CN115479833A - 可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置及方法，涉及交通工程领域，包括用于接触路基的约束板，约束板中心设有加载板，加载板安装加载装置，加载装置周向均匀分布多个动态作动器，加载装置中心连接一个动态作动器，各动态作动器与约束板上方的连接板相连；约束板和连接板之间连接有多个静态液压缸，且静态液压缸与加载装置周向的动态作动器交错分布，静态液压缸与动态作动器静动协同控制，以模拟路基地基土体应力主轴旋转效应。本发明能够真实、精确地模拟考虑应力主轴旋转效应的路基地基动力响应，能够模拟多种交通荷载形式，应用范围广。

Description

可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及交通工程领域，尤其涉及可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置及方法。

背景技术

交通荷载具有明显的循环效应、移动效应和速度效应。大周次的交通荷载往复作用会对路基地基填料的弹性变形和永久变形均产生影响。在循环交通荷载作用下，对路基内任意单元体，汽车或火车“远—近—远”的快速移动会引起路线纵断面内的应力主轴旋转，转弯和变道会引起横断面内的应力主轴旋转。交通荷载作用下路基地基土体主应力轴旋转的“揉搓”效应会大大加速土体的超静孔压发展，同时土体的动强度也因主应力轴旋转而降低，加剧了土体的累积变形和破坏。所以，在交通工程领域中研究路基地基结构中的土体应力主轴旋转效应至关重要。

目前，室内动三轴仪或空心圆柱扭剪仪是评估交通荷载条件下路基地基土体动力响应和变形的常用方法，然而，由于受采样过程的影响，土样本身的性质和内部结构状态与现场土层中的实际情况相差很大，不能为交通基础设施的路基地基变形分析提供精细、明确的指导。除此之外，比尺模型试验和加速加载试验也是研究路基地基动力响应的手段，但现有比尺模型试验多采用单点竖向激振加载，无法反映模拟出交通荷载所带来的应力主轴旋转效应；即使通过多点激振加载模拟交通荷载的移动效应，但对土体内部应力主轴旋转效应的模拟属于间接模拟，无法精准复现真实的路基地基动应力特征，并且该装置目前仅适用于铁路工程领域，无法满足公路和机场场景下的交通荷载模拟。加速加载设备主要是用于研究路面性能和损伤演化规律，不能将路基本身压缩和地基的沉降分离出来，不能在道路建设前对路基地基的抗变形能力进行评估，亦不能对通车后交通荷载作用下累积变形进行预测。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置及方法，能够真实、精确地模拟考虑应力主轴旋转效应的路基地基动力响应，能够模拟多种交通荷载形式，应用范围广。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，包括用于接触路基的约束板，约束板中心设有加载装置，加载装置周向均匀分布多个动态作动器，加载装置中心连接一个动态作动器，各动态作动器与约束板上方的连接板相连；

约束板和连接板之间连接有多个静态液压缸，且静态液压缸与加载装置周向的动态作动器交错分布，静态液压缸与动态作动器静动协同控制，以模拟路基地基土体应力主轴旋转效应。

作为进一步的实现方式，位于加载装置周向的动态作动器与连接板形成锐角，中心的动态作动器垂直于连接板。

作为进一步的实现方式，所述加载装置周向的动态作动器与连接板之间的夹角为50～60°。

作为进一步的实现方式，所述加载装置包括加载帽和万向加载体，加载帽与加载板固定，万向加载体外切于加载帽，且二者形成滑动副。

作为进一步的实现方式，所述动态作动器一端通过铰链与连接板相连，另一端通过万向球铰与加载装置相连。

作为进一步的实现方式，所述静态液压缸垂直于连接板和约束板。

作为进一步的实现方式，所述静态液压缸的固定端与连接板相连，活动端与约束板相连。

作为进一步的实现方式，所述动态作动器内部安装有位移传感器和轴力传感器。

作为进一步的实现方式，所述连接板安装于主体框架。

第二方面，本发明的实施例还提供了可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置方法，采用所述的模拟装置，包括：

