CN205374245U - 一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，包括至少两个压力容器，每个压力容器内的沥青混凝土试件的底部与开口容器的开口环形部位之间填充有粘结剂，试件的侧壁涂覆有密封件，压力容器侧壁设有用于测量试件外部水压力的第一压力传感器，开口容器侧壁设有用于测量试件底部水压力的第二压力传感器，各开口容器通过一穿过各压力容器的侧壁的管道连通。该装置能实现孔隙水定向移动，可测试动态变化的外部水压力作用下沥青混凝土孔隙水压力的动态响应规律。

Description

一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置

技术领域

本实用新型涉及沥青路面动水压力分析，具体涉及一种沥青路面沥青层底孔隙水压力模拟测试装置。

背景技术

专利CN101216401B、CN101210870B、CN102253187B、US8312776和US6799471B1提出了通过施加外部水压力引起沥青混凝土试件孔隙水流动的方法或装置，但均未对所引起沥青混凝土孔隙水压力进行监测，有的模拟试验中孔隙水非定向流动，有的模拟试验还存在加载速度偏低的问题。

对沥青路面上平面面积小于轮胎接地面积的点状多孔隙区域，车轮荷载作用下路面孔隙水总体上向下渗流；但对沥青路面上平面面积大于轮胎接地面积的面状多孔隙区域，如沥青混凝土级配较粗的带状离析区域，或空隙率较大的沥青层底部，在车轮荷载作用下本是承压流向相邻区域的孔隙水在车轮荷载移动到相邻区域路面后，将发生反向流动，即孔隙水随着车轮荷载的水平移动而在路面相邻区域间往返流动。具有多轴或多联轴的车辆在沥青路面面状多孔隙区域上驶过，可能连续多次引起孔隙水在路面相邻区域间往返流动。

在室内模拟试验中如果不对试验方法包括加载方式进行设计，特别是如果不对试件边界的排水条件进行限定，将不符合沥青路面面状多孔隙区域孔隙水的特殊流动规律；而孔隙水流方式与孔隙水压力响应是直接相关的，模拟试验中与路面实际孔隙水流方式不符将导致所引起的孔隙水压力与路面现场差别很大。气体的压缩将延缓水的流速，延缓水压传导，因此考虑非饱和状态水的压缩性时，施加动态荷载与静态荷载将引起不同的孔隙水压力响应。对于分析沥青路面孔隙水压力而言，在模拟试验中施加符合路面实际情况的瞬间动态外部压力是非常重要的。

综上所述，在室内实验中对动水压力进行模拟研究，并注意施加与路面实际相符的瞬间动态水压、设计试验方法采集孔隙水压显得十分必要。

实用新型内容

本实用新型的所要解决的技术问题是针对现有技术对沥青路面面状孔隙上高速移动荷载作用模拟方法的不足，提供一种能实现沥青混凝土试件孔隙水定向流动、并测试瞬间动态变化的外部水压力作用下沥青混凝土试件底孔隙水压力的动态响应规律的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，包括至少两个压力容器，每个压力容器内均设有沥青混凝土试件，开口容器，所述沥青混凝土试件的底部与开口容器的开口环形部位之间填充有粘结剂，所述沥青混凝土试件的侧壁涂覆有粘结剂；所述开口容器的侧壁设有用于测量沥青混凝土试件外部水压力的第一压力传感器和设有用于测量沥青混凝土试件底部水压力的第二压力传感器；各开口容器通过一穿过各压力容器的侧壁的管道连通。

作为对上述装置的进一步改进：

所述粘结剂为环氧树脂或酚醛树脂，所述第二压力传感器的探头位于中空并设有外螺纹的传感器载体杆件内，所述开口容器通过传感器载体杆件与压力容器锁紧连接。

沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第一连接管道，所述第一连接管道位于压力容器侧壁的顶部，压力容器的顶盖呈凸台状嵌入压力容器内。

所述压力容器的顶盖与沥青混凝土试件之间还设有活塞，活塞上设有连通活塞上、下表面的排气孔。

沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第一排气用控制阀、第二连接管道，所述压力容器通过第一连接管道与空压机连接；所述第二连接管道与第一连接管道对称设置于压力容器的侧壁，所述第一排气用控制阀通过第二连接管道与压力容器连接。

沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括空压机、减压阀、第一进气用控制阀和第二进气用控制阀，所述压力容器通过第一连接管道与空压机连接，所述第一连接管道在从压力容器至空压机的方向上依次顺序设有第一进气用控制阀、第二进气用控制阀和减压阀，所述压力容器的顶盖设有用于排气的手动阀。

