CN114755174A - 模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，包括试样制样系统、竖向压力加载系统和冲击碾压系统，通过试样制样系统制备粗粒土试样，通过调节落砂高度控制粗粒土试样的初始相对密实度；通过竖向压力加载系统对粗粒土试样施加竖向应力，实现粗粒土试样的固结，以模拟粗粒土试样的原应力状态；固结完成后，采用冲击碾压系统对粗粒土试样施加冲击碾压荷载，通过调节冲击轮质量和冲击轮在粗粒土试样表面的水平移动速度，以模拟实际的冲击碾压过程。本发明可用于在室内模拟实际应力状态粗粒土地基的冲击碾压加固过程，为评估冲击碾压技术加固粗粒土地基的效果和探究粗粒土密实机理提供可靠的技术支撑。

Description

模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程地基处理技术领域，尤其是指一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置及方法。

背景技术

冲击碾压是一种地基的动力加固方法，该方法将冲击和碾压结合，利用非圆形冲击轮在运动过程中重心变化产生的冲击力和自重压力对土体进行压实，相比传统的碾压等静压密实技术，其加固深度更深，压实效率提高3倍以上。近年来，冲击碾压技术逐步应用于水利工程、道路工程、机场工程等行业的地基加固中。

目前国内外对细粒土地基的冲击碾压加固效果和加固机理进行了一些有益的探索，对影响地基冲碾加固效果的因素及加固机制进行了研究，探讨了冲击轮质量和牵引速度等因素对加固效果的影响，尽管如此，目前国内外对粗粒土地基冲击碾压的加固机制及其影响因素的研究仍然不够深入。目前国内外学者主要从室内模型试验和数值分析的角度进行研究，其中室内模型试验是一种重要的手段。

然而现有的冲击碾压模型试验文献中，模型试验对象主要是细粒土，模型试验土样主要采用落雨法制样，土样应力水平较低，远低于实际地基的应力状态。模型试验加固后粗粒土的密实度指标偏低，不能反映现场实际情况。同时现有报道的冲击碾压模型装置中，采用钢丝绳拉动冲击轮沿着固定轨道进行水平运动，在钢丝绳牵引力作用下冲击轮的运动过程是一个加速过程，其水平移动速度随运动过程逐渐增加的，这与实际情况不符。同时现有报道的试验装置需要在承台一侧安装冲击轮的速度缓冲装置，以保证试验安全。

因此亟需开发一种模型试验装置，能够模拟实际应力状态粗粒土的冲击碾压加固过程，能够精确控制冲击轮的水平运动过程和移动速度，能够通过宏微观测试手段掌握粗粒土地基在冲击碾压过程中的加固机理，从而确定最佳的冲击碾压参数，为原位粗粒土地基的加固提供可靠依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置及方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，包括

试样制样系统，包括模型箱、起重模块、砂桶和撒砂导引模块，所述起重模块连接所述砂桶，所述砂桶的出口端设置砂嘴，且所述砂桶的出口端通过伸缩软管连接砂嘴，通过拉动所述伸缩软管控制所述砂嘴的下料位置；所述砂桶内装入染色粗粒土试样通过所述起重模块的运动，沿着所述撒砂导引模块将所述粗粒土试样分层铺设在模型箱内；所述撒砂导引模块设置在所述模型箱之上；所述撒砂导引模块包括多根相互平行设置的杆件，且所述杆件沿所述模型箱的长度方向均匀间隔设置；所述模型箱内布置多个阵列的传感器，所述传感器用于监测在冲击碾压过程中所述模型箱内不同位置及深度的粗粒土试样的动土压力、加速度和冲击接触应力；

竖向压力加载系统，包括空气压缩机、气动元件和加载组件，所述空气压缩机的排气口连通所述气动元件，所述气动元件的输出端和所述加载组件连接；所述空气压缩机的排气口设置调压阀，所述调压阀调节所述空气压缩机的排气压力；所述气动元件通过所述加载组件对所述模型箱内的粗粒土试样施加竖向应力，且通过所述调节阀控制竖向应力的大小，模拟粗粒土试样的实际应力状态；

冲击碾压系统，包括转动电机、牵引主机、冲击轮、螺杆和编码控制器，所述螺杆分别与转动电机和牵引主机连接，所述螺杆将转动电机的圆周运动转化为牵引主机的匀速水平运动，所述牵引主机连接所述冲击轮，并带动所述冲击轮沿着所述模型箱内的粗粒土试样表面水平移动，冲击轮运动过程中由于重心发生高低变化对粗粒土试样产生冲击荷载和碾压荷载；所述转动电机连接所述编码控制器，所述编码控制器控制所述转动电机的转速；其中，所述冲击轮的外轮廓曲线为基于修正外摆线的多项式曲线，且所述冲击轮可通过在其内部更换质量块的方式来调节质量大小；

