本發(fā)明屬于地下工程試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

行業(yè)熟知，土拱效應(yīng)廣泛存在于地下結(jié)構(gòu)中，如地下工程中的管棚維護(hù)結(jié)構(gòu)、拱頂隧道，巖土工程中的抗滑樁、樁承式路基等。在靜載作用下，土拱效應(yīng)長期穩(wěn)定，其作用機(jī)理學(xué)術(shù)界和工程界也已基本形成共識。然而，既有工程和試驗(yàn)研究均表明，受動力作用時土拱效應(yīng)并不穩(wěn)定，尤其在上覆土厚度較小、動荷載長期循環(huán)作用或瞬時動荷載較大等條件下，拱效應(yīng)可能發(fā)生退化或完全失效。目前，動荷載作用下土拱效應(yīng)退化、失效的機(jī)理尚不明確，與此相關(guān)的設(shè)計(jì)施工問題缺乏有效的理論指導(dǎo)。

隨著地下工程的日益復(fù)雜及工程安全和耐久性要去的不斷提高，動荷載作用下土拱效應(yīng)退化、失效機(jī)理缺乏帶來的問題日益凸顯。以高速鐵路路基工程為例，中國《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，無砟軌道路基工后沉降不宜超過15mm，因此在軟土地區(qū)修建高無砟軌道線路時廣泛采用了樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基以控制工后沉降。樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基控制路基沉降的原理在于利用樁、樁間土剛度差在路基內(nèi)部形成土拱效應(yīng)，同時受益于土工格柵的抗拉作用，使得剛度較大的樁成為承載主體并將荷載傳遞至下部持力層，從而達(dá)到減小地基土變形、控制路基工后沉降的目的。然而，既有關(guān)于樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中土拱效應(yīng)特性的研究集中在擬靜力條件下的極限狀態(tài)分析。由于鐵路路基受列車動荷載長期作用，循環(huán)動荷載作用下樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中土拱效應(yīng)會發(fā)生退化、甚至失效，導(dǎo)致樁無法有效分擔(dān)樁間土所受上部荷載，從而致使路基沉降控制設(shè)計(jì)失效。對已開通運(yùn)營樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基線路路基不均勻沉降病害嚴(yán)重區(qū)段進(jìn)行開挖檢查后發(fā)現(xiàn)，局部已出現(xiàn)土工格柵斷裂，樁間土過量下沉等現(xiàn)象，表明土拱效應(yīng)基本失效。隨著我國無砟鐵路線路的持續(xù)性建設(shè)需求及高鐵出口帶來的國際需求增長，樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基的應(yīng)用范圍將更加廣泛，研究循環(huán)動荷載作用下土拱效應(yīng)演化機(jī)理具有指導(dǎo)樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)及養(yǎng)護(hù)時機(jī)的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)有，對于循環(huán)動荷載作用下土拱效應(yīng)演化的研究較少，且多為室內(nèi)試驗(yàn)條件下拱效應(yīng)演化現(xiàn)象及其特征的描述，鮮有涉及動荷載作用下土拱效應(yīng)演化機(jī)理的研究，也難以考慮長期循環(huán)荷載作用對土拱效應(yīng)的影響，致使受動荷載作用的相關(guān)工程設(shè)計(jì)仍局限于擬靜力修正或基于動力試驗(yàn)規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。有待設(shè)計(jì)一種具有直觀可透視、非接觸測量、同步獲取內(nèi)力及拱效應(yīng)形態(tài)演化等優(yōu)點(diǎn)的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，并且，對土拱效應(yīng)會發(fā)生退化甚至失效的問題起到理論指導(dǎo)作用，現(xiàn)提供一種顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，以研究動荷載作用下顆粒體系成拱后拱效應(yīng)退化、失效的細(xì)觀演化過程及漸變機(jī)理，也進(jìn)一步能夠同步獲取顆粒位移及顆粒間接觸力變化。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

