CN106706454A

CN106706454A - 钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置

Info

Publication number: CN106706454A
Application number: CN201710039491.4A
Authority: CN
Inventors: 孟庆山; 王帅; 周疆豪; 雷学文; 董云洁; 徐亚飞; 李雨杰; 张中信; 廖明勇; 罗霄; 龚屿; 李昇昊; 周思成
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2037-01-17
Also published as: CN106706454B

Abstract

本发明公开了一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，涉及岩土力学领域。本装置包括支架部分、路基模型部分、驱动与传动部分、荷载施加部分、传感器监测部分和水位波动部分；支架部分为整个装置的支撑部分；在路基模型部分内盛装有钙质砂，在钙质砂内埋设有传感器监测部分；驱动与传动部分、荷载施加部分、水位波动部分分别与路基模型部分相连接。本发明用于模拟车辆、飞机等交通工具行驶过程中对路面施加的交通荷载，并可探测路基内部土体所受压力、孔隙水压力以及土体变形情况。

Description

钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置

技术领域

本发明涉及岩土力学领域，尤其涉及一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置；用于模拟车辆、飞机等交通工具行驶过程中对路面施加的交通荷载，并可探测路基内部土体所受压力、孔隙水压力以及土体变形情况。

背景技术

随着我国建设事业的发展，公路、桥梁、铁路等建设工程飞速进度，交通工具也在进行不断发展，重型车辆、飞机等交通工具的产生对于公路的承载特性提出了更高要求。以车辆、飞机为代表的交通工具产生的荷载具有其自身特点，其中交通荷载的长期周期性的施加会造成路基的变形沉降，更有甚者会因此造成道路的损坏，不仅包括其自重，还因为路面、轮胎的不平整，加上行驶过程中机器运行的振动，属于典型的动荷载，还例如飞机在起飞、降落过程中还会对路基产生明显的冲剪效应，这些复杂多变的交通荷载是工程设计时考虑的难题，很容易对于道路路基产生影响，影响交通工具行驶安全。

此外路基工程设计时不仅要考虑控制宏观的路基沉降变形，同时还要考虑路基内部土层的受力和变形特点，由于岛礁特殊的地理条件，路基的填筑多采用岛礁现有岩土工程介质材料，需要考虑钙质砂砾在路基受荷条件下的变形和颗粒破碎问题，同时由于岛礁路基其服役条件往往是在临海环境中进行，还要考虑水位升降、雨水淋滤蒸发等对路基结构性的影响。

因此在研究钙质砂路基时，需要探究路基在交通荷载作用下的路基沉降、土体内部受力、变形的情况，同时还要分析路基变形过程中土体的位移情况，进而对工程建设提出相应的改进措施。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种钙质砂交通荷载路基模型试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

采用环形对称结构，研究在长期交通荷载作用下钙质砂路基形以及土体内部压力、孔隙水压力变化情况，同时通过在路基模型槽侧壁开设一定区域观察窗，利用数字图像关联和跟踪技术（DIC），观测并分析路基变形情况；模型装置的特点在于采用了一种环形跑道结构，其特点是能够节约空间，减少试验耗费，并通过荷载施加系统对路基施加不同大小、频率、形式的交通荷载，通过埋设在路基中的传感器实时获取土体内部压力情况。

具体地说，本装置包括支架部分、路基模型部分、驱动与传动部分、荷载施加部分、传感器监测部分和水位波动部分；

其位置和连接关系是：

支架部分为整个装置的支撑部分；

在路基模型部分内盛装有钙质砂，在钙质砂内埋设有传感器监测部分；

驱动与传动部分、荷载施加部分、水位波动部分别与路基模型部分相连接。

与现有技术相比，本发明具有下列优点和有益效果：

①采用环形对称结构，对比于直线型重物堆载车式的反复碾压的测试方法，节约空间场地，操作简便，提升工作效率，并可对路基模型施加不同形式的交通荷载，尤其是可变的线性荷载，可模拟实际工程中各类交通荷载对路基的动力作用效果，以及飞机对路基的冲剪效应，解决了常规路基模型试验采用静力加载不符合实际、荷载单一、占用空间大和耗时耗力的问题；

②可模拟岛礁环境中海洋潮汐涨落的水位波动现象、雨水淋滤蒸发的干湿循环现象等造成的路基内部土体结构变化，可进一步对海况条件下路基的稳定性进行评价分析；

③采用环形对称结构，荷载施加形式包括轮胎双向圆周旋转和竖立自转扭动两种形式，可模拟车辆反复来回行驶和飞机停靠起落原地水平打转的情形，更切近与实际交通荷载形式；

④利用数字图像关联和跟踪技术（DIC），通过控制轮胎运动半径，使轮胎作用点紧临模型槽外壁，根据半无限体空间假定，通过外壁设置的透明观察窗可实时获取此时路基在交通荷载作用下，其内部各层土体的变形沉降以及土体的位移图像，利用数字图像关联和跟踪技术，进一步分析土体颗粒在荷载作用下的土体位移。