所述冲击轮包括空心本体，所述空心本体的外轮廓包括首尾依次相连的第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段，所述第一曲线段和所述第二曲线段之间、所述第二曲线段和所述第三曲线段之间和所述第一曲线段和所述第三曲线段之间均设置凹陷部，所述第一曲线段、所述第二曲线段和所述第三曲线段均设置最高点，且所述最高点不在对应的曲线段的中点；所述空心本体设置三个容置腔，所述容置腔内安装配重块。

其进一步的技术特征在于：所述传感器包括土压力传感器和加速度传感器，多个所述传感器沿模型箱的高度方向分层排列。

其进一步的技术特征在于：所述起重模块为电葫芦，所述起重模块安装于撒砂支架上；所述撒砂支架的底部安装砂雨支架导轮，所述砂雨支架导轮用于移动所述撒砂支架。

其进一步的技术特征在于：所述气动元件为单作用气缸，所述单作用气缸安装于反力架上。

其进一步的技术特征在于：所述牵引主机通过缓冲模块连接所述冲击轮，所述缓冲模块用于协调所述冲击轮和所述牵引主机之间的相互作用。

其进一步的技术特征在于：所述模型箱的一侧设置可视窗口和照明光源，所述照明光源对所述模型箱内的粗粒土试样进行照明。

其进一步的技术特征在于：还包括处理系统，所述处理系统包括终端处理模块、动态信号测试分析模块和图像采集模块，所述动态信号测试分析模块用于采集所述传感器的数据并反馈给所述终端处理模块，所述图像采集模块用于采集所述模型箱内的粗粒土试样运动过程中颗粒的散斑变化图片并反馈给所述终端处理模块；所述终端处理模块用于分析并显示结果。

一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验方法，利用上述所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置进行试验，包括以下步骤：

S1、通过试样制样系统制备粗粒土试样，通过调节分层落砂的高度控制粗粒土试样的初始相对密实度；

S2、通过竖向压力加载系统对粗粒土试样施加竖向应力，实现粗粒土试样的固结，以模拟粗粒土试样的原应力状态；

S3、固结完成后，采用冲击碾压系统对粗粒土试样施加冲击碾压荷载，通过调节冲击碾压系统在粗粒土试样表面的水平移动速度，以模拟冲击碾压加固粗粒土地基的过程。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明的技术方案可开展适用于粗粒土地基的多边界条件、多加固参数冲击碾压模型试验，可为粗粒土地基的冲击碾压施工参数选取提供可靠的理论依据和技术支撑。

2、本发明采用转速可控的电机实现螺杆匀速转动，进而带动牵引主机和冲击轮水平运动。可通过调节电机转速调节螺杆的转速，实现对冲击轮运动速度的控制，相比于传统模型试验中采用钢丝绳拉动冲击轮的方法，对牵引速度的控制更为精确，冲击轮的水平运动速度波动极小，同时螺杆停止转动后冲击轮同步停止运动，因此无需在模型箱一侧设置冲击轮的速度缓冲系统，试验过程更加安全。

3、本发明采用编码速度控制器、电机、螺杆、牵引主机、缓冲模块等作为冲击轮的牵引系统，可精确调节冲击轮的水平牵引速度，用于模拟实际工程中非圆形冲击轮的匀速移动过程，可研究不同牵引速度对冲击碾压加固效果的影响规律。

4、本发明采用的冲击轮由盖板、质量块、钢制空心冲击轮及多个螺丝组合而成，可仅使用螺丝刀实现拆卸和安装。通过更改可拆卸冲击轮内部质量块的数量实现对冲击轮质量的调整，进而研究不同冲击轮质量对冲击碾压加固效果的影响。

5、本发明可在模型箱中布置阵列的土压力传感器和加速度传感器，通过连接动态信号测试分析系统，实现冲击碾压加固粗粒土地基过程中多物理量的实时监测。

6、本发明在模型箱正面设置有可视窗口及照明设备，在合适的亮度下，图像系统可连续采集冲击轮对土体碾压瞬态过程中颗粒的运动图片，进而分析粗粒土地基细观参数变化和颗粒运动规律。

7、本发明的冲击碾压试验方法包括2个主要步骤：首先对粗粒土试样施加竖向压力以模拟粗粒土地基的原应力状态，在此基础上对模型试样施加冲击碾压荷载。

8、本发明的冲击碾压试验方法包括多次的冲击碾压，用于研究冲碾次数对粗粒土地基的加固效果。

9、本发明的冲击碾压试验方法可操作性强。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是冲击碾压试验装置的主视图。

