CN112834334B - 一种用于土体动力湿化研究的试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于土体动力湿化研究的试验装置及试验方法，装置包括动力系统，传力系统和加载系统；传力系统包括横梁，横梁的一端设有所述动力系统，横梁的另一端与固定支架铰接，动力系统包括多个长度可调、夹角可调的旋杆，旋杆的自由端均设有滚轮，旋杆的旋转面与横梁共面，且旋转过程中滚轮能够与横梁的底部接触；加载系统包括加载板，加载板底部与土样接触，加载板顶部中心通过传力杆与横梁铰接。本发明能够模拟不同车辆动力荷载加载和水体入渗湿化条件下各类土体的累积变形，通过对旋杆长度及夹角的组合，灵活调整在某一加载频率下的加载间隔，提高了试验的准确性和普适性，土体经过动荷载作用后受力情况明确。

Description

一种用于土体动力湿化研究的试验装置及试验方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，涉及一种用于土体动力湿化研究的试验装置及试验 方法。
背景技术
随着我国交通运输工程的快速发展，穿越不良地质环境的高速公路里程不断增加， 所以，在道路施工时，因地制宜的就近选用不良土体作为路用填料将不可避免。路基填料的动静力学参数是否准确，对道路的稳定性和长期正常运营至关重要。然而部分不良 岩土体在进行路基填筑后，在动力作用下会逐渐发生崩解软化等不利反应，但采用传统的动力三轴试验仪在进行动力试验时，由于试验仪器限制与不良岩土体的自身特性，容 易导致试验失败，同时也无法有效的反应岩土体在动荷载作用下的崩解软化破坏。
目前，国内部分学者对该类加载装置的动力系统部分进行了一些改进，如采用激振 器作为装置中的动力源，通过计算机将控制信号输入激振器的方式来产生动荷载。但对于路基填土的动力试验而言，通常路基土体在动荷载试验中所受加载频率在10HZ以下(0.5～5Hz之间)，动应力在10-35Kpa之间，而激振器的原理均是通过一组或多组偏心 轮或偏心块的高速旋转的离心力来产生激振力，只有当偏心轮或偏心块的旋转频率达到一定程度后(一般频率在几十Hz，甚至上百Hz范围内才能产生有效的动荷载)，才能 产生合适稳定的激振力。如果旋转频率偏低，则偏心轮或偏心块难以形成足够的离心力， 因此频率越低激振器产生的激振力越小，且越不稳定。而路基动力加载试验属于加载频 率低，动力荷载变化幅度大(对于常用的截面半径7.5cm的路基土试样而言，在进行动 力加载时10-35Kpa所对应的动荷载将达到176N～618N)，因此，在路基土动力试验中采 用激振器作为动力源是无法达到试验要求的。并且目前对于同时考虑水体和动荷载耦合作用下的土体变形破坏问题研究还不够完善，在实际工程运用中还存在不足，因此设计 出一种适用于路基土体在不同低频率动力和湿化条件下的试验装置进行相关试验研究是 十分有必要的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种用于土体动力湿化研究的试验装置，能够模拟 不同车辆动力荷载加载和水体入渗湿化条件下各类土体的累积变形，通过对旋杆长度及 夹角的组合，灵活调整在某一加载频率下的加载间隔，提高了试验的准确性和普适性，土体经过动荷载作用后受力情况明确，结构合理、成本低，解决了现有技术中存在的问 题。
本发明的另一目的是，提供一种用于土体动力湿化研究的试验装置的试验方法。
本发明所采用的技术方案是，一种用于土体动力湿化研究的试验装置，包括动力系 统，传力系统和加载系统；
所述传力系统包括横梁，横梁的一端设有所述动力系统，横梁的另一端与固定支架 铰接，动力系统与固定支架之间的横梁上安装有所述加载系统，动力系统与加载系统之间的横梁上安装有挂钩，用于加载对应质量的砝码；