根据弹性非饱和半空间动力响应理论模型，计算动应力谱；

基于动应力谱建立动荷载加载板表面积和上覆结构厚度的应力修正公式；

根据应力修正公式计算加载装置需要实现的加载谱，得到加载板的加载时程曲线；

根据加载时程曲线进行各动态作动器的协同加载。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明通过动态作动器、静态液压缸对加载装置的静动协同控制，实现交通荷载作用过程中路基地基土体应力主轴旋转效应的模拟，不需要通过分布多个加载装置进行时序加载；可模拟路基或地基表面所受到的自上而下传递的动荷载以及上覆结构的静荷载，从而可对路基或地基内部的任一结构层的动应力特征进行精确模拟。

(2)本发明能够避免室内试验的尺寸和边界效应，并且，可应用于全比尺的路基地基模型试验，也可用于现场原位测试评价，解决了现有设备应用场景单一的问题；可模拟多种交通荷载形式，如汽车、高速列车、重载列车、地铁列车以及飞机等，应用于公路、铁路、机场和城市轨道交通等工程背景。

(3)本发明基于弹性非饱和半空间动力响应理论模型，得到交通荷载作用下路基或地基表面某一点的动应力分量(给出的解析解，不同的交通荷载形式存在不同的理论模型)，并考虑行驶速度、轴重、土体性质等参数给出各作动器的加载时程曲线，从而模拟了路基或地基表面某一点的动力响应。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的执行机构结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的执行机构主视图；

图4(a)是图3中I处局部放大图；

图4(b)是图3中II处局部放大图；

图4(c)是图3中III处局部放大图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的现场模拟示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的路基顶面一点的动应力谱图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的各作动器时程加载曲线。

其中，1、约束板，2、加载板，3、加载帽，4、万向加载体，5、静态液压缸，6、动态作动器，7、路基表面，8、连接板，9、铰链，10、万向球铰，11、球窝，12、反力横梁，13、基础，14、反力柱，15、紧固螺栓。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，如图1所示，包括主体框架、约束板1、连接板8、动态作动器6、静态液压缸5和加载装置，约束板1用于与路基表面7接触，连接板8位于约束板1上方，并与之平行；连接板8与主体框架相连，且连接板8和约束板1之间设有动态作动器6、静态液压缸5和加载装置。

主体框架作为装置的支撑主体，可以设置为多种形式，在本实施例中，主体框架包括多个反力架，如图1所示，反力架包括反力横梁12和反力柱14，反力横梁12连接于两个反力柱14之间形成H型结构；连接板8通过紧固螺栓15固定于反力横梁12底面。

为了增加主体框架的支撑稳定性，反力柱14底部安装有基础13，基础13与反力柱14形成倒T型结构。

约束板1和连接板8的形状可以根据实际情况适应性调整，在本实施例中，如图2所示，约束板1设置为圆形，连接板8设置为长方形；当然，在其他实施例中，约束板1也可以设置为方形或其他形状，连接板8也可以为圆形、椭圆形或其他。

约束板1中心位置设有加载板2，加载板2上安装加载装置。本实施例的约束板1中心开设圆孔，使约束板1形成圆环结构；加载板2设置在圆孔内，其与圆孔相适应，即为圆形。

可以理解的，在其他实施例中，约束板1中心也可以设置其他形状的孔，例如方形孔，加载板2为与方形孔相适配的方形板。

加载装置包括万向加载体4和加载帽3，为了便于加载装置上连接部件的运动，加载帽3主体为柱形结构，万向加载体4安装于加载帽3顶部。其中，万向加载体4外切于加载帽3，并能够相对于加载帽3沿环向滑动，有利于动态作动器6加载过程中活塞杆有序伸缩。