总之，本发明对钙质砂路基模拟施加不同类型的交通荷载装置，采用环形对称结构，节省模型试验空间和耗费，可模拟岛礁海洋环境下的临海路基，研究水位升降、雨水淋滤蒸发等情况对路基土体结构性稳定性的影响；可施加车辆反复来回行驶、飞机起落冲切、轮胎原地自转等多种形式的交通荷载，获取路基变形，土体内部受力和孔隙水压力变化等参数，并利用数字图像关联和跟踪技术对路基分层变形、土体位移进行分析。

附图说明

图1.1是本装置的结构方框图，

图1.2是本装置的组装效果图，

图1.3是支架部分的结构示意图；

图2.1是路基模型部分的结构俯视图，

图2.2是路基模型部分的结构主视图，

图2.3是路基凹槽的结构立体图，

图2.4是路面示意图；

图3.1是驱动与传动部分300的结构示意图，

图3.2是传动轴330和限位单元340的结构爆炸图；

图4.1是荷载施加部分400的结构示意图，

图4.2是荷载动力模块410的结构示意图，

图4.3是传压帽及其连接组成结构图，

图4.4是圆周旋转模块420的结构示意图，

图4.5是圆周旋转组装结构图，

图4.6是承压帽多角度结构图，

图4.7是圆周旋转主横梁结构图，

图4.8是支撑架结构图，

图4.9是圆周旋转减震架结构图，

图4.10是自旋转模块430的结构示意图，

图4.11是自旋转模块430的剖切结构示意图，

图4.12 是自旋转组装结构图，

图4.13 是自旋转主横梁结构图，

图4.14 是自旋转支架结构图；

图5是传感器布设方法示意图；

图6.1是水位波动部分图，

图6.2是水箱多角度结构图；

图7是线性荷载施加单元的结构方框图；

图8是数字图像测量路基变形和土体位移方法的流程图。

图中

100—支架部分，

110—支架槽钢；

120—支撑槽钢；

130—丝杆；

140—安装槽钢，

141—气缸安装槽钢，142—轴承支座安装槽钢，

143—驱动安装槽钢；

150—安装角钢；

160—轴承支座。

200—路基模型部分，

211—素混凝土路面，212—钙质砂路基土，213—钙质砾路基基床；

214—位移计支板；

220—凹槽，

221—出水口，222—水位管，223—第一进水口，

224—第二进水口，225—第三进水口，226—观察窗。

300—驱动与传动部分，

310—主电动机；

320—SEW减速器；

330—传动轴，

331—键槽，332—方形轴，333—限位滑槽；

340—限位单元，

341—销钉、342—第一限位螺母、343—第二限位螺母；

350—电机转向控制器。

400—荷载施加部分，

410—荷载动力模块，

412—调压阀，

413—气缸，

414—气缸推杆，

415—传压帽，

415a—传压帽外壳，415b—传压推力球轴承，

415c—外紧固螺母，415d—内紧固螺母，

417—调压阀，

418a—电气比例阀，418b—直流电源，418c—信号发生器；

420—圆周旋转模块，

421—第一承压帽，

422—第一主横梁，

423a—第一大螺母，423b—第二大螺母，

424a—第一支撑板，424b—第二支撑板，

425a—第一弹簧，425b—第二弹簧，

427a—第一减震架，427b—第二减震架，

428a—第一橡胶轮，428b—第二橡胶轮、

429a—第一轮轴，429b—第二轮轴；

430—自旋转模块，

431—第二承压帽，

432—第二主横梁，

433a—第一副电机，433b—第二副电机，

434a—第一圆锥齿轮，434b—第二圆锥齿轮，

435a—第一推力球轴承，435b—第二推力球轴承，