图2是冲击碾压试验装置的俯视图。

图3是粗粒土试样制样系统的示意图。

图4是撒砂导引模块的示意图。

图5是粗粒土竖向压力加载系统的示意图。

图6是冲击轮的结构示意图。

图7是冲击轮的左视图。

图8是配重块的示意图。

图9是冲击轮的右视图。

图10是处理系统的原理框图。

图11是冲击碾压试验方法的流程图。

图12是粗砂土地基贯入阻力与碾压次数的关系图。

图13是粗砂地基第一次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点不同间距处动土压力时程曲线图。

图14是粗砂地基第五次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点不同间距处动土压力时程曲线图。

图15是粗砂地基第十次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点不同间距处动土压力时程曲线图。

图16是粗砂地基第十五次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点不同间距处动土压力时程曲线图。

图17是粗砂地基第一次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点下不同深度处动土压力时程曲线图。

图18是粗砂地基第一次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点下不同深度处动土压力时程曲线图。

图19是粗砂地基第十次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点下不同深度处动土压力时程曲线图。

图20是粗砂地基第十五次冲击碾压过程中距离地基中心冲击点下不同深度处动土压力时程曲线图。

图21是粗砂地基冲击中心处不同深度动应力峰值随碾压次数的变化关系曲线。

图22是粗砂地基沉降监测数据随冲击碾压次数变化的曲线图。

图23是以牵引速度0.5m/s-冲击轮质量4.22kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的冲击荷载形式曲线图。

图24是以牵引速度0.5m/s-冲击轮质量7.81kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的冲击荷载形式曲线图。

图25是以牵引速度1.0m/s-冲击轮质量4.22kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的冲击荷载形式曲线图。

图26是以牵引速度1.0m/s-冲击轮质量7.81kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的冲击荷载形式曲线图。

图27是中砾地基在不同冲击碾压试验过程中监测到的冲击应力峰值与冲击碾压次数变化关系图。

图28是中砾地基在不同冲击碾压试验过程中监测到的5cm深度处动土应力峰值随冲击碾压次数变化关系图。

图29是中砾地基在不同冲击碾压试验过程中监测到的10cm深度处动土应力峰值随冲击碾压次数变化关系图。

图30是中砾地基在不同冲击碾压试验过程中监测到的20cm深度处动土应力峰值随冲击碾压次数变化关系图。

图31是中砾地基在不同冲击碾压试验过程中监测到的30cm深度处动土应力峰值随冲击碾压次数变化关系图。

图32是以0.5m/s牵引速度-冲击轮质量4.22kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的动应力峰值随深度的衰减规律曲线图。

图33是以0.5m/s牵引速度-冲击轮质量7.81kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的动应力峰值随深度的衰减规律曲线图。

图34是以1.0m/s牵引速度-冲击轮质量4.22kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的动应力峰值随深度的衰减规律曲线图。

图35是以1.0m/s牵引速度-冲击轮质量7.81kg为冲击碾压试验参数时中砾地基冲击中心处监测得到的动应力峰值随深度的衰减规律曲线图。

图36是使用本发明测得的不同冲击碾压试验中中砾地基表层沉降随碾压次数变化的关系图。

图37是0.5m/s牵引速度下不同冲击碾压遍数后中砾地基比贯入阻力与深度的关系图。

图38是1m/s牵引速度下不同冲击碾压遍数后中砾地基比贯入阻力与深度的关系图。

说明书附图标记说明：1、模型箱；2、撒砂支架；3、起重模块；4、钢丝绳；5、砂桶；6、砂嘴；7、撒砂导引模块；8、砂雨支架导轮；9、管道；10、调压阀；11、气动元件；12、反力架；13、数显百分表；14、加载杆；15、加载板；16、粗粒土试样；17、转动电机；18、牵引主机；19、缓冲模块；20、冲击轮；2001、上盖；2002、空心本体；2003、第一配重块；2004、第二配重块；2005、卡槽；2006、通孔；2007、紧固元件；21、螺杆；22、传感器；23、可视窗口；24、编码控制器；25、照明光源；26、终端处理模块；27、动态信号测试分析模块；28、图像采集模块；29、橡胶垫。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

实施例1：

结合图1-图5，一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，包括

试样制样系统，包括模型箱1、起重模块3和砂桶5，起重模块3连接砂桶5，砂桶5内装入染色粗粒土试样16通过起重模块3的运动将粗粒土试样16分层铺设在模型箱1内，模型箱1内布置多个阵列的传感器22，传感器22用于监测在冲击碾压过程中模型箱1内不同位置及深度的粗粒土试样16的动土压力、加速度和冲击接触应力。

