颗粒结拱特性试验装置及试验方法

申请号 CN201611169719.3 申请日 2016-12-16 公开(公告)号 CN106706478A 公开(公告)日 2017-05-24
申请人 同济大学; 发明人 付龙龙; 宫全美; 周顺华; 王长丹; 陕耀; 周瑜亮;
摘要 本 发明 提供了一种颗粒结拱特性试验装置及试验方法,其中,试验装置包括高度可调的平台机构、供放置颗粒试样且可透视的模型箱机构、可控制变频的加载机构以及可调平的 支架 机构,平台机构位于支架机构的下方,模型箱机构设于平台机构上,加载机构设于支架机构上,加载机构包括加载端,加载端穿过支架机构并对颗粒试样持续施加动 力 加载,模型箱机构的底部设有可调节开启或合拢的活动 门 ,开启的活动门之间形成落粒口以供颗粒试样落粒成拱。本发明研究了动荷载作用下颗粒体系成拱后拱效应退化、失效的细观演化过程及渐变机理,以对土拱效应会发生退化甚至失效的问题起到理论指导作用,并进一步能够同步获取颗粒位移及颗粒间 接触 力变化。
权利要求

1.一种颗粒结拱特性试验装置,其特征在于:包括高度可调的平台机构、供放置颗粒试样且可透视的模型箱机构、可控制变频的加载机构以及可调平的支架机构,所述平台机构位于所述支架机构的下方,所述模型箱机构设于所述平台机构上,所述加载机构设于所述支架机构上,所述加载机构包括加载端,所述加载端穿过所述支架机构并对所述颗粒试样持续施加动加载,所述模型箱机构的底部设有可调节开启或合拢的活动,开启的所述活动门之间形成落粒口以供所述颗粒试样落粒成拱。
2.根据权利要求1所述的颗粒结拱特性试验装置,其特征在于:所述模型箱机构包括箱体外框以及设于所述箱体外框前后两面的透视面板,所述箱体外框包括侧框板以及底框板,所述底框板中间断开成两段进而形成所述活动门,两段所述底框板分别通过螺栓可调节连接于所述侧框板进而两段所述底框板之间形成所述落粒口,通过调节所述底框板与所述侧框板的连接位置进而改变所述落粒口的大小及开口位置,所述落粒口内填充有可上下活动的填充以供控制所述落粒口的启闭。
3.根据权利要求2所述的颗粒结拱特性试验装置,其特征在于:所述透视面板通过螺栓固定于所述侧框板,所述透视面板上设有若干坐标参考基点以供计算所述颗粒试样实验后的实际平动位移、转动位移及变形量;所述底框板上间隔开设有若干调节孔,所述底框板通过不同位置的所述调节孔调节与所述侧框板连接固定,所述填充块与所述底框板平齐,所述填充块下顶撑有行程控制器,所述行程控制器设于所述平台机构上。
4.根据权利要求3所述的颗粒结拱特性试验装置,其特征在于:所述平台机构包括底座以及设于所述底座上的平台,所述底座与所述平台之间设有供调节间距的螺栓螺母,所述平台通过所述螺栓螺母并配合设于所述平台上的准气泡实现调平,所述行程控制器的底端固定于所述底座,所述行程控制器的上端穿过所述平台并顶触于所述填充块。
5.根据权利要求1所述的颗粒结拱特性试验装置,其特征在于:所述加载机构包括变频控制单元、电机以及曲轴连杆结构,所述变频控制单元与所述电机控制连接,所述电机通过插销与所述曲轴连杆结构连接,所述曲轴连杆结构固定于所述支架机构上,所述曲轴连杆结构下弹性连接有配重板以形成所述加载端,所述曲轴连杆结构自身进行上下活塞运动以对所述配重板持续施压,通过改变所述配重板的质量以对所述颗粒试样进行不同动荷载幅值、不同均值的动力加载。
