动力特性试验装置和动力特性试验方法与流程

1.本发明涉及道路建设领域，具体而言，涉及一种动力特性试验装置和动力特性试验方法。


背景技术：

2.寒冷地区通常被定义为一年中最冷月份的地面温度低于0℃的地区，根据这一标准，全球寒区面积约占陆地面积的50％。我国寒区总面积约占全国总面积的43％，其中冻土面积约为寒区面积的53％。冻土是指含有冰且温度在0℃以下的各种岩石/土，根据(岩)土体处于冻结状态的持续时间不同，可分为岛状冻土、季节冻土和多年冻土。其性质不仅受矿物颗粒、组构、密度和含水量的影响，还会随温度和时间动态变化。因此，冻土是一种对温度极其敏感且性质不稳定的土体，这就使得在多年冻土地区修建铁路、公路等道路工程时，需特别注意其温度与时间敏感性等特点。在寒区修筑线路稳定性要求极高的高速铁路，其成败的关键在路基，冻土区的道路工程由于冻土的冻胀融沉极易引起路基不均匀沉降变形，故路基修建时应把握冻土融沉这一关键性因素。
3.近些年来，随着全球变暖，多年冻土退化非常显著。寒区路段的铁路路基及其下部地基内由于多年冻土的退化形成了大片的、力学稳定性极差的高温冻土，从而使铁路路基内部产生较大的变形。为了解决这些问题，近些年产生了多种新型的采用“主动冷却”方法的路基形式，如管道通风路基、遮阳棚路基及块碎石路基。其中块碎石路基结构就是最典型的一种主动冷却路基工程措施。其主要利用块碎石层内的冷热空气对流效应来降低下伏土体的温度。暖季时，环境气温高于路基本体温度，块碎石层上部温度高于下部温度，热量主要通过块碎石接触热传导进入路基，块碎石层的等效导热系数较小，可起到一定的隔热效果；冷季时，环境气温低于路基本体温度，块碎石层上部温度低于下部温度，块碎石层孔隙内的空气发生对流换热，同时块碎石之间以及块碎石和空气之间还存在接触热传导，热量能很好地从路基基底散发出来。但块碎石层是由石块通过点
‑
点、点
‑
面及面
‑
面接触组成的堆积体，几乎没有胶结强度，易发生滑移错位；特别在长期列车动荷载作用下，块碎石层颗粒位置和粒径级配发生变化，形成密实效应，出现大变形，发生摩擦碰撞，引起颗粒滑移、转动变形、孔隙压缩等一系列劣化过程，进而影响块碎石层的传热过程，削弱块碎石层的冷却效果，诱发下部多年冻土融沉，因此，在块碎石路基的热
‑
力性能研究中必须予以考虑。不论块碎石路基出现何种病害，最终将导致铁路轨面产生沉降变形而影响行车安全。故开展长期列车动荷载作用下块碎石路基的热
‑
力性能演变过程及防控措施研究极为重要，不仅能为减小冻土路基的融化，保护多年冻土的稳定提供参考，也可为工程中块碎石路基的运营维护提供理论依据和技术支持。
4.目前，对路基动力响应的研究试验中，大多采用现场长期定点观测方法和室内土柱模型试验方法两种方法来模拟土体荷载响应变化过程。前者虽然观测结果真实，能很好的反应路基在实际情况下的动力荷载响应情况，但其观测周期过长，试验过程不好控制，且所需人力物力较大；而后者由于试件尺寸差异，使得土性参数发生改变并且不能很好的模
拟现场路基的形态与受到荷载作用下的变形情况，得到的试验数据与实际情况存在较大的差异，因而不能很好地模拟路基真正的工作环境。
5.经发明人研究发现，现有的用于研究冻土地区路基力学性能的试验设备存在如下缺点：
6.试验结果可靠性差。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种动力特性试验装置和动力特性试验方法，其能够提高试验结果的可靠性。
8.本发明的实施例是这样实现的：
9.第一方面，本发明提供一种动力特性试验装置，用于测试块碎石路基模型的动力特性，块碎石路基模型具有边坡边坡，包括：
10.用于容纳待测试的块碎石路基模型的试验箱；
11.用于施加正弦荷载于块碎石路基模型顶部的加载装置；
12.用于监测块碎石路基模型在正弦荷载作用下的位移变化的位移监测装置；
13.以及用于采集边坡在正弦荷载作用下的运动图像的图像采集装置。
14.在可选的实施方式中，加载装置包括自平衡门式反力架、作动器以及压头，自平衡门式反力架用于固定于地面，作动器与自平衡门式反力架连接，压头与作动器的动力输出部连接，作动器用于带动压头运动，以使压头施加正弦荷载于块碎石路基模型顶部。
15.在可选的实施方式中，加载装置还包括轨道板以及传力筋，轨道板用于铺设于块碎石路基模型顶部，传力筋与轨道板连接，压头用于施力于传力筋，以通过传力筋以及轨道板施加正弦荷载于块碎石路基模型顶部。