竖向压力加载系统，包括空气压缩机、气动元件11和加载组件，空气压缩机的排气口连通气动元件11，气动元件11的输出端和加载组件连接。空气压缩机的排气口设置调压阀10，调压阀10调节空气压缩机的排气压力。气动元件11通过加载组件对模型箱1内的粗粒土试样16施加竖向应力，且通过调节阀10控制竖向应力的大小，模拟粗粒土试样16的实际应力状态。

冲击碾压系统，包括转动电机17、牵引主机18、冲击轮20、螺杆21和编码控制器24，螺杆21分别与转动电机17和牵引主机18连接，螺杆21将转动电机17的圆周运动转化为牵引主机18的匀速水平运动，牵引主机18连接冲击轮20，并带动冲击轮20在模型箱1内的粗粒土试样16表面水平移动，冲击轮运动过程中由于重心发生高低变化对粗粒土试样产生冲击荷载和碾压荷载；转动电机17连接编码控制器24，编码控制器24控制转动电机17的转速；其中，冲击轮20的外轮廓曲线采用基于修正外摆线的多项式曲线，且冲击轮20可通过在其内部更换质量块的方式来调节质量大小。

上述提供了一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，可用于在室内模拟实际应力状态粗粒土地基的冲击碾压加固过程，为评估冲击碾压技术加固粗粒土地基的效果和探究粗粒土密实机理提供可靠的技术支撑。

结合图6-图9，在本实施例中，冲击轮20包括空心本体2002，空心本体2002的外轮廓包括首尾依次相连的第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段，第一曲线段和第二曲线段之间、第二曲线段和第三曲线段之间和第一曲线段和第三曲线段之间均设置凹陷部，第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段均设置最高点，且最高点不在对应的曲线段的中点。

具体地，空心本体2002设置三个容置腔，容置腔内安装配重块。并且，配重块包括相互卡接的第一配重块2003和第二配重块2004，第一配重块2003的外壁贴合容置腔的第一弧面，第二配重块2004的外壁贴合容置腔的第二弧面，第一配重块2003的内壁和第二配重块2004的内壁相互抵接。冲击轮的质量为4.2-7.8kg。

冲击轮20的组装过程如下：将第一配重块2003和第二配重块2004放入空心本体2002内，第一配重块2003和第二配重块2004分别和空心本体2002内壁设置的卡槽2005卡接，将上盖2001安装在空心本体2002上，并用紧固元件2007结合空心本体2002开设的通孔2006固定。优选地，紧固元件2007为螺栓。

在本实施例中，传感器22包括土压力传感器和加速度传感器，多个传感器22沿模型箱1的高度方向分层排列。优选地，土压传感器的布置深度分别为距离模型箱1内的粗粒土试样16的表面5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，水平位置为冲击轮20的冲击位置的正下方。加速度传感器的高度分别为距离模型箱1内的粗粒土试样16的表面5cm、10cm、15cm、20cm、25cm和30cm，水平位置为冲击轮20的冲击位置的正下方。传感器22的安装方式采用直尺测量确定土压传感器和加速度传感器的安装位置，确保位置准确。

在本实施例中，在模型箱1内的粗粒土试样16的表面之间设置一橡胶垫29，即在橡胶垫29的表面，找准冲击作用位置布置一土压力盒，直接粘贴在橡胶垫29之下，用于测试冲击接触应力。橡胶垫29的厚度可取为2-5mm。

在本实施例中，起重模块3通过钢丝绳4起吊或放下砂桶5。

在本实施例中，砂桶5的出口端设置砂嘴6，且砂桶5的出口端通过伸缩软管连接砂嘴6。操作人员可通过拉动伸缩软管控制砂嘴6的下料位置。

在本实施例中，试样制样系统还包括撒砂导引模块7，撒砂导引模块7设置在模型箱1之上。撒砂导引模块7包括多根相互平行设置的杆件，且杆件沿模型箱1的长度方向均匀间隔设置。

在本实施例中，起重模块3为电葫芦，起重模块3安装于撒砂支架2上。撒砂支架2的底部安装砂雨支架导轮8，砂雨支架导轮8用于移动撒砂支架2。

在本实施例中，气动元件11为单作用气缸，单作用气缸安装于反力架12上。气动元件11通过管道9连接空气压缩机。

在本实施例中，加载组件包括相互连接的加载杆14和加载板15，加载杆14上设置数显百分表13，采用数显百分表13测试粗粒土试样16的竖向变形。试验过程中进行单向压缩，竖向压力可取为10kPa-100kPa。

在本实施例中，牵引主机18通过缓冲模块19连接冲击轮20，缓冲模块19用于协调冲击轮20和牵引主机18之间的相互作用。优选地，牵引主机18为移动小车，缓冲模块19为之字形的杆件，缓冲模块19的一侧连接牵引主机18的端部，缓冲模块19的另一侧连接冲击轮20的中心位置。