6.根据权利要求5所述的颗粒结拱特性试验装置,其特征在于:所述支架机构包括两侧的支杆以及螺合于所述支杆上端的顶板,所述顶板与所述支杆的螺合处设有调节螺母,所述顶板上设有水准气泡,通过所述调节螺母配合所述水准气泡调平所述顶板;所述曲轴连杆结构包括与所述电机连接的连杆活塞,所述连杆活塞的下端配合插销连接有导杆,所述导杆通过弹簧与所述配重板连接。
7.一种颗粒结拱特性试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
根据实验需求,加工颗粒试样的形状尺寸,并在所述颗粒试样的坐标采集截面中心布设定位十字光标
提供高度可调的平台机构,将所述平台机构设置于光弹仪的光波有效范围内,并调平所述平台机构;
提供用于放置颗粒试样且可透视的模型箱机构,于所述模型箱机构的底部开设可调节开启或合拢的活动门,于开启的所述活动门之间形成落粒口以供所述颗粒试样落粒成拱,将所述模型箱机构安装于所述平台机构上,并装填所述颗粒试样;
根据所述模型箱机构的位置安装可调平的支架机构,并将支架机构调平;
提供可控制变频的加载机构,将所述加载机构安装于所述支架机构上,将所述加载机构的加载端穿过所述支架机构并启动所述加载机构以对所述颗粒试样持续施加动力加载;
开启所述落粒口,从外部观察,使所述颗粒试样在所述落粒口的上方成拱;
通过非接触图像采集系统记录试验结果,直接获取所述动力加载作用下所述颗粒试样中力链的演化过程,通过条纹解析量化颗粒所受接触力;
通过非接触图像采集系统记录试验结果,读取所述定位十字光标以获取不同荷载阶段颗粒的坐标,结合所述模型箱机构的标记计算所述颗粒试样的实际平动位移、转动位移及变形。
8.根据权利要求7所述的颗粒结拱特性试验方法,其特征在于,安装并利用所述模型箱机构的过程包括:
所述模型箱机构包括箱体外框以及透视面板,将所述透视面板安装于所述箱体外框的前后两面,所述箱体外框包括侧框板以及底框板,将所述底框板中间断开成两段进而形成所述活动门,于所述底框板上间隔开设有若干调节孔,将所述底框板通过不同位置的所述调节孔调节与所述侧框板连接固定,进而两段所述底框板之间形成所述落粒口,调节所述底框板与所述侧框板的连接位置进而改变所述落粒口的大小及开口位置,于所述落粒口内填充有可上下活动的填充块以供控制所述落粒口的启闭,于所述填充块下顶撑行程控制器,将所述行程控制器设于所述平台机构上,通过开关所述行程控制器控制所述填充块的上下位移。
9.根据权利要求8所述的颗粒结拱特性试验方法,其特征在于,设置并利用所述模型箱机构的标记的过程包括:
将所述透视面板通过螺栓固定于所述侧框板,于所述透视面板上设有若干坐标参考基点,通过比较所述坐标参考基点计算所述颗粒试样实验后的实际平动位移、转动位移及变形量。
10.根据权利要求7所述的颗粒结拱特性试验方法,其特征在于,安装并利用所述加载机构的过程包括:
所述加载机构包括控制单元、电机以及曲轴连杆结构,将所述变频控制单元与所述电机控制连接,将所述电机通过插销与所述曲轴连杆结构连接,将所述曲轴连杆结构固定于所述支架机构上,于所述曲轴连杆结构下弹性连接有配重板以形成所述加载端,通过所述曲轴连杆结构自身进行上下活塞运动以对所述配重板持续施压,通过改变所述配重板的质量以对所述颗粒试样进行不同动荷载幅值、不同均值的动力加载。