所述第一压力传感器和第二压力传感器为工作频率50kHz以上的动压传感器，所述第一压力传感器的量程范围为0MPa～1.0MPa，第二压力传感器量程范围为-0.1MPa～1.0MPa。

本实用新型的工作原理是：将沥青混凝土试件浸没在水中，通过向其中之一压力容器内充入压缩空气施加正压力时，沥青混凝土试件在竖直轴向承受与路面实际相符的动态压力。由于沥青混凝土试件外部水承压，沥青混凝土试件的空隙中残留的空气被压缩，水进一步充满沥青混凝土试件的孔隙和沥青混凝土试件下的空隙，当该孔隙被水饱和后，水流向另一个压力容器内沥青混凝土试件底部下的空隙，再流入沥青混凝土试件孔隙。当对另一个压力容器施加气压，即对另一个沥青混凝土试件加水压时，水反向流动，对两沥青混凝土试件依次施加水压模拟了路面移动荷载，同时这种水流模拟了沥青路面空隙中的实际情况。施加外部水压时，由于孔隙水非饱和，孔隙水压响应滞后；突然释放外部水压时，孔隙中气体压力将产生冲击效应。

相对于现有技术，本实用新型具有如下的优点及效果：

（1）本实用新型的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置将沥青混凝土试件与开口容器开口环形部位之间填充有粘结剂，所述沥青混凝土试件的侧壁涂覆有粘结剂密封，对沥青混凝土试件的边界排水条件进行限定，引导孔隙水向下渗流，使孔隙水在竖直方向往复流动，保证密封后粘结剂与沥青混凝土试件侧壁无间隙，利用孔隙水压力与外部压力之差引起孔隙水流动，而非人为设置压力驱动孔隙水，从而实测沥青混凝土孔隙水定向流动的压力传导规律，各开口容器间通过一穿过各压力容器的侧壁的管道连通，引导孔隙水在沥青混凝土试件间定向流动。

（2）本实用新型的第二压力传感器的探头位于中空并设有外螺纹的传感器载体杆件内，开口容器通过传感器载体杆件与压力容器锁紧连接，避免了开口容器内外中的水不经由混凝土试件孔隙而直接连通。

（3）本实用新型的连接管道设在压力容器顶端，压力容器的顶盖加厚嵌入压力容器中，压力容器中水面以上空间减少，为达到目标压力所需充气量减少，试验频率提高。

（4）本实用新型的第二控制阀等均连接于压力容器的侧壁，而不是压力容器的顶盖上，使得压力容器的启闭更加轻便；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器和第四压力传感器采集频率高、精度高，量程范围足够，满足水压力监测的需要。

（5）本实用新型能独立加载工作，能瞬间加载、重复加载而不依赖大型动态加载试验装备，配件全部实现国产化，维修方便，且购置维修成本相对较低。

（6）本实用新型的测试方法对第一进气用控制阀和第二进气用控制阀串联且开启时间交叉，大大缩短了加压时间，提高了加载速度，避免了第一进气用控制阀和第二进气用控制阀的开、关时间对加载速度的影响。

（7）本实用新型的测试方法对沥青混凝土试件交替施加周期性变化的瞬间外部水压力，引起沥青混凝土试件孔隙内渗流与反向渗流，能对沥青混凝土试件施加周期性动态变化的极短暂的外部水压作用、实时监测外部水压力与沥青混凝土试件孔隙水压力，且孔隙内水压力相应动态变化并滞后于外部水压力变化，与路面孔隙水压力变化规律符合，从而可模拟沥青路面实际工况，即模拟移动车轮荷载引起的孔隙水压作用，能分析路面受交通荷载与环境因素的影响，克服现有试验技术不足。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中沥青路面孔隙水压力模拟测试装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1中沥青混凝土试件的封闭方式和受力示意图。

图3是本实用新型实施例1中第一压力传感器的安装方式的局部放大图。

图4是本实用新型实施例1中第二压力传感器的安装方式的局部放大图。

图5是本实用新型实施例2测试方法的流程图。

图例说明：

1、可编程控制器；21、第一固态继电器；22、第二固态继电器；23、第三固态继电器；24、第四固态继电器；25、第五固态继电器；3、空压机；41、第一进气用控制阀；42、第二进气用控制阀；43、第三进气用控制阀；44、第四进气用控制阀；45、第一排气用控制阀；46、第二排气用控制阀；47、手动阀；48、减压阀；51、压力表；52、第一压力传感器；53、第二压力传感器；61、活塞；62、开口容器；63、压力容器；64、顶盖；71、沥青混凝土试件；81、第一连接管道；82、第二连接管道；83、管道；9、数据采集仪；101、粘结剂；111、传感器载体杆件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例一