436a—第一自旋转支架，436b—第二自旋转支架、

437a—第三轮轴，437b—第四轮轴，

438a—第三橡胶轮，438b—第四橡胶轮，

439a—第一限位轴承，439b—第二限位轴承。

500—传感器监测部分

m—土压力采集器，m1—微型土压力盒，

n—孔隙水压力采集器，n1—微型孔隙水压力盒

g—计算机，s—摄像头。

600—水位波动部分，

610—门吊，

611—门形支架，612—第一环扣，613—手拉葫芦，

614—万向轮；

620—水箱，

621—水箱箱体，

621a—水箱泻水口，621b—第一出水口，

621c—第二出水口，621d—第三出水口；

622—第二环扣；623—第三环扣。

具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明：一、装置 1、总体

如图1.1、图1.2，本装置包括支架部分100、路基模型部分200、驱动与传动部分300、荷载施加部分400、传感器监测部分500和水位波动部分600；

其位置和连接关系是：

支架部分100为整个装置的支撑部分；

在路基模型部分200内盛装有钙质砂A，在钙质砂A内埋设有传感器监测部分500；

驱动与传动部分300、荷载施加部分400、水位波动部分600分别与路基模型部分200相连接。

工作机理是：

支架部分100是整个装置的基础承载框架，在支架部分100的内部设置有驱动与传动部分300，驱动与传动部分300的活动端作用于路基模型部分200上；荷载施加部分400位于支架100上，其荷载通过驱动与传动部分300传递到路基模型部分200；路基模型部分200由素混凝土路面211、钙质砂路基土212、钙质砾路基基床213组成，依次传递荷载；传感器监测部分500所属微型土压力盒501、微型孔隙水压力盒504位于钙质砂路基土212中，分别用来测定对应的参数；水位波动部分600用于模拟海洋潮汐作用引起的水位升降，通过起吊外部水箱实现。

2、功能部分

1）支架部分100

如图1.3，支架部分100是本装置的支撑体，由支架槽钢110、支撑槽钢120、丝杆130、安装槽钢140、安装角钢150和轴承支座160搭建而成的长方体结构；

所述的安装槽钢140包括气缸安装槽钢141、轴承支座安装槽钢142和驱动安装槽钢143，分别设置在支架部分100的上、中、下部。

2）路基模型部分200

如图2.1、2.2，路基模型部分200包括路基210和凹槽220；在凹槽220内设置有路基210；

（1）路基210

路基210包括素混凝土路面211、钙质砂路基土212、钙质砾路基基床213和位移计支板214；

从上到下，素混凝土路面211、钙质砂路基土212和钙质砾路基基床213依次连接，位移计支板214；

*素混凝土路面211是由水泥、钙质砂按照一定比例混合后在模具中浇筑制成环形混凝土结构；其主要作用是模拟实际交通路面，直接承受上部驱动和传动部分300所传递的荷载；提供足够的摩擦系数、与钙质砂路基土212协调变形，其一侧设置有位移计支板214；

*钙质砂路基土212由0.5～2mm粒径大小钙质砂按照一定比例混合形成；

*钙质砾路基基床213由5～20mm粒径大小钙质砾按照一定比例混合形成；

*位移计支板214为一长方形板，嵌于素混凝土路面211一侧边缘，上部与电位移计w1连接，其作用为测量路面211沉降位移。

（2）凹槽220

如图2.3，凹槽220为一外径1000mm、内径200mm、高500mm的环状容器，在外壁上均布有第一进水口223、第二进水口224和第三进水口225，还设置有出水口221、水位管222和观察窗226；

