CN112730033A - 一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置及方法，装置包括水箱、取样筒、冲刷管道和试样推送机构，所述冲刷管道的进出水口与水箱连接，冲刷管道上设有一段可供观察的呈水平布置的透明观察管段，所述透明观察管段的底部管壁上设有开孔，所述开孔上可拆卸的密封连接有呈竖向布置的取样筒；所述试样推送机构将试样以一定速率送入冲刷管道内，相关测量装置，以测量该过程所需的物理量。相比于其他冲刷试验方法，该试验方法可以在保持原状土的条件下通过调节流量控制阀来控制作用在试样表面的水流冲刷力，而且冲刷试验过程中路基材料的试验条件可根据实际情况进行个性化调节，从而对相应土样的抗冲刷性能作出定性和定量的评价。

Description

一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置，属于道路工程材料抗冲刷性能测试手段领域。

背景技术

对于路基材料冲刷特性的研究，最早起源于20世纪80年代的美国，紧接着各国的相关专业科研工作者也开始了大量的关于路基填料抗冲刷性能的研究，相应的取得了众多丰硕的成果，其中主要以Tia、Dixon、Dempsey、Van wijk、Hansen 、Robertson等为主要的代表人物。

早期的冲刷试验方法主要是法国，在法国，进行冲刷试验主要使用的是旋转的钢丝来模拟水流对路基填料的冲刷过程，其基本原理就是通过运用以一定速度旋转的钢丝刷连续对指定试样的表面进行磨蚀，通过将每个试样被钢丝刷磨蚀下来的试验质量作为衡量该填料或填料配比下的冲刷性能，该试验装置的缺点在于其整个试验过程没有水的参与，这与现实实际情况是不相符的。

在我国的道路工程建设中，普遍使用水泥、粉煤灰和石灰等材料作为路基的主要填料，在部分道路建设中，又难以避免水流冲刷和降雨冲刷的影响，以至于对于路基填料的抗冲刷性有一定的要求，我国众多科研工作者便对这方面的问题进行了大量的试验研究，其研究面涉猎广泛，包括有试验装置的创新、冲刷机理的分析、无机填料的掺量及其配合比以及相关的研究方法等，沙爱民和胡力群通过试验研究，不断的改进试验方法，设计出了相应的用于研究基层材料的试验装置，并对基层填料的冲刷特性做了评估，雷勇通过自主研发的基层材料冲刷试验装置，研究了影响水泥稳定碎石基层材料的抗冲刷性能的因素。除此之外还有很多学者研发了用于模拟路基填料冲刷的试验装置，如潘宝峰、丁晓冬、张景君等。上述相关装置的研制在一定程度上为与之相关的研究工作提供了方便，但是根据其所建立的装置及研究内容来看，其装置的适用范围有明显的局限性，且装置多依赖于振动台装置，试验条件的设置与实际情况相差较大，从而给试验结果带来较大的误差。

对于用于评价材料抗冲刷特性的指标，我国没有相关的规范来明确指出，众多研究工作者也根据自己的试验研究提出了自己的建议，其中张敏江、关贺等和关增智在公开发表的《半刚性基层材料抗冲刷性能的研究》论文中均认为应将3min-13min的冲刷率作为其评价抗冲刷性能好坏的标准，而张建军和谢韶《半刚性基层抗冲刷性能分析》认为，前期的冲刷数据存在较大的人为干扰因素，应将前3min的冲刷量不计算在内；对于评价路基填料冲刷性能指标的选取，郝培文、黄俭才、胡长顺、何小兵、滕旭秋等人均作了研究，且指标选取标准不一，对于初学者而言较难选取。

综上所述，国内外现有的抗冲刷试验装置及其衡量指标主要存在以下不足：

1）在沙爱民和胡力群发表的论文《半刚性基层材料抗冲刷性能试验方法研究》中提到了旋转刷试验，该试验试样质量的损失是由以一定速度旋转钢丝刷与试样表面之间的摩擦引起的，而旋转剪切试验的冲刷效果是利用旋转着的水流对试件表面的剪切力造成的，其整个试验过程没有水的参与，这与现实实际情况是不相符的；

2）旋转刷试验和旋转剪切试验的评价指标均采用试样的冲刷率，但是对于冲刷率对应时间段的选取，没有统一的定论；

3）目前尚无被广大学者普遍认可的用于评价路基填料抗冲刷性能的标准试验方法。

因此，随着大量相关工程的实践的增加和人们对于工程高质量的追求，急需研制出一种新型的用于评价道路路基材料抗冲刷性能的试验装置及手段，以便于相关工作人员对道路路基材料的抗冲刷性能有全面的掌握。