在本实施例中，螺杆21的数量为两个，两个螺杆21沿模型箱1的长度方向对称设置，且螺杆21穿过牵引主机18，转动电机17的输出端驱动螺杆21转动，螺杆21将回转运动转化为直线运动，螺杆21带动牵引主机18从模型箱1的一侧匀速移动到模型箱1的另一侧。

在本实施例中，试验过程中可以通过调节编码控制器24实现更改转动电机17的转速，来调整冲击轮20的水平移动速度。

在本实施例中，模型箱1的一侧设置可视窗口23和照明光源25，照明光源25对模型箱1内染色的粗粒土试样16进行照明。

实施例2：

基于实施例1，如图10所示，一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置还包括处理系统，处理系统包括终端处理模块26、动态信号测试分析模块27和图像采集模块28，动态信号测试分析模块27用于采集传感器22的数据并反馈给终端处理模块26，图像采集模块28用于采集模型箱1内的粗粒土试样16加固过程中颗粒的散斑变化图片并反馈给终端处理模块26。终端处理模块26用于分析并显示结果。

具体地，试验过程中采用图像采集模块28的高速相机正对模型箱1的可视窗口23，连续采集冲击碾压过程中颗粒的运动图片。结合图像采集模块28的分析系统和颗粒运动分析算法，可分析粗粒土试样16的颗粒运动规律。

如图11所示，本发明的实验方法如下：

S1、通过试样制样系统采用分层落雨法制备粗粒土试样，通过起重模块调节落砂高度控制粗粒土试样的初始相对密实度；

具体地，对粗粒土试样进行筛分，按照粒径大小分为8-10个粒组，每组分别放置于不同的试样桶中；每次取样前根据级配数据取样混合配置对应的粗粒土试样。粗粒土试样可为粗砂、中砂、细砾、中砾。

对配置好的粗粒土试样进行染色，超过50%的试样染为黑色，染色完毕后风干24小时后再与未染色试样混合，搅拌均匀，使得制作的粗粒土散斑的黑白直方图标准化后满足正态分布，以便进行后续的图像分析。

制作粗粒土试样的初始状态为松散和中密，其相对密实度Dr=0.3-0.75。

S2、通过竖向压力加载系统对粗粒土试样施加竖向应力，实现粗粒土试样的固结，以模拟粗粒土试样的原应力状态；

具体地，调节反力架12和模型箱1的相对位置，连接空气压缩机和气动元件11，通过调压阀10和加载杆14向模型箱1内的粗粒土试样16施加竖向应力。采用数显百分表13测试试样的竖向变形。试验过程中进行单向压缩，竖向压力可取为10kPa-100kPa。

S3、固结完成后，采用冲击碾压系统对粗粒土试样施加冲击碾压荷载，通过调节冲击碾压系统在粗粒土试样的水平移动速度，以模拟实际的冲击碾压过程。其中，冲击碾压荷载可调，可通过调节冲击轮质量进行调整。

具体地，试验过程中采用转速可调的转动电机17和螺杆21来带动牵引主机18、缓冲模块19和冲击轮20沿着固定轨道匀速水平移动，通过编码控制器24来调节转动电机17的转速，进而精确控制冲击轮20的水平移动速度，以模拟实际的冲击碾压过程。模型箱两侧的螺杆21停止转动后，冲击轮20同步停止运动。

将冲击轮20放置在模型箱1的左侧起始位置的承台上，每遍碾压时冲击轮20的起始位置固定，保证冲击轮20在试验过程中能够沿规定路线运动，并保证冲击轮20对粗粒土试样16的冲击位置固定。

冲击轮20在模型箱1上的移动速度为匀速，其值为0.1-2.0m/s。

打开转动电机17和编码控制器24，转动电机17匀速转动带动螺杆21转动，螺杆21的转动带动牵引主机18和冲击轮20按照设定的速度运动。当冲击轮20到达右侧承台后自动切断电源，螺杆21停止转动，冲击轮20立即停止运动。试验过程中可以通过调节编码控制器24实现更改转动电机17的转速来调整冲击轮20的水平移动速度。

当冲击轮20返回左侧起始承台，位置回至起始位置，视为一遍碾压结束。在每遍冲击碾压结束后，可立即进行下一遍冲碾；冲击碾压的遍数可取为15-20次。

另外，在冲击碾压加固过程中，采用多通道动态信号测试系统对各传感器数据进行采集，并在冲击碾压试验结束以后进行静力触探试验评价地基强度。

具体地，采用多通道动态信号测试分析模块27，自动记录模型冲击轮运动过程中地基内部的土压力、加速度等物理量，进而分析原应力状态粗粒土的冲击碾压加固机理。

试验过程中，通过图像采集模块28可高速连续采集冲击碾压过程中颗粒的图片，进而分析粗粒土试样的颗粒运动规律。

每遍碾压后，对碾压路径中心位置附近冲击轮形成的冲击坑的最大沉降进行量测。

在冲碾前和每3遍冲碾结束后，分别在粗粒土试样的冲击位置开展静力触探试验，静力触探检测深度从模型试样表面到模型箱底部，进而对原应力状态粗粒土地基的冲击碾压加固效果进行评估。

