CN114002060A - 加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统及方法，解决了现有技术中的室内大型动三轴试验难以模拟多场耦合及实际边界条件的技术问题。性能测试系统包括工况模拟装置和测量装置；工况模拟装置包括：支撑单元，用于支撑加筋土工结构；竖向加载单元，包括加载板以及驱动加载板的驱动机构；横向约束单元，包括约束板以及对约束板进行支撑的支撑机构；干湿循环控制单元，包括水循环机构以及烘干机构；测量装置包括：第一测距单元，用于测量竖向位移；第二测距单元，用于测量横向位移；压力监测单元，用于测量加筋土工结构承受的压力；状态监测单元，用于测量加筋土工结构的加速度、温度和含水率中的任意几个。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程及铁道工程的技术领域，尤其涉及加筋土工结构在水-热-力耦合作用下的性能研究的技术领域，具体而言，涉及加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统及方法。
背景技术
土工格室加筋作为一种立体加筋装置形式，目前已在国内外诸多领域得到广泛运用，土工格室通过侧壁的侧限作用、加筋层上下界面的摩擦作用以及应力扩散和柔性筏基作用，可提高路基结构的整体稳定性并减小沉降。
目前室内测试加筋土工结构物单元体动力性能的常用方法是大型动三轴试验，格室加筋粗颗粒体大型动三轴试验是基于相似理论将原型结构的尺寸受力荷载形式通过一定比例进行换算，用于测试加筋粗颗粒体临界动应力、动应变、动弹性模量、阻尼比等动力学指标，其不足之处在于：相似试验是缩尺试验，缩尺试验的边界条件很难精确模拟；试验材料为相似材料，材料的参数与实际差别较大；试验加载方式为径向和轴向加载与实际基床受力情况不匹配；试验只能进行单因素作用下的动力响应分析，而基床加筋粗颗粒体一般受多场耦合作用。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置，以解决现有技术中的室内大型动三轴试验难以模拟多场耦合及实际边界条件的技术问题。
为了实现上述第一个目的，本发明第一方面提供了对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置。技术方案如下：
对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置，包括：支撑单元，用于支撑加筋土工结构；支撑单元包括框架、底板以及侧板；竖向加载单元，用于对加筋土工结构施加竖向的动荷载；竖向加载单元包括加载板以及驱动加载板竖向运动的驱动机构；横向约束单元，用于对加筋土工结构施加横向的约束；横向约束单元包括约束板以及对约束板进行支撑的支撑机构；约束板与底板和侧板围成填筑加筋土工结构的箱体；干湿循环控制单元，用于控制加筋土工结构的含水量；干湿循环控制单元包括水循环机构以及烘干机构。
本发明的第二个目的在于提供加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统，以解决现有技术中的室内大型动三轴试验难以模拟多场耦合及实际边界条件的技术问题。
为了实现上述第二个目的，本发明第二方面提供了加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统。技术方案如下：
加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统，包括工况模拟装置和测量装置，其中，所述工况模拟装置用于模拟对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况；工况模拟装置包括：支撑单元，用于支撑加筋土工结构；支撑单元包括框架、底板以及侧板；竖向加载单元，用于对加筋土工结构施加竖向的动荷载；竖向加载单元包括加载板以及驱动加载板竖向运动的驱动机构；横向约束单元，用于对加筋土工结构施加横向的约束；横向约束单元包括约束板以及对约束板进行支撑的支撑机构；约束板与底板和侧板围成填筑加筋土工结构的箱体；干湿循环控制单元，用于控制加筋土工结构的含水量；干湿循环控制单元包括水循环机构以及烘干机构；所述测量装置用于测量加筋土工结构在工况模拟装置施加的多场耦合作用下的性能；测量装置包括：第一测距单元，用于测量加载板的竖向位移；第二测距单元，用于测量约束板的横向位移；压力监测单元，用于测量加筋土工结构承受的压力；状态监测单元，用于测量加筋土工结构的加速度、温度和含水率中的任意几个。
本发明的第三个目的在于提供加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试方法，以解决现有技术中的室内大型动三轴试验难以模拟多场耦合及实际边界条件的技术问题。
