申请/专利权人：中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所;中国铁道科学研究院集团有限公司;中国铁路总公司;北京铁科特种工程技术有限公司

申请日：2018-06-28

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN109142155B

主分类号：G01N13/00

分类号：G01N13/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2020.06.12#著录事项变更;2019.01.29#实质审查的生效;2019.01.04#公开

摘要：本发明涉及一种道路界面特性测试装置，用于测试路面各结构层之间的界面特性，所述路面的结构层至少包括设置在所述路面表面的第一结构层和设置在所述第一结构层之下的第二结构层，其特征在于，所述测试装置包括，法向力加载单元，设置在所述第一结构层之上，并针对所述第一结构层施加与所述路面垂直的法向力；切向力加载单元，设置在靠近所述第一结构层和或所述法向力加载单元的一侧，并针对所述第一结构层和或所述法向力加载单元施加与所述路面平行的切向力；采集单元，用于检测所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的施力，以及所述法向力加载单元和或所述第一结构层发生的应变；以及计算单元，用于根据所述采集单元的采集数据分析获得表示所述第一结构层与所述第二结构层的界面特性的界面特性参数。

主权项：1.一种道路界面特性测试装置，用于测试路面各结构层之间的界面特性，所述路面的结构层至少包括设置在所述路面表面的第一结构层和设置在所述第一结构层之下的第二结构层，其特征在于，所述测试装置包括，法向力加载单元，设置在所述第一结构层之上，并针对所述第一结构层施加与所述路面垂直的法向力；切向力加载单元，设置在靠近所述第一结构层和或所述法向力加载单元的一侧，并针对所述第一结构层和或所述法向力加载单元施加与所述路面平行的切向力；采集单元，用于检测所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的施力，以及所述法向力加载单元和或所述第一结构层发生的应变；所述采集单元包括对应于所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的测力计，以及设置在所述法向力加载单元上和或所述第一结构层上的位移计；计算单元，用于根据所述采集单元的采集数据分析获得表示所述第一结构层与所述第二结构层的界面特性的界面特性参数；以及所述的测试装置还包括用于切向力均匀分布的均衡单元，所述均衡单元设置在所述切向力加载单元与所述第一结构层之间的，和或设置在所述切向力加载单元与所述法向力加载单元之间的；以及用于施加反作用力的反力单元，所述反力单元设置在所述切向力加载单元远离所述第一结构层之间和或所述法向力加载单元的一侧。

