CN106706454B - 钙质砂交通荷载多功能路基模型试验装置 - Google Patents

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CN106706454B CN201710039491.4A CN201710039491A CN106706454B CN 106706454 B CN106706454 B CN 106706454B CN 201710039491 A CN201710039491 A CN 201710039491A CN 106706454 B CN106706454 B CN 106706454B
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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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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 (6)

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；
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，其中，
位移支板(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，用于测量素混凝土路面(211)沉降位移；
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)。
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。
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)；
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。
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。
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(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。
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