首先提供一種顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)裝置，包括高度可調(diào)的平臺機(jī)構(gòu)、供放置顆粒試樣且可透視的模型箱機(jī)構(gòu)、可控制變頻的加載機(jī)構(gòu)以及可調(diào)平的支架機(jī)構(gòu)，所述平臺機(jī)構(gòu)位于所述支架機(jī)構(gòu)的下方，所述模型箱機(jī)構(gòu)設(shè)于所述平臺機(jī)構(gòu)上，所述加載機(jī)構(gòu)設(shè)于所述支架機(jī)構(gòu)上，所述加載機(jī)構(gòu)包括加載端，所述加載端穿過所述支架機(jī)構(gòu)并對所述顆粒試樣持續(xù)施加動力加載，所述模型箱機(jī)構(gòu)的底部設(shè)有可調(diào)節(jié)開啟或合攏的活動門，開啟的所述活動門之間形成落粒口以供所述顆粒試樣落粒成拱。

優(yōu)選地，所述模型箱機(jī)構(gòu)包括箱體外框以及設(shè)于所述箱體外框前后兩面的透視面板，所述箱體外框包括側(cè)框板以及底框板，所述底框板中間斷開成兩段進(jìn)而形成所述活動門，兩段所述底框板分別通過螺栓可調(diào)節(jié)連接于所述側(cè)框板進(jìn)而兩段所述底框板之間形成所述落?？冢ㄟ^調(diào)節(jié)所述底框板與所述側(cè)框板的連接位置進(jìn)而改變所述落?？诘拇笮〖伴_口位置，所述落?？趦?nèi)填充有可上下活動的填充塊以供控制所述落粒口的啟閉。

優(yōu)選地，所述透視面板通過螺栓固定于所述側(cè)框板，所述透視面板上設(shè)有若干坐標(biāo)參考基點(diǎn)以供計(jì)算所述顆粒試樣實(shí)驗(yàn)后的實(shí)際平動位移、轉(zhuǎn)動位移及變形量；所述底框板上間隔開設(shè)有若干調(diào)節(jié)孔，所述底框板通過不同位置的所述調(diào)節(jié)孔調(diào)節(jié)與所述側(cè)框板連接固定，所述填充塊與所述底框板平齊，所述填充塊下頂撐有行程控制器，所述行程控制器設(shè)于所述平臺機(jī)構(gòu)上。

優(yōu)選地，所述平臺機(jī)構(gòu)包括底座以及設(shè)于所述底座上的平臺，所述底座與所述平臺之間設(shè)有供調(diào)節(jié)間距的螺栓螺母，所述平臺通過所述螺栓螺母并配合設(shè)于所述平臺上的水準(zhǔn)氣泡實(shí)現(xiàn)調(diào)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過所述平臺并頂觸于所述填充塊。

優(yōu)選地，所述加載機(jī)構(gòu)包括變頻控制單元、電機(jī)以及曲軸連桿結(jié)構(gòu)，所述變頻控制單元與所述電機(jī)控制連接，所述電機(jī)通過插銷與所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)連接，所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)固定于所述支架機(jī)構(gòu)上，所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)下彈性連接有配重板以形成所述加載端，所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行上下活塞運(yùn)動以對所述配重板持續(xù)施壓，通過改變所述配重板的質(zhì)量以對所述顆粒試樣進(jìn)行不同動荷載幅值、不同均值的動力加載。

優(yōu)選地，所述支架機(jī)構(gòu)包括兩側(cè)的支桿以及螺合于所述支桿上端的頂板，所述頂板與所述支桿的螺合處設(shè)有調(diào)節(jié)螺母，所述頂板上設(shè)有水準(zhǔn)氣泡，通過所述調(diào)節(jié)螺母配合所述水準(zhǔn)氣泡調(diào)平所述頂板；所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)包括與所述電機(jī)連接的連桿活塞，所述連桿活塞的下端配合插銷連接有導(dǎo)桿，所述導(dǎo)桿通過彈簧與所述配重板連接。

本發(fā)明還提供一種顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，加工顆粒試樣的形狀尺寸，并在所述顆粒試樣的坐標(biāo)采集截面中心布設(shè)定位十字光標(biāo)；

提供高度可調(diào)的平臺機(jī)構(gòu)，將所述平臺機(jī)構(gòu)設(shè)置于光彈儀的光波有效范圍內(nèi)，并調(diào)平所述平臺機(jī)構(gòu)；