*水位管222为L形带刻度的透明塑料管，与出水口221连接。

*第一进水口223、第二进水口224和第三进水口225均为通用阀门；

*观察窗226为一略带弧度的透明高强窗形玻璃板，具有良好的透视性。

3）驱动与传动部分300

如图3.1、图3.2，驱动与传动部分300包括主电动机310、SEW减速器320、传动轴330、限位单元340和转向控制器350；

转向控制器350、主电动机310、SEW减速器320和传动轴330依次连接；

在传动轴330的上设置有限位单元340。

（1）主电动机310

主电动机310是一种通用件，功率为1.4KW；

其作用是提供动力。

（2）SEW减速器320

SEW减速器320是一种通用件，减速比是40：1；

其作用是转速换向，将主电动机310水平旋转转换为竖向旋转，并控制传动轴330旋转速度。

（3）传动轴330

如图3.2，传动轴330包括键槽331、方形轴332、限位滑槽333和轴身334；

轴身334为一种圆铁柱，在轴身334的上半部分连接有方形轴332，在方形轴332的上端设置有限位滑槽333，在轴身334的下端设置有键槽331；

在传动轴330的上端通过限位滑槽333和限位单元340连接，下端通过键槽331和SEW减速器320连接。

限位滑槽333是一种中部是长方形、两端是半圆形的孔槽；

其作用是给传动轴330与第一主横梁422的上下相对滑动提供足够的运动空间。

（4）限位单元340

限位单元340包括销钉341、第一限位螺母342和第二限位螺母343。

在销钉341的前、后端分别连接有第一限位螺母342和第二限位螺母343。

限位单元340通过限位滑槽333与传动轴330上半部分方形轴332相连。

限位单元340的作用是限制传动轴330与第一主横梁422发生相对转动，但可以上下滑动。

*销钉341是一细丝杆。

*第一限位螺母342和第二限位螺母343为通用件。

作用是将销钉341卡在限位滑槽333中。

（5）电机转向控制器350

电机转向控制器350是一种通用件，其作用是控制主电动机310实现正反向转换，用以模拟交通工具前进和后退的情形。

4）荷载施加部分400

如图4.1，荷载施加部分400包括荷载动力模块410、圆周旋转模块420和自旋转模块430，圆周旋转模块420和自旋转模块430分别与荷载动力模块410连接。

（1）荷载动力模块410

如图4.2，荷载动力模块410包括空压机411、调压阀412、气缸413、气缸推杆414和传压帽415；

空压机411、调压阀412和气缸413依次连接，使气缸推杆414运动；

气缸推杆414和传压帽415连接，带动传压帽415运动。

荷载动力模块410的工作原理：

荷载动力模块410可以对圆周旋转模块420和自旋转模块430施加竖向静荷载和线性荷载，同时可以对荷载频率、大小进行改变。

如图4.3，所述的传压帽415包括传压帽外壳415a、传压推力球轴承415b、外紧固螺母415c和内紧固螺母415d；

气缸活塞推杆414、外紧固螺母415c、传压帽外壳415a、内紧固螺母415d、传压推力球轴承415b依次连接。

工作原理：

传压帽415上部与气缸推杆414连接，下部传压推力球轴承416b与承压帽421连接，传压帽415可与承压帽421发生相对滚动，在运动时传递垂直荷载。

（2）圆周旋转模块420

如图4.4，圆周旋转模块420包括第一承压帽421、第一主横梁422、第一大螺母423a、第二大螺母423b、第一支撑架424a、第二支撑架424b、第一弹簧425a、第二弹簧425b、第一减震架427a、第二减震架427b、第一橡胶轮428a、第二橡胶轮428b、第一轮轴429a、第二轮轴429b；

其位置和连接关系是：

第一承压帽421和第一主横梁422上下连接；

第一主横梁422左边、第一支撑架424a、第一大螺母423a、第一减震架427a、第一弹簧425a、第一橡胶轮428a和第一轮轴429a依次连接；

第一主横梁422右边、第二支撑架424b、第二大螺母423b、第二减震架427b、第二弹簧425b、第二橡胶轮428b和第二轮轴429b依次连接。

工作原理：

如图4.5，所述的圆周旋转模块420为一个功能性主体，与传动轴330连接，并可方便地从传动轴330上取下；主电动机310工作，通过SEW减速器320带动传动轴330转动，传动轴330在方孔422a和方形轴332的配合和限位单元340的作用下，通过第一主横梁422驱动着圆周旋转模块420结构体在素混凝土路面211上旋转，同时气缸414通过气缸推杆415给第一承压帽421施加静荷载或线性荷载，进而给圆周旋转结构体施加竖向的静荷载或线性荷载，迫使第一橡胶轮428a和第二橡胶轮428b给路基模型部分200施加荷载。

如图4.6（a），所述第一承压帽421为一上部封闭的空心圆筒；

第一承压帽421其上端与传压推力球轴承415b连接，下端与第一主横梁422连接；其作用是承受传压帽415传递的荷载；

如图4.7，所述的第一主横梁422为一方钢横梁，在中心设置有竖向的方孔422a，其中部水平方向有第一小圆孔422b和第二小圆孔422c；

销钉341、第一限位螺母342、第一小圆孔422b、方孔422a、限位滑槽333、第二小圆孔422c、第二限位螺母343依次连接；

方孔422a套在方形轴332上，与其活动连接，上下滑动。

如图4.8（a），所述的第一支撑架424a为一H型支架，为非标准件，中部开设有第一安装孔424a-H；在H型支架下部分别开设有左第一支撑架滑槽H1和右第一支撑架滑槽H2；

如图4.8（b），所述的第二支撑架424b为一H型支架，为非标准件，中部开设有第二安装孔424b-H；在H型支架下部分别开设有左第二支撑架滑槽H3和右第二支撑架滑槽H4；

如图4.9（a），所述的第一减震架427a为非标准件，包括上下连接的第一减震架圆轴c-1和第一减震架门形板d-1；

在第一减震架门形板d-1的下端两侧分别设置有左第一减震架小孔e-1和右第一减震架小孔f-1；

如图4.9（b），所述的第二减震架427b为非标准件，包括上下连接的第二减震架圆轴c-2和第二减震架门形板d-2；

在第二减震架门形板d-2的下端两侧分别设置有左第二减震架小孔e-2和右第二减震架小孔f-2；

所述的第一轮轴429a为非标准件，包括左第一轮轴限位螺母429a-1、第一轮轴限位丝杠429a-2和右第一轮轴限位螺母429a-3；

（3）自旋转模块430

如图4.10、图4.11，自旋转模块430包括第二承压帽431、第二主横梁432、第一副电机433a、第二副电机433b、第一圆锥齿轮434a、第二圆锥齿轮434b、第一推力球轴承435a、第二推力球轴承435b、第一自旋转支架436a、第二自旋转支架436b、第三轮轴437a、第四轮轴437b、第三橡胶轮438a、第四橡胶轮438b、第一限位轴承439a、第二限位轴承439b；

