CN113739848A - 级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法，评价设备包括级配碎石上表面三维轮廓测量装置、升降控制装置、外部支撑框架、级配碎石储料仓、变形模拟装置、储料仓支撑平台、加/卸载装置和压力传感器。本发明通过加/卸载装置控制变形模拟装置使得储料仓级配碎石底部发生顶升或下沉作用，通过三维轮廓测量装置即可获得级配碎石顶面变形信息；能够复现真实路基结构发生不均匀冻胀或融沉等情况时级配碎石结构层缓冲差异变形的过程，通过变化级配碎石粒径、级配、含水量、压实度等材料参数和结构层厚度，变化加/卸载力的大小和幅值，得到级配碎石顶面三维变形信息，进而提出准确评价级配碎石缓冲路基差异变形能力的方法。
Description
技术领域
本发明涉及道路设计与施工技术领域，具体涉及一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法。
背景技术
我国多年冻土面积约占国土面积的21.5%，季节冻土区约占国土面积的53.5%，公路、铁路、机场等基础设施修筑不可避免跨越复杂的季节冻土区和多年冻土区。以季节性冻土区为例，冬春期间路基经历了冻结和融化两大过程，由于路基的尺度效应和阴阳坡效应，冻结时在路基内部将形成冻胀丘，融化时将形成沉降盆，诱发严重的道路病害，对上部路面结构或铁路设施产生重大影响，威胁行车安全和行车舒适性。因此，削弱路基冻胀融沉效应对上部结构的影响至关重要。此外，还有广泛分布的膨胀土和软土地区，也会诱发路基的膨胀和沉降等差异变形，对路面结构产生附加应力且难以控制，严重制约公路服务品质及区域经济发展。
当前，工程设计中主要采用级配碎石层对路基差异变形进行控制，但级配碎石结构层的最佳厚度、级配碎石的材料性能要求和施工控制标准等仍然严重依赖各地经验确定，相关学者的研究主要采用数值模拟等方法研究级配碎石的力学和变形特性。目前，尚没有有效的试验方法快速评价沉降和膨胀变形作用下级配碎石的顶面变形规律，或是在工程设计与养护中针对复杂的路基下卧层水文条件、降雨、温度波动等因素建立更为精准和差异化的处理策略。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法。本发明能够在实验室及施工现场快速评价级配碎石参数（如粒径大小、级配组成、含水量、压实度、厚度组合等）对路基膨胀和沉降变形的调节能力，为道路工程级配碎石结构层的材料设计、施工控制标准提供准确的量化评价方法。
本发明采用以下技术方案：
一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，包括级配碎石上表面三维轮廓测量装置、升降控制装置、外部支撑框架、级配碎石储料仓、变形模拟装置、储料仓支撑平台、加/卸载装置和压力传感器；
所述的外部支撑框架中部安装储料仓支撑平台，两端安装升降控制装置，上方设置级配碎石上表面三维轮廓测量装置；所述的储料仓支撑平台顶面安装有级配碎石储料仓；所述的储料仓支撑平台两端分别与升降控制装置连接；所述的级配碎石储料仓底面开有通孔，通孔内安装有变形模拟装置；所述的变形模拟装置为圆柱形，上端为曲面，下端为平面；所述的变形模拟装置上端通过通孔伸入级配碎石储料仓内，下端位于级配碎石储料仓外；所述的变形模拟装置下端安装有压力传感器，压力传感器的下端安装有加/卸载装置；所述的加/卸载装置上端与压力传感器连接，下端安装在外部支撑框架的底面上。
所述的级配碎石储料仓用于盛放需要进行模拟实验的级配碎石，变形模拟装置安装于级配碎石储料仓的中部的通孔内，模拟级配碎石受路基膨胀或沉降变形等差异变形的挤压。所述的压力传感器用于测量变形模拟装置受到的压力，加/卸载装置为变形模拟装置增加或减少载荷。所述的储料仓支撑平台用于支撑和放置级配碎石储料仓，升降控制装置用于调整级配碎石储料仓的高度。所述的级配碎石上表面三维轮廓测量装置用于扫描实验过程中级配碎石的变形状况。