全文数据：道路界面特性测试装置及方法技术领域本发明涉及道路界面测试技术领域，特别涉及一种道路界面特性测试装置及方法。背景技术随着近年来交通工具的提速发展，对各种道路路面的平顺性和耐久性要求也越来越高。道路的路面一般是由筑路材料铺筑在道路路基上，直接承受荷载的层状构造物，无论是用于高速铁路的无砟轨道路面，还是用于一般道路的公路路面，都应有足够的强度和良好的稳定性，以达到平整、密实和抗滑的要求。通常情况下，在进行路面的铺设之前，需要对构成路面各结构层之间的界面特性进行测试，例如各结构层之间的摩擦系数等，以便根据测试结果优化结构层的铺设方案。现有技术中对于路面各结构层之间的界面特性测试大多是以科学实验为目的进行的小规模室内测试，其目的大多是在理论上测试方案的可实时性，由于这种测试方式与实际的应用环境分离开来，不论是准确度还是实用性都相对较差。因此，需要一种准确度高，实用性好的道路界面特性测试装置及方法。发明内容本发明提供一种道路界面特性测试装置，用于测试路面各结构层之间的界面特性，所述路面的结构层至少包括设置在所述路面表面的第一结构层和设置在所述第一结构层之下的第二结构层，所述测试装置包括，法向力加载单元，设置在所述第一结构层之上，并针对所述第一结构层施加与所述路面垂直的法向力；切向力加载单元，设置在靠近所述第一结构层和或所述法向力加载单元的一侧，并针对所述第一结构层和或所述法向力加载单元施加与所述路面平行的切向力；采集单元，用于检测所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的施力，以及所述法向力加载单元和或所述第一结构层发生的应变；以及计算单元，用于根据所述采集单元的采集数据分析获得表示所述第一结构层与所述第二结构层的界面特性的界面特性参数。优选的，所述采集单元包括对应于所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的测力计，以及设置在所述法向力加载单元上和或所述第一结构层上的位移计。优选的，所述计算单元获得的界面特性参数是根据所述测力计检测出的切向力和所述位移计检测出的位移得到的位移-力关系曲线计算得出。优选的，所述位移-力关系曲线的公式是：s＝k·eq·F其中，s为所述位移计检测出的位移大小，F为所述切向力大小，k和q是第一界面特性参数和第二界面特性参数，e为自然常数，其中通过测量得到的多组s和F拟合获得k和q。优选的，针对无砟轨道的路面结构层，所述法向力加载单元包括至少一个推板。优选的，所述计算单元获得的界面特性参数是根据所述测力计检测出的法向力和切向力，并结合抗剪强度公式计算得出的界面粘聚力和内摩擦角，所述抗剪强度公式是：其中，τf表示根据所述切向力计算获得的抗剪强度，c表示粘聚力，σ表示法向力力，表示内摩擦角，其中通过测量得到的多组τf和σ拟合获得c和φ。优选的，针对无砟轨道的路面结构层，所述法向力加载单元包括至少两个推板。优选的，还包括用于切向力均匀分布的均衡单元，所述均衡单元设置在所述切向力加载单元与所述第一结构层之间的，和或设置在所述切向力加载单元与所述法向力加载单元之间的；以及用于施加反作用力的反力单元，所述反力单元设置在所述切向力加载单元远离所述第一结构层之间和或所述法向力加载单元的一侧。优选的，针对无砟轨道的路面结构层，所述切向力加载单元包括至少一个千斤顶。根据本发明的另一个方面，还提供一种道路界面特性测试方法，包括以下步骤：模拟待测路面各结构层的受力情况，针对所述待测路面的相应结构层施加可调的法向力和可调的切向力；记录各所述结构层受到的所述法向力和所述切向力，以及在所述法向力和所述切向力的作用下产生的位移；绘制所述法向力和或切向力和或位移的关系曲线，根据所述关系曲线分析所述待测路面相应结构层之间的界面特性。相对于现有技术，本发明取得了如下有益技术效果：本发明提供的测试装置及方法，通过采用法向力加载单元和切向力加载单元对待测路面结构各层施加作用力，模拟道路界面在使用时的真实受力情况，从而使测试条件更加符合道路应用实际，提高测试精度；同时还可以根据具体的测试对象调整法向力加载单元和切向力加载单元的大小、方向及布置位置，提高了测量灵活性；整体上来说，本发明提供的测试装置及方法，结构简单，操作灵活，适用广泛且实用性强，可用于包括无砟轨道在内的多种道路路面结构的界面特性测试，从而指导道路路面格结构层的铺设，优化铺设方案。附图说明图1是利用本发明提供的测试装置测试无砟轨道界面特性的示意图。图2是根据本发明优选实施例的测试结果绘制出的位移-加载力的关系曲线。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。路面结构一般是指由表层、基层和垫层等构成的多层结构，例如，高速铁路的无砟轨道路面结构，具体可包括由一般填料构成的路基本体即垫层、由级配碎石构成的基层，以及由混凝土材料构成的支承层即表层，并且在该支承层上还可以设置用于承载轨道的，由钢筋混凝土构成的底座板。为了测试路面各结构层之间的界面特性，例如摩擦系数和粘接力等，可根据实际应用时各结构层在受力情况下所发生的应变进行分析计算。发明人通过对路面各结构层的受力情况进行分析，经大量实验，提出了一种道路界面特性测试装置，该装置能够模拟交通工具在道路表面运行时对路面各结构层施加的作用力，通过检测路面各结构层在该力的作用下发生的应变数据，从而分析出格结构层之间的界面特性。下面以无砟轨道的路面结构为例，详细介绍本发明提供的测试装置。图1是利用本发明提供的测试装置测试无砟轨道界面特性的示意图，如图1所示，已知无砟轨道的路面结构层至少包括由沥青混凝土构成的表层和由级配碎石构成的基层。参见图1，本发明提供的测试装置包括：法向力加载单元1，包括设置在沥青混凝土表层上，用于模拟无砟轨道底座板的至少一个推板，该推板由钢筋混凝土浇注而成，可利用自身重力对沥青混凝土表层施加法向作用力；切向力加载单元2，包括设置在推板一侧的至少一个千斤顶，该千斤顶可用于对推板施加切向作用力，模拟高速列车在底座板上运行时对底座板以及无砟轨道路面结构施加的向心力；均衡单元3，包括设置在推板与千斤顶之间的至少一块工字钢，可使千斤顶对推板施加的切向力分布的更加均匀，以防止推板因局部集中受力出现损坏；以及反力单元4，包括设置在千斤顶一侧的至少一个反力墩，用于为千斤顶提供支撑以对推板施加切向作用力。