16.在可选的实施方式中，位移监测装置包括第一固定架以及位移计，第一固定架用于设于地面上，位移计与第一固定架连接，位移计的采集端用于与块碎石路基模型表面接触，以监测块碎石路基模型在正弦荷载作用下的位移变化。
17.在可选的实施方式中，试验箱设有定位孔，位移计的采集端用于穿过定位孔并与块碎石路基模型表面接触，且位移计与定位孔的孔壁具有间距。
18.在可选的实施方式中，图像采集装置包括第二固定架以及均与第二固定架连接的多个高速摄像机，多个高速摄像机均用于采集边坡上同一高度位置的运动图像。
19.在可选的实施方式中，试验箱包括底板、具有缺口的围板和透光板，围板以及透光板均与底板连接，透光板设于缺口处且与围板连接；底板和围板均用于与块碎石路基模型连接，透光板位于边坡所在一侧且与边坡具有间距，图像采集装置用于透过透光板采集边坡的运动图像。
20.在可选的实施方式中，试验箱还包括用于设于边坡上的透光防水件，透光防水件同时与底板和围板密封连接，且底板与围板密封连接，以使底板、围板和透光件共同形成顶部开口的储水结构；储水结构的底部设有出水孔；块碎石路基模型用于设于储水结构中。
21.在可选的实施方式中，透光防水件设置为透光防水布，透光防水布用于铺设于块碎石路基模型的边坡上。
22.第二方面，本发明提供一种动力特性试验方法，包括如下步骤：
23.在试验箱中设置待测试的块碎石路基模型，且使块碎石路基模型的边坡临空；
24.施加正弦载荷于块碎石路基模型顶部，利用位移监测装置监测块碎石路基模型朝边坡一侧的位移变化和块碎石路基模型顶部的高度位移变化，以及利用图像采集装置采集边坡的运动图像。
25.本发明实施例的有益效果是：
26.综上所述，本实施例提供的动力特性试验装置，克服了野外修筑典型试验路段，采用现场长期定点观测方法观测周期过长，试验过程不好控制，经济性较差的缺点；克服了室内土柱模型试验观测方法由于试件尺寸差异，使得土性参数发生改变并且不能很好的模拟现场路基的形态与受到荷载作用下的变形情况的缺点。本申请既能很好的模拟路基在实际情况下的动力荷载响应情况，得到的观测结果真实可靠，又因室内试验的便利性而大大的缩短试验周期且免于应付室外复杂多变的环境影响，从而减少人力物力的消耗。
27.同时，设置位移监测装置及图像采集装置，通过测得的位移数据和块碎石路基模型运动监测影像，得到各测点处的位移变化情况与块碎石路基模型的运动变化规律，能很好地确定不同粒径下块碎石路基模型的变形与荷载之间的宏观关系，得到边坡块体运动的数字规律。本申请还通过模拟与实际路基段相同的块碎石路基模型，且利用加载装置施加与路基服役期间相符的正弦荷载，真实的模拟了实际情况下块碎石路基模型形态与受到的列车动力荷载作用。
28.并且，本申请适用范围较广，可推广应用于公路工程、岩土工程相关科研领域。本试验装置结构简单，加工制作简便，测试结果准确可靠且使用操作方便，能在室内模拟真实块碎石路基模型受列车动力荷载的变化情形，实时对路基模型动力演化损伤过程与块碎石路基模型动力响应变化情况进行监测，并且根据监测结果确定不同粒径下路基块碎石路基模型层的变形与荷载之间的宏观关系、各测点处的位移变化、边坡块体运动的数字规律，进而研究块碎石夹层路基的动力损伤演化过程，为块碎石夹层路基的动力模型构建及计算参数标定奠定理论基础。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
30.图1为本发明实施例的动力特性试验装置的结构示意图；
31.图2为本发明实施例的块碎石路基模型与加载装置配合的结构示意图；
32.图3为本发明实施例的块碎石路基模型与图像采集装置配合的结构示意图；
33.图4为本发明实施例的图像采集装置的检测示意图。
34.图标：
35.001
‑
块碎石路基模型；101
‑
边坡；100
‑
试验箱；110
‑
底板；120
‑
围板；121
‑
前侧板；1211
‑
出水孔；122
‑
透光板；130
‑
透光防水件；140
‑
顶板；141
‑
注水孔；200
‑
加载装置；210
‑
自平衡门式反力架；211
‑
第一横梁；212
‑
第一立柱；220
‑
作动器；230
‑
压头；240
‑
轨道板；250
‑
传力筋；300
‑
位移监测装置；310
‑
第二横梁；320
‑
第二立柱；330
‑
位移计；331
‑
位移调节器；
340
‑
竖杆；350
‑
横杆；360
‑
斜杆；400
‑
图像采集装置；410
‑
第二固定架；420
‑