为了实现上述第三个目的，本发明第三方面提供了加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试方法。技术方案如下：
加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试方法，采用上述第一方面的工况模拟装置或第二方面的性能测试系统。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置的第一实施例的结构示意图。
图2为图1中支撑单元的一种实施方式的结构示意图。
图3为图1中加载板或约束板的一种实施方式的结构示意图。
图4为图1中电加热器的一种实施方式的结构示意图。
图5为本发明的对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置的第二实施例中调节结构的结构示意图。
图6为本发明的加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统的第一实施例的结构示意图。
图7为本发明的加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统的第二实施例中限位结构的结构示意图。
上述附图中的有关标记为：
100-支撑单元，110-框架，120-底板，130-侧板，210-加载板，220-驱动机构，230-伺服作动器，240-支架，310-约束板，311-匀力板，320-支撑机构，330-千斤顶，340-支撑杆，350-调节结构，351-第一连接部，352-第二连接部，353-螺栓组件，354-第一通孔，355-第二通孔，360-横杆，370-斜杆，410-水循环机构，420-烘干机构，421-导热电阻丝，422-绝缘膜，423-防水膜，430-水箱，440-水管，450-水泵，500-固液分离单元，510-排水管道，520-过滤器，610-第三通孔，620-盲孔，630-固定棒，710-第一测距单元，720-第二测距单元，730-压力监测单元，740-状态监测单元，741-加速度传感器，742-温度传感器，743-含水率传感器，800-限位结构，810-筒体，820-锥面，830-通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
图1为本发明的对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置的第一实施例的结构示意图。图2为图1中支撑单元的一种实施方式的结构示意图。
图3为图1中加载板或约束板的一种实施方式的结构示意图。图4为图1中电加热器的一种实施方式的结构示意图。
如图1-4所示，对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置包括支撑单元100、竖向加载单元、横向约束单元、干湿循环控制单元、固液分离单元500和固定单元。
所述支撑单元100用于支撑加筋土工结构；所述支撑单元100包括框架110、底板120以及两个相对设置的侧板130，所述两个侧板130中的一个侧板130采用透明的板体，所述透明的板体优选为钢化玻璃，由此，透过该板体可以实现实验过程的可视化。
所述竖向加载单元用于对加筋土工结构施加竖向的动荷载；所述竖向加载单元包括加载板210以及驱动加载板210竖向运动的驱动机构220；所述加载板210位于加筋土工结构的上方；所述驱动机构220包括伺服作动器230和支架240，伺服作动器230的上端与支架240连接，伺服作动器230的下端与加载板210连接。
所述横向约束单元用于对加筋土工结构施加横向的约束；所述横向约束单元包括约束板310以及对约束板310进行支撑的支撑机构320；所述横向约束单元为两个且对称设置在加筋土工结构的两侧；两个约束板310与底板120和侧板130围成填筑加筋土工结构的箱体；所述支撑机构320包括千斤顶330以及对千斤顶330进行支撑的支撑杆340，所述千斤顶330与约束板310配合，所述支撑杆340与框架110连接。
为了提升横向约束单元的稳定性，横向约束单元还包括连接约束板310和框架110的横杆360和斜杆370。
在加载板210和约束板310上均设有匀力板311，匀力板311的面积小于加载板210和约束板310的面积。由此，通过设置匀力板311，可以显著提升加载板210和约束板310对加筋土工结构施加的作用力的均匀性。