另外，本发明提供的测试装置还包括用于采集各结构层应变数据的采集单元5，和用于分析处理上述应变数据的计算单元图1中未示出，针对无砟轨道，该采集单元5可以包括设置在推板上并用于采集推板位移的位移计和设置在千斤顶上用于测量千斤顶施力的测力计；计算单元可以根据测量获得的推板自重、千斤顶的施力以及推板位移数据分析推板与沥青混凝土表层之间的界面特性。利用上述测试装置执行界面特性测试时，以无砟轨道的路面结构为例，可按照以下步骤执行测量。1在无砟轨道的沥青混凝土表层上浇注至少一个推板。其中，可按照无砟轨道实际底座板尺寸的浇注一个等比例的推板，或者浇注若干个尺寸较小的例如，大小为1m*1m*1m的长方体正方体推板；2将千斤顶、工字钢、和反力墩分别布置在推板周围的指定位置。其中，可将千斤顶和工字钢依次布置在无砟轨道上的推板的一侧，并将路肩作为反力支撑点，在靠近千斤顶的位置上布置一列反力墩；3在相应位置布置位移计以及测力计。其中，测力计与千斤顶相对应，并且可将测力计布置在推板两侧和中心处，位移计与推板相对应并且可将位移计布置在推板的中心处和结构缝处；另外，还可以使用全站仪结合反射棱镜辅助位移计进行位移测量，首先将棱镜放入预设的监测点，再将全站仪架设在预置位，与棱镜配合选定横向坐标初始值作为基准值，从而利用该基准值对位移计进行初始化；4利用测力计分次加载千斤顶对推板的施力，并实时利用位移计检测推板在该力的作用下所产生的位移变化，例如，以0.1～0.5吨为一个单位次，逐次增加千斤顶作用在推板上的模拟向心力，每增加一次后，保持施加该力一定时间，有利于提高位移计的测量精度；5待位移计检测出推板在千斤顶的作用下第一次产生移动时，开始记录测力计和位移计的测量结果，同时继续保持千斤顶的作用状态并持续按次增加千斤顶的施力，持续记录测力计和位移计测量出的数据随时间的变化情况。通过上述方法，可以根据测量得到的多组千斤顶加载力和对应的推板位移，并根据公式：s＝k·eq·F1获得在当前无砟轨道的底座板即推板与路面表层构成的界面下，加载力与位移的指数关系。其中，s为底座板产生的位移；F为加载力大小；k和q分别表示当前界面下加载力与位移关系的第一参数和第二参数，通过测量得到的多组s和F拟合获得；e为自然常数。利用上述公式1，可以对比无砟轨道不同结构层之间的界面特性，从而优化结构层的铺设方案。在一个试验中，发明人针对在底座板与表层之间对应于两块底座板的结构缝处铺设土工布时的界面特性进行了测试，得到了图2所示的位移-加载力的关系曲线。如图2所示，位移-加载力的关系可用如下公式表示：s1＝0.0723·e0.0025·F2s2＝0.0087·e0.003·F3其中，s1为底座板中心处即界面间无土工布的位移；s2为底座板结构缝处即界面间铺设了土工布的位移。根据上述关系式2和3的对比可知，在底座板与表层之间铺设土工布的方式明显降低了底座板与表层间的相互作用，可以保护无砟轨道的路面表层不受损害，从而为无砟轨道的路面结构铺设方案提供了有效指导。在本发明的一个实施例中，上述测量装置还可以用于分析路面结构层的抗剪强度，以具有沥青混凝土表层和级配碎石基层的无砟轨道路面结构为例，采用至少由两个个推板构成的的法向力加载单元1就可实现针对沥青混凝土表层的测试，优选的，可以采用至少是三个推板构成的法向力加载单元1提高测试精度。其中，沥青混凝土表层上所施加的法向压力为推板的自重包括配重，其上所施加的切向压力为千斤顶施加的切向荷载；由此可以计算获得该沥青混凝土表层上的法向应力和切向应力，即单位面积上承担的法向压力和切向荷，进而根据剪切公式以及测量获得的法向应力与切向应力的曲线图分析该沥青混凝土表层的抗剪强度，具体公式如下：其中，τf表示抗剪强度，c表示粘聚力，σ表示法向压力，表示内摩擦角。在一个试验中，发明人利用上述原理，对比了由沥青混凝土表层构成的无砟轨道结构层和一般级配碎石表层构成的无砟轨道结构层，并且通过对比发现，沥青混凝土表层上表面与底座板即推板的粘结强度约为27kPa，比一般级配碎石表层与底座板的粘结强度7kPa要高出许多，其粘结性能更好；沥青混凝土表层下表面与级配碎石基层的粘结强度与混凝土与级配碎石的粘结强度相近，均为7kPa左右。通过上述计算方式，能够将路面各结构层之间的界面特性量化表示，更有助于指导优化路面的铺设方案。在本发明的一个实施例中，还可以利用上述测试装置对比无砟轨道的其它结构层之间的界面特性。以测试由沥青混凝土构成的表层与级配碎石的基层之间的界面特性为例，其与上述测试底座板即推板与表层之间界面特性的主要区别在于，在执行上述步骤2时，需要将千斤顶搭配工字钢布置在沥青混凝土构成的表层的一侧，以便模拟高速列车在底座板上运行时，对沥青混凝土层施加的向心力；同时，在执行上述步骤3和步骤5时，利用全站仪和位移计同时记录下底座板即推板与沥青混凝土表层的相对位移以及沥青混凝土表层与级配碎石基层的相对位移，以便分析沥青混凝土表层的抗剪强度和粘结变形情况。除此之外，还可以针对不同的表层与基层的粘结方案进行对比，例如，针对采用拉槽、抗滑钉或粘结剂对沥青混凝土表层与级配碎石基层之间进行了加固的无砟轨道路面结构进行测试，根据测试结果计算获得对应的法向应力和切向应力，结合摩擦系数公式f＝σfτf，其中，σF为法向应力，τF为切向应力分别计算出不同铺设方案所对应的界面间的摩擦系数，从而指导铺设方案。根据本发明的另一个方面，还提供一种道路界面特性测试方法，该方法具体包括以下步骤：针对待测试路面结构，模拟交通工具对路面的加载力对路面施加法向力和切向力；分别记录路面各结构层在上述法向力和切向力的作用下产生的位移；根据上述加载力的大小以及对应的位移记录绘制关系曲线，并分析路面各结构层之间的界面特性。相比于现有的界面特性测试装置及方法，本发明提供的测试装置，结合了应用实际，采用不同的力加载单元模拟道路路面各结构层在交通工具的作用下的受力情况，提高了测试的准确性、灵活性和实用性。尽管在上述实施例中，采用了无砟轨道的路面结构为例来说明本发明提供的测试装置，但本领域普通技术人员应理解，在其它实施例中，本发明提供的测试装置还可以用于其它路面结构层的测试，例如，针对普通公路路面结构层的测试，由于普通公路路面上无需承载底座板轨道板等结构，可以适当调整本发明提供的测试装置中的法向力加载单元1和切向力加载单元2的加载力大小及布置位置，以便模拟符合实际公路路面结构的受力，例如，斜坡道路、弯道道路或直道道路等。虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