优选的，所述的升降控制装置包括转轴Ⅰ、传送链条Ⅰ、传送链条Ⅱ、控制握把、转轴Ⅱ、丝杠、锥齿轮Ⅰ、丝杆和锥齿轮Ⅱ；
所述的外部支撑框架两端各安装有丝杆；所述的丝杆的顶部连接外部支撑框架的顶面，底部连接外部支撑框架的底面；所述的丝杠安装在丝杆上，丝杠的一侧与储料仓支撑平台固定连接；所述的丝杆的一侧安装有转轴Ⅰ，转轴Ⅰ的中部固定在外部支撑框架上；所述的转轴Ⅰ的一端伸向丝杆，另一端伸出外部支撑框架外；所述的丝杆的上端和转轴Ⅰ伸向丝杆的一端依次安装有锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ，锥齿轮Ⅰ和锥齿轮Ⅱ相互啮合；所述的转轴Ⅰ的下方安装有转轴Ⅱ；所述的转轴Ⅱ一端固定在外部支撑框架上，另一端延伸至外部支撑框架的外部；所述的转轴Ⅱ延伸至外部支撑框架的外部的一端安装有控制握把；
所述的传送链条Ⅰ分别安装在外部支撑框架两端的转轴Ⅰ上；所述的传送链条Ⅱ一端安装在转轴Ⅰ上，另一端安装在转轴Ⅱ上。
所述的升降控制装置在调整级配碎石储料仓的高度时，通过旋转控制握把带动安装在转轴Ⅱ上的传送链条Ⅱ转动，传送链条Ⅱ带动转轴Ⅰ转动。所述的锥齿轮Ⅱ随着转轴Ⅰ一起转动，锥齿轮Ⅱ带动安装在丝杆上的锥齿轮Ⅰ和丝杆一起转动。所述的丝杆在转动时，安装在丝杆上的丝杠沿着丝杆上下移动，进而改变级配碎石储料仓的高度。
优选的，所述的通孔配备有不同尺寸的同心圆环钢板；所述的变形模拟装置的直径与同心圆环钢板的内径相匹配；所述的同心圆环钢板安装在通孔内，变形模拟装置安装在同心圆环钢板内；所述的变形模拟装置上端可优选为锥形面、椭球面、圆球面或者其他设计形态，用于模拟路基膨胀丘或沉降盆。
优选的，所述的通孔的内径和同心圆环钢板的外径为300mm；所述的同心圆环钢板的内径为200mm或者100mm。
优选的，所述的外部支撑框架为长方体，长宽高依次为1.2m、1.0m、1.5m，底部安装有脚轮；所述的级配碎石储料仓为长方体，长宽高依次为800mm、600mm、500mm。
优选的，所述的加/卸载装置为千斤顶（量程为5t），通过控制千斤顶升降动作来模拟路基的膨胀和沉降变形。
优选的，所述的级配碎石上表面三维轮廓测量装置为激光测距仪。所述的激光测距仪的测量精度为1mm。通过电脑控制激光测距仪，可测量级配碎石表面的三维轮廓。
本发明还提供了一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价方法，使用上述评价设备对级配碎石缓冲路基双向差异变形能力进行评价，具体包括以下步骤：
步骤一，根据待设计路段所处地区的气候特点、路基年温度波动和含水量波动情况测算路基可能的最大冻胀变形和融沉变形量、冻胀丘或融沉盆面积，确定模拟路基膨胀丘或沉降盆的变形模拟装置的三维形态和尺寸；
步骤二，将级配碎石装入级配碎石储料仓中，装入过程中通过振动方式控制级配碎石的压实度；记录下级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度；
步骤三，通过升降控制装置调整储料仓支撑平台高度，依次安装加/卸载装置、压力传感器和变形模拟装置；
步骤四，启动加/卸载装置，采用级配碎石上表面三维轮廓测量装置测量加/卸载装置不同伸出或缩进高度下级配碎石顶面的三维变形信息，采用压力传感器测量变形模拟装置受到的压力；
步骤五，改变步骤二中级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度，重复步骤三和步骤四，获得若干组相对应的实验数据；
