CN113092344A - 一种多功能路基土体压实试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能路基土体压实试验系统，属于公路路基室内压实试验测试领域，包括试验体承载箱、反力单元、滚动振动加载单元、协同控制单元、数据监测及计算单元、供水单元；本发明中通过可提供静态和动态轮载的滚动振动加载单元、控制试验进程的协同控制单元以及具有供水功能的供水单元，实现压实沉降、水槽水位、系统荷载数据的采集以及进数据监测、数据计算；本发明所述的系统可实现在室内提供路基试验体的静态碾压和滚动振动加载试验，可以实现试验体的静力滚动加载和动力滚动加载，并可以实时监测试验体的变形，根据变形量及时计算压实度，并在试验后显示孔隙度变化，为填石路基及部分填土路基的室内的压实研究提供数据支持。
Description
技术领域
本发明属于公路路基室内压实试验测试领域，具体涉及一种多功能路基土体压实试验系统。
背景技术
常用的路基压实试验的仪器或系统多以锤击的方式进行路基压实，缺少使用轮载的室内路基压实试验仪器，更未见在轮载基础上能够实现动态荷载和静态荷载加载的室内路基压实试验系统，致使目前室内机不能模拟实际填石路基及高填方土路基等施工时的静碾压路机和动载压路机的压实状态，无法准确研究压实规律，为实际施工提供技术指导。此外，填石路基压实孔隙率的测定一直是工程中的难题，目前已有的室内路基压实试验仪器或系统不能兼顾路基压实前后的空隙度化情况。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种多功能路基土体压实试验系统，能够达到路基压实的室内试验与现场工程的统一，在科学方面：可提供静载与动载情况下路基压实程度对比，且能够计算路基压实前后的孔隙度，对于填石路基可通过供水系统进行孔隙率核算；在工程参数方面，可提供准确的压实度作为工程依据。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多功能路基土体压实试验系统，包括试验体承载箱、反力单元、滚动振动加载单元、协同控制单元、数据监测及计算单元、供水单元；所述的试验体承载箱内部中空，顶部开口；所述的试验体承载箱底部的一侧设有进水口；
所述的反力单元包括钢柱、下反力板、上反力板；所述的下反力板和上反力板平行布置；所述的试验体承载箱的外侧布置钢柱，钢柱的顶部分别贯穿下反力板和上反力板，并与下反力板和上反力板固定连接；所述的下反力板与试验体承载箱平行设置；
所述的滚动振动加载单元包括步进电机、保护筒、载荷传感器、液压千斤顶、Y型支撑架、辊筒、滑动块；所述的下反力板和上反力板相对的一侧分别设有滑槽；所述的保护筒的上端和下端分别设有与滑槽相匹配的滑轨A；所述的保护筒通过滑轨A卡入滑槽分别与下反力板和上反力板滑动连接；
所述的下反力板的中间设有通槽；所述的保护筒的底部设有凹槽；所述的液压千斤顶的一端插入凹槽；另一端穿过通槽连接载荷传感器的一端，载荷传感器的另一端连接倒立设置的Y型支撑架的顶部支脚；所述的Y型支撑架底部的两个支脚之间安装有转轴；所述的转轴安装有辊筒；
所述的保护筒的一侧安装滑动块，滑动块与保护筒之间通过连接杆连接；所述的滑动块的上端和下端分别设有与滑槽相匹配的滑轨B；所述的滑动块通过滑轨B卡入滑槽分别与下反力板和上反力板滑动连接；所述的转轴在辊筒的两侧分别安装有铰接座；所述的铰接座与滑动块之间分别设有第一拖拽臂和第二拖拽臂；所述的第一拖拽臂一端连接铰接座，另一端与第二拖拽臂的一端铰接，所述的第二拖拽臂的另一端分别连接滑动块的两侧；
所述的下反力板和上反力板之间的两侧分别设有卷线筒，卷线筒的一侧安装步进电机，下反力板和上反力板之间两侧的卷线筒分别通过钢丝线连接保护筒和滑动块；