提供用于放置顆粒試樣且可透視的模型箱機(jī)構(gòu)，于所述模型箱機(jī)構(gòu)的底部開設(shè)可調(diào)節(jié)開啟或合攏的活動門，于開啟的所述活動門之間形成落粒口以供所述顆粒試樣落粒成拱，將所述模型箱機(jī)構(gòu)安裝于所述平臺機(jī)構(gòu)上，并裝填所述顆粒試樣；

根據(jù)所述模型箱機(jī)構(gòu)的位置安裝可調(diào)平的支架機(jī)構(gòu)，并將支架機(jī)構(gòu)調(diào)平；

提供可控制變頻的加載機(jī)構(gòu)，將所述加載機(jī)構(gòu)安裝于所述支架機(jī)構(gòu)上，將所述加載機(jī)構(gòu)的加載端穿過所述支架機(jī)構(gòu)并啟動所述加載機(jī)構(gòu)以對所述顆粒試樣持續(xù)施加動力加載；

開啟所述落粒口，從外部觀察，使所述顆粒試樣在所述落?？诘纳戏匠晒?；

通過非接觸圖像采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)結(jié)果，直接獲取所述動力加載作用下所述顆粒試樣中力鏈的演化過程，通過條紋解析量化顆粒所受接觸力；

通過非接觸圖像采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)結(jié)果，讀取所述定位十字光標(biāo)以獲取不同荷載階段顆粒的坐標(biāo)，結(jié)合所述模型箱機(jī)構(gòu)的標(biāo)記計(jì)算所述顆粒試樣的實(shí)際平動位移、轉(zhuǎn)動位移及變形。

其中，可通過重復(fù)上述步驟以獲取不同參數(shù)顆粒試樣(如顆粒形狀、大小)在不同加載模式下的試驗(yàn)結(jié)果。

優(yōu)選地，安裝并利用所述模型箱機(jī)構(gòu)的過程包括：所述模型箱機(jī)構(gòu)包括箱體外框以及透視面板，將所述透視面板安裝于所述箱體外框的前后兩面，所述箱體外框包括側(cè)框板以及底框板，將所述底框板中間斷開成兩段進(jìn)而形成所述活動門，于所述底框板上間隔開設(shè)有若干調(diào)節(jié)孔，將所述底框板通過不同位置的所述調(diào)節(jié)孔調(diào)節(jié)與所述側(cè)框板連接固定，進(jìn)而兩段所述底框板之間形成所述落粒口，調(diào)節(jié)所述底框板與所述側(cè)框板的連接位置進(jìn)而改變所述落粒口的大小及開口位置，于所述落粒口內(nèi)填充有可上下活動的填充塊以供控制所述落?？诘膯㈤]，于所述填充塊下頂撐行程控制器，將所述行程控制器設(shè)于所述平臺機(jī)構(gòu)上，通過開關(guān)所述行程控制器控制所述填充塊的上下位移。

優(yōu)選地，設(shè)置并利用所述模型箱機(jī)構(gòu)的標(biāo)記的過程包括：將所述透視面板通過螺栓固定于所述側(cè)框板，于所述透視面板上設(shè)有若干坐標(biāo)參考基點(diǎn)，通過比較所述坐標(biāo)參考基點(diǎn)計(jì)算所述顆粒試樣實(shí)驗(yàn)后的實(shí)際平動位移、轉(zhuǎn)動位移及變形量。

優(yōu)選地，安裝并利用所述加載機(jī)構(gòu)的過程包括：所述加載機(jī)構(gòu)包括控制單元、電機(jī)以及曲軸連桿結(jié)構(gòu)，將所述變頻控制單元與所述電機(jī)控制連接，將所述電機(jī)通過插銷與所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)連接，將所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)固定于所述支架機(jī)構(gòu)上，于所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)下彈性連接有配重板以形成所述加載端，通過所述曲軸連桿結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行上下活塞運(yùn)動以對所述配重板持續(xù)施壓，通過改變所述配重板的質(zhì)量以對所述顆粒試樣進(jìn)行不同動荷載幅值、不同均值的動力加載。