发明内容

发明目的：针对现有路基填料冲刷试验装置存在的不足，本发明提供一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置，可用于研究不同道路工程路基填料的抗冲刷性能，具有操作简便、测量方便、精度较高、结果可靠、适用范围广等特点。

为了实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置，包括：

水箱，其中设有水泵、加热器、水温传感器以及水温显示器；

冲刷管道，其一端通过进水管道与水泵的出水口连接，另一端通过回水管道与所述水箱的回水口连接；冲刷管道上设有一段可供观察的呈水平布置的透明观察管段，所述透明观察管段的底部管壁上设有开孔，所述开孔上可拆卸的密封连接有呈竖向布置的取样筒；

活塞，其从取样筒下端的开口端伸入所述取样筒中，活塞上表面设有试样托盘；

试样推送机构，与所述活塞驱动连接，用于将试样以一定速率送入冲刷管道内；

流量计，设置在所述进水管道上；

流量控制阀，设置在所述回水管道上；

沉淀池和过滤器，设置在所述回水管道和流量控制阀之间，回水水流依次流经过沉淀池、过滤器后回流至水箱中；

位移传感器，用于测量试验过程中试样向上推送的高度；

水压传感器，用于实时测量冲刷管内动水压力；

主控制器，其信号输入端与所述流量计、位移传感器和水压传感器连接，主控制器的信号输出端与所述试样推送机构和水泵电连接。

所述试样推送机构包括两个，分别是手动推送机构和电动推送机构，其中，所述手动推送机构包括：齿轮箱、涡轮蜗杆机构、竖向导杆和横杆，其中，所述齿轮箱中设有三个齿轮，分别是位于齿轮箱内左右两侧的两个涡轮、以及设置在两个涡轮之间且与两个涡轮同时啮合的手动齿轮，所述手动齿轮的轮轴上连接手动旋转轮；

每个涡轮的另一侧分别传动连接有一空心蜗杆，空心蜗杆滑动套接在所述竖向导杆上，两根空心蜗杆的上端之间连接所述横杆，横杆上端固定连接所述活塞杆；

所述电动推送机构包括：电机和减速机，其中所述电机输出端与减速机输入端连接，减速机输出端与齿轮箱中任一涡轮的轮轴连接。

所述位移传感器为回弹式位移传感器，其型号是KTR11-50mm，安装在试样托盘与取样筒接触面。

所述水压传感器安装在冲刷管进水口位置。

所述电机为伺服电机。

所述水箱中设有水位传感器。

在沉淀池和过滤器之间，设置有多层第一滤网，在过滤器内，设置有一层第二滤网和一层半透膜进行流出水体的最后过滤工序。

一种基于所述公路路基填料抗冲刷性能试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1）使用特定规格的取样筒直接对试验场地选取典型土样，对试样表面的平整状态进行观察，以保证可冲刷试验的顺利进行，测量的试样密度、试样直径；

2）在活塞涂抹润滑剂之后，向水箱内注水，启动加热器，待水温加热至试验所需温度时，开启电机和水泵，随后将取样筒安装于试样托盘上，通过试样推送机构推动取样筒内部的土样以一定的速率进入冲刷管；

通过所述位移传感器来测量试验过程中试样向上推送的高度，通过所述水压传感器来测量冲刷管内动水压力；

3）调整流速至目标值，通过流量控制阀调节水流冲刷压力对试样表面的作用，与试验流速相对应的冲刷速率采用累计试样质量损失与时间的比值得到；

4）修整试样表面与冲刷管道的底部开孔处平齐，并以更高的流速进行冲刷试验；

5）停止通水，取出取样筒，调换下一份试样，重复上述操作步骤2-4次进行试验；

6）当完成累计6-8组试验，即可得到试验所需的测试结果，并进一步根据相关内容进行处理，在试验结束后，直接从沉淀池底部提取冲刷产物。

采用流量计收集到的水流流量和流速与水压传感器收集到的冲刷管内部水压，根据公式

，式中：τ为试样受到的冲切力，F为水压传感器得到的冲刷管内部的动水压力，v为冲刷管内水体流动速度，υ为试样向上的推送速率，A为经验系数，得到作用在试样顶部在冲刷管内部受到的冲切力，将由位移传感器收集得到的试样推送高度并根据步骤1）中测量的试样密度、试样直径在试验冲刷结束后计算试样冲刷速率，最后将试样顶部在冲刷管内部受到的冲切力与试样冲刷速率绘制成图，用来定量刻画试样的抗冲刷性能。

