移值，自动计算生成路基结构层的动态回弹模量值。所测试的路基结构层的动态回弹模量值能够更为有效地反映动荷载条件下的路基结构层的动态回弹模量，也能够更好地为公路、铁路设计参数提供技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是路基动态回弹模量现场测试设备示意图。

图2是典型荷载波形图。

图中，1.主机，2.电脑显示屏，3.测控系统，4.电液伺服加载油源系统，5.油压管，6.电液伺服作动器，7.支架系统，8.压力位移传感器，9.承载板，10.承压板，11.路基，12.加重砝码。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

路基动态回弹模量现场测试设备，由具有显示、输入、存储功能的处理设备、测控系统3、电液伺服加载油源系统4、油压管5、电液伺服作动器6、支架系统7、压力位移传感器8、承载板9、承压板10、加重砝码12组成；具体如图1所示，具有显示、输入、存储功能的处理设备包括主机1和电脑显示屏2，选取为便携式处理设备，进一步的选取为平板电脑、笔记本电脑。

具有显示、输入、存储功能的处理设备与测控系统3信号连接，测控系统3与电液伺服加载油源系统4信号连接，电液伺服加载油源系统4通过油压管5与电液伺服作动器6相连，电液伺服作动器6穿设于支架系统7并与压力位移传感器8信号连接，支架系统7置于路基11上，压力位移传感器8与承载板9相接触，承载板9置于路基11上并位于支架系统7的中心位置，承压板10套在承载板9外围并与路基11相接触，承载板9及承压板10互不接触，承压板10上设置有加重砝码12。

如图1所示，路基动态回弹模量现场测试设备，由主机1、电脑显示屏2、测控系统3、电液伺服加载油源系统4、油压管5、电液伺服作动器6、支架系统7、压力位移传感器8、承载板9、承压板10、加重砝码12组成；

主机1上设置有预加动荷载系统，用于设置预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数以及根据采集到的测试数据，并根据采集到的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，计算路基结构层的动态回弹模量值并进行自动存储，路基结构层的动态回弹模量值是加载动荷载大小与路基结构层的回弹变形位移值的比值；加载波形为正弦波、三角波、矩形波、梯形波、斜波的任意一种；加载波形根据行车荷载确定，不同的波形模拟不同的行车荷载；加载时间由行车速度确定；

电脑显示屏2，通过电脑显示屏2输入所需预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，并显示主机1设置预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数；

测控系统3，用于接收主机1发送的预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，自动采集测试数据，对压力位移传感器8受到的应力和变形进行测量和控制，使得路基动态回弹模量现场测试设备在运行中能够按照预先设定的指令进行；

电液伺服加载油源系统4，用于提供加载荷载；通过对输油量的控制进而控制施加在电液伺服作动器6上的荷载大小；电液伺服加载油源系统4总功率为11KW；电液伺服加载油源系统4的荷载范围为0～25kN，测力分辨率为5N，施加荷载频率为0.1～25Hz；电液伺服作动器6竖向位移范围为0～100mm，位移分辨率精度为0.001mm；

电液伺服作动器6，用于给承载板9施加荷载；不同波形通过电液伺服作动器6的加载大小和频率来实现；

支架系统7，用于使电液伺服作动器6稳固在路基11的表面上，保障施加动荷载时路基动态回弹模量现场测试设备的稳定性，防止加载过程中，荷载的偏移或承载板9的跳动；

压力位移传感器8和承载板9接触，能够测量出底部的位移变化；落锤式弯沉仪也是测动态回弹模量，但是落锤式弯沉仪的荷载形式与实际的行车荷载不一样，另外没有模拟路面结构层自重，且落锤式弯沉仪是冲击荷载，与路基结构层实际的受力状态不同，且不能够模拟路面结构层自重，路基动态回弹模量现场测试设备通过加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数来模拟实际行车荷载，压力位移传感器8和电液伺服作动器6接触，能够测量所施加动荷载大小；

压力位移传感器8的尺寸可根据实际需要进行选择；压力位移传感器8的直径能够与承载板9配套，压力位移传感器8的厚度能够套住电液伺服作动器6，保证在加载过程中电液伺服作动器6不跳出，保证加载过程稳定；