本發(fā)明顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法的有益效果包括：

可同步獲取顆粒位移及顆粒間接觸力變化，從而可通過顆粒位移分析和條紋解析獲得動荷載作用下顆粒拱的形態(tài)漸變及其對應(yīng)內(nèi)力狀態(tài)發(fā)展，為分析高速鐵路樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中土拱效應(yīng)演化的細(xì)觀機(jī)理提供有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)裝置和方法易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)，結(jié)果數(shù)據(jù)可靠。

附圖說明

圖1為本發(fā)明顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為對應(yīng)圖1中A-A截面的剖視結(jié)構(gòu)示意視圖；

圖3為對應(yīng)圖1的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為對應(yīng)圖3中B-B截面的剖視結(jié)構(gòu)示意視圖；

圖5為對應(yīng)圖1中試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)及模型箱機(jī)構(gòu)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為對應(yīng)圖1中加載機(jī)構(gòu)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)方法的工作流程示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步加以說明。

結(jié)合圖1至圖6所示，本發(fā)明試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)、模型箱機(jī)構(gòu)、顆粒試樣及加載機(jī)構(gòu)，模型箱機(jī)構(gòu)安裝于試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)，加載機(jī)構(gòu)支座安裝于地面并通過上部加載設(shè)備對模型箱內(nèi)顆粒試樣施加豎向動力荷載。其中，具體地：

試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)包括底座平臺1、螺栓螺母2、試驗(yàn)頂座平臺3、水準(zhǔn)氣泡4及行程控制器5；頂座平臺3通過螺栓螺母2與底座平臺1相連，調(diào)整螺母2的高度可調(diào)平頂座平臺；行程控制器5置于試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)中部開孔處。

模型箱機(jī)構(gòu)包括U型中隔板6、前透視面板7、后透視面板24；后透視面板24通過螺栓8與U型的側(cè)框中隔板6連接，U型中隔板6底部通過螺栓8與“一”字型的底框條塊26連接從而形成左右兩段活動門，活動門之間填充的填充塊25置于行程控制器5之上且與模型箱內(nèi)底面齊平，從而，細(xì)看圖4，可通過調(diào)節(jié)“一”字型條塊26長度或組裝間距實(shí)現(xiàn)不同脫空寬度(即活動門之間開口所形成的“落?？?9”)，對應(yīng)地需要調(diào)整填充塊25(或落?？?9)的長度；裝填顆粒試樣9至目標(biāo)高度，裝填完畢后通過螺栓8將前透視面板7固定于U型中隔板6上，前透視面板7上設(shè)置有四個坐標(biāo)參考基點(diǎn)10。

加載機(jī)構(gòu)主要包括支座、曲軸連桿裝置15、電機(jī)18及控制單元17；頂板12通過螺母13與支桿11相連，通過觀察水準(zhǔn)氣泡14并調(diào)整螺母13可調(diào)平頂板；曲軸連桿裝置15通過螺栓16固定于頂板，控制單元17置于曲軸連桿裝置15底板頂面，電機(jī)18由螺栓19固定于控制單元17頂面；電機(jī)18通過插銷20與曲軸連桿裝置15連接；導(dǎo)桿21上部以插銷27方式與曲軸連桿裝置活塞相連，下部通過螺栓與彈簧22連接，彈簧22通過螺紋結(jié)構(gòu)與配重板23連接。

為使動力加載穩(wěn)定，彈簧長度、剛度及配重板質(zhì)量應(yīng)相匹配，以確保動力加載過程中配重板23應(yīng)始終與顆粒試樣9上表面接觸。較為優(yōu)選地，所加動荷載的峰值不大于配重板重力的2倍。

本發(fā)明模型試驗(yàn)裝置可用于分析動力荷載作用下顆粒材料及其拱效應(yīng)細(xì)觀響應(yīng)特性的光彈試驗(yàn)研究；試驗(yàn)時將模型箱置于光彈儀前后1/4波片之間。

圖7為采用上述試驗(yàn)裝置進(jìn)行動荷載下顆粒結(jié)拱特性演化試驗(yàn)的工作流程，結(jié)合圖1至圖7，本發(fā)明顆粒結(jié)拱特性試驗(yàn)的具體步驟包括：