所述动力系统包括多个长度可调、夹角可调的旋杆，旋杆的一端均安装于回转驱动 机构的输出轴上，旋杆的自由端均设有滚轮，旋杆的旋转面与横梁共面，且旋转过程中滚轮能够与横梁的底部接触；
所述加载系统包括加载板，加载板底部与土样接触，加载板顶部中心通过传力杆与 横梁铰接，土样放置于加载筒内，加载筒的筒壁上开有注水孔，注水孔处安装有止水螺丝，加载筒安装于固定支架上。
进一步的，所述旋杆包括长度相同或者长度不同的旋杆一和旋杆二，旋杆一和旋杆 二的一端均安装于回转驱动机构的输出轴上，旋杆一、旋杆二的自由端均设有滚轮，旋杆一和旋杆二旋转过程中所有滚轮间歇地与横梁的底部接触。
进一步的，所述回转驱动机构包括电机，电机的转轴与降速齿轮啮合传动连接，降速齿轮的中心安装有输出轴，旋杆的端部安装于降速齿轮的输出轴上。
进一步的，所述电机、降速齿轮均安装于电机固定盒内，电机固定盒固定于支撑框架上，加载控制器通过一号电线与电机相连。
进一步的，所述旋杆包括实心杆，实心杆靠近电机输出轴的一端为扁平结构，实心杆的另一端为柱状，实心杆的扁平端中间设有槽口，电机的输出轴端部设有安装部，安 装部的直径小于输出轴其余部分的直径，实心杆通过槽口嵌套于安装部外壁，槽口的内 壁与安装部间隙配合，槽口的深度小于安装部的半径，连接扣与安装部螺纹连接，使得旋杆固定于电机输出轴的凸缘处。
进一步的，所述实心杆的柱状端外部套设有中空套筒，实心杆表面沿轴向设有多个 限位孔，中空套筒靠近实心杆的一端设有卡扣，卡扣的中部与中空套筒铰接，卡扣靠近实心杆的一端设有限位柱，卡扣的另一端设有弹簧，限位柱伸入限位孔内的时候，弹簧为压缩状态。
进一步的，所述支撑框架上设有竖直的矫正杆，矫正杆的上端设有向下弯曲的U型凹槽，U型凹槽与横梁端部滑动连接，用于导向横梁；旋杆自由端的滚轮将横梁顶起至 最高位置时，加载板与土样表面的距离小于5cm，横梁没有被滚轮接触时，加载板与土 样表面接触，且横梁没有与矫正杆的凹槽底部接触。
进一步的，所述连接扣为圆形，圆周上标有角刻度，旋杆表面设有轴向的标线。
进一步的，所述传力杆包括第一传力杆、第二传力杆，第一传力杆通过第一销钉与横梁铰接，第一传力杆与第二传力杆间通过连接螺纹相连；加载筒的筒底安装有垫板， 垫板通过固定螺栓安装于固定支架上；加载板的上表面固定有多个竖直的测量杆。
一种用于土体动力湿化研究的试验装置的试验方法，具体按照以下步骤进行：
S1，将加载筒安装于固定支架上，将试验的土体装入加载筒中，将止水螺丝旋出，注水孔与水管连接，达到所需湿度后，将加载板平放入加载筒内，加载板底部与土样上 表面接触；
S2，确定试验所需的加载频率和加卸载时间间隔，分别计算得到旋杆的长度及夹角， 根据计算所得长度及夹角进行调节后，固定旋杆至输出轴上；
S3，根据杠杆原理对试验所需施加的实际荷载进行质量换算后，根据换算所得质量 以对应重量的砝码挂于挂钩，开启回转驱动机构即可开始进行动力加载试验。
本发明的有益效果是：
本发明利用动力加载系统，可以实现对不同湿化程度的土体在不同车辆动力荷载加 载条件下的模拟，从而实现对不同土体在不同车辆动力荷载作用下的变形监测，对不同土体施加动荷载，研究不同土体在动荷载作用下的响应和土体的破坏机理，揭示各类土 体在不同水体入渗湿化条件和不同车辆动力荷载相互作用下的破坏过程。本发明通过特 定的动力装置及加载装置进行试验时对土样试件的初始形体要求较低，达到表面平整即 可，有效的避免了传统动三轴试验对试件形状、外表光滑程度、土体粒径等方面要求较 高的缺陷；提高了试验的准确性和普适性。
