一種基于mts的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置及方法，更具體的說(shuō)，尤其涉及一種在模型箱中構(gòu)建路基路面模型并通過(guò)對(duì)其加載一定頻率和荷載的作用力來(lái)測(cè)量傳感器的輸出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)分析的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]瀝青路面疲勞破壞機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究方法可分為室內(nèi)試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)兩大類。瀝青混合料室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)的方法較多，主要有彎曲疲勞試驗(yàn)、直接拉伸疲勞試驗(yàn)、間接拉伸疲勞試驗(yàn)等。室內(nèi)試件的試驗(yàn)方法主要研究瀝青混合料試件的疲勞特性，脫離了路面實(shí)際受力狀態(tài)和環(huán)境的影響，所以試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)，因而能更加真實(shí)模擬路面實(shí)際受力狀態(tài)的加速加載試驗(yàn)就應(yīng)運(yùn)而生。由于加速加載設(shè)備數(shù)量的限制，國(guó)內(nèi)僅有個(gè)別學(xué)者采用加速加載設(shè)備對(duì)瀝青路面的疲勞性能進(jìn)行研究，而且加速加載進(jìn)口設(shè)備一般價(jià)格在1800萬(wàn)左右，耗資巨大，加載周期長(zhǎng)，試驗(yàn)費(fèi)用高(每次費(fèi)用在幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)不等)，無(wú)法廣泛推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問(wèn)題的缺點(diǎn)，提供了一種基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置及方法。
[0004]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，包括路基路面模型和MTS加載裝置，路基路面模型與待試驗(yàn)的實(shí)際道路采用相同材料和等厚度結(jié)構(gòu)修筑，MTS加載裝置上設(shè)置有施加作用力的MTS作用頭；其特別之處在于:所述路基路面模型位于MTS作用頭的下方，MTS作用頭的下端固定有加載頭，加載頭的下表面為圓弧形，加載頭上固定有與汽車(chē)輪胎相一致的橡膠層；MTS作用頭通過(guò)驅(qū)使加載頭向路基路面模型的表面施加相應(yīng)頻率和荷載的作用力，路基路面模型中設(shè)置有若干測(cè)量路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的傳感器。由于路基路面模型與實(shí)際道路的材料和路面厚度完全相同，因此稱為等厚度路面結(jié)構(gòu)模型。
[0005]其中，為了更加真實(shí)的模擬出實(shí)際車(chē)輪荷載，橡膠層取自實(shí)際載重車(chē)輪胎與地面接觸的部分，且其尺寸與加載頭相一致。
[0006]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，所述路基路面模型修筑于模型箱中，路基路面模型由下至上依次為土基層、底基層、基層和面層，底基層、基層和面層所采用的原料分別為二灰堿渣穩(wěn)定土、水泥穩(wěn)定碎石和瀝青混凝土；所述傳感器設(shè)置于面層中。
[0007]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，所述MTS加載裝置由底座、固定于底座上的兩個(gè)豎梁以及固定于兩豎梁頂端的橫梁組成，橫梁上設(shè)置有驅(qū)動(dòng)桿，MTS作用頭固定于驅(qū)動(dòng)桿的下端。
[0008]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，所述加載頭通過(guò)四個(gè)螺栓與MTS作用頭相固定，加載頭上設(shè)置有與螺栓相配合的螺栓孔；加載頭下表面圓弧所在圓的半徑為0.5m。加載頭所在圓采用0.5m的半徑，使其與載重車(chē)的輪胎半徑基本一致。
[0009]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，所述路基路面模型的橫截面的規(guī)格為2m*2m、lm*2m、2m*3m或者3m*3m，所述土基層、底基層、基層和面層的厚度可根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，如分別選取為80cm、30cm、25cm和8cm。
[0010]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特別之處在于，通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn):
a).修筑路基路面模型，按照與待試驗(yàn)的道路相同材料和結(jié)構(gòu)厚度，在模型箱中由下至上依次鋪設(shè)土基層、底基層、基層和面層，在鋪設(shè)的過(guò)程中在相應(yīng)位置設(shè)置傳感器；b).吊裝模型箱，模型箱中的路基路面模型修筑完成后，用起重行車(chē)將模型箱吊運(yùn)至MTS加載裝置下方的合適位置；c).安裝MTS作用頭，將MTS作用頭安裝于驅(qū)動(dòng)桿上，并調(diào)整豎向及水平位置，使其位于路基路面模型上方的合適位置；d).連接加載頭，通過(guò)螺栓將加載頭固定于MTS作用頭上，并保持加載頭的上表面處于水平狀態(tài)；然后在加載頭的下表面上固定一層橡膠層，橡膠層取自載重車(chē)輪胎與地面接觸的部分，以模擬輪胎與道路表面的接觸狀態(tài)；e).設(shè)定加載模式，可以在位移控制和應(yīng)力控制之間進(jìn)行選擇；如果選擇為位移控制，則控制加載頭由與路基路面模型表面接觸開(kāi)始，向下運(yùn)動(dòng)設(shè)定的位移后返回，并重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)；如果選擇為應(yīng)力控制，則加載頭根據(jù)設(shè)定的加載頻率和加載荷載作用于路基路面模型上，加載頻率的設(shè)定范圍為I?10Hz，加載荷載為I?100kN ;f).采集數(shù)據(jù)，在MTS加載裝置加載的過(guò)程中，記錄所埋設(shè)的傳感器輸出的數(shù)據(jù)，以備后續(xù)分析之用；g).停止加載，當(dāng)達(dá)到加載的次數(shù)或者路面結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，停止加載；h).