如图1~4所示，一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，包括至少两个压力容器63，每个压力容器63内均设有沥青混凝土试件71，开口容器62，沥青混凝土试件71的底部与开口容器62的开口环形部位之间填充有粘结剂101（本实施例粘结剂101具体为环氧树脂，酚醛树脂可达到相同技术效果），沥青混凝土试件71的侧壁涂覆有粘结剂101；开口容器62的侧壁的下部对称设有两个安装孔，其中一个安装孔内设有用于测量沥青混凝土试件71外部水压力的第一压力传感器52，另一个安装孔内设有用于测量沥青混凝土试件71底部水压力的第二压力传感器53；各开口容器62通过一穿过各压力容器63的侧壁的管道83连通。

本实施例中，第二压力传感器53的探头位于中空并带有内、外螺纹的传感器载体杆件111内，开口容器62通过传感器载体杆件111与压力容器63锁紧连接。沥青混凝土试件71底部安装了第二压力传感器53，避免了压力容器63与开口容器62之间的水不经过沥青混凝土试件71的孔隙而直接连通。

本实施例中，沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第一连接管道81，第一连接管道81位于压力容器63侧壁的顶部，压力容器63的顶盖64呈凸台状加厚嵌入压力容器63内，压力容器63的侧壁和顶盖64之间设有间隙。

本实施例中，在压力容器63的顶盖64的下方、沥青混凝土试件71的上方还安装有活塞61，活塞61用于防止排气时水雾喷出而致压力容器63内水面降低。活塞61通过橡胶圈与压力容器63的侧壁滑动连接，活塞61上设有连通活塞61上、下表面的排气孔，在活塞61与水面贴合后安装螺栓堵住排气孔，活塞61的顶面与第一连接管道81的底面平齐。

本实施例中，沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第二连接管道82与第一连接管道81对称设置于压力容器63的侧壁，第一排气用控制阀45通过第二连接管道82与压力容器63连接。

本实施例中，沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括空压机3、减压阀48、第一进气用控制阀41和第二进气用控制阀42，压力容器63通过第一连接管道81与空压机3连接，第一连接管道81在从压力容器63至空压机3的方向上依次顺序设有第一进气用控制阀41、第二进气用控制阀42和减压阀48，压力容器63的顶盖64设有压力表51和手动阀47，在试验过程中可通过压力表51了解压力容器63内压力或校核第一压力传感器52的读数，避免气压异常不被及时察觉；在试验过程中需要临时中断试验打开压力容器63时，可以通过手动阀47进行手动排气。

本实施例中，第一连接管道81在从另一个压力容器63至空压机3的方向上依次顺序设有第三进气用控制阀43、第四进气用控制阀44和减压阀48，第二排气用控制阀46通过第二连接管道82与另一个压力容器63连接。

本实施例中，空压机3为常开型；第一进气用控制阀41、第二进气用控制阀42、第四进气用控制阀44、第三进气用控制阀43、第一排气用控制阀45、第二排气用控制阀46均为常闭型。

本实施例中，减压阀48用于调整空压机3的输出压力，使得压力容器63内的压力达到目标值。第一压力传感器52测试压力容器63中沥青混凝土试件71顶面以上的外部水压力。第二压力传感器53测试沥青混凝土试件71底部的孔隙水压力。

本实施例中还包括可编程控制器1、第一固态继电器21、第二固态继电器22、第三固态继电器23、第四固态继电器24、第五固态继电器25，可编程控制器1通过第一固态继电器21、第二固态继电器22、第三固态继电器23、第四固态继电器24、第五固态继电器25分别与第一进气用控制阀41、第二进气用控制阀42、第四进气用控制阀44、第三进气用控制阀43、第一排气用控制阀45连接；第四固态继电器24还与第一排气用控制阀45连接；第五固态继电器25还与第一排气用控制阀45、第二排气用控制阀46分别连接。

可编程控制器1用于设置时间，通过控制第一固态继电器21、第二固态继电器22、第三固态继电器23、第四固态继电器24、第五固态继电器25分别对第一进气用控制阀41、第二进气用控制阀42、第四进气用控制阀44、第三进气用控制阀43、第一排气用控制阀45的供、断电，第四固态继电器24还控制第一排气用控制阀45的供、断电；第五固态继电器25控制第二排气用控制阀46的供、断电。