步骤1）中试样成型后放入恒温、恒湿的标准养护室内进行养护，龄期根据具体需要进行选择，在对试样进行冲刷试验的24小时前，从标准养护室内取出，并将其置于水中养护24小时以真实模拟路基填料饱水的不利状态，养护24小时后，将试样取出，擦干试样表面残留的水分。

本发明的优点：

1. 本发明装置及方法的特点在于冲刷试验过程中试样的试验条件是恒定并可调的，包括试样的材料、冲刷水的温度、冲刷动水压力的大小等，更加符合路基填料所处的真实冲刷环境，从而使冲刷试验结果具有更高的真实性、可靠度。

2.本发明通过取样筒直接对试验场地选取典型土样，在很大程度避免了对土样的扰动，保证其原状状态，且在试验结束后，可直接从沉淀池底部提取冲刷产物，避免了后续因转换容器对沉淀质量和成分的影响。

3.以往的现场冲刷试验往往耗时耗力，本发明通过选取代表土样进行室内试验，可明显提高工作效率。

4.本发明涉及的试验装置仪器均为实验室普遍应用，避免其他大型试验台的使用，省时省力、操作简便、结构简单、精度较高、可重复性强且试验结果可靠性高。

附图说明

图1为该种公路路基填料抗冲刷性能试验装置的主视图；

图2为该种公路路基填料抗冲刷性能试验装置的侧视图；

图3为该装置图2中A处的放大结构示意图；

图4为该装置图2中B处的放大结构示意图；

图5为回弹式位移传感器安装位置图。

其包括：1、加热器，2、温度调节按钮，3、温度显示屏，4、水箱，5、进水阀，6、排水阀，7、水位传感器，8、调节按钮，9、电源开关，10、主控制器，11、手动旋转轮，12、横杆，13、活塞杆，14、试样托盘，15、活塞系统，16、取样筒，17、视窗，18、冲刷管，19、流量计，20、导水管，21、过滤器，22、沉淀池，23、保护罩，24、流量控制阀，25、齿轮箱，26、电机，27、水泵，28、固定螺栓，29、搅拌桨板，30、普通滤网，31、复合材料滤网，32、半透膜，33、减速机，34、位移传感器。

具体实施方式

下面通过实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明。

实施例：如图1和图2所示，本发明方法所采用的公路路基填料抗冲刷性能试验装置由加热器1、温度调节按钮2、温度显示屏3、水箱4、进水阀5、排水阀6、水位传感器7、调节按钮8、电源开关9、主控制器10、手动旋转轮11、横杆12、活塞杆13、试样托盘14、活塞系统15、取样筒16、视窗17、冲刷管18、流量计19、导水管20、过滤器21、沉淀池22、保护罩23、流量控制阀24、齿轮箱25、电机26、水泵27、固定螺栓28、搅拌桨板29、普通滤网30、复合材料滤网31、半透膜32、减速机33和位移传感器34组成，其中：水箱4内安装有加热器1、进水阀5、排水阀6、水位传感器7，加热器1包含有温度调节按钮2和温度显示屏3，加热器1的作用时通过温度显示屏3显示的水温，通过调整温度调节按钮2以控制水温达到预定的温度，水位传感器7的作用时监测水箱内的水位变化，以实现水的及时补充，主控制器10包含有电源开关9和调节按钮8与水箱4表面连接，主控制器10的主要作用时通过电源开关9和调节按钮8对电机和水泵进行启动及调节设置，活塞系统15由手动旋转轮11、横杆12、活塞杆13、试样托盘14和取样筒16组成，该活塞系统的初始驱动通过转动手动旋转轮11将放置好试样后的取样筒调整至初始位置，进行试验时，通过调整电机26至合适的转动速率使试样进入冲刷管18进行冲刷试验，冲刷过程可通过安装在冲刷管18侧部的视窗17进行观察记录，并根据实际冲刷效果及时调整相关设置，从而获取最准确的试验成果。

通过连接的计算机利用流量计19来监测该位置处管内的水流量及其流速，并可据此通过调节流量控制阀24以达到所需的流量值。

保护罩23内安装有过滤器21、沉淀池22、流量控制阀24，在保护罩23内，水流依次流经流量控制阀24、沉淀池22、过滤器21，沉淀池22的作用是对由冲刷管18流出的水体进入沉淀池22带动搅动浆片的转动，流动的水体之后流经普通滤网30进入过滤器21。

电机26输出端连接齿轮箱25，从而带动活塞系统15的运动，水泵27一端连接水箱4，另一端沿着管道流经流量计19进入冲刷管18对试验进行冲刷。图中箭头所指方向为整个试验过程中水的流动方向。

