[发明专利]级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法

说明书

本发明公开一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法，评价设备包括级配碎石上表面三维轮廓测量装置、升降控制装置、外部支撑框架、级配碎石储料仓、变形模拟装置、储料仓支撑平台、加/卸载装置和压力传感器。本发明通过加/卸载装置控制变形模拟装置使得储料仓级配碎石底部发生顶升或下沉作用，通过三维轮廓测量装置即可获得级配碎石顶面变形信息；能够复现真实路基结构发生不均匀冻胀或融沉等情况时级配碎石结构层缓冲差异变形的过程，通过变化级配碎石粒径、级配、含水量、压实度等材料参数和结构层厚度，变化加/卸载力的大小和幅值，得到级配碎石顶面三维变形信息，进而提出准确评价级配碎石缓冲路基差异变形能力的方法。

技术领域

本发明涉及道路设计与施工技术领域，具体涉及一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法。

背景技术

我国多年冻土面积约占国土面积的21.5%，季节冻土区约占国土面积的53.5%，公路、铁路、机场等基础设施修筑不可避免跨越复杂的季节冻土区和多年冻土区。以季节性冻土区为例，冬春期间路基经历了冻结和融化两大过程，由于路基的尺度效应和阴阳坡效应，冻结时在路基内部将形成冻胀丘，融化时将形成沉降盆，诱发严重的道路病害，对上部路面结构或铁路设施产生重大影响，威胁行车安全和行车舒适性。因此，削弱路基冻胀融沉效应对上部结构的影响至关重要。此外，还有广泛分布的膨胀土和软土地区，也会诱发路基的膨胀和沉降等差异变形，对路面结构产生附加应力且难以控制，严重制约公路服务品质及区域经济发展。

当前，工程设计中主要采用级配碎石层对路基差异变形进行控制，但级配碎石结构层的最佳厚度、级配碎石的材料性能要求和施工控制标准等仍然严重依赖各地经验确定，相关学者的研究主要采用数值模拟等方法研究级配碎石的力学和变形特性。目前，尚没有有效的试验方法快速评价沉降和膨胀变形作用下级配碎石的顶面变形规律，或是在工程设计与养护中针对复杂的路基下卧层水文条件、降雨、温度波动等因素建立更为精准和差异化的处理策略。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备与方法。本发明能够在实验室及施工现场快速评价级配碎石参数（如粒径大小、级配组成、含水量、压实度、厚度组合等）对路基膨胀和沉降变形的调节能力，为道路工程级配碎石结构层的材料设计、施工控制标准提供准确的量化评价方法。

本发明采用以下技术方案：

一种级配碎石缓冲路基双向差异变形能力的评价设备，包括级配碎石上表面三维轮廓测量装置、升降控制装置、外部支撑框架、级配碎石储料仓、变形模拟装置、储料仓支撑平台、加/卸载装置和压力传感器；

所述的外部支撑框架中部安装储料仓支撑平台，两端安装升降控制装置，上方设置级配碎石上表面三维轮廓测量装置；所述的储料仓支撑平台顶面安装有级配碎石储料仓；所述的储料仓支撑平台两端分别与升降控制装置连接；所述的级配碎石储料仓底面开有通孔，通孔内安装有变形模拟装置；所述的变形模拟装置为圆柱形，上端为曲面，下端为平面；所述的变形模拟装置上端通过通孔伸入级配碎石储料仓内，下端位于级配碎石储料仓外；所述的变形模拟装置下端安装有压力传感器，压力传感器的下端安装有加/卸载装置；所述的加/卸载装置上端与压力传感器连接，下端安装在外部支撑框架的底面上。

所述的级配碎石储料仓用于盛放需要进行模拟实验的级配碎石，变形模拟装置安装于级配碎石储料仓的中部的通孔内，模拟级配碎石受路基膨胀或沉降变形等差异变形的挤压。所述的压力传感器用于测量变形模拟装置受到的压力，加/卸载装置为变形模拟装置增加或减少载荷。所述的储料仓支撑平台用于支撑和放置级配碎石储料仓，升降控制装置用于调整级配碎石储料仓的高度。所述的级配碎石上表面三维轮廓测量装置用于扫描实验过程中级配碎石的变形状况。

优选的，所述的升降控制装置包括转轴Ⅰ、传送链条Ⅰ、传送链条Ⅱ、控制握把、转轴Ⅱ、丝杠、锥齿轮Ⅰ、丝杆和锥齿轮Ⅱ；