所述的第二承压帽431为一圆筒，下端通过螺丝与第二主横梁432连接，上端与气缸推杆415下端相连；

第二主横梁432左边、第一副电机433a、第一圆锥齿轮434a、第一推力球轴承435a、第一自旋转支架436a、第三轮轴437a、第三橡胶轮438a、第一限位轴承439a依次连接；

第二主横梁432右边、第二副电机433b、第二圆锥齿轮434b、第二推力球轴承435b、第二自旋转支架436b、第四轮轴437b、第四橡胶轮438b、第二限位轴承439b依次连接。

工作原理：

如图4.12，所述自旋转模块430为一个功能性主体，与传动轴330连接，并可方便地从传动轴330上取下，副电机433a（b）工作，通过圆锥齿轮434a（b）换向减速作用带动自旋转支架436a（b）转动，在限位轴承439a（b）和推力球轴承435a（b）的作用下，通过自旋转支架436a（b）驱动着第三橡胶轮438a和第四橡胶轮438b在素混凝土路面211上自旋转，同时气缸414通过气缸推杆415给第二承压帽431施加静荷载或线性荷载，迫使第三橡胶轮438a和第四橡胶轮438b给路基模型部分200施加荷载。

*第二承压帽431

如图4.6（b），第二承压帽431为一上部封闭的空心圆筒；

第二承压帽431其上端与传压推力球轴承416b连接，下端与第二主横梁432连接；其作用是承受传压帽415传递的荷载；

*第二主横梁432

如图4.13，第二主横梁432为方钢横梁，其两端分别设置有第一圆孔432b、第二圆孔432c，其中部设置有竖向方孔432a；

方孔432a套在方形轴332上，与其活动连接，上下滑动；

*第一自旋转支架436a

如图4.14（a），第一自旋转支架436a包括上下连接的第一自旋转支架圆轴436a-1和第一自旋转支架门形板436a-2；

第一自旋转支架门形板436a-2下端两侧设有第一自旋转支架门形板小孔g-1、第一自旋转支架门形板小孔h-1；

*第二自旋转支架436b

如图4.14（b），第二自旋转支架436b包括上下连接的第二自旋转支架圆轴436b-1和第二自旋转支架门形板436b-2；

第二自旋转支架门形板436b-2下端两侧设有第二自旋转支架门形板小孔g-2、第二自旋转支架门形板小孔h-2；

*第三轮轴437a

第三轮轴437a包括左第三轮轴限位螺母437a-1、第三轮轴限位丝杠437a-2和右第三轮轴限位螺母437a-3；

*第四轮轴437b

第四轮轴437b包括左第四轮轴限位螺母437b-1、第四轮轴限位丝杠437b-2和右第四轮轴限位螺母437b-3；

5）传感采集部分500

如图5，传感采集部分500包括土压力采集器m及其土压力探头m1，孔隙水压力采集器n及其孔隙水压力探头n1，位移采集器w及其电位移计w1，摄像头s和计算机g；

土压力探头m1和孔隙水压力探头n1分别置于路基210中的钙质砂路基土212中；

电位移计w1置于位移支板214上；

摄像头s的镜头对准观察窗226；

土压力采集器m、孔隙水压力采集器n、位移采集器w和摄像头s的输出端分别与计算机g连接。

（1）土压力采集器m及其土压力探头m1

土压力采集器m为通用件，其土压力探头m1是一种电阻式传感器，为土体所受压引起力其内部传感器阻值变化，从而得到该点土体受压力状态改变量；

（2）孔隙水压力采集器n及其孔隙水压力探头n1

孔隙水压力采集器n为通用件，其孔隙水压力探头n1是一种电阻式传感器，为孔隙水受压引起力其内部传感器阻值变化，从而得到该点孔隙水受压力状态改变量。

（3）位移采集器w及电位移计w1

位移采集器w为通用件，其电位移计w1是一种电阻式传感器，为伸缩位移引起其内部传感器阻值变化，从而得到该点位移状态改变量。

（4）摄像头s

摄像头s为通用件，通过数字图像关联和跟踪技术（DIC）计算土体位移。

6）水位波动部分600

如图6.1、6.2，水位波动部分600包括门吊610和水箱620；

在门吊610内设置有水箱620。

（1）门吊610

门吊610包括门形支架611、第一环扣612、手拉葫芦613和万向轮614；

在门形支架611的上横梁中间下部依次连接有第一环扣612和手拉葫芦613，在门形支架611的底部连接有4个万向轮614。

（2）水箱620