所述的供水单元连接试验体承载箱的进水口；
所述协同控制单元包括控制箱，所述的控制箱内安装有控制器，所述的控制器分别与步进电机、液压千斤顶电性连接；
所述数据监测及计算单元包括工作站、数据采集箱、激光测距传感器、安装在供水单元内的水位传感器；所述的试验体承载箱的一侧设置工作站；所述工作站设有计算机控制系统，所述工作站的一侧设置数据采集箱，并与数据采集箱电性连接；所述的下反力板的底部设置激光测距传感器，且激光测距传感器分别均布在试验体承载箱的正上方；所述数据采集箱分别与激光测距传感器、水位传感器、荷载传感器电性连接；所述的数据采集箱和控制器分别与工作站电性连接。
钢柱固定于稳定的地面，并通过卡扣或焊接的方式与上反力板和下反力板构成反力结构。数据监测及计算单元中的工作站可以根据激光测距传感器采集的数据计算并显示试验体在荷载作用下的沉降量，工作站还可以根据水位传感器的水位监测数据，实时计算并显示水槽向承载箱内的供水量，并根据供水量、沉降量、未进行荷载压实之前的试验体体积，计算压实后试验体的孔隙度、沉降量根据激光测距传感器的采集数据计算得到。通过参数设置可以命令控制箱内的控制器使液压千斤顶施加符合试验要求的动态荷载或静态荷载，经过荷载传感器和传力三角架的传力作用，作用在辊筒上，最终使辊筒可以提供动态荷载和静态荷载两种方式，工作站可以控制两侧的步进电机左右牵引保护筒和滑动块的速率。
作为进一步技术改进，所述的供水单元包括水槽、滤沙筒；所述的试验体承载箱的一侧设置水槽；所述的水槽的底部设有出水口，出水口通过管道连接滤沙筒的进水口，所述的滤沙筒的出水口连接试验体承载箱的进水口；所述的管道安装有控水开关。
作为进一步技术改进，所述的试验体承载箱内的底部设有一层细砂。
作为进一步技术改进，所述的保护筒的顶部和底部分别设有半圆槽A；所述的半圆槽A内安装有滚动轴A；所述的保护筒通过滚动轴A分别与下反力板和上反力板滑移连接。
作为进一步技术改进，所述的滑动块的顶部和底部分别设有半圆槽B；所述的半圆槽B内安装有滚动轴B；所述的滑动块通过滚动轴B分别与下反力板和上反力板滑移连接。通过滚动轴A和滚动轴B分别实现保护筒和滑动块的滚动位移，减少现保护筒和滑动块与上下反力板的摩擦，减少功耗的产生，提高部件使用寿命。
作为进一步技术改进，所述的滤沙筒包括筒体和透水石；所述的筒体的进水口和出水口分别设有滤网；所述的筒体铺满透水石。所述的透水石主要用于防止细砂进入供水单元的管道。
作为进一步技术改进，所述的水槽采用透明有机玻璃材料，水槽的外侧设有刻度尺。
作为进一步技术改进，辊筒的宽度与试验体承载箱的宽度相匹配
作为进一步技术改进，所述的下反力板与钢柱通过焊接或卡扣固定连接。
作为进一步技术改进，辊筒的宽度与试验体承载箱的宽度相匹配。
作为进一步技术改进，所述的下反力板和上反力板与钢柱皆是通过焊接或卡扣固定连接。
本发明所述的多功能填石路基压实试验系统的使用方法，包括以下步骤：
S1:试验体承载箱采用矩形箱体，底部设置一层细砂；细砂的顶部铺满试验体；设置辊筒的宽度与试验体承载箱的宽度相匹配；
S2：试验前计算试验体承载箱内试验体的体积，可根据矩形试验体承载箱的体积减去细砂的体积得到压实前试验体的体积V1；
S3：试验人员控制工作台，启动一侧的步进电机使辊筒复位，回到试验体承载箱的初始位置，向控制器发送控制信号，驱动液压千斤顶下压至试验体表面，根据载荷传感器反馈的受力数据，使液压千斤顶对试验体产生指定挤压力；再通过另一侧的步进电机牵引辊筒压实试验体；
S4：压实试验结束后根据激光测距传感器的数据记录试验体的高度变化量，再根据矩形试验体承载箱的长和宽，得到试验体压实后的的体积V2；