高速摄像机；500
‑
数据采集仪；600
‑
数据终端。
具体实施方式
36.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
37.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
41.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
42.请参阅图1
‑
图3，本实施例提供了一种动力特性试验装置，用于测试块碎石路基模型001的动力特性，测试结果更加接近块碎石路基模型001实际服役情况下的参数，测试结果准确性高，可靠性高，更加具有参考价值，为块碎石夹层路基的动力模型构建及计算参数标定奠定可靠的理论基础。
43.需要说明的是，本实施例提供的块碎石路基模型001为模拟设定路段的路基，为一种路基模型，可选的，该块碎石路基模型001呈直角梯形体结构，也即，块碎石路基模型001包括依次首尾连接的第一侧面、第一直角梯形侧面、第二侧面、第二直角梯形侧面，以及包括同时与第一侧面、第一直角梯形侧面、第二侧面、第二直角梯形侧面的顶部连接的上底和同时与第一侧面、第一直角梯形侧面、第二侧面、第二直角梯形侧面的底部连接的下底。其中，上底和下底均为矩形面且平行设置，第一侧面为矩形面，与上底和下底垂直，第二侧面为矩形面，与第一侧面具有夹角，也即第二侧面为边坡101，其边坡比为1:1.5。第一直角梯
形侧面和第二直角梯形侧面正对。块碎石路基模型001服役时，第一侧面和第二侧面在路基的延伸方向上排布。
44.请参阅图1，本实施例提供的动力特性试验装置，包括：
45.用于容纳待测试的块碎石路基模型001的试验箱100；
46.用于施加正弦荷载于块碎石路基模型001顶部的加载装置200；
47.用于监测块碎石路基模型001在正弦荷载作用下的位移变化的位移监测装置300；
48.以及用于采集边坡101在正弦荷载作用下的运动图像的图像采集装置400。
49.本实施例提供的动力特性试验装置，试验箱100可以固定于试验台上或地面上，将块碎石路基模型001设于试验箱100中，边坡101一侧临空，当通过加载装置200施加正弦荷载于块碎石的上底时，块碎石路基模型001会在荷载下行边坡101一侧产生位移，从而通过位移监测装置300监测到块碎石路基模型001的位移变化，以及通过图像采集装置400采集到边坡101的运动图像，通过对位移变化和运动图像的数据处理，从而能确定不同粒径下块碎石路基模型001的变形与荷载之间的宏观关系、各测点处的位移变化和边坡块体运动的数字规律，进而可研究块碎石路基模型001的动力损伤演化过程，测试结果准确可靠。
50.本实施例中，可选的，试验箱100用于容纳待测试的块碎石路基模型001，试验箱100的内腔与块碎石路基模型001的形状结构匹配。具体的，试验箱100包括底板110、前侧板121、左侧板、后侧板和透光板122，前侧板121、左侧板、透光板122和右侧板依次首尾连接构成围挡，底板110与围挡的底部连接，以封闭围挡底部的敞口，围挡的顶部敞口通过顶板140封闭。其中，前侧板121和透光板122均与底板110垂直，块碎石路基模型001置于试验箱100后，下底与底板110接触，第一侧面与前侧板121接触，第一直角梯形侧面和第二直角梯形侧面分别与左侧板和右侧板接触，边坡101与透光板122具有间距，以使块碎石路基模型001在受到顶部的正弦荷载时能够向透光板122一侧产生位移。应当理解，装配块碎石路基模型001时，将顶板140打开，装配完成后，将顶板140盖上。在其他实施例中，可以不设置顶板140。
51.需要说明的是，底板110、前侧板121、左侧板、后侧板和顶板140均可以为金属板，例如钢板。透光板122可以为透光玻璃板。
52.进一步的，顶板140设置有两块，两块顶板140在块碎石路基模型001的延伸方向上间隔排布，两块顶板140之间形成定位通道。每个顶板140上均设置有用于定位位移监测装置300的第一定位孔，每个第一定位孔的数量为多个，多个第一定位孔在块碎石路基模型001的延伸方向上均匀间隔排布。
53.进一步的，顶板140设有注水孔141，前侧板121与底板110的连接处设置有出水孔1211。试验箱100还包括用于设于边坡101上的透光防水件130，透光防水件130可以是透光防水布，例如采用合成高分子高聚物防水卷材，透光防水布用于铺设在边坡101上。透光防水布同时与围板120和底板110密封连接，从而通过注水孔141向块碎石路基模型001中注水时，水填满块碎石路基模型001中的缝隙，而不会从围挡、底板110和透光防水件130的连接位置处泄漏。