步骤六，将级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度参数与相对应的压力传感器受到的升降压力、变形模拟装置的三维形态、级配碎石顶面的三维变形信息建立关联关系；然后，采用级配碎石表面最大隆起或凹陷位移h1与路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置上升或下降位移h2的比值评价级配碎石缓冲差异变形的能力，采用级配碎石表面隆起或凹陷面积s1与路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置上端曲面面积s2的比值评价级配碎石提高路基模量均匀性的能力；
步骤七，根据设计路基的承载力要求和上述关联关系，确定级配碎石粒径、级配、含水量、厚度、压实度参数的控制范围。
本发明的优点：
1.本发明操作简单，通过加/卸载装置控制路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置使得储料仓级配碎石底部发生顶升或下沉作用，通过三维轮廓测量装置即可获得级配碎石顶面变形信息；能够复现真实路基结构发生不均匀冻胀或融沉等情况时级配碎石结构层缓冲差异变形的过程，通过变化级配碎石粒径、级配、含水量、压实度等材料参数和结构层厚度，变化加/卸载力的大小和幅值，得到级配碎石顶面三维变形信息，进而提出准确评价级配碎石缓冲路基差异变形能力的方法。
2.本发明的设备和方法首次实现级配碎石层厚度与材料的精确设计，且设备简单、操作简便、试验参数丰富、结果可靠、易于推广应用。
3.本发明通过设置级配碎石上表面三维轮廓测量装置、级配碎石储料仓和变形模拟装置，能够在实验室及施工现场快速评价级配碎石参数（如粒径大小、级配组成、含水量、压实度、厚度组合等）对路基膨胀和沉降变形的调节能力，为道路工程级配碎石结构层的材料设计、施工控制标准提供准确的量化评价方法。
4.本发明的升降控制装置采用链条传动和开式齿轮设计进行传动控制，维护成本低廉。同时，既可以在天气多变室外环境使用，又可以在实验室内使用。
5.本发明的外部支撑框架下方设置有脚轮，便于装置的快速移动和运输，使用场景灵活多变。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的侧视图；
图4是本发明中不同粒径碎石的模拟冻胀试验结果曲线图。
图5是本发明中不同粒径碎石的模拟沉降试验结果曲线图。
图6是本发明中不同冻胀模具上升阻力的模拟冻胀试验结果曲线图。
图7是本发明中不同级配碎石表面位移的模拟冻胀试验结果曲线图。
附图标识：
1-级配碎石上表面三维轮廓测量装置，2-升降控制装置，3-外部支撑框架，4-级配碎石储料仓，5-变形模拟装置，6-储料仓支撑平台，7-加/卸载装置，8-压力传感器，9-脚轮，10-转轴Ⅰ，11-传送链条Ⅰ，12-传送链条Ⅱ，13-控制握把，14-转轴Ⅱ，15-丝杠，16-锥齿轮Ⅰ，17-丝杆，18-锥齿轮Ⅱ。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
实施例1：
如图所示，一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，包括级配碎石上表面三维轮廓测量装置1、升降控制装置2、外部支撑框架3、级配碎石储料仓4、变形模拟装置5、储料仓支撑平台6、加/卸载装置7和压力传感器8；
所述的外部支撑框架3中部安装储料仓支撑平台6，两端安装升降控制装置2，上方设置级配碎石上表面三维轮廓测量装置1；所述的储料仓支撑平台6顶面安装有级配碎石储料仓4；所述的储料仓支撑平台6两端分别与升降控制装置2连接；所述的级配碎石储料仓4底面开有通孔，通孔内安装有变形模拟装置5；所述的变形模拟装置5为圆柱形，上端为曲面，下端为平面；所述的变形模拟装置5上端通过通孔伸入级配碎石储料仓4内，下端位于级配碎石储料仓4外；所述的变形模拟装置5下端安装有压力传感器8，压力传感器8的下端安装有加/卸载装置7；所述的加/卸载装置7上端与压力传感器8连接，下端安装在外部支撑框架3的底面上。