所述干湿循环控制单元用于控制加筋土工结构的含水量；干湿循环控制单元包括水循环机构410以及烘干机构420；所述水循环机构410包括设于支撑单元100下方的水箱430、与水箱430连接的水管440以及将水箱430的水通过水管440输送至加筋土工结构中的水泵450；所述烘干机构420包括设于底板120上的电加热器；加水时，水管440中的水从加载板210与支撑单元100之间的缝隙中缓慢流入加筋土工结构，排水时，携带颗粒物的水从约束板310与支撑单元100之间的缝隙中缓慢流入水箱430。
所述电加热器具有防水膜423、绝缘膜422和导热电阻丝421，绝缘膜422覆盖导热电阻丝421并与底板120粘接，防水膜423覆盖绝缘膜422并与底板120粘接，粘接处采用玻璃胶密封。
所述固液分离单元500用于回收从加筋土工结构中随水流出的颗粒物。所述固液分离单元500包括与水箱430连接的排水管440以及设于排水管440上的过滤器520。为了便于取出过滤器520拦截的颗粒物，优选使排水管440与过滤器520螺纹连接。
所述固定单元用于在填筑加筋土工结构时固定所述约束板310；所述固定单元包括设于支撑单元100上的第三通孔610、设于约束板310侧部的盲孔620以及与第三通孔610和盲孔620配合的固定棒630，使用时，将固定棒630穿过第三通孔610后插入盲孔620即可实现对约束板310的固定；所述固定单元的横截面为矩形，并且，约束板310两侧的固定单元均为两个。
图5为本发明的对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置的第二实施例中调节结构的结构示意图。
如图5所示，在第一实施例的基础上，对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置的第二实施例进一步具有如下设置：所述支撑机构320还包括调节千斤顶330的水平位置的调节结构350，所述调节结构350包括第一连接部351、第二连接部352和螺栓组件353；所述第一连接部351与千斤顶330的端部连接；所述第二连接部352上设有间隔排列的第一通孔354；支撑杆340上设有第二通孔355；所述螺栓组件353通过第一通孔354和第二通孔355将第二连接部352与支撑杆340连接。由此，通过移动调节结构350即可调节千斤顶330的水平位置，从而可以调节加筋土工结构承受的围压大小。所述“围压”是指加筋土工结构周围的结构物对它施加的压力。
图6为本发明的加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统的第一实施例的结构示意图。
如图6所示，加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统包括工况模拟装置和测量装置；所述工况模拟装置用于模拟对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况；所述测量装置用于测量加筋土工结构在工况模拟装置施加的多场耦合作用下的性能。
所述工况模拟装置采用上述的任意一个实施例的对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况模拟装置。
测量装置包括第一测距单元710、第二测距单元720、压力监测单元730、状态监测单元740和摄像单元。
所述第一测距单元710用于测量加载板210的竖向位移；所述第一测距单元710包括与支架240连接的激光测距仪。
所述第二测距单元720用于测量约束板310的横向位移；所述第二测距单元720包括与约束板310的外侧连接的千分表。
所述压力监测单元730用于测量加筋土工结构承受的压力；所述压力监测单元730包括与约束板310的内侧连接的微型动土压力盒。
所述状态监测单元740用于测量加筋土工结构的加速度、温度和含水率；所述状态监测单元740为至少两个并且竖向间隔排列在加筋土工结构的内部；所述状态监测单元740包括加速度传感器741、温度传感器742和含水率传感器743；通过在深度方向间隔排列的状态监测单元740，可以获知动加速度、温度和含水率沿深度的衰减情况。
所述摄像单元用于透过钢化玻璃对加筋土工结构进行拍摄，从而获知试验过程中颗粒物的运动情况；所述摄像单元包括摄像机；通过适配的图像处理软件，可以更直观的对加筋土工结构的变化进行分析。
图7为本发明的加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统的第二实施例中限位结构的结构示意图。
如图7所示，在第一实施例的基础上，加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统的第二实施例进一步具有如下设置：所述压力监测单元730还包括固定所述微型动土压力盒的限位结构800；所述限位结构800包括与约束板310连接的筒体810，微型动土压力盒的本体安装与筒体810内部，筒体810的外部具有锥面820，筒壁上具有安装微型动土压力盒的导线的通道830；由此，具有锥面820的筒体810能够分散微型动土压力盒承受的作用力，防止微型动土压力盒移动。