54.进一步的，透光防水件130上设置有用于定位位移监测装置300的多个第二定位孔，多个第二定位孔在块碎石路基模型001的延伸方向上均匀间隔排布。
55.请参阅图2，本实施例中，可选的，加载装置200包括自平衡门式反力架210、作动器
220、压头230、轨道板240和传力筋250，轨道板240直接铺设在块碎石路基模型001的上底，轨道板240位于上底和顶板140之间，传力筋250设于定位通道中并与轨道板240抵接，传力筋250与两个顶板140以及前侧板121和后侧板均具有间距，以降低摩擦力对荷载的影响。自平衡门式反力架210设于试验台上，作动器220与自平衡门式反力架210连接，压头230与作动器220的动力输出部连接，作动器220用于通过压头230施力于传力筋250，从而通过轨道板240施加均匀载荷于块碎石路基模型001的上底。
56.可选的，自平衡门式反力架210包括第一横梁211以及两根第一立柱212，两根第一立柱212分别连接于第一横梁211的两端，两根第一立柱212均与试验台固定连接并位于试验箱100的外侧，且第一横梁211横跨试验箱100，第一横梁211的延伸方向与块碎石路基模型001的宽度方向相同。需要说明的是，第一横梁211和第一立柱212均可以为钢结构件，第一横梁211和第一立柱212可以通过焊接固定。
57.可选的，作动器220为液压缸组件，作动器220与控制系统通信连接，控制系统能够通过控制恒压伺服油源中高压液压油的流量来调节加载幅值和频率并实现全程控制，以模拟列车在行驶过程中的产生的动载从而施加给路基模型。可选的，作动器220荷载幅值为200kn，最大行程为2cm，最大频率为40hz。应当理解，控制系统可以是计算机。
58.进一步的，正弦荷载的计算公式如下：
59.p(t)＝λ0 λ1sin(ω
1 t) λ
2 sin(ω
2 t) λ
3 sin(ω
3 t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
60.式中:
61.λ0‑
车轮静载；λ
i
‑
列车簧下质量；α
i
‑
相应于不平稳控制条件下的几何不平顺矢高；ω
i
‑
钢轨振动圆频率，ω
i
＝2πv/l
i
；v
‑
列车行驶的速度；l
i
‑
第i种不平顺条件下振动荷载的弦长；t
‑
荷载作用时间。其中，i为0、1、2等自然数。
62.通过式(1)，结合工程实际情况带入相应数值，得到实验所需相应动力荷载加载数据，通过调节加载幅值和频率模拟列车在行驶过程中的产生的动载以施加给路基模型。
63.本实施例中，可选的，传力筋250模拟块碎石路基模型001服役过程中设于其上的钢轨，传力筋250的主要类型有75kg/m、60kg/m、50kg/m及43kg/m，试验时按照所要求试验路段标准轨道施工要求获取型号，传力筋250的长度以块碎石路基模型001试验区的实际宽度为准。
64.应当理解，轨道板240铺设于块碎石路基模型001的上底，为了便于使位移监测装置与块碎石路基模型001配合，在轨道板240上设置有与第一定位孔对应连通的避让孔。位移监测装置的采集端穿过第一定位孔和避让孔后与块碎石路基模型001表面接触。
65.请参阅图3，本实施例中，可选的，位移监测装置300包括第一固定架、安装架以及位移计330，第一固定架包括第二横梁310和两根第二立柱320，两根第二立柱320分别与第二横梁310的两端连接，两根第二立柱320在块碎石路基模型001的延伸方向上间隔排布，且均与试验台固定连接，试验箱100位于两根第二立柱320之间。且第一横梁211位于第二横梁310的下方，二者不会产生干涉。位移计330为多个，多个位移计330均通过安装架与第一固定架连接。
66.可选的，安装架包括相连的竖杆340、横杆350和斜杆360，横杆350和斜杆360分别通过竖杆340与第二横梁310连接，横杆350沿块碎石路基模型001的延伸方向延伸，斜杆360与边坡101平行，横杆350和斜杆360上均按照有位移计330上。