说明书全文

颗粒结拱特性试验装置及试验方法

技术领域

[0001] 本发明属于地下工程试验技术领域,涉及一种颗粒结拱特性试验装置及试验方法。

背景技术

[0002] 行业熟知,土拱效应广泛存在于地下结构中,如地下工程中的管棚维护结构、拱顶隧道,岩土工程中的抗滑桩、桩承式路基等。在静载作用下,土拱效应长期稳定,其作用机理学术界和工程界也已基本形成共识。然而,既有工程和试验研究均表明,受动作用时土拱效应并不稳定,尤其在上覆土厚度较小、动荷载长期循环作用或瞬时动荷载较大等条件下,拱效应可能发生退化或完全失效。目前,动荷载作用下土拱效应退化、失效的机理尚不明确,与此相关的设计施工问题缺乏有效的理论指导。
[0003] 随着地下工程的日益复杂及工程安全和耐久性要去的不断提高,动荷载作用下土拱效应退化、失效机理缺乏带来的问题日益凸显。以高速路路基工程为例,中国《高速铁路设计规范》中规定,无砟轨道路基工后沉降不宜超过15mm,因此在软土地区修建高无砟轨道线路时广泛采用了桩网结构路基以控制工后沉降。桩网结构路基控制路基沉降的原理在于利用桩、桩间土刚度差在路基内部形成土拱效应,同时受益于土工格栅的抗拉作用,使得刚度较大的桩成为承载主体并将荷载传递至下部持力层,从而达到减小地基土变形、控制路基工后沉降的目的。然而,既有关于桩网结构路基中土拱效应特性的研究集中在拟静力条件下的极限状态分析。由于铁路路基受列车动荷载长期作用,循环动荷载作用下桩网结构路基中土拱效应会发生退化、甚至失效,导致桩无法有效分担桩间土所受上部荷载,从而致使路基沉降控制设计失效。对已开通运营桩网结构路基线路路基不均匀沉降病害严重区段进行开挖检查后发现,局部已出现土工格栅断裂,桩间土过量下沉等现象,表明土拱效应基本失效。随着我国无砟铁路线路的持续性建设需求及高铁出口带来的国际需求增长,桩网结构路基的应用范围将更加广泛,研究循环动荷载作用下土拱效应演化机理具有指导桩网结构路基设计及养护时机的现实意义。
[0004] 现有,对于循环动荷载作用下土拱效应演化的研究较少,且多为室内试验条件下拱效应演化现象及其特征的描述,鲜有涉及动荷载作用下土拱效应演化机理的研究,也难以考虑长期循环荷载作用对土拱效应的影响,致使受动荷载作用的相关工程设计仍局限于拟静力修正或基于动力试验规律的经验设计方法。有待设计一种具有直观可透视、非接触测量、同步获取内力及拱效应形态演化等优点的试验装置及试验方法。