S4：对于填石路基而言，压实试验结束后，通过供水单元对试验体承载箱进行渗透供水，当试验体承载箱内试验体表面布满均匀水膜时，停止供水，计算得到供水单元对试验体承载箱的供水量Q；得到压实后的孔隙度N2：
N2= Q/ V2；
压实前的孔隙度N1，可合理假设试验体受力被压实的体积都为孔隙体积，得压实前的孔隙度N1为：
N1=（Q+（V1-V2））/V1=（Q-V2）/V1+1。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
1.本发明中通过可提供静态和动态轮载的滚动振动加载单元、控制试验进程的协同控制单元以及具有供水功能的供水单元，实现压实沉降、水槽水位、系统荷载数据的采集以及进数据监测、数据计算；本发明所述的系统可实现在室内提供路基试验体的静态碾压和滚动振动加载试验，可以实现试验体的静力滚动加载和动力滚动加载，并可以实时监测试验体的变形，根据变形量及时计算压实度，并在试验后显示孔隙度变化，为填石路基及部分填土路基的室内的压实研究提供数据支持。
2.本发明通过采用步进电机和钢丝线作为辊筒的牵引，通过滑动块辊筒进行传动固定，增加辊筒压实的稳定性，提高检测精度。
3.本发明通过试验体承载箱的底部设置一层细砂可以使供水单元的水通过细砂层后均匀的向试验体从低处向高处渗透。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为A-A剖切面的结构示意图。
图3为保护筒的结构示意图。
图4为滤沙筒的结构示意图。
图5为下反力板的俯视结构示意图。
其中，上述各图标记及其对应的部件名称如下：
1-钢柱，2-水位传感器，3-水槽，4-下反力板，5-卡扣，6-上反力板，7-步进电机，8-钢丝线，9-保护筒，10-荷载传感器，11-液压千斤顶，12-第一拖拽臂，13-第二拖拽臂，14-连接杆，15-滑动块，16-控制箱，17-工作站，18-试验体承载箱，19-细砂，20-试验体，21-Y型支撑架，22-辊筒，23-滤沙筒，24-铰接座，25-转轴，26-透水石,27-控水开关,28-通槽,29-滑槽,30-凹槽,31-滑轨A,32-半圆槽A,33-滚动轴A,34-激光测距传感器,35-数据采集箱。
具体实施方式
为使基本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：
如附图1-5所示，本实施例的一种多功能路基土体压实试验系统，包括试验体承载箱18、反力单元、滚动振动加载单元、协同控制单元、数据监测及计算单元、供水单元；所述的试验体承载箱18内部中空，顶部开口；所述的试验体承载箱18底部的一侧设有进水口；
所述的反力单元包括钢柱1、下反力板4、上反力板6；所述的下反力板4和上反力板6平行布置；所述的试验体承载箱18的外侧布置钢柱1，钢柱1的顶部分别贯穿下反力板4和上反力板6，并与下反力板4和上反力板6固定连接；所述的下反力板4与试验体承载箱18平行设置；
所述的滚动振动加载单元包括步进电机7、保护筒9、载荷传感器10、液压千斤顶11、Y型支撑架21、辊筒22、滑动块15；所述的下反力板4和上反力板6相对的一侧分别设有滑槽29；所述的保护筒9的上端和下端分别设有与滑槽29相匹配的滑轨A31；所述的保护筒9通过滑轨A31卡入滑槽29分别与下反力板4和上反力板6滑动连接；
所述的下反力板4的中间设有通槽28；所述的保护筒9的底部设有凹槽30；所述的液压千斤顶11的一端插入凹槽30；另一端穿过通槽28连接载荷传感器10的一端，载荷传感器10的另一端连接倒立设置的Y型支撑架21的顶部支脚；所述的Y型支撑架21底部的两个支脚之间安装有转轴25；所述的转轴25安装有辊筒22；