水箱620包括水箱箱体621、第二环扣622、第三环扣623和出水管624；

所述的水箱箱体621为一方筒形容器，在水箱箱体621的侧壁上部设置有第二环扣622和第三环扣623，分别与手拉葫芦613相连接；

在水箱箱体621底部设置有水箱泻水口621a，在水箱箱体621的侧壁下部分别设置有第一出水口621b、第二出水口621c和第三出水口621d，分别与出水管624相连接；

水位波动部分600的工作机理：

水位波动部分600为一个功能性主体，与路基模型部分200连接，其出水管624可方便地从路基模型部分200的进水口卸下。水位波动部分600主要作用是给路基模型部分200提供水位可以升降的水，模拟临海路堤在潮汐水位不断升降变化的情况下路基模型部分200受各种交通荷载的作用。水位波动部分600是用于模拟临海路堤工程环境中的水位上升或下降方式，通过水箱620的起吊来实现；水箱620的第一出水口621b、第二出水口621c、第三出水口621d与路基模型部分200的第一进水口223、第二进水口224、第三进水口225连通，通过水箱620的升降控制路基模型部分200内的水位。

二、使用方法

1、交通工具的自重荷载

如图4.1，交通工具的自重荷载是：

①将空气压缩机411、调压阀417、电磁阀412、气缸414依次通过导气管413连成气路，并接通空气压缩机411电源，打开空气压缩机411开关，验证气密性是否良好，验证完毕后关闭空气压缩机411开关。

②将微型土压力传感器盒m1，微型孔隙水压力盒n1埋入钙质砂路基土212相应位置，电位移计w1活动端安装在路基位移板214上，摄像头s对准观察窗226，其输出端接入传感采集仪503和计算机g，接通主电动机310的电源，传动轴330在轴承支座160的固定下转动，转动的传动轴330通过上端方形轴332与第一主横梁422的方孔422a的配合方式和限位销340的作用驱动圆周旋转模块420匀速转动，带动第一橡胶轮428a和第二橡胶轮428b贴紧在素混凝土路面211上转动。

③再打开空气压缩机411的开关，通过导气管413传导气体，气缸414在一定的气压的推动下，将气缸推杆415推出，压在第一承压帽421上，实现静荷载的施加；进一步通过调节调压阀417，实现荷载大小的调节。

2、飞机起落冲切荷载

如图4.1，飞机起落冲切荷载是：

①将空气压缩机411、调压阀417、电气比例阀418a、气缸414依次气路连通；将直流电源418b、电气比例阀418a、信号发生器418c依次电路连接；

②打开直流电源418b开关，调节信号发生器418c，按照所需波形荷载编程；打开电气比例阀418a开关，调节电气比例阀418a参数。再接通空气压缩机411电源并打开空气压缩机411开关，验证电路和气路是否能正常工作，若不能正常工作，则重新检查连接，若能正常工作，则关闭空气压缩机411开关；

③将微型土压力传感器盒m1，微型孔隙水压力盒n1埋入钙质砂路基土212相应位置，其输出端接入传感采集仪503和计算机g，接通主电动机310的电源，传动轴330在轴承支座160的固定下转动，转动的传动轴330通过上端方形轴332与第一主横梁422的方孔422a的配合方式和限位销340的作用驱动圆周旋转模块420匀速转动，带动第一橡胶轮428a和第二橡胶轮428b贴紧在素混凝土路面211上转动；

④再打开空气压缩机411的开关，通过导气管413传导气体，气缸414在一定的气压的推动下，将气缸推杆415推出，压在第一承压帽421上，根据编制好的程序，实现线性荷载的施加；进一步通过调节调压阀417，实现荷载大小的调节。

3、换向水平旋转荷载

所述模拟交通工具换向时自旋转荷载是这样施加的：

①将空气压缩机411、调压阀417、电磁阀412、气缸414依次通过导气管413连成管路，并接通空气压缩机411电源，打开空气压缩机411开关，验证气密性是否良好，验证完毕后关闭空气压缩机411开关；

②将微型土压力传感器盒m1，微型孔隙水压力盒n1埋入钙质砂路基土212相应位置，其输出端接入传感采集仪503和计算机g，；断开主电动机310的电源，接通副电动机433的电源使其工作，通过圆锥齿轮434的换向减速，自旋转支架436在限位轴承439的固定下转动，带动第三橡胶轮438a和第四橡胶轮438b贴紧在素混凝土路面211上自旋转运动；