所述的级配碎石储料仓4用于盛放需要进行模拟实验的级配碎石，变形模拟装置5安装于级配碎石储料仓4的中部的通孔内，模拟级配碎石受路基膨胀或沉降变形等差异变形的挤压。所述的压力传感器8用于测量变形模拟装置5受到的压力，加/卸载装置7为变形模拟装置5增加或减少载荷。所述的储料仓支撑平台6用于支撑和放置级配碎石储料仓4，升降控制装置2用于调整级配碎石储料仓4的高度。所述的级配碎石上表面三维轮廓测量装置1用于扫描实验过程中级配碎石的变形状况。
其中，所述的升降控制装置2包括转轴Ⅰ10、传送链条Ⅰ11、传送链条Ⅱ12、控制握把13、转轴Ⅱ14、丝杠15、锥齿轮Ⅰ16、丝杆17和锥齿轮Ⅱ18；
所述的外部支撑框架3两端均安装有丝杆17；所述的丝杆17的顶部连接外部支撑框架3的顶面，底部连接外部支撑框架3的底面；所述的丝杠15安装在丝杆17上，丝杠15的一侧与储料仓支撑平台6固定连接；所述的丝杆17的一侧安装有转轴Ⅰ10，转轴Ⅰ10的中部固定在外部支撑框架3上；所述的转轴Ⅰ10的一端伸向丝杆17，另一端伸出外部支撑框架外3；所述的丝杆17的上端和转轴Ⅰ10伸向丝杆28的一端分别安装有锥齿轮Ⅰ16和锥齿轮Ⅱ18，锥齿轮Ⅰ16和锥齿轮Ⅱ18相互啮合；所述的转轴Ⅰ10的下方安装有转轴Ⅱ14；所述的转轴Ⅱ14一端固定在外部支撑框架3上，另一端延伸至外部支撑框架3的外部；所述的转轴Ⅱ14延伸至外部支撑框架3的外部的一端安装有控制握把13；
所述的传送链条Ⅰ11安装在外部支撑框架3两端的转轴Ⅰ10上；所述的传送链条Ⅱ12一端安装在转轴Ⅰ10上，另一端安装在转轴Ⅱ14上。
所述的升降控制装置2在调整级配碎石储料仓4的高度时，通过旋转控制握把13带动安装在转轴Ⅱ14上的传送链条Ⅱ12转动，传送链条Ⅱ12带动转轴Ⅰ10转动。所述的锥齿轮Ⅱ18随着转轴Ⅰ10一起转动，锥齿轮Ⅱ18带动安装在丝杆17上的锥齿轮Ⅰ16和丝杆17一起转动。所述的丝杆17在转动时，安装在丝杆17上的丝杠15沿着丝杆17上下移动，进而改变级配碎石储料仓4的高度。
所述的外部支撑框架1为长方体，长宽高依次为1.2m、1.0m、1.5m，底部安装有脚轮9；所述的级配碎石储料仓4为长方体，长宽高依次为800mm、600mm、500mm。
所述的通孔的内径为300mm；所述的变形模拟装置上端为锥形面。
在本实施例中，采用上述评价设备对级配碎石缓冲路基双向差异变形能力进行评价，具体包括以下步骤：
步骤一，根据待设计路段所处地区的气候特点、路基年温度波动和含水量波动情况测算路基可能的最大冻胀变形和融沉变形量、冻胀丘或融沉盆面积，确定模拟路基膨胀丘或沉降盆的变形模拟装置的三维形态和尺寸；
步骤二，将级配碎石装入级配碎石储料仓中，装入过程中通过振动方式控制级配碎石的压实度；记录下级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度；
步骤三，通过升降控制装置2调整储料仓支撑平台6高度，依次安装加/卸载装置7、压力传感器8和变形模拟装置5；
步骤四，启动加/卸载装置7，采用级配碎石上表面三维轮廓测量装置1测量加/卸载装置7不同伸出或缩进高度下级配碎石顶面的三维变形信息，采用压力传感器8测量变形模拟装置5受到的压力；
步骤五，改变步骤二中级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度，重复步骤三和步骤四，获得若干组相对应的实验数据；