67.进一步的，每个位移计330通过位移调节器331与横杆350连接，从而调整位移计330的位置，以使位移计330与块碎石路基模型001更好的配合。也即，能够依据情况调整位移计330使其采集端在试验前与块碎石路基模型001的表面接触。应当理解，位移计330的数量为多个，每个第一定位孔中穿设一个位移计330，同时，每个第二定位孔中穿设一个位移计330，位移计330通过定位孔定位，其位置准确，便于安装。并且，每个位移计330与对应孔的孔壁之间具有间距，从而不易影响位移计330的调整以及位移计330测量结果的准确性。位移计330通过第一固定架固定于试验台，与加载装置200相互独立，测试过程中不易受到加载装置200施加于块碎石路基模型001上的荷载的影响。
68.可选的，位移计330的量程为0～10cm，位移计330测得各测点处的位移变化变形量通过数据采集仪500最终反应在数据终端600，并在数据终端600进行位移数据处理，得到路基块碎石路基模型001在列车动荷载作用下的位移变化规律。数据终端600可以是计算机。
69.本实施例中，可选的，图像采集装置400包括第二固定架410以及均与第二固定架410连接的多个高速摄像机420，第二固定架410支设于试验台上。多个高速摄像机420均设于透光板122远离边坡101的一侧，用于采集边坡101同一高度的变化图像。例如，高速摄像机420设置有三台，三台高速摄像机420的高度相同，三台高速摄像机420中的一个位于块碎石路基模型001宽度方向上的中线上，另外两个高速摄像机420位于中间高速摄像机420的两侧且对称设置。且三台高速摄像机420均与数据采集仪500通信连接，将采集获取的图像数据通过数据采集仪500传输至数据终端600。三台高速摄像机420透过透光板122以及透光防水布后拍摄试验箱100内部块碎石路基模型001的运动状态，保证全方位、立体式拍摄，以拍摄到块碎石路基模型001在动荷载加载下运动的全貌与全过程。
70.进一步的，三台高速摄像机420的高度均为0.8
‑
1.2m，均正对于模拟路基边坡面，用来全方位拍摄块碎石路基模型001在动力荷载作用下的运动过程，并通过运动位移计330算比例换算公式处理得到的位移变化图像，并得到边坡块体运动的数字规律。
71.应当理解，多个高速摄像机420拍摄的必须是同一时刻内的同一个画面，所有高速摄像机420的同步性至关重要。高速摄像机420需通过同步信号线缆联成一个多机系统，并通过数据终端600同步控制。据终端可以对高速摄像机420进行系统设置，保证所有高速摄像机420在拍摄时同步进行，得到的结果能很好地反应块碎石路基模型001在列车动荷载作用下的运动规律。
72.请参阅图4，本实施中，需要说明的是，由于高速摄像机420拍摄的画面随着其与镜头的距离增大，拍摄物也越来越小，镜头中心不存在畸变，偏离镜头中心越远，畸变越大。对于拍摄画面的位移与实际地基层位移之间的换算关系，通常需要在画面中设置标尺以计算出比例尺，从而对目标位移进行计算。为了避免不同平面比例换算不同带来的误差，需设置计算标尺，该标尺处于路基模型外侧，中间位移点纵向中心平面内。为了便于测量和计算对比，对于路基层的运动检测图像处理时，均以两个第一立柱212中的一个第一立柱212底部靠近块碎石路基模型001模型一侧顶点为标点e，以五个在同一直线上的位移点所在平面的运动情况为研究对象，进行计算测量。以处理中间位移点为例(其余四个位移点均分为两组且位于中间位移点的上下两侧)，标记中间位移点圆心为d点，标尺参考点a、c在中间位移点纵向中心平面内，且垂直于水平面。可得出块碎石路基模型001在该位移点的位移计330算比例因子：
73.α＝l
ac
/l
ac
ꢀꢀ
(2)
74.式中：
75.α
‑
运动位移计330算比例因子；
76.l
ac
‑
a、c两点实际测量的距离，试验前通过三维坐标仪精确量；
77.l
ac
‑
a、c两点在高速摄像拍摄图像中测量的距离，为图像距离；
78.根据比例因子和试验前测量的第一立柱212底部靠近路基模型一侧顶点e到标记位移点的水平与垂直距离，即可得出标记位移点相对于e点的最大水平与垂直位移公式：
79.dx＝lx
‑
α
×
lx
ꢀꢀ
(3)
80.式中：
81.dx：计算得出的标记位移点相对于e点的最大水平距离；
82.lx：a点到e点的实际水平距离，试验前可以通过三维坐标仪进行测量；
83.lx：高速摄像拍摄图像中a点距d点的水平距离，通过软件图像中获取，为图像距离；
84.d
z
＝lz lz
×
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
85.式中：
86.d
z