承载板9，用于承载电液伺服作动器6所施加的荷载；承载板9与压力位移传感器8固定连接，承载板9上表面通过预留的螺丝孔与压力位移传感器8螺栓连接；

承压板10，用于放置加重砝码12，套在承载板9外围；承压板10上表面通过预留的螺丝孔与加重砝码12固定，承压板10的尺寸可根据实际需要进行选择；

承载板9和承压板10接触面光滑且两者之间互不接触，能够保证测试过程中二者互不影响；

加重砝码12，用于模拟路面结构层自重，根据需求增减加重砝码12来施加上覆压力，模拟路面层自重使得路基动态回弹模量现场测试设备能够适应不同路面结构的路基。

路基动态回弹模量现场测试设备的测量方法，具体按照以下步骤进行：

步骤一、准备工作：将路基动态回弹模量现场测试设备运输至路基11表面上，在路基11表面选定好测试点后，采用工具撬、铲、小刀对路基11表面进行整平，并用水准尺进行水平测量，确保实测路基11表面的水平；此外，在现场准备好路基动态回弹模量现场测试设备所需要的电源，亦可在现场采用发电机供电；

步骤二、路基动态回弹模量现场测试设备安装工作：在已整平好的测试点区域上面安放承载板9及承压板10，承载板9及承压板10下表面需平整光滑且与路基11表面完全接触，并确保承载板9及承压板10水平且两者互不接触；

在承载板9的上表面安装压力位移传感器8，并用螺栓固定好，压力位移传感器8的直径为15cm，厚度5cm；运用钳子、扳手将压力位移传感器8安装在承载板9上面，安装时保持承载板9的位置不发生变动；压力位移传感器8底面和承载板9上表面接触良好、稳固、无缝隙，安装好之后用水准尺检查压力位移传感器8是否水平；承载板9为直径30cm，厚2cm的圆形钢板，承压板10为外直径100cm，内直径31cm，厚2cm的圆形钢板；承载板9和承压板10接触面光滑且两者之间留有间隙，能够保证测试过程中二者互不影响；

根据路面结构层自重荷载，在承压板10上安装好加重砝码12，保证路基11上覆压力与路面结构层自重压力相同；在压力位移传感器8上面安装好电液伺服作动器6及支架系统7，安装时，避免承载板9和压力位移传感器8之间的相互扰动；电液伺服作动器6应避免受到水平方向的冲击，支架系统7两侧的支架角牢固地安放在路基11表面，使支架系统7稳定固定在路基11的表面上；安装完之后，应当检查支架系统7是否水平，如不平整，应该继续调整，目的是保障施加动荷载时，整个电液伺服加载油源系统4的稳定性，防止加载过程中，荷载的偏移或承载板9的跳动；

步骤三、调试工作：将具有显示、输入、存储功能的处理设备与测控系统3连接，再连接好电液伺服加载油源系统4，再将油压管5与电液伺服作动器6连接，调试好各系统，使其工作正常；

步骤四、试验设置工作：路基动态回弹模量现场测试设备安装和调试完成后，在试验前，用户在具有显示、输入、存储功能的处理设备上选取预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，如荷载大小设置为300N，频率设置为2Hz，加载次数为10000次；

步骤五、数据收集：启动具有显示、输入、存储功能的处理设备，电液伺服作动器6在指定的参数下进行工作，测控系统3记录压力位移传感器8的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，并将记录的数据传输至具有显示、输入、存储功能的处理设备，并进行自动存储；

步骤六、数据整理：路基动态回弹模量现场测试设备每测试一次，具有显示、输入、存储功能的处理设备便会记录一次数据，根据采集到的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，自动计算生成路基结构层动态回弹模量值；按照步骤四的设置，每秒钟生成5个路基结构层动态回弹模量；前面1000～2000次数据是预加荷载阶段，属于路基11结构本身的压密阶段；测试数据应取路基结构层动态回弹模量稳定后的数值，取最后5～10次数据的平均值，作为路基结构层动态回弹模量。

图2中的典型荷载波形图，横坐标为时间t，纵坐标为加载力的大小F，时间是根据行车速度确定，加载力是根据车辆的重量确定。

利用室内动三轴仪器对高液限黏土、含砂低液限黏土进行了动态回弹模量试验，并通过路基设计规范的方法计算路基结构层动态回弹模量值，与现场测试数据进行对比，结果如表1所示。

表1路基动态回弹模量现场试验与室内动三轴试验结果的对比

表1中，本发明模量差值的意义在于反映出同一位置，同一土质测得的结果差异不大，说明其设备的控制精度。而其现场测试结果与室内动三轴实验的结构回弹模量值相近，测试结果已经表明路基动态回弹模量现场测试设备的精度和可行性，能够用于现场检测。

室内结构模量的获取首先应通过室内动三轴，得到路基土的动态回弹模量，然后通过路基设计规范中提到的计算方法计算路基结构层的动态模量。

本发明所测试的路基结构层的动态回弹模量值能够更为有效地反映动荷载条件下的路基结构层的动态回弹模量，也能够更好地为公路、铁路设计参数提供技术支撑。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.路基动态回弹模量现场测试设备，其特征在于，由具有显示、输入、存储功能的处理设备、测控系统（3）、电液伺服加载油源系统（4）、油压管（5）、电液伺服作动器（6）、支架系统（7）、压力位移传感器（8）、承载板（9）、承压板（10）、加重砝码（12）组成；