针对两种试验的粗粒土地基（即粗砂和中砾），使用本发明的试验装置和试验方法获得的试验结果如下，其中图12-图22为粗砂地基冲击碾压试验结果，图23-图38为中砾地基冲击碾压试验结果。

结合图12可以评价地基强度的变化。由于粗砂土地基极为松散，且冲击碾压的影响深度有限，对未布置传感器位置处进行2次贯入试验，贯入深度为30cm，每5cm记录一次数据，所有数据取均值即为该遍碾压后的土体贯入阻力值。根据图12所示的数据，可以发现7遍碾压后贯入阻力的数值增长较小，且呈现波动。

粗砂地基冲击中心10cm深度处，距离中心0cm、5cm、10cm位置的第1、5、10、15次动土应力量测结果如图13-图16所示，可以明显发现，中心位置处的由冲击作用后所产生的应力波也为瞬变脉冲形式，并没有第二峰值，持续时间为0.1s左右，但距离冲击中心5、10cm处的动应力随时间发展曲线则明显峰值下降，且曲线增长-下降的时间变长，持续时间提高至0.5-0.7s左右。说明随着水平距离的增加，沿水平方向传递的能量呈现显著减少趋势，意味着加固主要由竖向的压缩波引起。

结合图17-图20，可以评价不同深度处动土应力的时程曲线。粗砂地基冲击点中心位置处，深度分别为10cm、15cm 、20cm 位置的第1、5、10、15次应力量测结果如图17-图20所示，可以明显发现，中心位置处的由冲击作用后所产生的应力波也为瞬变脉冲形式，并没有第二峰值，持续时间为 0.1s 左右，和距离中心一定距离处的数据有所区别。随着深度的增加，数值明显下降。以第5遍碾压为例，数值分别是距离冲击中心的51%和22%。说明这与强夯类似，随着水平距离的增加，沿水平方向传递的能量呈现显著减少趋势，不过下降幅度并没有沿水平距离的大。

如图21所示为对不同冲击碾压次数下地基冲击中心处不同深度的动土应力峰值随碾压次数的变化情况。随着冲碾遍数的增加，峰值应力也逐渐增加。5遍碾压后，在深度为10cm、15cm、20cm的峰值应力分别为1 遍时的123%、116%和104%，可以发现20cm深度处的动应力增长非常小。此后继续增加碾压次数，峰值动应力增长幅度较小，15遍碾压后分别为1遍时的124%、128%和101%，说明产生的峰值应力已经变化不大，与第5 遍冲碾时的量测结果接近。说明当冲碾遍数增加的时候，不同深度粗粒土试样中沿竖直方向传递的能量也会逐渐增加，并且在一定冲碾遍数后会趋于稳定，不再增加，说明冲击碾压试验参数为0.5m/s的牵引速度，7.8kg的冲击轮质量时，5遍碾压次数较为合理。

如图22所示，每遍碾压后，对冲击轮形成的冲击坑的最大深度进行了量测。由于每遍冲击碾压会形成至少6个夯坑，因此对地基冲击碾压路径中心位置附近的三个夯坑的最大沉降进行了量测，最终取均值定为每遍碾压后的沉降。根据统计的结果，5遍碾压后沉降的增长幅度有所下降。

结合图23-26，可评价中砾地基表面在冲击碾压过程中所受的冲击应力情况。第9遍冲击碾压作用下中砾地基表面的冲击接触应力的量测结果如图23、图24、图25和图26所示，可以发现冲击轮冲击处的冲击接触应力均为瞬变脉冲形式，从数值迅速上升到峰值再到迅速衰减，持续时间在0.1s以内。当冲击轮与压力传感器完全接触后，动应力达到峰值，各牵引速度和冲击轮质量组合下的冲击应力峰值分别为210kPa、240kPa、420kPa与590kPa，随着牵引速度和冲击轮质量的增大而增大。值得注意的是，中砾地基的冲击应力在发展过程中并不随时间完全呈线性增长，增长速率存在较为明显的变化，这是因为中砾土在冲击荷载的作用下发生颗粒之间碰撞较多，土颗粒错动影响了土体结构，进而影响了荷载传递。