所述的保护筒9的一侧安装滑动块15，滑动块15与保护筒9之间通过连接杆14连接；所述的滑动块15的上端和下端分别设有与滑槽29相匹配的滑轨B；所述的滑动块15通过滑轨B卡入滑槽 29分别与下反力板4和上反力板6滑动连接；所述的转轴25在辊筒22的两侧分别安装有铰接座24；所述的铰接座24与滑动块15之间分别设有第一拖拽臂12和第二拖拽臂13；所述的第一拖拽臂12一端连接铰接座24，另一端与第二拖拽臂13的一端铰接，所述的第二拖拽臂13的另一端分别连接滑动块15的两侧；
所述的下反力板4和上反力板6之间的两侧分别设有卷线筒，卷线筒的一侧安装步进电机7，下反力板4和上反力板6之间两侧的卷线筒分别通过钢丝线8连接保护筒9和滑动块15；
所述的供水单元连接试验体承载箱18的进水口；
所述协同控制单元包括控制箱16，所述的控制箱16内安装有控制器，所述的控制器分别与步进电机7、液压千斤顶11电性连接；
所述数据监测及计算单元包括工作站17、数据采集箱35、激光测距传感器34、安装在供水单元内的水位传感器2；所述的试验体承载箱18的一侧设置工作站17；所述工作站17设有计算机控制系统，所述工作站17的一侧设置数据采集箱35，并与数据采集箱35电性连接；所述的下反力板4的底部设置激光测距传感器34，且激光测距传感器34分别均布在试验体承载箱18的正上方；所述数据采集箱35分别与激光测距传感器34、水位传感器2、荷载传感器10电性连接；所述的数据采集箱35和控制器分别与工作站17电性连接。
所述的供水单元包括水槽3、滤沙筒23；所述的试验体承载箱18的一侧设置水槽3；所述的水槽3的底部设有出水口，出水口通过管道连接滤沙筒23的进水口，所述的滤沙筒23的出水口连接试验体承载箱18的进水口；所述的管道安装有控水开关27。
所述的试验体承载箱18内的底部设有一层细砂19。
所述的保护筒9的顶部和底部分别设有半圆槽A32；所述的半圆槽A32内安装有滚动轴A33；所述的保护筒9通过滚动轴A33分别与下反力板4和上反力板6滑移连接。
所述的滑动块15的顶部和底部分别设有半圆槽B；所述的半圆槽B内安装有滚动轴B；所述的滑动块15通过滚动轴B分别与下反力板4和上反力板6滑移连接。
所述的滤沙筒23包括筒体和透水石26；所述的筒体的进水口和出水口分别设有滤网；所述的筒体铺满透水石26。
所述的水槽3采用透明有机玻璃材料，水槽3的外侧设有刻度尺。
辊筒22的宽度与试验体承载箱18的宽度相匹配。
所述的下反力板4和上反力板6与钢柱1皆是通过焊接或卡扣5固定连接。
本实施例所述的多功能填石填土路基压实试验系统的使用方法，包括以下步骤：
S1:试验体承载箱18采用矩形箱体，底部设置一层细砂19；细砂19的顶部铺满试验体20；设置辊筒22的宽度与试验体承载箱18的宽度相匹配；
S2：试验前计算试验体承载箱18内试验体的体积，可根据矩形试验体承载箱18的长L1、宽M1、及试验体的高度H1得到压实前试验体20的体积V1为：
V1=L1×M1×H1；
S3：试验人员控制工作台17，启动一侧的步进电机7使辊筒22复位，回到试验体承载箱18的初始位置，向控制器发送控制信号，驱动液压千斤顶11下压至试验体20表面，根据载荷传感器10反馈的受力数据，使液压千斤顶11对试验体20产生指定挤压力；再通过另一侧的步进电机7牵引辊筒22压实试验体20；
S4：压实试验结束后根据激光测距传感器34的数据记录试验体20的高度变化量△H，再得到试验体20压实后的的体积V2为：
V2=L1×M1×（H1-△H）；
S4：对于填石路基而言，压实试验结束后，通过供水单元对试验体承载箱18进行渗透供水，当试验体承载箱18内试验体20表面布满均匀水膜时，停止供水，计算供水量时根据供水槽的长L2、宽M2和水位下降量H2计算得供水量Q为：
Q=L2×M2×H2；
得到压实后的孔隙度N2：
N2= Q/ V2；