通常路基土体在动荷载试验中所受加载频率在0.5～5HZ之间，本发明通过电机结合 降速齿轮组的方式则可以将加载频率降低至0.1-15HZ之间，贴合实际工况，并且本发明通过对旋杆长度及夹角的组合，灵活调整在某一加载频率下的加载间隔，以适应各类不 同的工况。
本发明的土体在动荷载作用后整个土体在个方向上的受力几乎一致，其受力情况明 确，不会出现因土体所在区域深度或位置的不同而导致受力不一致的情况，即可将经动荷载作用后的土体直接取出后进行各类土工试验，从而实现对土体经过动荷载作用后的力学性能变化进行定量的对比分析，为研究后续的动力湿化下的土体力学参数劣化特性奠定基础。
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为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例动力系统结构示意图。
图3为本发明实施例支撑框架结构示意图。
图4为本发明实施例加载系统结构示意图。
图5为本发明实施例固定支架结构示意图。
图6为本发明实施例旋杆与输出轴的装配示意图。
图7为图6的截面图。
图8为图6的右视图。
图中，1.支撑框架、2.数据监测器、3.加载控制器、4.电机、41.安装部、5.电机固定盒、6.一号电线、701.旋杆一、702.旋杆二、8.滚轮、9.红外线感应装置、10.二号电线、 11.横梁、12.圆孔、13.挂钩、14.第一销钉、15.第二销钉、16.第一传力杆、17.第二传力杆、 18.加载板、19.测量杆、20.加载筒、21.垫板、22.固定支架、23.固定螺栓、24.土样、25. 止水螺丝、26.连接螺纹、27.降速齿轮、28.连接扣、29.槽口、30.标线、31.矫正杆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
本发明实施例一种用于土体动力湿化研究的试验装置，如图1所示，包括动力系统， 传力系统和加载系统；
传力系统包括横梁11，横梁11的一端设有动力系统，横梁11的另一端通过与固定支架22铰接，动力系统与固定支架22之间的横梁11上安装有加载系统，动力系统与加 载系统之间的横梁11上安装有挂钩13；从而组成了一套动力加载的杠杆系统。
如图1-3所示，动力系统包括长度可调的旋杆，旋杆至少为两个，包括旋杆一701和旋杆二702，旋杆一701和旋杆二702的一端均安装于回转驱动机构的输出轴上，旋杆 一701、旋杆二702的自由端均设有滚轮8，旋杆一701和旋杆二702的旋转面与横梁11 共面，且旋转过程中所有滚轮8间歇地与横梁11的底部接触；回转驱动机构包括电机4， 电机4的转轴与降速齿轮27啮合传动连接，降速齿轮27的中心安装有输出轴。
电机4和降速齿轮27一起放置于电机固定盒5内，电机固定盒5通过焊接方式与支撑框架1连接，支撑框架1底部固定有数据监测器2，加载控制器3放置于数据监测器2 顶部，旋杆的端部安装于降速齿轮27的输出轴上；加载控制器3通过一号电线6与电机 4相连，通过加载控制器3和降速齿轮27自由、灵活的降低或者增加旋杆一701、旋杆 二702的加载频率，提高灵活性和适用性。加载控制器3为型号UX-52的电机调速器； 通过加载控制器3可自由的提高或者降低电机转动频率，若降到可调试的最低频率后仍 未达到目标频率，则可以通过降速齿轮27降低输出轴的转速，继续降低旋杆的转速，从 而将加载频率降低至更低水平。
旋杆一701和旋杆二702结构相同，旋杆一701、旋杆二702均由实心杆和中空套筒组成，实心杆靠近输出轴的一端为扁平结构，实心杆的另一端为柱状，实心杆的扁平端 中间设有槽口29，输出轴端部设有安装部41，安装部41的直径小于输出轴其余部分的 直径，即电机4输出轴的轴向截面为“凸”形。红外线感应装置9、红外线发射装置分别安 装于旋杆的旋转平面两侧，红外线发射装置发射红外线，旋杆一701和旋杆二702间断 地遮挡红外线感应装置9接收的红外线，红外线感应装置9通过二号电线10与数据监测 器2电性连接，以达到计数的目的。