繼續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)路基路面模型上一處實(shí)驗(yàn)完畢后，將加載頭移動(dòng)到另一加載位置處，繼續(xù)以上試驗(yàn)；i).數(shù)據(jù)分析，根據(jù)加載的位移或者加載頻率和加載荷載，以及傳感器輸出的數(shù)據(jù)，得出路面結(jié)構(gòu)性能的疲勞衰變規(guī)律，為實(shí)際的路基路面建設(shè)提出合理的指導(dǎo)。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，通過(guò)在模型箱內(nèi)修筑由土基層、底基層、基層和面層構(gòu)成的路基路面模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的模擬；通過(guò)在MTS加載裝置的MTS作用頭上固定下表面為弧形的加載頭，加載頭下表面弧度與重車(chē)輪胎弧度基本一致，并在加載頭的弧形表面上固定一層橡膠層，這樣加載頭與路面接觸區(qū)域的形狀和面積跟實(shí)際車(chē)輪跡基本一致，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)輪胎的相似模擬；在試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)加載頭向路基路面模型上加載一定頻率的荷載，通過(guò)對(duì)埋設(shè)在路基路面模型中應(yīng)變、位移、應(yīng)力、濕度和溫度等傳感器輸出數(shù)據(jù)的分析，即可得出與實(shí)際車(chē)輛實(shí)際作用于道路路面上類似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室中即可做分析路面結(jié)構(gòu)疲勞的試驗(yàn)。本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置，與采用道路專用的加速加載設(shè)備相比，具有成本低、加載周期短、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)合理、試驗(yàn)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，有益效果顯著，便于推廣應(yīng)用。
[0012]本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置的有點(diǎn)體現(xiàn)在:
1、加載參數(shù)變化范圍大，可實(shí)現(xiàn)重載、超重載極限環(huán)境加載:MTS試驗(yàn)機(jī)加載荷載為0-1000 kN，加載頻率可達(dá)到1Hz，目前路面設(shè)計(jì)規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)軸載為100kN，換算為單輪荷載為25 kN，本實(shí)驗(yàn)方法完全可以實(shí)現(xiàn)各種路面車(chē)輛荷載的加載模式，并能通過(guò)高頻反復(fù)加載模擬路面結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，來(lái)檢測(cè)路面結(jié)構(gòu)性能的疲勞衰變規(guī)律。
[0013]2、模型箱內(nèi)路面結(jié)構(gòu)跟實(shí)際工程路面結(jié)構(gòu)極其相似，材料和路面各結(jié)構(gòu)厚度完全相同，且加載頭范圍相比整個(gè)模型箱來(lái)講要小的多，模型箱的尺寸效應(yīng)很小，因此實(shí)驗(yàn)精度較高。且可以在模型內(nèi)選多點(diǎn)加載實(shí)驗(yàn)，模擬多種車(chē)輛荷載工況。
[0014]3、模型試驗(yàn)環(huán)境易于控制(濕度、溫度)，測(cè)試元件易于布設(shè)和監(jiān)測(cè)，并在試驗(yàn)后能方便觀察路面結(jié)構(gòu)層的變形情況，或者分析和觀察路基及路面的破壞情況。
[0015]4、試驗(yàn)設(shè)備分布廣，目前國(guó)內(nèi)大型MTS設(shè)備數(shù)量較多，該試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺椒ㄒ子趯?shí)現(xiàn)和推廣。
[0016]5、試驗(yàn)周期短，費(fèi)用低。由于MTS設(shè)備加載頻率較高，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)完成路面疲勞破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)費(fèi)用比道路加速加載設(shè)備要低的多。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明中路基路面模型的剖視圖；
圖3為本發(fā)明中加載頭與MTS作用頭的連接示意圖；
圖4為本發(fā)明中加載頭的主視圖；
圖5為本發(fā)明中記載頭的俯視圖。
[0018]圖中:1 MTS加載裝置，2路基路面模型，3底座，4豎梁，5橫梁，6驅(qū)動(dòng)桿，7 MTS作用頭，8加載頭，9螺栓，10 土基層，11底基層，12基層，13面層，14傳感器，15橡膠層，16螺栓孔。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020]如圖1所示，給出了本發(fā)明的基于MTS的等厚度路面結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括MTS加載裝置1、路基路面模型2、MTS作用頭7、加載頭8、傳感器14、橡膠層15。所示的MTS加載裝置I由兩個(gè)底座3、兩個(gè)豎梁4、橫梁5和驅(qū)動(dòng)桿6組成，所示的兩個(gè)底座3固定于地基上，豎梁4固定于底座3上，橫梁5固定于兩豎梁4的頂端，驅(qū)動(dòng)桿6設(shè)置于橫梁5上。MTS作用頭7固定于驅(qū)動(dòng)桿6的頂端，在驅(qū)動(dòng)桿6的驅(qū)動(dòng)作用下，MTS作用頭7可進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，以對(duì)路基路面模型2進(jìn)行加載荷載。
[0021]所示的路基路面模型2修筑于模型箱中，模型箱采用實(shí)用新型專利名稱為“模擬地基用可拆卸組合式模型箱”、專利號(hào)為ZL201220527366.0中所公開(kāi)的模型箱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的近似模擬。如圖2所示，給出了本發(fā)明中路基路面模型的剖視圖，所示的模型箱中的路基路面模型2由下至上依次為土基層10、底基層11、基層12和面層13，路基路面模型2橫截面的規(guī)格以及各層的厚度可按實(shí)際情況進(jìn)行選取。傳感器14埋設(shè)于路基路面模型2的相應(yīng)位置處。<