所述具有显示、输入、存储功能的处理设备与所述测控系统（3）信号连接，所述测控系统（3）与所述电液伺服加载油源系统（4）信号连接，所述电液伺服加载油源系统（4）通过所述油压管（5）与所述电液伺服作动器（6）相连，所述电液伺服作动器（6）穿设于所述支架系统（7）并与所述压力位移传感器（8）信号连接，所述支架系统（7）置于路基（11）上，所述压力位移传感器（8）与所述承载板（9）相接触，所述承载板（9）置于路基（11）上并位于所述支架系统（7）的中心位置，所述承压板（10）套在所述承载板（9）外围并与路基（11）相接触，所述承压板（10）上设置有所述加重砝码（12）；

所述具有显示、输入、存储功能的处理设备上设置有预加动荷载系统，用于设置预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数；以及根据采集到的测试数据，并根据采集到的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，计算路基结构层的动态回弹模量值；

所述测控系统（3），用于接收所述具有显示、输入、存储功能的处理设备发送的预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数，并对所述压力位移传感器（8）受到的应力和变形进行测量和控制，使得路基动态回弹模量现场测试设备在运行中能够按照预先设定的指令进行；

所述电液伺服加载油源系统（4），用于提供加载荷载；

所述电液伺服作动器（6），用于给所述承载板（9）施加荷载；

所述支架系统（7），用于使所述电液伺服作动器（6）稳固在路基（11）的表面上，保障施加动荷载时路基动态回弹模量现场测试设备的稳定性，防止加载过程中荷载的偏移或所述承载板（9）的跳动；

所述承载板（9），用于承载所述电液伺服作动器（6）所施加的荷载；

所述承压板（10），用于放置所述加重砝码（12）；

所述加重砝码（12），用于模拟路面结构层自重，根据需求增减所述加重砝码（12）来施加上覆压力。

2.根据权利要求1所述的路基动态回弹模量现场测试设备，其特征在于，所述路基结构层的动态回弹模量值是加载动荷载大小与路基结构层的回弹变形位移值的比值；加载波形为正弦波、三角波、矩形波、梯形波、斜波的任意一种；加载波形根据行车荷载确定，不同的波形模拟不同的行车荷载；加载时间由行车速度确定。

3.根据权利要求1所述的路基动态回弹模量现场测试设备，其特征在于，所述电液伺服加载油源系统（4）总功率为11KW；电液伺服加载油源系统（4）的荷载范围为0~25kN，测力分辨率为5N，施加荷载频率为0.1~25Hz。

4.根据权利要求1所述的路基动态回弹模量现场测试设备，其特征在于，所述电液伺服作动器（6）竖向位移范围为0~100mm，位移分辨率精度为0.001mm。

5.如权利要求1-4任意一项所述的路基动态回弹模量现场测试设备的测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：

步骤一、准备工作：在路基（11）表面选定好测试点后，对路基（11）表面进行整平，并确保实测路基（11）表面的水平；

步骤二、路基动态回弹模量现场测试设备安装工作：在已整平好的测试点区域上面安放承载板（9）及承压板（10），承载板（9）及承压板（10）下表面需平整光滑且与路基（11）表面完全接触，并确保承载板（9）及承压板（10）水平且两者互不接触；在承载板（9）的上表面安装压力位移传感器（8），安装好之后检查压力位移传感器（8）是否水平；根据路面结构层自重荷载，在承压板（10）上安装加重砝码（12），保证路基（11）上覆压力与路面结构层自重压力相同；在压力位移传感器（8）上面安装好支架系统（7）及电液伺服作动器（6），使支架系统（7）稳定固定在路基（11）的表面上；安装完之后，检查支架系统（7）是否水平，如不平整，应该继续调整；

步骤三、调试工作：将具有显示、输入、存储功能的处理设备与测控系统（3）连接，再连接好电液伺服加载油源系统（4），再将油压管（5）与电液伺服作动器（6）连接；

步骤四、试验设置工作：路基动态回弹模量现场测试设备安装和调试完成后，在具有显示、输入、存储功能的处理设备上选取预加动荷载的加载波形、荷载大小、加载频率以及加载次数；

步骤五、数据收集：启动具有显示、输入、存储功能的处理设备，电液伺服作动器（6）在指定的参数下进行工作，测控系统（3）记录压力位移传感器（8）的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，并将记录的数据传输至具有显示、输入、存储功能的处理设备并进行自动存储；

步骤六、数据整理：具有显示、输入、存储功能的处理设备根据采集到的动荷载大小和路基结构层的回弹变形位移值，自动计算生成路基结构层动态回弹模量值。

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