③再打开空气压缩机411的开关，通过导气管413传导气体，气缸414在一定的气压的推动下，将气缸推杆415推出，压在第二承压帽431上，实现静荷载的施加；进一步通过调节调压阀，实现荷载大小的调节。

4、传感器布设方法

如图5，传感器布设方法是：

①微型土压力传感器m1沿深度和水平方向布置，深度方向布置为距离素混凝土路面211下部50cm处1个，100cm处1个。

②微型孔隙水压力传感器n1沿深度和水平方向布置，深度方向为距离素混凝土路面211下部50cm处1个，100cm处1个。

③微型土压力盒m1、微型孔隙水压力盒n1分别与土压力采集器m、孔隙水压力采集器n连接；

④位移计w1与位移采集器w连接，

⑤土压力采集器m、孔隙水压力采集器n、位移采集器w分别与计算机连接g。

5、水位波动方法

水位波动方法是：

①用手拉葫芦613将水箱箱体621降到最低处，并用出水管623将水位波动部分600的第一出水口621b、第二出水口621c、第三出水口621d分别与路基模型部分200的第一进水口223、第二进水口224、第三进水口225连接，并关闭各出水阀口的开关；

②将水管连接实验室水龙头，通过水管给水箱620注水，注满水箱四分之三高度处停止注水，关闭水龙头；

③通过拉动手拉葫芦613，将水箱箱体621移动到初始高度；打开各进水口和出水口的阀开关，让水流进入路基模型部分200；不断通过手拉葫芦613拉动水箱箱体621，实现路基模型部分200内的水位升降变化；

④试验结束后，将水箱箱体621降到最低；待路基模型部分200的水全部流回水箱箱体621后，关闭所有阀开关，同时拆除管路；最后通过水箱泻水口621a将水泻下到合适位置。

6、数字图像测量路基变形和土体位移方法

本发明中在荷载施加过程中，利用数字图像测量路基变形和土体位移方法其基本原理如下：DIC即数字图像相关测量技术，是一种基于视觉技术的非接触式变形、运动位移测量手段，它通过比较分析物体变形前后的图像中像素点变化情况，并运用相关算法得到全场位移和形变。DIC在测量变形及位移方面具有非接触式的测量方式，测量范围广、精度高的优点。故可利用DIC技术在MATLAB的环境下来检测和计算路基钙质砂土212在交通荷载作用下的土体位移情况以及路基沉降形变。

本发明中在荷载施加过程中，DIC测量路基变形和土体位移流程如图8所示：

①所述摄像头s布设在观察窗226一侧，所述摄像头s与计算机g连接，摄像头s通过路基凹槽的观察窗22拍摄到连续的图像，在MATLAB的环境下，利用其工具箱里的函数对图片进行亚像素化处理；

②在MATLAB的环境下，运用相关算法，将处理后的图片分割成不同的像素区域块，然后选择一个正方形的图像子区。

③在MATLAB的环境下，在图像移动或变形的过程中，追踪图像子区在变形前后图像中的位置，获得像素点的的位移矢量。

④在MATLAB的环境下，经过多个子区中心点的位移矢量追踪计算，构成整个区域的位移场分析，最后由位移和应变的关系确定应变场，得到全场形变的检测和计算。

Claims

1.一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

包括支架部分（100）、路基模型部分（200）、驱动与传动部分（300）、荷载施加部分（400）、传感器监测部分（500）和水位波动部分（600）；

其位置和连接关系是：

支架部分（100）为整个装置的支撑部分；

在路基模型部分（200）内盛装有钙质砂（A），在钙质砂（A）内埋设有传感器监测部分（500）；

驱动与传动部分（300）、荷载施加部分（400）、水位波动部分（600）分别与路基模型部分（200）相连接。

2.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

所述的支架部分（100）是本装置的支撑体，由支架槽钢（110）、支撑槽钢（120）、丝杆（130）、安装槽钢（140）、安装角钢（150）和轴承支座（160）搭建而成的长方体结构；

所述的安装槽钢（140）包括气缸安装槽钢（141）、轴承支座安装槽钢（142）和驱动安装槽钢（143），分别设置在支架部分（100）的上、中、下部。

3.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

所述的路基模型部分（200）包括路基（210）和凹槽（220）；在凹槽（220）内设置有路基（210）；

路基（210）包括素混凝土路面（211）、钙质砂路基土（212）、钙质砾路基基床（213）和位移支板（214）；从上到下，素混凝土路面（211）、位移支板（214）、钙质砂路基土（212）和钙质砾路基基床（213）依次连接，

凹槽（220）为一外径1000mm、内径200mm、高500mm的环状容器，在外壁上均布有第一进水口（223）、第二进水口（224）和第三进水口（225），还设置有出水口（221）、水位管（222）和观察窗（226）。