如图6-8所示，实心杆通过槽口29嵌套于安装部41外壁，槽口29的内壁为弧形， 槽口29的内壁与安装部41间隙配合，槽口29的深度小于安装部41的半径，使得调节 旋杆一701和旋杆二702的夹角时不会相互影响，调节旋杆一701和旋杆二702的夹角 为试验所需夹角，连接扣28与安装部41螺纹连接，使得旋杆一701和旋杆二702固定 于电机4输出轴的凸缘处，防止旋杆一701和旋杆二702受力后在电机4的输出轴上前后偏移导致试验出现误差或失败，角度调节方便，同时保证了足够的支撑强度。
实心杆的柱状端外部套设有中空套筒，实心杆表面沿轴向设有多个限位孔，中空套 筒靠近实心杆的一端设有卡扣，卡扣的中部与中空套筒铰接，卡扣靠近实心杆的一端设有限位柱，卡扣的另一端设有弹簧，限位柱伸入限位孔内的时候，弹簧为压缩状态；当 需要缩短旋杆一701或旋杆二702长度时，将限位柱拔出限位孔，推动中空套筒靠近实 心杆至合适位置，使得旋杆一701或旋杆二702为试验所需长度，将限位柱伸入对应的 限位孔内，在弹簧恢复力的作用下，限位柱能够有效固定实心杆和中空套筒的相对位置，保证试验结果的准确性。
连接扣28为圆形，圆周上标有角刻度，旋杆一701和旋杆二702的表面均设有轴向的标线30，旋杆一701和旋杆二702能够独立旋转，控制旋杆一701和旋杆二702的夹 角，同时旋杆一701和旋杆二702的长度能够调节，从而能够灵活的得到不同加载的频 率与加载间隔，可以灵活的模拟出各类不同的工况。
旋杆一701和旋杆二702均采用钢材制得，对于常用的截面半径7.5cm的路基土试样而言，在进行动力加载时10-35kpa所对应的动荷载会达到176N～618N，再经过杠杆原 理换算后，挂钩13上悬挂物重量通常在8Kg以下，因此，以常规钢材而言，完全具备足 够的强度和刚度来支撑横梁11的运动。
通过电机4带动旋杆一701和旋杆二702进行周期性转动，以此支撑横梁11进行循环的升降运动。横梁11通过第二销钉15与固定支架22铰接，横梁11上设有8个圆孔 12，挂钩13的上端穿过圆孔12，可根据需要施加的荷载大小，在经过换算后，在悬挂于 圆孔12上的挂钩13下施加不同重量的砝码，滚轮8和第二销钉15之间借助横梁11成 为了一种杠杆系统，利用杠杆原理，大大增加了可施加的荷载量程。本实施例中横梁11 的规格为长1200mm×宽10cm×高40mm，圆孔12内径为10mm。
支撑框架1上设有竖直的矫正杆31，矫正杆31的上端设有向下弯曲的U型凹槽，U型凹槽与横梁11端部滑动连接，用于导向或矫正横梁11；横梁11没有被滚轮8接触时， 横梁11直接下落至加载板18与土样24顶面相接触后，即停止下落，该过程横梁11没 有与矫正杆31的凹槽底部接触，进而避免产生试验误差；两个旋杆自由端的滚轮8将横 梁11顶起至最高位置时，加载板18与土样24表面的距离小于5cm，因此横梁11下落 时产生的震动十分微弱，并不足以对土样24的稳定性造成影响。横梁11靠近滚轮8的下方焊接适当尺寸的钢板以增加横梁11与滚轮8之间的接触面积，增加横梁11运动时 的稳定性。
如图1、4所示，加载系统包括加载板18，加载板18底部与土样24接触，加载板 18顶部中心通过传力杆与横梁11铰接，土样24放置于加载筒20内，加载筒20的筒壁 上开有注水孔，注水孔处安装有止水螺丝25，加载筒20安装于固定支架22上。