(1)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求顆粒形狀、尺寸加工試樣顆粒9，并在顆粒坐標(biāo)采集截面中心布設(shè)定位用十字光標(biāo)；

(2)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)將試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)搭建于光彈儀前、后1/4波片之間，調(diào)整螺母3并結(jié)合水準(zhǔn)氣泡4調(diào)平試驗(yàn)平臺機(jī)構(gòu)的頂座3，之后安裝行程控制器5。其中，本發(fā)明并不局限于本實(shí)施例所應(yīng)用的光彈試驗(yàn)本身，亦可與其它多種設(shè)備，如與PIV(Particle Image Velocimetry，粒子圖像測速)、紅外攝影等結(jié)合的設(shè)備均可應(yīng)用到本發(fā)明中；

(3)安裝模型箱機(jī)構(gòu)的U型側(cè)框中隔板6、后透視面板24，并根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)整“一”字型底框條塊的長度或間距以設(shè)定落?？?9的寬度；通過螺栓8暫且固定填充塊25，填裝顆粒試樣9，之后通過螺栓8將前透視面板7固定于U型中隔板6；

(4)調(diào)節(jié)行程控制器5，使之與填充塊25充分接觸，松開固定填充塊25的螺栓；

(5)根據(jù)模型箱位置安裝支架機(jī)構(gòu)11至14，調(diào)平頂板12；再安裝加載機(jī)構(gòu)，通過螺栓16將電動曲軸連桿裝置15固定于頂板12上，并將活塞調(diào)整至最高點(diǎn)后連接導(dǎo)桿21、彈簧22和配重板23；可調(diào)節(jié)彈簧22的長度、剛度，配重板質(zhì)量實(shí)現(xiàn)不同動荷載幅值、不同均值加載；

(6)安置控制單元17后通過螺栓19將電機(jī)18固定于控制單元之上，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)調(diào)整控制單元17以設(shè)定電機(jī)18轉(zhuǎn)速，啟動電機(jī)18對初始試樣進(jìn)行動力加載；可調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)不同頻率動力加載；

(7)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)打開落粒口99使顆粒試樣9在活動門上方成拱(如圖4中顆粒試樣9的下部、以虛線模擬出的拱形空白部分所示)，可先停止電機(jī)18再通過調(diào)節(jié)行程控制器5打開模型箱底部的填充塊25，也可在動力加載過程中調(diào)節(jié)行程控制器5打開填充塊25；

(8)通過非接觸圖像采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)結(jié)果，直接獲取動力荷載作用下顆粒試樣9中力鏈的演化過程，通過條紋解析量化顆粒所受接觸力；

(9)通過非接觸圖像采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)結(jié)果，讀取顆粒截面預(yù)設(shè)十字光標(biāo)獲取不同荷載階段顆粒的坐標(biāo)，結(jié)合初始顆粒坐標(biāo)及前透視面板7上的參考基點(diǎn)10計(jì)算顆粒實(shí)際平動位移、轉(zhuǎn)動位移及變形。

其中，可通過重復(fù)步驟(1)至(9)獲取不同參數(shù)顆粒試樣(如顆粒形狀、大小)在不同加載模式下的試驗(yàn)結(jié)果。

在本實(shí)施例中，“非接觸圖像采集系統(tǒng)”需要根據(jù)試驗(yàn)的具體情況和目的進(jìn)行選擇和參數(shù)配置，如采集手段、頻率、方法要與試樣及其在動荷載下的響應(yīng)特征相匹配。該“非接觸圖像采集系統(tǒng)”和“條紋解析”均為公知技術(shù)手段。

完成上述實(shí)施過程后，應(yīng)能體現(xiàn)出本發(fā)明的以下特點(diǎn)：

該試驗(yàn)裝置及光彈試驗(yàn)方法，可同步獲取不同動荷載幅值、均值，不同加載頻率下顆粒位移及顆粒間接觸力變化，從而可通過顆粒位移分析和條紋解析獲得動荷載作用下顆粒拱的形態(tài)漸變及其對應(yīng)內(nèi)力狀態(tài)發(fā)展，為分析高速鐵路樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)路基中土拱效應(yīng)演化的細(xì)觀機(jī)理提供有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。