所述公路路基填料抗冲刷性能试验用试验通过使用特定规格的取样机即取样筒16进行取原状土，取样筒直径和长度可根据使用者进行自行调制，并将制作好的原状土样置于由手动旋转轮11、横杆12、活塞杆13、试样托盘14和取样筒16组成的活塞系统15中，通过调节试样推进速率对进行冲刷。

优选的，所述试验装置的电机26为可调速电机，可根据试验需求选择最适合的转速。

优选的，所述试验装置所采用的试样为特定规格的圆柱状结构，以保证在冲刷管内进行冲刷时其表面受水流冲刷更加均匀。

本发明的具体工作原理如下：

将制好的土样置于取样筒16中，通过调节电机26带动活塞系统15以推动取样筒16内部的土样以恒定的速率进入冲刷管18，此时由工作状态的水泵27将水箱4内指定温度的水抽送进冲刷管内对土样进行冲刷，并通过流量计19监测到的数据来调节流量控制阀24调整最佳的试验效果，最后将冲刷结果及所需的其他参数进行采集、测量并保存。

本发明开展不同路基填料抗冲刷性能测试的基本操作步骤如下：

1）使用特定规格的取样筒直接对试验场地选取典型土样，成型后放入恒温、恒湿的标准养护室内进行养护，龄期可根据具体需要进行选择，在对试样进行冲刷试验的24小时前，从标准养护室内取出，并将其置于水中养护24小时以真实模拟路基填料饱水的不利状态，养护24小时后，将试样取出，擦干试样表面残留的水分，并对试验表面质量进行观察，以保证可冲刷试验的顺利进行。

2）活塞涂抹润滑剂之后，将取样筒安装于试样托盘上，向水箱内注水，并通过水位传感器显示的水位值适当调整注水速度，启动加热器，带水温加热至试验所需温度时，开启电机和水泵装置，通过齿轮调节装置以设置试样的推进速度，此处以1mm/h的推进速率或通过视窗进行实时观察以在每次推进1mm后试样被完全冲刷变进行下次试验的推进。

3）调整流速至目标值，通过流量计调节流量控制阀选择适当的水流冲刷压力对试样表面的作用。与试验流速相对应的冲刷速率可通过采用累计试样长度与时间的比值得到。

4）并修整试样表面与管口平齐，并以更高的流速进行冲刷试验。

5）停止通水，取出取样筒，调换下一份试样，对重复上述操作步骤2-4进行试验。

6）当完成累计6-8组试验，即可得到试验所需的测试结果，并可进一步根据相关内容进行处理，在试验结束后，可直接从沉淀池底部提取冲刷产物。

采用流量计收集到的水流流量和流速与水压传感器收集到的冲刷管内部水压，根据公式

，式中：τ为试样受到的冲切力，F为水压传感器得到的冲刷管内部的动水压力，v为冲刷管内水体流动速度，υ为试样向上的推送速率，A为经验系数，得到作用在试样顶部在冲刷管内部受到的冲切力，将由位移传感器收集得到的试样推送高度并根据步骤1）中测量的试样密度、试样直径在试验冲刷结束后计算试样冲刷速率，最后将试样顶部在冲刷管内部受到的冲切力与试样冲刷速率绘制成图，用来定量刻画试样的抗冲刷性能。

作为上述抗冲刷性能测试方法的优选，步骤1）中试样成型后放入恒温、恒湿的标准养护室内进行养护，龄期根据具体需要进行选择，在对试样进行冲刷试验的24小时前，从标准养护室内取出，并将其置于水中养护24小时以真实模拟路基填料饱水的不利状态，养护24小时后，将试样取出，擦干试样表面残留的水分。

根据上述操作步骤对制取的试样进行冲刷试验，比较真实地模拟了不同路基填料在水流冲刷作用下的性能效果，并根据冲刷试验结果所得到的试样冲刷深度在各种试验条件下的变化规律，据此分析路基填料的抗冲刷性能与配合比、水流冲刷压力、水温以及材料种类等的关系，进而得出一种能够定量的用于评价不同路基填料的抗冲刷性能并与实际情况相符的试验方法和思路。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，包括：

水箱，其中设有水泵、加热器、水温传感器以及水温显示器；

冲刷管道，其一端通过进水管道与水泵的出水口连接，另一端通过回水管道与所述水箱的回水口连接；冲刷管道上设有一段可供观察的呈水平布置的透明观察管段，所述透明观察管段的底部管壁上设有开孔，所述开孔上可拆卸的密封连接有呈竖向布置的取样筒；