传力杆包括第一传力杆16、第二传力杆17，第一传力杆16通过第一销钉14与横 梁11铰接，第一传力杆16与第二传力杆17间通过连接螺纹26相连；可根据土样24的高度调节传力杆的长度，确保加载板18始终与土样24接触。电机4处于工作状态时， 挂钩13上所施加的荷载会通过横梁11传递至第一传力杆16、第二传力杆17和加载板 18，以此达到对土样24进行加载的目的，本实施例中加载筒20的规格为内径150mm× 高度200mm×厚度10mm；四根量程为100mm、精度为0.1mm的测量杆19通过焊接的 方式固定于加载板18的前后左右四个方位，用于测量加载前后土样24的累积变形；第 二传力杆17与加载板18之间以焊接的方式相连接，在本次示例中加载板18的规格为半 径190mm×厚度10mm。根据实际试验需要，依据杠杆原理，通过挂钩13下悬挂的砝码 质量换算出挂钩13及第一销钉14距第二销钉15的距离，分别调节至适当位置。
如图5所示，加载筒20的筒底安装有垫板21，垫板21通过四个固定螺栓23安装于固定支架22上，防止在加载过程中出现偏移；加载板18的上表面固定有多个竖直的测 量杆19，测量杆19与加载筒20内壁的间距0.5-2cm，避免测量杆19与加载筒20过于 贴近造成磨损。加载板18与加载筒20内壁的间距5mm，以避免二者间在加载时产生摩 阻力导致试验结果不够准确。
加载筒20的筒壁上开有注水孔，可通过去除筒壁上开口处的止水螺丝25的方式，对筒内的土样24进行不同程度的注水，从而达到控制土样24含水率的目的；在本次示 例中垫板21的规格为长300mm×宽300mm×高15mm。
具体的加载频率和加载间隔可由几何关系计算得出，计算方法如下：
设定电机4转动一周所需的时间为T，旋杆一701即将撑起横梁11的时刻为一个周期的起始时刻，旋杆一701卸荷时间(即旋杆一701开始接触横梁11至离开横梁11所需时间)为T1，旋杆一701加载时间(即旋杆一701离开横梁11后至旋杆二702即将 接触横梁11所需时间)为T2，旋杆二702卸荷时间(即旋杆二702开始接触横梁11至 离开横梁11所需时间)为T3，旋杆二702加载时间(即旋杆二702离开横梁11后至旋 杆一701即将接触横梁11所需时间)为T4，即T＝T1+T2+T3+T4。
设定在某次加载试验前，旋杆一701的杆长为L1，旋杆二702的杆长为L2，电机4 轴心距横梁11竖直距离为h，两杆件的夹角为α，电机4转动一周所需的时间T由加载 控制器3和降速齿轮27共同确定电机4的转动频率后计算得出(注：h＜min{L1，L2}。
以上五个参数确定后，即可确定出在一个完整的转动周期T内，旋杆一701、旋杆二702转动后产生的动荷载的加载频率与加载间隔；
T1＝(2arccosh/L1)/(360°)×T
T2＝{[(α+(arccosh/L1-arccosh/L2))/(360°)×T]-T1}
T3＝(2arccosh/L2)/(360°)×T
T4＝T-T1-T2-T3
例：设通过加载控制器2以调节旋杆旋转一周的所需总时间为1s，即T＝1s，
组合一：当旋杆一701杆长L1取5cm，旋杆二702杆长L2取5cm，两杆夹角取180°， 输出轴的轴心距横梁11的竖直距离h设置为2cm时，由上述公式可计算得出T1＝0.369s， T2＝0.131s，T3＝0.369s，T4＝0.131s；
组合二：当旋杆一701杆长L1取5cm，旋杆二702杆长L2取4.5cm，两杆夹角取180°，输出轴的轴心距横梁11的竖直距离h设置为2cm时，由上述公式可计算得出T1＝0.369s， T2＝0.139s，T3＝0.353s，T4＝0.139s；
组合三：当旋杆一701杆长L1取4cm，旋杆二702杆长L2取5cm，两杆夹角取180°， 输出轴的轴心距横梁11的竖直距离h设置为3cm时，由上述公式可计算得出T1＝0.23s， T2＝0.295s，T3＝0.237s，T4＝0.237s；