步骤六，将级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度参数与相对应的压力传感器8受到的升降压力、变形模拟装置5的三维形态、级配碎石顶面的三维变形信息建立关联关系；然后，采用级配碎石表面最大隆起或凹陷位移h1与路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置上升或下降位移h2的比值评价级配碎石缓冲差异变形的能力，采用级配碎石表面隆起或凹陷面积s1与路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置上端曲面面积s2的比值评价级配碎石提高路基模量均匀性的能力；
步骤七，根据设计路基的承载力要求和上述关联关系，确定级配碎石粒径、级配、含水量、厚度、压实度参数的控制范围。
实施例2：
该实施例与实施例1的不同之处在于：所述的通孔配备有外径300mm的圆环钢板；所述的圆环钢板的内径为200mm；所述的同心圆环钢板安装在通孔内，变形模拟装置安装在同心圆环钢板内。
实施例3：
该实施例与实施例2的不同之处在于：所述的圆环钢板的内径为100mm。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：包括级配碎石上表面三维轮廓测量装置（1）、升降控制装置（2）、外部支撑框架（3）、级配碎石储料仓（4）、变形模拟装置（5）、储料仓支撑平台（6）、加/卸载装置（7）和压力传感器（8）；
所述的外部支撑框架（3）中部安装储料仓支撑平台（6），两端安装升降控制装置（2），上方设置级配碎石上表面三维轮廓测量装置（1）；所述的储料仓支撑平台（6）顶面安装有级配碎石储料仓（4）；所述的储料仓支撑平台（6）两端分别与升降控制装置（2）连接；所述的级配碎石储料仓（4）底面开有通孔，通孔内安装有变形模拟装置（5）；所述的变形模拟装置（5）为圆柱形，上端为曲面，下端为平面；所述的变形模拟装置（5）上端通过通孔伸入级配碎石储料仓（4）内，下端位于级配碎石储料仓（4）外；所述的变形模拟装置（5）下端安装有压力传感器（8），压力传感器（8）的下端安装有加/卸载装置（7）；所述的加/卸载装置（7）上端与压力传感器（8）连接，下端安装在外部支撑框架（3）的底面上。
2.根据权利要求1所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的升降控制装置（2）包括转轴Ⅰ（10）、传送链条Ⅰ（11）、传送链条Ⅱ（12）、控制握把（13）、转轴Ⅱ（14）、丝杠（15）、锥齿轮Ⅰ（16）、丝杆（17）和锥齿轮Ⅱ（18）；
所述的外部支撑框架（3）两端均安装有丝杆（17）；所述的丝杆（17）的顶部连接外部支撑框架（3）的顶面，底部连接外部支撑框架（3）的底面；所述的丝杠（15）安装在丝杆（17）上，丝杠（15）的一侧与储料仓支撑平台（6）固定连接；所述的丝杆（17）的一侧安装有转轴Ⅰ（10），转轴Ⅰ（10）的中部固定在外部支撑框架（3）上；所述的转轴Ⅰ（10）的一端伸向丝杆（17），另一端伸出外部支撑框架外（3）；所述的丝杆（17）的上端和转轴Ⅰ（10）伸向丝杆（28）的一端分别安装有锥齿轮Ⅰ（16）和锥齿轮Ⅱ（18），锥齿轮Ⅰ（16）和锥齿轮Ⅱ（18）相互啮合；所述的转轴Ⅰ（10）的下方安装有转轴Ⅱ（14）；所述的转轴Ⅱ（14）一端固定在外部支撑框架（3）上，另一端延伸至外部支撑框架（3）的外部；所述的转轴Ⅱ（14）延伸至外部支撑框架（3）的外部的一端安装有控制握把（13）；
所述的传送链条Ⅰ（11）安装在外部支撑框架（3）两端的转轴Ⅰ（10）上；所述的传送链条Ⅱ（12）一端安装在转轴Ⅰ（10）上，另一端安装在转轴Ⅱ（14）上。