万向加载体4周向分布多个动态作动器6，中心位置连接一个动态作动器6；各动态作动器6顶端均与连接板8相连。具体的，中心位置的动态作动器6轴线与约束板1、连接板8均垂直，周向的动态作动器6与连接板8之间形成一定的夹角，且该夹角为锐角，使动态作动器6与路基表面7始终保持上述倾斜角度，加载过程中始终保持不变，从而利于加载谱的平衡分配。

在本实施例中，周向的动态作动器6与连接板8之间的夹角为50～60°，优选地，夹角为60°。

由土力学理论分析可知，路基地基内部任一点均会存在六个应力分量(σ_x、σ_y、σ_z、τ_xy、τ_xz、τ_yz)，在交通荷载作用过程中，会造成六个应力分量发生不同程度的变化。本实施例直接在路基或地基顶面加载，通过动态加载系统(加载板2、动态作动器6)模拟交通荷载自上而下、由远及近传递至路基或地基表面的动应力特征，从而实现土体表面三个动应力分量的施加(σ_z、τ_xz、τ_yz)；通过约束加载装置(约束板1、静态液压缸5)来模拟上覆结构的静荷载，如道路路基中的上覆路面荷载、铁路路基中的轨道和道砟上覆荷载，这部分静载提供下部土体所受到的围压，在泊松效应下，可实现其余三个动应力分量(σ_x、σ_y、τ_xy)的复现。

因此，周向的动态作动器6个数设置三个，静态液压缸5对应设置三个。

进一步的，动态作动器6一端通过铰链9与连接板8底面连接，另一端通过万向球铰10与万向加载体4连接。动态作动器6内部安装有位移传感器和轴力传感器，能够在加载过程中实时反馈径向位移与加载力。

连接板8和约束板1之间还连接多个静态液压缸5，静态液压缸5垂直于连接板8和约束板1，且与周向的动态作动器6交错分布。在本实施例中，静态液压缸5的固定端与连接板8相连，活动端与约束板1通过球窝11相连。

本实施例的约束板1直接接触在路基表面7进行约束加载，用于模拟路面结构自重对路基土体的约束作用，通过施加不同的静载来模拟不同程度路面结构对路基的压重及约束作用。本实施例所施加的并不是车辆直接作用下路面的荷载，而是经过路面结构等传递至路基或地基表面的动应力。

实施例二：

本实施例提供了可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置方法，采用实施例一所述的模拟装置，包括：

(1)根据弹性非饱和半空间动力响应理论模型，求出交通荷载作用下路基或地基表面某一点的动应力分量，给出三个表面动应力的解析解表达式：

其中：μ为剪切模量、β和γ分别对应x和y的波长数。C_z,C_y,C_n,D_n,D_y,D_z为积分常数。通过给定的行驶速度、轴重、土体参数可等得到相应的动应力谱。

(2)本发明研究的是路基或地基顶面某一点的累积变形，而加载板面分布均布力，因此需要在加载面积域内进行应力折减，将加载板施加的分布荷载等效成路基或地基顶面某一点处的集中荷载。将步骤(1)得到的动应力谱，与现场数据以及数值模拟数据进行对比分析，建立了动荷载加载板表面积和上覆结构厚度的应力修正公式：

其中β为气-液相影响参数，z为上覆结构厚度，r为圆形加载板半径。

(3)根据步骤(2)得到的修正公式，计算所需要实现的应力水平，在加载面积域内积分从而来得到加载装置需要实现的加载谱，计算公式：

其中S代表圆形加载板的面积。

(4)将动态作动器按照不同位置布置在加载装置上。所述作动器包括三个斜向动态作动器、一个竖向动态作动器及三个竖向静态作动器，作动器彼此之间不干扰，并且随时间完成多通道协同控制加载。根据步骤(3)得到加载板的加载时程曲线，通过控制系统控制液压系统工作，给予作动器相对应的随时间变化的径向荷载，从而将均布力在三维空间内分解到各作动器上。各作动器均有其特定的加载曲线并协同加载。