：计算得出的标记位移点相对于e点的最大垂直距离；
87.lz：a点到e点的实际垂直距离，试验前可以通过三维坐标仪进行测量；
88.lz：高速摄像拍摄图像中a点距d点的垂直距离，通过软件图像中获取，为图像距离。
89.试验过程中可按式(3)、式(4)计算得到块碎石路基模型001实际运动情况。对其它位移测点计算时只需调整标尺位置与标记点位置至所测位移点纵向中心平面内，并依然按照上面步骤进行测量计算即可。
90.本实施例提供的动力特性试验装置，通过加载装置200施加正弦荷载于待测试的块碎石路基模型001的顶部，且能够通过位移监测装置和图像采集装置400实时监测路基位移和变化情况，从而得到相应的数据，依据该数据分析确定不同粒径下块碎石路基模型001的变形与荷载之间的宏观关系、各测点处的位移变化、边坡块体运动的数字规律，进而可研究块碎石夹层路基的动力损伤演化过程。同时，在加载前后的测试过程中，可以结合注水操作，从而能够得到块碎石路基模型001在承受不同荷载后孔隙率的变化，利于块碎石路基模型001的设计。
91.本实施例还提供了一种块碎石路基模型001动力特性试验方法，该方法包括如下步骤：
92.a、取样并取得级配情况。根据设计要求，选取块碎石路基模型001的常用石材，取青藏铁路常见的3类石材即花岗岩、安山岩及砂岩，使用标准筛和天平，按照不同孔径筛分，通过筛分法取得试样的级配情况，按照青藏铁路块碎石路基模型001的粒径范围3
‑
30cm分组，以便于分别对块石层和碎石层进行模拟试验。将每类石材分别取平均粒径5cm、10cm、15cm、20cm及25cm 5种粒径进行交叉试验，共设置15组试验。
93.b.根据设计要求通过螺栓连接的方式固定好试验箱100的底板110和围板120，并在前侧板121的底部设置出水孔1211。出水孔1211为圆孔，其直径为0.05m。将试验箱100的连接缝隙均采用止水密封条堵死，防止试验过程中漏水。
94.c.装样。将试样装填进入路基试验本体装置，首先装填一组试样，可按照分组试验的顺序，取5cm孔径的花岗岩装填，装填过程中需注意尽量契合实际青藏铁路工程中花岗岩路基层的铺设方式，保证其岩石接触方式统一，孔隙率大致相同。并按照试验要求将块石或碎石放置于底板110之上，平整顶部试样以放置顶板140，按照设计尺寸处理路基模型的边坡101。边坡101的边坡比设置为1:1.5，平整顶部，以模拟实际路基表层。
95.d.待全部试样装填完毕，在试样上部先布设轨道板240，然后按照试验要求布设两块顶板140，在两块顶板140之间放置传力筋250，并及时调整传力筋250与顶板140的间距，保证试验过程中不产生接触，并按要求固定。另外，布设时需注意轨道板240与顶板140内位移测点处圆孔必须对齐。在顶板140左侧预留注水孔141，注水孔141直径为0.05m，可利用注水法测试块碎石路基模型001试验前、后的孔隙率改变。设置位移测点，上底设置四个位移测点，边坡101上也设置五个位移测点，除边坡101两端设置两个位移测点外，在边坡101中部按照的等分原则设置三个位移测点。在路基模型边坡101处铺设透光防水布，并按照要求固定，透光防水布按照边坡比为1:1.5放置于侧面边坡上。
96.e.加载装置200布设。用自平衡门式反力架210布设，将两根第一立柱212均固定在试验台上，并设置于试验箱100外部，第一横梁211与第一立柱212通过焊接方式连接，第一立柱212通过螺栓固定在实验平台上。将作动器220通过螺栓连接的方式固定在第一横梁211上，安装过程中及时调整位置，保证作动器220下端连接的压头230与传力筋250接触，且位置居中，设置角度与路基模型正对，防止试验过程中产生应力偏移，并将作动器220与数据终端600连接。
97.f.位移监测装置300布设。将第二立柱320通过铰接的方式固定在试验台上，第二横梁310通过焊接的方式固定在第二立柱320上，将竖杆340焊接于第二横梁310上、斜杆360、横杆350按照设计要求焊接于竖杆340上。位移计330固定装置设置好后，将各位移计330与位移调节器331固定在斜杆360和横杆350上，调节各位移计330，保证各位移计330触头与各位移测点时时接触，并通过位移调节器331调节位移计330，保证试验前位移计330读数均归到零点。将数据采集仪500与各位移计330相连，便于试验开始后采集数据。并将数据采集仪500与数据终端600通信连接。