组合四：当旋杆一701杆长L1取5cm，旋杆二702杆长L2取5cm，两杆夹角取165°， 输出轴的轴心距横梁11的竖直距离h设置为3cm时，由上述公式计算后得出T1＝0.295s， T2＝0.295s，T3＝0.163s，T4＝0.246s。
旋杆一701与旋杆二702的长度并不强行要求一致，当两旋杆长度不一致时，则两杆在撑起横梁时所经历时间也不相同，即两杆对横梁的加载与卸荷时间可不一致，借此 可模拟车辆在加速或减速的变速行驶过程下的工况，相比于仅能模拟车辆匀速行驶状态 工况的两旋杆长度相同的条件，可使模拟更具灵活性与多样性。能够设置三个及以上数 量的旋杆，但当旋杆设置数目过多时，会导致在一个周期内旋杆顶起横梁11的时间过长， 即在模拟过程中荷载施加到土样24上的加载时间过短，土样24在一个周期内的大部分 时间内处于卸荷状态，无法达到对土样24施加动力荷载的目的。
本发明实施例一种用于土体动力湿化研究的试验装置的试验方法，具体按照以下步 骤进行：
S1，将加载筒20安装于固定支架22上，将试验的土体24装入加载筒20中，将止 水螺丝25旋出，注水孔与水管连接，达到所需湿度后，将加载板18平放入加载筒20内， 加载板18底部与土样24上表面接触；若土样24的量较少以至于加载板18无法与土样 24顶部接触时，通过旋转第二传力杆17，调节第一传力杆16和第二传力杆17的长度，使得加载板18与土样24顶部接触；定位准确后，将第二销钉15插入横梁11上对应的 圆孔12，使固定支架22与横梁11相连；
S2，确定试验所需的加载频率和加卸载时间间隔，通过几何公式分别计算得到旋杆 一701和旋杆二702的长度及夹角，将旋杆一701和旋杆二702通过杆身末端所开槽孔 分别嵌入至电机4的转轴上，根据计算所得杆长及夹角进行调节后，将带有角刻度盘的 连接扣28嵌入电机4的转轴上，固定旋杆一701和旋杆二702；
S3，根据杠杆原理对试验所需施加的实际荷载进行质量换算后，根据换算所得质量 以对应重量的砝码挂于挂钩13，随后接通电机4的电源开关即可开始进行动力加载试验；在试验过程中，可根据数据监测器上所显示的加载次数，判断试验是否已经达到试验计划需求，在加载达到计划所需次数后，关闭电源试验结束。
本发明的优势：
对路基进行相关研究时，路基填料的动静力学参数是否准确，对道路的稳定性和长 期正常运营至关重要。然而部分不良岩土体在进行路基填筑后，在动力作用下会逐渐发生崩解软化等不利反应，采用传统的动力三轴试验仪在进行动力试验时，由于试验仪器 限制与不良岩土体的自身特性，容易导致试验失败，如炭质泥岩等特殊软岩，处于干燥状态下时，力学性能优良，一旦遇水则会迅速软化并崩解，进而丧失整体性形成松散细 小颗粒，因此该类特殊岩土体在进行传统动三轴试验时，在进行制样时由于对土样试件 的规模尺寸和形状等要求较高，因此在制样时，由于强度较低导致压实成型较为困难， 在实验过程中也容易因其强度过低而导致试验失败。同时也无法有效的反应岩土体在动 荷载作用下的崩解软化破坏。在进行传统动三轴试验时对试件规模和尺寸方面的要求较 高，如试件的外表壁是否光滑且不能有明显缝隙等，当土体本身粒径较大时，由于对试件形状规模要求严格，容易在压缩过程中将大颗粒挤碎，改变试验的级配等初始条件； 二是当粒径尺寸过大时，即便能够将土样顺利压实成型，也难以使得试件外表壁做到无 明显缝隙存在，这一类试样显然是不符合试验标准的，并且在试验加载过程中，由于其 外壁缝隙过多过大，会极易造成试样变形或损坏，直接导致试验失败。本发明通过特定 的动力装置及加载装置进行试验时对土样试件的初始形体要求较低，达到表面平整即可，因而能较为有效的避免这一缺陷。