(5)加载装置各作动器在同一作用周期内协同加载，各周期之间时间间隔Δt根据交通运行速度V及荷载前后作用间距D来确定：

(6)通过控制系统输入行驶速度、轴重、土体性质等参数，来实现对不同交通荷载条件下路基地基的动力响应模拟。

本实施例基于弹性非饱和半空间动力响应理论模型，得到交通荷载作用下路基或地基表面某一点的动应力分量(给出的解析解，不同的交通荷载形式存在不同的理论模型)，并考虑行驶速度、轴重、土体性质等参数给出各作动器的加载时程曲线，从而模拟了路基或地基表面某一点的动力响应。

实施例三：

本实施例采用实施例一所述的模拟装置，如图5所示，其背景为汽车荷载作用下路基顶面动应力模拟，工况如下：汽车型号为解放牌三轴10轮运输车，整车质量为65t，行驶速度75km/h，路面结构厚度0.8m，沥青混凝土面层重度为2460kg/m³。

根据弹性非饱和半空间路基动力响应理论模型，计算得到路基顶面一点的动应力分量，并给出三个表面动应力的解析解表达式，将本案例所涉及的参数代入得到动应力谱，如图6所示。

根据程序计算出动应力谱，考虑动荷载加载板表面积和上覆结构厚度的影响，对应力进行修正，如下式所示。

其中β为气-液相影响参数，z为上覆结构厚度，r为圆形加载板半径。根据上述计算所需要实现的动应力水平，通过在加载圆域内积分得到加载谱，计算公式如下：

将动态作动器与静态液压缸分别按照不同位置布置在加载装置上，其中包括3个斜向动态作动器、1个竖向动态作动器及3个竖向静态液压缸，作动器彼此之间不干扰，并且随时间协同加载。根据程序计算得到各作动器的加载时程曲线，通过控制系统控制液压系统工作，给予各个作动器随时间变化的径向荷载，各作动器均有其特定的时程加载曲线。各作动器加载谱如图7所示。

加载装置各作动器在同一作用周期内协同加载，各周期之间时间间隔Δt根据高速公路汽车行驶速度V及前后车保持间距D来确定，如下式所示：

加载装置按照时间间隔Δt依次进行周期循环加载。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，包括用于接触路基的约束板，约束板中心设有加载板，加载板安装加载装置，加载装置周向均匀分布多个动态作动器，加载装置中心连接一个动态作动器，各动态作动器与约束板上方的连接板相连；

约束板和连接板之间连接有多个静态液压缸，且静态液压缸与加载装置周向的动态作动器交错分布，静态液压缸与动态作动器静动协同控制，以模拟路基地基土体应力主轴旋转效应。

2.根据权利要求1所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，位于加载装置周向的动态作动器与连接板形成锐角，中心的动态作动器垂直于连接板。

3.根据权利要求2所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述加载装置周向的动态作动器与连接板之间的夹角为50～60°。

4.根据权利要求1或2所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述加载装置包括加载帽和万向加载体，加载帽与加载板固定，万向加载体外切于加载帽，且二者形成滑动副。

5.根据权利要求1或2所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述动态作动器一端通过铰链与连接板相连，另一端通过万向球铰与加载装置相连。

6.根据权利要求1所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述静态液压缸垂直于连接板和约束板。

7.根据权利要求6所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述静态液压缸的固定端与连接板相连，活动端与约束板相连。

8.根据权利要求1所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述动态作动器内部安装有位移传感器和轴力传感器。

9.根据权利要求1所述的可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置，其特征在于，所述连接板安装于主体框架。

10.可实现应力主轴旋转的路基地基动力响应模拟装置方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的模拟装置，包括：

根据弹性非饱和半空间动力响应理论模型，计算动应力谱；

基于动应力谱建立动荷载加载板表面积和上覆结构厚度的应力修正公式；

根据应力修正公式计算加载装置需要实现的加载谱，得到加载板的加载时程曲线；

根据加载时程曲线进行各动态作动器的协同加载。

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