发明内容

[0005] 为克服现有技术所存在的缺陷,并且,对土拱效应会发生退化甚至失效的问题起到理论指导作用,现提供一种颗粒结拱特性试验装置及试验方法,以研究动荷载作用下颗粒体系成拱后拱效应退化、失效的细观演化过程及渐变机理,也进一步能够同步获取颗粒位移及颗粒间接触力变化。
[0006] 为实现上述目的,本发明的解决方案是:
[0007] 首先提供一种颗粒结拱特性试验装置,包括高度可调的平台机构、供放置颗粒试样且可透视的模型箱机构、可控制变频的加载机构以及可调平的支架机构,所述平台机构位于所述支架机构的下方,所述模型箱机构设于所述平台机构上,所述加载机构设于所述支架机构上,所述加载机构包括加载端,所述加载端穿过所述支架机构并对所述颗粒试样持续施加动力加载,所述模型箱机构的底部设有可调节开启或合拢的活动,开启的所述活动门之间形成落粒口以供所述颗粒试样落粒成拱。
[0008] 优选地,所述模型箱机构包括箱体外框以及设于所述箱体外框前后两面的透视面板,所述箱体外框包括侧框板以及底框板,所述底框板中间断开成两段进而形成所述活动门,两段所述底框板分别通过螺栓可调节连接于所述侧框板进而两段所述底框板之间形成所述落粒口,通过调节所述底框板与所述侧框板的连接位置进而改变所述落粒口的大小及开口位置,所述落粒口内填充有可上下活动的填充以供控制所述落粒口的启闭。
[0009] 优选地,所述透视面板通过螺栓固定于所述侧框板,所述透视面板上设有若干坐标参考基点以供计算所述颗粒试样实验后的实际平动位移、转动位移及变形量;所述底框板上间隔开设有若干调节孔,所述底框板通过不同位置的所述调节孔调节与所述侧框板连接固定,所述填充块与所述底框板平齐,所述填充块下顶撑有行程控制器,所述行程控制器设于所述平台机构上。
[0010] 优选地,所述平台机构包括底座以及设于所述底座上的平台,所述底座与所述平台之间设有供调节间距的螺栓螺母,所述平台通过所述螺栓螺母并配合设于所述平台上的准气泡实现调平,所述行程控制器的底端固定于所述底座,所述行程控制器的上端穿过所述平台并顶触于所述填充块。
[0011] 优选地,所述加载机构包括变频控制单元、电机以及曲轴连杆结构,所述变频控制单元与所述电机控制连接,所述电机通过插销与所述曲轴连杆结构连接,所述曲轴连杆结构固定于所述支架机构上,所述曲轴连杆结构下弹性连接有配重板以形成所述加载端,所述曲轴连杆结构自身进行上下活塞运动以对所述配重板持续施压,通过改变所述配重板的质量以对所述颗粒试样进行不同动荷载幅值、不同均值的动力加载。
[0012] 优选地,所述支架机构包括两侧的支杆以及螺合于所述支杆上端的顶板,所述顶板与所述支杆的螺合处设有调节螺母,所述顶板上设有水准气泡,通过所述调节螺母配合所述水准气泡调平所述顶板;所述曲轴连杆结构包括与所述电机连接的连杆活塞,所述连杆活塞的下端配合插销连接有导杆,所述导杆通过弹簧与所述配重板连接。
[0013] 本发明还提供一种颗粒结拱特性试验方法,包括以下步骤:
[0014] 根据实验需求,加工颗粒试样的形状尺寸,并在所述颗粒试样的坐标采集截面中心布设定位十字光标
[0015] 提供高度可调的平台机构,将所述平台机构设置于光弹仪的光波有效范围内,并调平所述平台机构;
[0016] 提供用于放置颗粒试样且可透视的模型箱机构,于所述模型箱机构的底部开设可调节开启或合拢的活动门,于开启的所述活动门之间形成落粒口以供所述颗粒试样落粒成拱,将所述模型箱机构安装于所述平台机构上,并装填所述颗粒试样;