活塞，其从取样筒下端的开口端伸入所述取样筒中，活塞上表面设有试样托盘；

试样推送机构，与所述活塞驱动连接，用于将试样以一定速率送入冲刷管道内；

流量计，设置在所述进水管道上；

流量控制阀，设置在所述回水管道上；

沉淀池和过滤器，设置在所述回水管道和流量控制阀之间，回水水流依次流经过沉淀池、过滤器后回流至水箱中；

位移传感器，用于测量试验过程中试样向上推送的高度；

水压传感器，用于实时测量冲刷管内动水压力；

主控制器，其信号输入端与所述流量计、位移传感器和水压传感器连接，主控制器的信号输出端与所述试样推送机构和水泵电连接。

2.根据权利要求1所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，所述试样推送机构包括两个，分别是手动推送机构和电动推送机构，其中，所述手动推送机构包括：齿轮箱、涡轮蜗杆机构、竖向导杆和横杆，其中，所述齿轮箱中设有三个齿轮，分别是位于齿轮箱内左右两侧的两个涡轮、以及设置在两个涡轮之间且与两个涡轮同时啮合的手动齿轮，所述手动齿轮的轮轴上连接手动旋转轮；

每个涡轮的另一侧分别传动连接有一空心蜗杆，空心蜗杆滑动套接在所述竖向导杆上，两根空心蜗杆的上端之间连接所述横杆，横杆上端固定连接所述活塞杆；

所述电动推送机构包括：电机和减速机，其中所述电机输出端与减速机输入端连接，减速机输出端与齿轮箱中任一涡轮的轮轴连接。

3.根据权利要求1所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，

所述位移传感器为回弹式位移传感器，其型号是KTR11-50mm，安装在试样托盘与取样筒接触面。

4.根据权利要求1所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，

所述水压传感器安装在冲刷管进水口位置。

5.根据权利要求2所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，

所述电机为伺服电机。

6.根据权利要求1所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，

所述水箱中设有水位传感器。

7.根据权利要求1所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置，其特征在于，

在沉淀池和过滤器之间，设置有多层第一滤网，在过滤器内，设置有一层第二滤网和一层半透膜进行流出水体的最后过滤工序。

8.一种基于权利要求1~7中任一所述公路路基填料抗冲刷性能试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）使用特定规格的取样筒直接对试验场地选取典型土样，对试样表面的平整状态进行观察，以保证可冲刷试验的顺利进行，测量的试样密度、试样直径；

2）在活塞涂抹润滑剂之后，向水箱内注水，启动加热器，待水温加热至试验所需温度时，开启电机和水泵，随后将取样筒安装于试样托盘上，通过试样推送机构推动取样筒内部的土样以一定的速率进入冲刷管；

通过所述位移传感器来测量试验过程中试样向上推送的高度，通过所述水压传感器来测量冲刷管内动水压力；

3）调整流速至目标值，通过流量控制阀调节水流冲刷压力对试样表面的作用，与试验流速相对应的冲刷速率采用累计试样质量损失与时间的比值得到；

4）修整试样表面与冲刷管道的底部开孔处平齐，并以更高的流速进行冲刷试验；

5）停止通水，取出取样筒，调换下一份试样，重复上述操作步骤2-4次进行试验；

6）当完成累计6-8组试验，即可得到试验所需的测试结果，并进一步根据相关内容进行处理，在试验结束后，直接从沉淀池底部提取冲刷产物。

9.根据权利要求8所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置的试验方法，其特征在于，采用流量计收集到的水流流量和流速与水压传感器收集到的冲刷管内部水压，根据公式

，式中：

τ为试样受到的冲切力，F为水压传感器得到的冲刷管内部的动水压力，v为冲刷管内水体流动速度，υ为试样向上的推送速率，A为经验系数；

得到作用在试样顶部在冲刷管内部受到的冲切力，将由位移传感器收集得到的试样推送高度并根据步骤1）中测量的试样密度、试样直径在试验冲刷结束后计算试样冲刷速率，最后将试样顶部在冲刷管内部受到的冲切力与试样冲刷速率绘制成图，用来定量刻画试样的抗冲刷性能。

10.根据权利要求8所述的公路路基填料抗冲刷性能试验装置的试验方法，其特征在于，步骤1）中试样成型后放入恒温、恒湿的标准养护室内进行养护，龄期根据具体需要进行选择，在对试样进行冲刷试验的24小时前，从标准养护室内取出，并将其置于水中养护24小时以真实模拟路基填料饱水的不利状态，养护24小时后，将试样取出，擦干试样表面残留的水分。

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