本发明通过动力部分的加载控制器和降速齿轮，将加载频率降低至0.1-15HZ之间， 贴合实际工况；同时通过灵活调整旋杆的长度及其夹角，通过几何关系计算得出了具体 在某一加载频率下的加卸载时间间隔，并通过自由调节杆长与夹角，可对在某一加载频率下的加卸载时间间隔进行自由调节，以此来对各类不同的实际道路工况进行更为贴切的模拟，这些都是在常规试验中难以实现的，相较于本领域内的常规试验而言更贴合实况，所得试验数据更为准确。例如，车辆动荷载的实际状态是，当车轮离开某一点后，在后续车轮还未到达该点前，该点所受的动荷载应当是为零的，在本发明动力施加装置 中，当两根旋杆对横梁都处于未接触状态时，土样处于完全卸载状态下，更准确地模拟 实际车辆动荷载。
简谐曲线加载的常规动三轴仪器，仪器价格昂贵，通常可达数十万元，使用成本较高；本发明在进行动力加载时利用了杠杆原理，大大提高了荷载的量程，通过控制挂钩 在横梁中不同圆孔上的位置和悬挂砝码的重量，可以自由的增加或者减少量程；试验装 置整体结构合理，仅用传统的机械工艺就可实现，安装及使用方便，工艺性好，成本低，结果稳定可靠，构造简单，适用性广。部分现有技术采用小车在土体顶部行驶的方式对 土体进行动力加载，由于路基工作区的存在，导致了其施加的荷载除了位于小车正下方 的少部分土体外，其他位置的土体所承受荷载是有所衰减的，且衰减程度各有不同，距 离小车越远的土体所受的动荷载影响就弱，由于无法明确位于小车下方各区域土体所受 荷载的衰减程度，因此在想要对进行动力加载前后的土体性能进行定量的对比分析时， 难以准确选取研究对象，此时对加载前后土体的力学性能进行定量的对比分析是难以实现的。本发明的土体在动荷载作用后整个土体在个方向上的受力几乎一致，其受力情况 是明确的，不会出现因土体所在区域深度或位置的不同而导致受力不一致的情况，即可 将经动荷载作用后的土体直接取出后进行各类土工试验，从而实现对土体经过动荷载作 用后的力学性能变化进行定量的对比分析。
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 (9)

1.一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，包括动力系统，传力系统和加载系统；
所述传力系统包括横梁（11），横梁（11）的一端设有所述动力系统，横梁（11）的另一端与固定支架（22）铰接，动力系统与固定支架（22）之间的横梁（11）上安装有所述加载系统，动力系统与加载系统之间的横梁（11）上安装有挂钩（13），用于加载对应质量的砝码；
所述动力系统包括多个长度可调、夹角可调的旋杆，旋杆的一端均安装于回转驱动机构的输出轴上，旋杆的自由端均设有滚轮（8），旋杆的旋转面与横梁（11）共面，且旋转过程中滚轮（8）能够与横梁（11）的底部接触；
所述加载系统包括加载板（18），加载板（18）底部与土样（24）接触，加载板（18）顶部中心通过传力杆与横梁（11）铰接，土样（24）放置于加载筒（20）内，加载筒（20）的筒壁上开有注水孔，注水孔处安装有止水螺丝（25），加载筒（20）安装于固定支架（22）上；
所述旋杆包括实心杆，实心杆靠近回转驱动机构输出轴的一端为扁平结构，实心杆的另一端为柱状，实心杆的扁平端中间设有槽口（29），回转驱动机构的输出轴端部设有安装部（41），安装部（41）的直径小于输出轴其余部分的直径，实心杆通过槽口（29）嵌套于安装部（41）外壁，槽口（29）的内壁与安装部（41）间隙配合，槽口（29）的深度小于安装部（41）的半径，连接扣（28）与安装部（41）螺纹连接，使得旋杆固定于回转驱动机构输出轴的凸缘处。