4.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

所述的驱动与传动部分300包括主电动机（310）、SEW减速器（320）、传动轴（330）、限位单元（340）和转向控制器350；

转向控制器（350）、主电动机（310）、SEW减速器（320）和传动轴（330）依次连接。

5.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

所述的荷载施加部分（400）包括荷载动力模块（410）、圆周旋转模块（420）和自旋转模块（430），圆周旋转模块（420）和自旋转模块（430）分别与荷载动力模块（410）连接；

*所述的荷载动力模块（410）包括空压机（411）、调压阀（412）、气缸（413）、气缸推杆（414）和传压帽（415）；

空压机（411）、调压阀（412）和气缸（413）依次连接，使气缸推杆（414）运动；

气缸推杆（414）和传压帽（415）连接，带动传压帽（415）运动；

*所述的圆周旋转模块（420）包括第一承压帽（421）、第一主横梁（422）、第一大螺母（423a）、第二大螺母（423b）、第一支撑架（424a）、第二支撑架（424b）、第一弹簧（425a）、第二弹簧（425b）、第一连杆（426a）、第二连杆（426b）、第一减震架（427a）、第二减震架（427b）、第一橡胶轮（428a）、第二橡胶轮（428b）、第一轮轴（429a）和第二轮轴（429b）；

其位置和连接关系是：

第一承压帽（421）和第一主横梁（422）上下连接；

第一主横梁（422）左边、第一支撑架（424a）、第一大螺母（423a）、第一减震架（427a）、第一弹簧（425a）、第一橡胶轮（428a）和第一轮轴（429a）依次连接；

第一主横梁（422）右边、第二支撑架（424b）、第二大螺母（423b）、第二减震架（427b）、第二弹簧（425b）、第二橡胶轮（428b）和第二轮轴（429b）依次连接；

*所述的自旋转模块（430）包括第二承压帽（431）、第二主横梁（432）、第一副电机（433a）、第二副电机（433b）、第一圆锥齿轮（434a）、第二圆锥齿轮（434b）、第一推力球轴承（435a）、第二推力球轴承（435b）、第一自旋转支架（436a）、第二自旋转支架（436b）、第三轮轴（437a）、第四轮轴（437b）、第三橡胶轮（438a）、第四橡胶轮（438b、）第一限位轴承（439a）和第二限位轴承（439b）；

所述的第二承压帽（431）为一圆筒，下端通过螺丝与第二主横梁（432）连接，上端与气缸推杆（415）下端相连；

第二主横梁（432）左边、第一副电机（433a）、第一圆锥齿轮（434a）、第一推力球轴承（435a）、第一自旋转支架（436a）、第三轮轴（437a）、第三橡胶轮（438a）和第一限位轴承（439a）依次连接；

第二主横梁（432）右边、第二副电机（433b）、第二圆锥齿轮（434b）、第二推力球轴承（435b）、第二自旋转支架（436b）、第四轮轴（437b）、第四橡胶轮（438b）和第二限位轴承

（439b）依次连接。

6.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

所述的传感采集部分（500）包括土压力采集器（m）及其土压力探头（m1）、孔隙水压力采集器（n）及其孔隙水压力探头（n1）、位移采集器（w）及其电位移计（w1）、摄像头（s）和计算机（g）；

土压力探头（m1）和孔隙水压力探头（n1）分别置于路基（210）中的钙质砂路基土（212）中；

电位移计w1置于位移支板（214）上；

摄像头（s）的镜头对准观察窗（226）；

土压力采集器（m）、孔隙水压力采集器（n）、位移采集器（w）和摄像头（s）的输出端分别与计算机（g）连接。

7.按权利要求1所述的一种钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置，其特征在于：

所述的水位波动部分（600）包括门吊（610）和水箱（620）；

在门吊（610）内设置有水箱（620）；

*门吊（610）包括门形支架（611）、第一环扣（612）、手拉葫芦（613）和万向轮（614）；

在门形支架（611）的上横梁中间下部依次连接有第一环扣（612）和手拉葫芦（613），在门形支架（611）的底部连接有4个万向轮（614）；

*水箱（620）包括水箱箱体（621）、第二环扣（622）、第三环扣（623）和出水管（624）；

所述的水箱箱体（621）为一方筒形容器，在水箱箱体（621）的侧壁上部设置有第二环扣（622）和第三环扣（623），分别与手拉葫芦（613）相连接；

在水箱箱体（21）6底部设置有水箱泻水口（621a），在水箱箱体（621）的侧壁下部分别设置有第一出水口（621b）、第二出水口（621c）和第三出水口（621d），分别与出水管（624）相连接。