如图27所示，随着碾压次数的增长，冲击应力峰值在前3遍不断增长，但后续的发展随着参数的不同有所区别。牵引速度为0.5m/s，冲击轮质量为4.22kg时，由于总能量较小，冲击应力的增长在前三遍并不大，此后单遍的峰值增加量有所提升，尽管在6-8遍有所波动，但数值在9遍后稳定，后续继续碾压，数值在小范围波动，说明9遍碾压后，表层土体已基本密实。牵引速度为0.5m/s，冲击轮质量为7.81时，冲击应力峰值在前三遍增长最大，数值达到15遍后的75%，此后继续碾压单次增长值迅速下降，10遍后数值甚至出现了下降。当牵引速度为1m/s时，可以明显发现动应力峰值在前7-8遍迅速上升，在10-12遍之后数值稳定，且数值显著高于牵引速度为0.5m/s时。

不同冲击碾压试验过程中监测到的中砾地基不同深度处的动应力峰值与碾压次数变化关系如图28-图31所示。当牵引速度为0.5m/s时，浅层（5cm、10cm）土层动应力随着碾压次数的增加，先增大，后逐步降低或变化很小，基本在6-8遍碾压时出现拐点，数值达到峰值。较深处（20cm、30m）土体动应力随碾压次数的变化并不大，冲击轮质量为4.22kg时，动应力随碾压次数基本无变化，说明牵引速度较小，质量较小时，该深度处受碾压荷载的影响很小。当牵引速度为1m/s时，浅层（5cm、10cm）土层动应力随着碾压次数的增长呈现波动增长的趋势。

尽管动应力主要在前三遍碾压显著增长，但直到10-12遍碾压后数值才逐渐稳定。相较牵引速度较小时，较深处（20cm、30cm）土体动应力随碾压次数有了明显的增长，15遍碾压后数值提升了6-10倍，说明提升牵引速度有助于冲击轮产生的冲击荷载及碾压效果向更深处传递。

结合图32-图35可评价冲击碾压试验中监测到的中砾地基动应力峰值随深度的变化关系。可以发现，动应力峰值皆随着深度的增加而减小。当牵引速度为0.5m/s，冲击轮质量为4.22、7.81kg时，其动应力在0-20cm深度区间快速衰减，衰减幅度达到了80%-90%，且随着碾压次数的增加，衰减幅度减小；随后在20cm-30cm深度区间基本不变或下降幅度很小，可认为该参数下加固深度约为20cm。对于牵引速度为1m/s，冲击轮质量为4.22、7.81kg的冲击碾压，0-10cm深度区间衰减幅度很大，达到70%-80%；此后衰减幅度有所减弱，但25cm深度处动应力峰值仍可在15遍碾压后达到8kPa以上，直到30cm深度时，动应力峰值较小，但仍可认为该参数下的加固深度可达到20cm以下。

如图36所示，每遍碾压后，对碾压路径中心位置附近冲击轮形成的冲击坑的最大沉降进行了量测，多个冲击坑取均值确定为每遍碾压后的沉降。在不同牵引速度和冲击轮质量下，中砾地基表层沉降与碾压次数的关系如图36所示。当牵引速度较小（速度为0.5m/s时）冲击碾压后地基的变形主要集中于前2-3遍，冲击轮质量为4.22kg和7.81kg时，3次冲击碾压后沉降分别为1.075cm和1.12cm，约占15遍碾压后沉降的59%和47%，此后沉降随着碾压次数逐渐增大，但增加幅度明显减小。当牵引速度较大（速度为1m/s时）冲击碾压后地基的变形主要集中于前5-7击，冲击轮质量为4.22kg和7.81kg时，7次冲击碾压后沉降分别为2.3cm和3.0cm，占15遍碾压后沉降的81.6%和78.4%，此后沉降的增加幅度很小，碾压次数超过11次后，表面沉降基本稳定。

图37和图38展示了冲击碾压处理后中砾地基材料的比贯入阻力随深度的变化情况。相较地基未处理时，比贯入阻力数值有较大幅度的提高，3次碾压后数值均超过375kPa，增长幅度超过170%。

综上所述，使用本发明的装置和方法可以有效研究冲击碾压法对粗粒土地基的加固机理和加固效果，通过设计不同参数的室内冲击碾压模型试验，系统研究了冲击碾压处理后地基的动应力发展传播规律，位移发展规律和加固效果。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：包括