98.g.图像采集装置400布设。将透光板122通过铰接方式布设，放置于底板110靠近边坡101的一端并固定。高速摄像机420布设，按照试验要求，将一台高速摄像机420架设于透光板122中轴线上，另两台高速摄像机420架设于两侧，设置高度以保证拍摄到动力荷载加载下块碎石路基模型001运动全貌为准，将高速摄像机420通过同步信号线缆联成一个多机系统，并通过数据终端600同步控制。使用数据终端600对高速摄像机420进行系统设置，保证所有高速摄像机420在拍摄时同步进行。高速摄像机420用于全方位拍摄块碎石路基模型001在动力荷载作用下的运动过程，并得到边坡块体运动的数字规律。
99.h.试验前检查。连接情况检查:观察各钢板连接情况，特别注意试验箱100连接处，防止块碎石路基模型001挤压作用导致的缝隙，从而产生漏水现象，并且在动力载荷加载时产生松动而影响试验结果甚至产生安全隐患；检查是否有漏水隐患，若发现破损或开裂，需及时处理。位移监测装置及图像采集装置400的检查:查看各位移计330读数是否归零，并保证各位移计330触头均与各位移测点时时接触；检查高速摄像机420的设置，手动打开高速摄像机420，并试拍一组影像，检查是否可保证拍摄到块碎石路基模型001在动力荷载施加
下运动的全貌与全过程，并保证同一位置所有相机拍摄是否使同一时刻内的同一个画面，保证所有相机的同步性，若不满足要求，则及时调整并继续试拍测试。
100.i.加载前注水法操作。首先关闭出水孔1211，然后通过注水孔141往梯形块碎石路基模型001层模型中注水，待出水孔1211有水溢出，表示块碎石路基模型001模型中已处于水饱和状态，此时关闭注水阀并记下注水时长，通过注水时长与注水流速即可得到注水总量。待注水量记录完毕后，打开出水孔1211阀门，与注水时操作一致，也通过记录出水时长并结合出水的水流流速得到出水总量。
101.j.施加动力荷载并进行试验记录。首先打开高速摄像机420、数据传输仪，然后打开加载装置200，进行铁路路基上的列车动荷载模拟试验，按照设计要求控制加载时间与载荷大小，根据理论，例如假设列车以100km/h速度往返行驶在青藏铁路路段上，则列车运动荷载振动随时间变化的表达式为：
102.p(t)＝195 8sin(17.4t) 23sin(87.2t) 73sin(348.8t)
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(5)
103.按照式(5)设置正弦荷载加载数值。通过位移监测装置记录各测点位移监测数据与块碎石路基模型001运动形态。试验过程中孔隙率变化记录，具体操作方法为:试验中荷载加载数值按正弦函数形式变化，在第一周期加载完毕后暂停液压加载，并进行注水法操作，可得到第一周期点处的孔隙率数据。待出水孔1211出水完毕后，打开作动器220继续加载，在第二周期点处重复操作，以此类推，可得到每一周期点处的孔隙率数值。
104.k.加载后注水法操作。与加载前注水法操作一致，可得到试验完毕后块石或碎石的孔隙率数值，结合试验前和试验中每一周期点处的孔隙率数值，可得到试验全过程中孔隙率变化的曲线图，以此分析得到块碎石路基模型001模型试验全过程中的孔隙率变化情况。由于块碎石路基模型001所用岩石处于干燥状态，注水操作后，水不仅存在于模拟路基的孔隙中，也会有一部分水被试样吸收，故采用注水法操作时，应将注水量与出水量相减，可得到被试样吸收的水量。而孔隙率可由出水量标定，同理，试验过程中的出水量之差，换算后即可得到孔隙率的改变量。
105.l.试验完成后，移开伺服作动器220加载装置200，打开顶板140，移开传力筋250与轨道板240，取出加载后所得试样，使用筛分法得到加载后所得试样的级配情况，与加载前试样做对比，得到验前、后块碎石的级配变化并进行分析。待本组试验完成且试样取出后，按照同样的步骤进行下一组试验。
106.m.按照试验设计要求，处理获得的位移监测数据与块碎石路基模型001运动图像，确定不同粒径下路基块碎石路基模型001的变形与荷载之间的宏观关系、各测点处的位移变化、边坡块体运动的数字规律，进而可研究块碎石夹层路基的动力损伤演化过程。