[0017] 根据所述模型箱机构的位置安装可调平的支架机构,并将支架机构调平;
[0018] 提供可控制变频的加载机构,将所述加载机构安装于所述支架机构上,将所述加载机构的加载端穿过所述支架机构并启动所述加载机构以对所述颗粒试样持续施加动力加载;
[0019] 开启所述落粒口,从外部观察,使所述颗粒试样在所述落粒口的上方成拱;
[0020] 通过非接触图像采集系统记录试验结果,直接获取所述动力加载作用下所述颗粒试样中力链的演化过程,通过条纹解析量化颗粒所受接触力;
[0021] 通过非接触图像采集系统记录试验结果,读取所述定位十字光标以获取不同荷载阶段颗粒的坐标,结合所述模型箱机构的标记计算所述颗粒试样的实际平动位移、转动位移及变形。
[0022] 其中,可通过重复上述步骤以获取不同参数颗粒试样(如颗粒形状、大小)在不同加载模式下的试验结果。
[0023] 优选地,安装并利用所述模型箱机构的过程包括:所述模型箱机构包括箱体外框以及透视面板,将所述透视面板安装于所述箱体外框的前后两面,所述箱体外框包括侧框板以及底框板,将所述底框板中间断开成两段进而形成所述活动门,于所述底框板上间隔开设有若干调节孔,将所述底框板通过不同位置的所述调节孔调节与所述侧框板连接固定,进而两段所述底框板之间形成所述落粒口,调节所述底框板与所述侧框板的连接位置进而改变所述落粒口的大小及开口位置,于所述落粒口内填充有可上下活动的填充块以供控制所述落粒口的启闭,于所述填充块下顶撑行程控制器,将所述行程控制器设于所述平台机构上,通过开关所述行程控制器控制所述填充块的上下位移。
[0024] 优选地,设置并利用所述模型箱机构的标记的过程包括:将所述透视面板通过螺栓固定于所述侧框板,于所述透视面板上设有若干坐标参考基点,通过比较所述坐标参考基点计算所述颗粒试样实验后的实际平动位移、转动位移及变形量。
[0025] 优选地,安装并利用所述加载机构的过程包括:所述加载机构包括控制单元、电机以及曲轴连杆结构,将所述变频控制单元与所述电机控制连接,将所述电机通过插销与所述曲轴连杆结构连接,将所述曲轴连杆结构固定于所述支架机构上,于所述曲轴连杆结构下弹性连接有配重板以形成所述加载端,通过所述曲轴连杆结构自身进行上下活塞运动以对所述配重板持续施压,通过改变所述配重板的质量以对所述颗粒试样进行不同动荷载幅值、不同均值的动力加载。
[0026] 本发明颗粒结拱特性试验装置及试验方法的有益效果包括:
[0027] 可同步获取颗粒位移及颗粒间接触力变化,从而可通过颗粒位移分析和条纹解析获得动荷载作用下颗粒拱的形态渐变及其对应内力状态发展,为分析高速铁路桩网结构路基中土拱效应演化的细观机理提供有效试验数据,该试验装置和方法易于操作,可重复性强,结果数据可靠。附图说明
[0028] 图1为本发明颗粒结拱特性试验装置的正面结构示意图;
[0029] 图2为对应图1中A-A截面的剖视结构示意视图;
[0030] 图3为对应图1的侧面结构示意图;
[0031] 图4为对应图3中B-B截面的剖视结构示意视图;
[0032] 图5为对应图1中试验平台机构及模型箱机构的俯视结构示意图;
[0033] 图6为对应图1中加载机构的俯视结构示意图;
[0034] 图7为本发明颗粒结拱特性试验方法的工作流程示意图。