本实施例中，第一压力传感器52和第二压力传感器53为工作频率50kHz以上的动压传感器，第一压力传感器52的量程范围为0MPa～1.0MPa，第二压力传感器53量程范围为-0.1MPa～1.0MPa。

实施例二

如图5所示，采用实施例一所述的装置进行测试的方法具体过程如下：

（1）室内制备或在路面现场钻芯切割取得直径不小于100mm、不超过155mm的沥青混凝土试件71；

（2）将外径与沥青混凝土试件71直径相同、一侧带传感器安装孔的圆柱形的开口容器62填满13.2mm~16mm标准方孔筛筛余的碎石并充满水；

（3）将沥青混凝土试件71底部和填满碎石的圆柱形的开口容器62顶面开口环形部位以粘结剂101胶结，将沥青混凝土试件71的侧壁圆周涂满粘结剂101并使之自然流淌，直至粘结剂101涂覆于沥青混凝土试件71与开口容器62的外侧壁，并保持传感器安装孔内无粘结剂101；

（4）待粘结剂101充分干燥、固化形成强度后，将与圆柱形的开口容器62粘结牢固的沥青混凝土试件71置于压力容器63中，以带有外螺纹的传感器载体杆件111连接锁紧开口容器62和压力容器63，安装第一压力传感器52和第二压力传感器53，将压力容器63中注水至第一连接管道81的底面，将活塞61通过橡胶圈滑动连接于压力容器63的侧壁上，当活塞61与水面贴合后安装螺栓堵住排气孔，盖上压力容器63的顶盖64；

（5）旋紧螺丝使压力容器63的顶盖64与侧壁之间的橡胶垫压缩从而密封压力容器63，关闭手动阀47；

（6）为可编程控制器1、空压机3、第一压力传感器52和第二压力传感器53分别连通电源，开启空压机3，即可选择控制流程开始动水冲刷试验，动水冲刷过程中数据采集仪9采集第一压力传感器52和第二压力传感器53的数据；

控制流程：通过可编程控制器1控制第一进气用控制阀41开启历时0.25s，0.15s时第二进气用控制阀42开启历时0.25s，即在第一进气用控制阀41和第二进气用控制阀42同时开启的0.1s内向水和沥青混凝土试件71施加压力；0.1s时第四进气用控制阀44开启历时0.25s，0.25s时第三进气用控制阀43开启历时0.25s；0.25s时第一排气用控制阀45开启历时0.25s，使压力容器63排气至大气压；0.35s时开启第二排气用控制阀46历时0.25s，使另一个压力容器63排气至大气压；

表1实施例二控制流程时间表

0s

0.1s

0.15s

0.25s

0.35s

0.4s

0.5s

0.6s

第一进气用控制阀41

开启

关闭

第二进气用控制阀42

开启

关闭

第四进气用控制阀44

开启

关闭

第三进气用控制阀43

开启

关闭

第一排气用控制阀45

开启

关闭

第二排气用控制阀46

开启

关闭

依此控制过程，对沥青混凝土试件71施加周期性变化的瞬间外部水压力，模拟沥青路面动水压力冲刷的过程；或在此控制过程结束后依同样过程循环，本实施例中，循环次数为一次。

第一进气用控制阀41和第二进气用控制阀42同时开启的时间，或第四进气用控制阀44和第三进气用控制阀43同时开启的时间与选用的空压机3等配件有关，可依采集到第一压力传感器52和第二压力传感器53的数据确定；测试时水温控制可以通过调节压力容器63外围的温度实现。

对一定空隙率的沥青混凝土试件71，当加载速度一定时，通过对不同高度沥青混凝土试件71试验得到的水压力-时间关系曲线确定引起孔隙水压力为0的沥青混凝土试件71临界高度；当沥青混凝土试件71高度一定时，通过不同加载速度的试验得到的水压力-时间关系曲线确定引起孔隙水压力为0的临界加载速度。

（7）模拟动水压力冲刷完毕，将可编程控制器1切断电源，关闭空压机3；打开手动阀47排出压力容器63内的余气；旋松螺丝打开压力容器63的顶盖64，取出沥青混凝土试件71。