107.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种动力特性试验装置，用于测试块碎石路基模型的动力特性，所述块碎石路基模型具有边坡，其特征在于，包括：用于容纳待测试的所述块碎石路基模型的试验箱；用于施加正弦荷载于所述块碎石路基模型顶部的加载装置；用于监测所述块碎石路基模型在所述正弦荷载作用下的位移变化的位移监测装置；以及用于采集所述边坡在所述正弦荷载作用下的运动图像的图像采集装置。2.根据权利要求1所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述加载装置包括自平衡门式反力架、作动器以及压头，所述自平衡门式反力架用于固定于地面，所述作动器与所述自平衡门式反力架连接，所述压头与所述作动器的动力输出部连接，所述作动器用于带动所述压头运动，以使所述压头施加所述正弦荷载于所述块碎石路基模型顶部。3.根据权利要求2所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述加载装置还包括轨道板以及传力筋，所述轨道板用于铺设于所述块碎石路基模型顶部，所述传力筋与所述轨道板连接，所述压头用于施力于所述传力筋，以通过所述传力筋以及所述轨道板施加所述正弦荷载于所述块碎石路基模型顶部。4.根据权利要求1所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述位移监测装置包括第一固定架以及位移计，所述第一固定架用于固定于地面上，所述位移计与所述第一固定架连接，所述位移计的采集端用于与所述块碎石路基模型表面接触，以监测所述块碎石路基模型在所述正弦荷载作用下的位移变化。5.根据权利要求4所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述试验箱设有定位孔，所述位移计的采集端用于穿过所述定位孔并与所述块碎石路基模型表面接触，且所述位移计与所述定位孔的孔壁具有间距。6.根据权利要求1所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述图像采集装置包括第二固定架以及均与所述第二固定架连接的多个高速摄像机，所述多个高速摄像机均用于采集所述边坡上同一高度位置的运动图像。7.根据权利要求1
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6中任一项所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述试验箱包括底板、具有缺口的围板和透光板，所述围板以及所述透光板均与所述底板连接，所述透光板设于所述缺口处且与所述围板连接；所述底板和所述围板均用于与所述块碎石路基模型连接，所述透光板位于所述边坡所在一侧且与所述边坡具有间距，所述图像采集装置用于透过所述透光板采集所述边坡的运动图像。8.根据权利要求7所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述试验箱还包括用于设于所述边坡上的透光防水件，所述透光防水件同时与所述底板和所述围板密封连接，且所述底板与所述围板密封连接，以使所述底板、围板和所述透光件共同形成顶部开口的储水结构；所述储水结构的底部设有出水孔；所述块碎石路基模型用于设于所述储水结构中。9.根据权利要求8所述的动力特性试验装置，其特征在于：所述透光防水件设置为透光防水布，所述透光防水布用于铺设于所述块碎石路基模型的边坡上。10.一种动力特性试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
在试验箱中设置待测试的块碎石路基模型，且使所述块碎石路基模型的边坡临空；施加正弦载荷于所述块碎石路基模型顶部，利用位移监测装置监测块碎石路基模型朝所述边坡一侧的位移变化和所述块碎石路基模型顶部的高度位移变化，以及利用图像采集装置采集所述边坡的运动图像。
技术总结
本申请提供一种动力特性试验装置和动力特性试验方法，用于测试块碎石路基模型的动力特性，块碎石路基模型具有边坡，包括用于容纳待测试的块碎石路基模型的试验箱；用于施加正弦荷载于块碎石路基模型顶部的加载装置；用于监测块碎石路基模型在正弦荷载作用下的位移变化的位移监测装置；以及用于采集边坡在正弦荷载作用下的运动图像的图像采集装置。成本低，块碎石路基模型动力特性测试结果与实际更加相符，结果更加准确可靠。结果更加准确可靠。结果更加准确可靠。


技术研发人员：李双洋 姜琪 杨佳乐 赵永春 赵建沅
受保护的技术使用者：中国科学院西北生态环境资源研究院
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29