3.根据权利要求1或2所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的通孔配备有不同尺寸的同心圆环钢板；所述的变形模拟装置（5）的直径与同心圆环钢板的内径相匹配；所述的同心圆环钢板安装在通孔内，变形模拟装置（5）安装在同心圆环钢板内。
4.根据权利要求3所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的通孔的内径和同心圆环钢板的外径为300mm；所述的同心圆环钢板的内径为200mm或者100mm。
5.根据权利要求1所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的外部支撑框架（3）为长方体，长宽高依次为1.2m、1.0m、1.5m，底部安装有脚轮（9）；所述的级配碎石储料仓（4）为长方体，长宽高依次为800mm、600mm、500mm。
6.根据权利要求1所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的变形模拟装置（5）上端为锥形面、椭球面或者圆球面。
7.根据权利要求1所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的加/卸载装置（7）为千斤顶。
8.根据权利要求1所述的级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，其特征在于：所述的级配碎石上表面三维轮廓测量装置（1）为激光测距仪。
9.一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价方法，其特征在于：使用如权利要求1-8任一所述评价设备对级配碎石缓冲路基双向差异变形能力进行评价，具体包括以下步骤：
步骤一，根据待设计路段所处地区的气候特点、路基年温度波动和含水量波动情况测算路基可能的最大冻胀变形和融沉变形量、冻胀丘或融沉盆面积，确定模拟路基膨胀丘或沉降盆的变形模拟装置的三维形态和尺寸；
步骤二，将级配碎石装入级配碎石储料仓中，装入过程中通过振动方式控制级配碎石的压实度；记录下级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度；
步骤三，通过升降控制装置（2）调整储料仓支撑平台（6）高度，依次安装加/卸载装置（7）、压力传感器（8）和变形模拟装置（5）；
步骤四，启动加/卸载装置（7），采用级配碎石上表面三维轮廓测量装置（1）测量加/卸载装置（7）不同伸出或缩进高度下级配碎石顶面的三维变形信息，采用压力传感器（8）测量变形模拟装置（5）受到的压力；
步骤五，改变步骤二中级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度，重复步骤三和步骤四，获得若干组相对应的实验数据；
步骤六，将级配碎石的粒径、级配、含水量、厚度和压实度参数与相对应的压力传感器（8）受到的升降压力、变形模拟装置（5）的三维形态、级配碎石顶面的三维变形信息建立关联关系；然后，采用级配碎石表面最大隆起或凹陷位移h1与路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置上升或下降位移h2的比值评价级配碎石缓冲差异变形的能力，采用级配碎石表面隆起或凹陷面积s1与路基膨胀丘或沉降盆变形模拟装置上端曲面面积s2的比值评价级配碎石提高路基模量均匀性的能力；
步骤七，根据设计路基的承载力要求和上述关联关系，确定级配碎石粒径、级配、含水量、厚度、压实度参数的控制范围。
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