本发明的加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试方法的实施例为采用上述任意一个实施例的性能测试系统。
性能测试方法具体的包括以下步骤：
(1)安装约束板310；
即安装固定单元：使固定棒630穿过第三通孔610并插入对应的盲孔620即可。
(2)填筑加筋土工结构并安装压力监测单元730和状态监测单元740；
加筋土工结构优选采用分层填筑，填筑一层则压实振捣一层，确保每一个填筑层的压实系数K、地基系数K30和动态变形模量Evd满足要求后再布设该深度处的压力监测单元730和状态监测单元740；其中，压实系数K指加筋土工结构经压实实际达到的干密度与由击实试验得到的试样的最大干密度的比值；地基系数K30是表示加筋土工结构表面在平面压力作用下产生的可压缩性的大小，用产生单位位移需要施加的力表示，它是用直径为300mm的刚性承载板进行静压平板载荷试验，取第一次加载测得的应力—位移(σ-s)曲线上s为1.25mm所对应的荷载σS，按K30＝σS/1.25计算得出，单位为MPa/mm；动态变形模量Evd是指加筋土工结构在一定大小的竖向冲击力FS和冲击时间tS作用下抵抗变形能力的参数,Evd＝1.5rσ/s,r为圆形刚性的荷载板的半径，σ为荷载板下的最大动应力,它是通过在刚性基础上,由最大冲击力FS＝7.07kN且冲击时间tS＝17ms时标定得到的,即σ＝0.1MPa，s为实测荷载板下沉幅值。
(3)安装驱动机构220和支撑机构320；
在安装支撑机构320时需要根据所需围压大小调整千斤顶330的水平位置，具体为：
首先确定围压大小，围压的计算公式为：
σ3＝K0(γh+g(x))
式中，γ为土体重度，h为加筋土工结构物的深度，g(x)为实测加筋土工结构的顶面所受静应力，K0约为0.3～0.4。
然后根据围压推导出千斤顶330的初始长度；将千斤顶330调节至略小于初始长度；然后安装千斤顶330和调节结构350，使千斤顶330的端部顶住调节结构350的第一连接部351；增加千斤顶330长度至初始长度，即可使所需围压施加于加筋土工结构上。
(4)确定动荷载的激振力和频率；
根据加筋土工结构实际应用中所处线路运营的列车轴重、轴距和列车时速计算动荷载的激振力和频率。
激振力的计算公式为：
Pd＝P(1+αv)
频率的计算公式为：
式中，P为轴重；l为轴距；v为列车时速；α为经验参数，对时速为200～250km/h的高速铁路，α＝0.004，对时速为300～350km/h高速铁路，α＝0.003。
(5)获取加筋土工结构在以下任意几种模拟工况下由测量装置采集的数据：
模拟工况一：在干湿循环控制单元未运行过的情况下(初始状态下)运行驱动机构220；由此，可以模拟初始状态的加筋土工结构在动荷载作用下的工作状态。
模拟工况二：运行干湿循环控制单元使加筋土工结构从初始状态转变为水饱和状态；由此，可以模拟加筋土工结构在极端天气下的工作状态。
模拟工况三：在模拟工况二的水饱和状态下运行驱动机构220；由此，可以模拟水饱和状态下的加筋土工结构在动荷载作用下的工作状态。
模拟工况四：运行干湿循环控制单元使加筋土工结构从水饱和状态转变为干燥状态；由此，可以模拟降雨过后加筋土工结构含水率自然下降直至干燥状态下的工作状态。
模拟工况五：在模拟工况四的干燥状态下运行驱动机构220；由此，可以模拟经历水饱和状态后的加筋土工结构在动荷载作用下的工作状态。
模拟工况六：运行干湿循环控制单元使加筋土工结构在水饱和状态和干燥状态之间循环；由此，可以模拟加筋土工结构在干湿循环过程中的工作状态。
模拟工况七：在模拟工况六中的每个水饱和状态和干燥状态下运行驱动机构220；可以模拟复杂多变环境下的加筋土工结构在动荷载作用下的工作状态。
在每个工况的模拟中，固定棒630可以取下，也可以不取下。
(6)收集过滤器520拦截的颗粒物并确定粒径组成；取出加筋土工结构重新筛分，比较实验前后的组份变化。
综上可知，本发明的主要有益效果如下：
(1)通过竖向加载单元、横向约束单元、干湿循环控制单元实现了水-热-力三因素耦合作用于加筋土工结构的模拟，解决现有技术中难以模拟多场耦合的技术问题。
(2)能够模拟多种极端条件下的工况，如高频动荷载、干湿高度循环等极端条件，解决现有技术中难以模拟实际边界条件的技术问题。
(3)工况模拟装置以及性能测试系统的结构简单，拆装方便，造价低，测试精度高。
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试系统，其特征在于：包括工况模拟装置和测量装置，其中，