实施例三

采用实施例一所述的装置进行测试的方法具体过程与实施例二相同，不同之处在于本实施例所采用的控制流程如下：

通过可编程控制器1控制第一进气用控制阀41开启历时0.25s，0.15s时第二进气用控制阀42开启历时0.25s，即在第一进气用控制阀41和第二进气用控制阀42同时开启的0.1s内向沥青混凝土试件71施加压力；0.25s时第一排气用控制阀45开启历时0.25s，使压力容器63内排气至大气压；0.1s时第四进气用控制阀44开启历时0.25s，0.25s时第三进气用控制阀43开启历时0.25s；0.35s时开启第二排气用控制阀46历时0.3s，使压力容器66内排气至大气压；除第二排气用控制阀46每间隔0.1s外，其它控制阀均每间隔0.15s后，依此过程循环若干次（本实施例中，循环次数为三次）从而对两个沥青混凝土试件71施加周期性变化的瞬间外部水压力，模拟沥青路面动水压力冲刷的过程。

表2实施例三控制流程时间表

0s

0.1s

0.15s

0.25s

0.35s

0.4s

0.5s

0.65s

第一进气用控制阀41

开启

关闭

第二进气用控制阀42

开启

关闭

第四进气用控制阀44

开启

关闭

第三进气用控制阀43

开启

关闭

第一排气用控制阀45

开启

关闭

第二排气用控制阀46

开启

关闭

试验发现，在侧壁和底部封闭的沥青混凝土试件71的顶部施加静态水压力，则沥青混凝土试件71内部水压力（即孔隙水压力）将逐渐趋于与外部水压力相等；而如果对沥青混凝土试件71施加瞬间动态变化的水压力，则由于孔隙水压力传导的滞后性，沥青混凝土试件71内部水压力总是小于外部水压力。因此，在室内模拟试验中必需施加与车轮荷载频率相当的瞬间动态变化的外部水压力。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，包括至少两个压力容器（63），每个压力容器（63）内均设有沥青混凝土试件（71），开口容器（62），其特征在于：所述沥青混凝土试件（71）的底部与开口容器（62）的开口环形部位之间填充有粘结剂（101），所述沥青混凝土试件（71）的侧壁涂覆有粘结剂（101）；所述开口容器（62）的侧壁设有用于测量沥青混凝土试件（71）外部水压力的第一压力传感器（52）和设有用于测量沥青混凝土试件（71）底部水压力的第二压力传感器（53）；各开口容器（62）通过一穿过各压力容器（63）的侧壁的管道（83）连通。

2.根据权利要求1所述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，其特征在于：所述粘结剂（101）为环氧树脂或酚醛树脂，所述第二压力传感器（53）的探头位于中空并设有外螺纹的传感器载体杆件（111）内，所述开口容器（62）通过传感器载体杆件（111）与压力容器（63）锁紧连接。

3.根据权利要求1或2所述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，其特征在于：沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第一连接管道（81），所述第一连接管道（81）位于压力容器（63）侧壁的顶部，压力容器（63）的顶盖（64）呈凸台状嵌入压力容器（63）内。

4.根据权利要求3所述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，其特征在于：所述压力容器（63）的顶盖（64）与沥青混凝土试件（71）之间还设有活塞（61），活塞（61）上设有连通活塞（61）上、下表面的排气孔。

5.根据权利要求3所述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，其特征在于：沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括第一排气用控制阀（45）、第二连接管道（82），所述压力容器（63）通过第一连接管道（81）与空压机（3）连接；所述第二连接管道（82）与第一连接管道（81）对称设置于压力容器（63）的侧壁，所述第一排气用控制阀（45）通过第二连接管道（82）与压力容器（63）连接。

6.根据权利要求5所述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，其特征在于：沥青路面孔隙水压力模拟测试装置还包括空压机（3）、减压阀（48）、第一进气用控制阀（41）和第二进气用控制阀（42），所述压力容器（63）通过第一连接管道（81）与空压机（3）连接，所述第一连接管道（81）在从压力容器（63）至空压机（3）的方向上依次顺序设有第一进气用控制阀（41）、第二进气用控制阀（42）和减压阀（48），所述压力容器（63）的顶盖（64）设有用于排气的手动阀（47）。

7.根据权利要求6所述的沥青路面孔隙水压力模拟测试装置，其特征在于：所述第一压力传感器（52）和第二压力传感器（53）为工作频率50kHz以上的动压传感器，所述第一压力传感器（52）的量程范围为0MPa～1.0MPa，第二压力传感器（53）量程范围为-0.1MPa～1.0MPa。