2.根据权利要求1所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述旋杆包括长度相同或者长度不同的旋杆一（701）和旋杆二（702），旋杆一（701）和旋杆二（702）的一端均安装于回转驱动机构的输出轴上，旋杆一（701）、旋杆二（702）的自由端均设有滚轮（8），旋杆一（701）和旋杆二（702）旋转过程中所有滚轮（8）间歇地与横梁（11）的底部接触。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述回转驱动机构包括电机（4），电机（4）的转轴与降速齿轮（27）啮合传动连接，降速齿轮（27）的中心安装有输出轴，旋杆的端部安装于降速齿轮（27）的输出轴上。
4.根据权利要求3所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述电机（4）、降速齿轮（27）均安装于电机固定盒（5）内，电机固定盒（5）固定于支撑框架（1）上，加载控制器（3）通过一号电线（6）与电机（4）相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述实心杆的柱状端外部套设有中空套筒，实心杆表面沿轴向设有多个限位孔，中空套筒靠近实心杆的一端设有卡扣，卡扣的中部与中空套筒铰接，卡扣靠近实心杆的一端设有限位柱，卡扣的另一端设有弹簧，限位柱伸入限位孔内的时候，弹簧为压缩状态。
6.根据权利要求4所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述支撑框架（1）上设有竖直的矫正杆（31），矫正杆（31）的上端设有向下弯曲的U型凹槽，U型凹槽与横梁（11）端部滑动连接，用于导向横梁（11）；旋杆自由端的滚轮（8）将横梁（11）顶起至最高位置时，加载板（18）与土样（24）表面的距离小于5cm，横梁（11）没有被滚轮（8）接触时，加载板（18）与土样（24）表面接触，且横梁（11）没有与矫正杆（31）的凹槽底部接触。
7.根据权利要求1所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述连接扣（28）为圆形，圆周上标有角刻度，旋杆表面设有轴向的标线（30）。
8.根据权利要求1所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，其特征在于，所述传力杆包括第一传力杆（16）、第二传力杆（17），第一传力杆（16）通过第一销钉（14）与横梁（11）铰接，第一传力杆（16）与第二传力杆（17）间通过连接螺纹（26）相连；加载筒（20）的筒底安装有垫板（21），垫板（21）通过固定螺栓（23）安装于固定支架（22）上；加载板（18）的上表面固定有多个竖直的测量杆（19）。
9.一种用于土体动力湿化研究的试验装置的试验方法，采用权利要求1-2或4-8任意一项权利要求所述的一种用于土体动力湿化研究的试验装置，具体按照以下步骤进行：
S1，将加载筒（20）安装于固定支架（22）上，将试验的土样（24）装入加载筒（20）中，将止水螺丝（25）旋出，注水孔与水管连接，达到所需湿度后，将加载板（18）平放入加载筒（20）内，加载板（18）底部与土样（24）上表面接触；
S2，确定试验所需的加载频率和加卸载时间间隔，分别计算得到旋杆的长度及夹角，根据计算所得长度及夹角进行调节后，固定旋杆至输出轴上；
S3，根据杠杆原理对试验所需施加的实际荷载进行质量换算后，根据换算所得质量以对应重量的砝码挂于挂钩（13），开启回转驱动机构即可开始进行动力加载试验。
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