试样制样系统，包括模型箱（1）、起重模块（3）、砂桶（5）和撒砂导引模块（7），所述起重模块（3）连接所述砂桶（5），所述砂桶（5）的出口端设置砂嘴（6），且所述砂桶（5）的出口端通过伸缩软管连接砂嘴（6），通过拉动所述伸缩软管控制所述砂嘴（6）的下料位置；所述砂桶（5）内装入染色粗粒土试样（16）通过所述起重模块（3）的运动，沿着所述撒砂导引模块（7）将所述粗粒土试样（16）分层铺设在模型箱（1）内；所述撒砂导引模块（7）设置在所述模型箱（1）之上；所述撒砂导引模块（7）包括多根相互平行设置的杆件，且所述杆件沿所述模型箱（1）的长度方向均匀间隔设置；所述模型箱（1）内布置多个阵列的传感器（22），所述传感器（22）用于监测冲击碾压过程中所述模型箱（1）中不同位置及深度的粗粒土试样（16）的动土压力、加速度和冲击接触应力；

竖向压力加载系统，包括空气压缩机、气动元件（11）和加载组件，所述空气压缩机的排气口连通所述气动元件（11），所述气动元件（11）的输出端和所述加载组件连接；所述空气压缩机的排气口设置调压阀（10），所述调压阀（10）调节所述空气压缩机的排气压力；所述气动元件（11）通过所述加载组件对所述模型箱（1）内的粗粒土试样（16）施加竖向应力，且通过所述调节阀（10）控制竖向应力的大小，模拟粗粒土试样（16）的实际应力状态；

冲击碾压系统，包括转动电机（17）、牵引主机（18）、冲击轮（20）、螺杆（21）和编码控制器（24），所述螺杆(21)分别与转动电机(17)和牵引主机(18)连接，所述螺杆(21)将转动电机(17)的圆周运动转化为牵引主机(18)的匀速水平运动，所述牵引主机（18）连接所述冲击轮（20），并带动所述冲击轮（20）在所述模型箱（1）内的粗粒土试样（16）表面水平移动，冲击轮运动过程中由于重心发生高低变化对粗粒土试样（16）产生冲击荷载和碾压荷载；所述转动电机（17）连接所述编码控制器（24），所述编码控制器（24）控制所述转动电机（17）的转速；其中，所述冲击轮（20）的外轮廓曲线为基于修正外摆线的多项式曲线，且所述冲击轮（20）可通过在其内部更换质量块的方式来调节质量大小；

所述冲击轮（20）包括空心本体（2002），所述空心本体（2002）的外轮廓包括首尾依次相连的第一曲线段、第二曲线段和第三曲线段，所述第一曲线段和所述第二曲线段之间、所述第二曲线段和所述第三曲线段之间和所述第一曲线段和所述第三曲线段之间均设置凹陷部，所述第一曲线段、所述第二曲线段和所述第三曲线段均设置最高点，且所述最高点不在对应的曲线段的中点；所述空心本体（2002）设置三个容置腔，所述容置腔内安装配重块。

2.根据权利要求1所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：所述传感器（22）包括土压力传感器和加速度传感器，多个所述传感器（22）沿模型箱（1）的高度方向分层排列。

3.根据权利要求1所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：所述起重模块（3）为电葫芦，所述起重模块（3）安装于撒砂支架（2）上；所述撒砂支架（2）的底部安装砂雨支架导轮（8），所述砂雨支架导轮（8）用于移动所述撒砂支架（2）。

4.根据权利要求1所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：所述气动元件（11）为单作用气缸，所述单作用气缸安装于反力架（12）上。

5.根据权利要求1所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：所述牵引主机（18）通过缓冲模块（19）连接所述冲击轮（20），所述缓冲模块（19）用于协调所述冲击轮（20）和所述牵引主机（18）之间的相互作用。

6.根据权利要求1所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：所述模型箱（1）的一侧设置可视窗口（23）和照明光源（25），所述照明光源（25）对所述模型箱（1）内的粗粒土试样（16）进行照明。

7.根据权利要求1所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置，其特征在于：还包括处理系统，所述处理系统包括终端处理模块（26）、动态信号测试分析模块（27）和图像采集模块（28），所述动态信号测试分析模块（27）用于采集所述传感器（22）的数据并反馈给所述终端处理模块（26），所述图像采集模块（28）用于采集所述模型箱（1）内的粗粒土试样（16）运动过程中颗粒的散斑变化图片并反馈给所述终端处理模块（26）；所述终端处理模块（26）用于分析并显示结果。

8.一种模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验方法，利用如权利要求1-7任意一项所述的模拟原应力状态粗粒土地基的冲击碾压试验装置进行试验，其特征在于包括以下步骤：

S1、通过试样制样系统制备粗粒土试样，通过调节分层落砂的高度控制粗粒土试样的初始相对密实度；

S2、通过竖向压力加载系统对粗粒土试样施加竖向应力，实现粗粒土试样的固结，以模拟粗粒土试样的原应力状态；

S3、固结完成后，采用冲击碾压系统对粗粒土试样施加冲击碾压荷载，通过调节冲击碾压系统在粗粒土试样表面的水平移动速度，模拟冲击碾压加固粗粒土地基的过程。

Images