具体实施方式

[0035] 以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以说明。
[0036] 结合图1至图6所示,本发明试验装置包括试验平台机构、模型箱机构、颗粒试样及加载机构,模型箱机构安装于试验平台机构,加载机构支座安装于地面并通过上部加载设备对模型箱内颗粒试样施加竖向动力荷载。其中,具体地:
[0037] 试验平台机构包括底座平台1、螺栓螺母2、试验顶座平台3、水准气泡4及行程控制器5;顶座平台3通过螺栓螺母2与底座平台1相连,调整螺母2的高度可调平顶座平台;行程控制器5置于试验平台机构中部开孔处。
[0038] 模型箱机构包括U型中隔板6、前透视面板7、后透视面板24;后透视面板24通过螺栓8与U型的侧框中隔板6连接,U型中隔板6底部通过螺栓8与“一”字型的底框条块26连接从而形成左右两段活动门,活动门之间填充的填充块25置于行程控制器5之上且与模型箱内底面齐平,从而,细看图4,可通过调节“一”字型条块26长度或组装间距实现不同脱空宽度(即活动门之间开口所形成的“落粒口99”),对应地需要调整填充块25(或落粒口99)的长度;装填颗粒试样9至目标高度,装填完毕后通过螺栓8将前透视面板7固定于U型中隔板6上,前透视面板7上设置有四个坐标参考基点10。
[0039] 加载机构主要包括支座、曲轴连杆装置15、电机18及控制单元17;顶板12通过螺母13与支杆11相连,通过观察水准气泡14并调整螺母13可调平顶板;曲轴连杆装置15通过螺栓16固定于顶板,控制单元17置于曲轴连杆装置15底板顶面,电机18由螺栓19固定于控制单元17顶面;电机18通过插销20与曲轴连杆装置15连接;导杆21上部以插销27方式与曲轴连杆装置活塞相连,下部通过螺栓与弹簧22连接,弹簧22通过螺纹结构与配重板23连接。
[0040] 为使动力加载稳定,弹簧长度、刚度及配重板质量应相匹配,以确保动力加载过程中配重板23应始终与颗粒试样9上表面接触。较为优选地,所加动荷载的峰值不大于配重板重力的2倍。
[0041] 本发明模型试验装置可用于分析动力荷载作用下颗粒材料及其拱效应细观响应特性的光弹试验研究;试验时将模型箱置于光弹仪前后1/4波片之间。
[0042] 图7为采用上述试验装置进行动荷载下颗粒结拱特性演化试验的工作流程,结合图1至图7,本发明颗粒结拱特性试验的具体步骤包括:
[0043] (1)根据实验需求颗粒形状、尺寸加工试样颗粒9,并在颗粒坐标采集截面中心布设定位用十字光标;
[0044] (2)根据试验设计将试验平台机构搭建于光弹仪前、后1/4波片之间,调整螺母3并结合水准气泡4调平试验平台机构的顶座3,之后安装行程控制器5。其中,本发明并不局限于本实施例所应用的光弹试验本身,亦可与其它多种设备,如与PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速)、红外摄影等结合的设备均可应用到本发明中;
[0045] (3)安装模型箱机构的U型侧框中隔板6、后透视面板24,并根据试验设计调整“一”字型底框条块的长度或间距以设定落粒口99的宽度;通过螺栓8暂且固定填充块25,填装颗粒试样9,之后通过螺栓8将前透视面板7固定于U型中隔板6;
[0046] (4)调节行程控制器5,使之与填充块25充分接触,松开固定填充块25的螺栓;
[0047] (5)根据模型箱位置安装支架机构11至14,调平顶板12;再安装加载机构,通过螺栓16将电动曲轴连杆装置15固定于顶板12上,并将活塞调整至最高点后连接导杆21、弹簧22和配重板23;可调节弹簧22的长度、刚度,配重板质量实现不同动荷载幅值、不同均值加载;
[0048] (6)安置控制单元17后通过螺栓19将电机18固定于控制单元之上,根据试验设计调整控制单元17以设定电机18转速,启动电机18对初始试样进行动力加载;可调节电机转速实现不同频率动力加载;
[0049] (7)根据试验设计打开落粒口99使颗粒试样9在活动门上方成拱(如图4中颗粒试样9的下部、以虚线模拟出的拱形空白部分所示),可先停止电机18再通过调节行程控制器5打开模型箱底部的填充块25,也可在动力加载过程中调节行程控制器5打开填充块25;
[0050] (8)通过非接触图像采集系统记录试验结果,直接获取动力荷载作用下颗粒试样9中力链的演化过程,通过条纹解析量化颗粒所受接触力;
[0051] (9)通过非接触图像采集系统记录试验结果,读取颗粒截面预设十字光标获取不同荷载阶段颗粒的坐标,结合初始颗粒坐标及前透视面板7上的参考基点10计算颗粒实际平动位移、转动位移及变形。
[0052] 其中,可通过重复步骤(1)至(9)获取不同参数颗粒试样(如颗粒形状、大小)在不同加载模式下的试验结果。
[0053] 在本实施例中,“非接触图像采集系统”需要根据试验的具体情况和目的进行选择和参数配置,如采集手段、频率、方法要与试样及其在动荷载下的响应特征相匹配。该“非接触图像采集系统”和“条纹解析”均为公知技术手段。
[0054] 完成上述实施过程后,应能体现出本发明的以下特点:
[0055] 该试验装置及光弹试验方法,可同步获取不同动荷载幅值、均值,不同加载频率下颗粒位移及颗粒间接触力变化,从而可通过颗粒位移分析和条纹解析获得动荷载作用下颗粒拱的形态渐变及其对应内力状态发展,为分析高速铁路桩网结构路基中土拱效应演化的细观机理提供有效试验数据。
[0056] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于上述实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
QQ群二维码
意见反馈