压实前的孔隙度N1，可合理假设试验体20受力被压实的体积都为孔隙体积，得压实前的孔隙度N1为：N1=Q+V1-V2/V1=Q-V2/V1+1。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：包括试验体承载箱（18）、反力单元、滚动振动加载单元、协同控制单元、数据监测及计算单元、供水单元；所述的试验体承载箱（18）内部中空，顶部开口；所述的试验体承载箱（18）底部的一侧设有进水口；
所述的反力单元包括钢柱（1）、下反力板（4）、上反力板（6）；所述的下反力板（4）和上反力板（6）平行布置；所述的试验体承载箱（18）的外侧布置钢柱（1），钢柱（1）的顶部分别贯穿下反力板（4）、上反力板（6），并与下反力板（4）、上反力板（6）固定连接；所述的下反力板（4）与试验体承载箱（18）平行设置；
所述的滚动振动加载单元包括步进电机（7）、保护筒（9）、载荷传感器（10）、液压千斤顶（11）、Y型支撑架（21）、辊筒（22）、滑动块（15）；所述的下反力板（4）和上反力板（6）相对的一侧分别设有滑槽（29）；所述的保护筒（9）的上端和下端分别设有与滑槽（29）相匹配的滑轨A（31）；所述的保护筒（9）通过滑轨A（31）卡入滑槽（29）分别与下反力板（4）、上反力板（6）滑动连接；
所述的下反力板（4）的中间设有通槽（28）；所述的保护筒（9）的底部设有凹槽（30）；所述的液压千斤顶（11）的一端插入凹槽（30）；另一端穿过通槽（28）连接载荷传感器（10）的一端，载荷传感器（10）的另一端连接倒立设置的Y型支撑架（21）的顶部支脚；所述的Y型支撑架（21）底部的两个支脚之间安装有转轴（25）；所述的转轴（25）安装有辊筒（22）；
所述的保护筒（9）的一侧安装滑动块（15），滑动块（15）与保护筒（9）之间通过连接杆（14）连接；所述的滑动块（15）的上端和下端分别设有与滑槽（29）相匹配的滑轨B；所述的滑动块（15）通过滑轨B卡入滑槽（29）分别与下反力板（4）和上反力板（6）滑动连接；所述的转轴（25）在辊筒（22）的两侧分别安装有铰接座（24）；所述的铰接座（24）与滑动块（15）之间分别设有第一拖拽臂（12）和第二拖拽臂（13）；所述的第一拖拽臂（12）一端连接铰接座（24），另一端与第二拖拽臂（13）的一端铰接，所述的第二拖拽臂（13）的另一端连接滑动块（15）；
所述的下反力板（4）和上反力板（6）之间的两侧分别设有卷线筒，卷线筒的一侧安装步进电机（7），下反力板（4）和上反力板（6）之间两侧的卷线筒分别通过钢丝线（8）连接保护筒（9）和滑动块（15）；
所述的供水单元连接试验体承载箱（18）的进水口；
所述协同控制单元包括控制箱（16），所述的控制箱（16）内安装有控制器，所述的控制器分别与步进电机（7）、液压千斤顶（11）电性连接；
所述数据监测及计算单元包括工作站（17）、数据采集箱（35）、激光测距传感器（34）、安装在供水单元内的水位传感器（2）；所述的试验体承载箱（18）的一侧设置工作站（17）；所述工作站（17）设有计算机控制系统，所述工作站（17）的一侧设置数据采集箱（35），并与数据采集箱（35）电性连接；所述的下反力板（4）的底部设置激光测距传感器（34），且激光测距传感器（34）分别均布在试验体承载箱（18）的正上方；所述数据采集箱（35）分别与激光测距传感器（34）、水位传感器（2）、荷载传感器（10）电性连接；所述的数据采集箱（35）和控制器分别与工作站（17）电性连接。
2.根据权利要求1所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的供水单元包括水槽（3）、滤沙筒（23）；所述的试验体承载箱（18）的一侧设置水槽（3）；所述的水槽（3）的底部设有出水口，出水口通过管道连接滤沙筒（23）的进水口，所述的滤沙筒（23）的出水口连接试验体承载箱（18）的进水口；所述的管道安装有控水开关（27）。