所述工况模拟装置用于模拟对加筋土工结构施加多场耦合作用的工况；工况模拟装置包括：
支撑单元(100)，用于支撑加筋土工结构；支撑单元(100)包括框架(110)、底板(120)以及侧板(130)；
竖向加载单元，用于对加筋土工结构施加竖向的动荷载；竖向加载单元包括加载板(210)以及驱动加载板(210)竖向运动的驱动机构(220)；
横向约束单元，用于对加筋土工结构施加横向的约束；横向约束单元包括约束板(310)以及对约束板(310)进行支撑的支撑机构(320)；约束板(310)与底板(120)和侧板(130)围成填筑加筋土工结构的箱体；
干湿循环控制单元，用于控制加筋土工结构的含水量；干湿循环控制单元包括水循环机构(410)以及烘干机构(420)；
所述测量装置用于测量加筋土工结构在工况模拟装置施加的多场耦合作用下的性能；测量装置包括：
第一测距单元(710)，用于测量加载板(210)的竖向位移；
第二测距单元(720)，用于测量约束板(310)的横向位移；
压力监测单元(730)，用于测量加筋土工结构承受的压力；
状态监测单元(740)，用于测量加筋土工结构的加速度、温度和含水率中的任意几个。
2.如权利要求1所述的性能测试系统，其特征在于：
所述加载板(210)位于加筋土工结构的上方；所述驱动机构(220)包括伺服作动器(230)和支架(240)，伺服作动器(230)的上端与支架(240)连接，伺服作动器(230)的下端与加载板(210)连接；所述第一测距单元(710)包括与支架(240)连接的激光测距仪；
所述支撑机构(320)包括千斤顶(330)以及对千斤顶(330)进行支撑的支撑杆(340)，所述千斤顶(330)与约束板(310)配合，所述支撑杆(340)与框架(110)连接；所述第二测距单元(720)包括与约束板(310)的外侧连接的千分表。
3.如权利要求1所述的性能测试系统，其特征在于：所述状态监测单元(740)为至少两个并且竖向间隔排列在加筋土工结构的内部；并且/或者，所述状态监测单元(740)包括加速度传感器(741)、温度传感器(742)和含水率传感器(743)。
4.如权利要求1所述的性能测试系统，其特征在于：所述压力监测单元(730)包括与约束板(310)的内侧连接的微型动土压力盒。
5.如权利要求4所述的性能测试系统，其特征在于：所述压力监测单元(730)还包括固定所述微型动土压力盒的限位结构(800)，所述限位结构(800)包括与约束板(310)连接的筒体(810)，微型动土压力盒的本体安装与筒体(810)内部，筒体(810)的外部具有锥面(820)，筒壁上具有安装微型动土压力盒的导线的通道(830)。
6.如权利要求1所述的性能测试系统，其特征在于：所述水循环机构(410)包括设于支撑单元(100)下方的水箱(430)、与水箱(430)连接的水管(440)以及将水箱(430)的水通过水管(440)输送至加筋土工结构中的水泵(450)；并且/或者，所述烘干机构(420)包括设于底板(120)上的电加热器。
7.如权利要求1所述的性能测试系统，其特征在于：工况模拟装置还包括固液分离单元(500)，所述固液分离单元(500)用于回收从加筋土工结构中随水流出的颗粒物；并且/或者，工况模拟装置还包括固定单元，所述固定单元用于在填筑加筋土工结构时固定所述约束板(310)。
8.如权利要求1所述的性能测试系统，其特征在于：所述侧板(130)中至少一个侧板(130)采用透明的板体；测量装置还包括透过所述板体对加筋土工结构进行拍摄的摄像单元。
9.加筋土工结构在多场耦合作用下的性能测试方法，其特征在于：采用权利要求1-8之一所述的性能测试系统。
10.如权利要求9所述的性能测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)安装约束板(310)；
(2)填筑加筋土工结构并安装压力监测单元(730)和状态监测单元(740)；
(3)安装驱动机构(220)和支撑机构(320)；
(4)确定动荷载的激振力和频率；
(5)获取加筋土工结构在以下任意几种模拟工况下由测量装置采集的数据：
模拟工况一：在干湿循环控制单元未运行过的情况下运行驱动机构(220)；
模拟工况二：运行干湿循环控制单元使加筋土工结构从初始状态转变为水饱和状态；
模拟工况三：在模拟工况二的水饱和状态下运行驱动机构(220)；
模拟工况四：运行干湿循环控制单元使加筋土工结构从水饱和状态转变为干燥状态；
模拟工况五：在模拟工况四的干燥状态下运行驱动机构(220)；
模拟工况六：运行干湿循环控制单元使加筋土工结构在水饱和状态和干燥状态之间循环；
模拟工况七：在模拟工况六中的每个水饱和状态和干燥状态下运行驱动机构(220)。
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