3.根据权利要求2所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的试验体承载箱（18）内的底部设有一层细砂（19）。
4.根据权利要求3所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的保护筒（9）的顶部和底部分别设有半圆槽A（32）；所述的半圆槽A（32）内安装有滚动轴A（33）；所述的保护筒（9）通过滚动轴A（33）分别与下反力板（4）和上反力板（6）滑移连接。
5.根据权利要求4所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的滑动块（15）的顶部和底部分别设有半圆槽B；所述的半圆槽B内安装有滚动轴B；所述的滑动块（15）通过滚动轴B分别与下反力板（4）和上反力板（6）滑移连接。
6.根据权利要求2所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的滤沙筒（23）包括筒体和透水石（26）；所述的筒体的进水口和出水口分别设有滤网；所述的筒体铺满透水石（26）。
7.根据权利要求1所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的水槽（3）采用透明有机玻璃材料，水槽（3）的外侧设有刻度尺。
8.根据权利要求1所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的辊筒（22）的宽度与试验体承载箱（18）的宽度相匹配。
9.根据权利要求1所述的多功能路基土体压实试验系统，其特征在于：所述的下反力板（4）和上反力板（6）与钢柱（1）皆是通过焊接或卡扣（5）固定连接。
10.如权利要求1-9任一所述的多功能路基土体压实试验系统的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:试验体承载箱（18）采用矩形箱体，底部设置有一层细砂（19）；细砂（19）的顶部铺满试验体（20）；设置辊筒（22）的宽度与试验体承载箱（18）的宽度相匹配；
S2：试验前计算试验体承载箱（18）内试验体的体积，可根据矩形试验体承载箱（18）的体积减去细砂（19）的体积得到压实前试验体（20）的体积V1；
S3：试验人员控制工作台（17），启动一侧的步进电机（7）使辊筒（22）复位，回到试验体承载箱（18）的初始位置，向控制器发送控制信号，驱动液压千斤顶（11）下压至试验体（20）表面，根据载荷传感器（10）反馈的受力数据，使液压千斤顶（11）对试验体（20）产生指定挤压力；再通过另一侧的步进电机（7）牵引辊筒（22）压实试验体（20）；
S4：压实试验结束后根据激光测距传感器（34）的数据记录试验体（20）的高度变化量，再根据矩形试验体承载箱（18）的长和宽，得到试验体（20）压实后的的体积V2；
S4：对于填石路基而言，压实试验结束后，通过供水单元对试验体承载箱（18）进行渗透供水，当试验体承载箱（18）内试验体（20）表面布满均匀水膜时，停止供水，计算得到供水单元对试验体承载箱（18）的供水量Q；得到压实后的孔隙度N2：
N2= Q/ V2；
压实前的孔隙度N1，可合理假设试验体（20）受力被压实的体积都为孔隙体积，得压实前的孔隙度N1为：
N1=（Q+（V1-V2））/V1=（Q-V2）/V1+1。
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