权利要求：1.一种道路界面特性测试装置，用于测试路面各结构层之间的界面特性，所述路面的结构层至少包括设置在所述路面表面的第一结构层和设置在所述第一结构层之下的第二结构层，其特征在于，所述测试装置包括，法向力加载单元，设置在所述第一结构层之上，并针对所述第一结构层施加与所述路面垂直的法向力；切向力加载单元，设置在靠近所述第一结构层和或所述法向力加载单元的一侧，并针对所述第一结构层和或所述法向力加载单元施加与所述路面平行的切向力；采集单元，用于检测所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的施力，以及所述法向力加载单元和或所述第一结构层发生的应变；以及计算单元，用于根据所述采集单元的采集数据分析获得表示所述第一结构层与所述第二结构层的界面特性的界面特性参数。2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述采集单元包括对应于所述法向力加载单元和所述切向力加载单元的测力计，以及设置在所述法向力加载单元上和或所述第一结构层上的位移计。3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述计算单元获得的界面特性参数是根据所述测力计检测出的切向力和所述位移计检测出的位移得到的位移-力关系曲线计算得出。4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述位移-力关系曲线的公式是：s＝k·eq·F其中，s为所述位移计检测出的位移大小，F为所述切向力大小，k和q是第一界面特性参数和第二界面特性参数，e为自然常数，其中通过测量得到的多组s和F拟合获得k和q。5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，针对无砟轨道的路面结构层，所述法向力加载单元包括至少一个推板。6.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述计算单元获得的界面特性参数是根据所述测力计检测出的法向力和切向力，并结合抗剪强度公式计算得出的界面粘聚力和内摩擦角，所述抗剪强度公式是：其中，τf表示根据所述切向力计算获得的抗剪强度，c表示粘聚力，σ表示法向力力，表示内摩擦角，其中通过测量得到的多组τf和σ拟合获得c和φ。7.根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于，针对无砟轨道的路面结构层，所述法向力加载单元包括至少两个推板。8.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，还包括用于切向力均匀分布的均衡单元，所述均衡单元设置在所述切向力加载单元与所述第一结构层之间的，和或设置在所述切向力加载单元与所述法向力加载单元之间的；以及用于施加反作用力的反力单元，所述反力单元设置在所述切向力加载单元远离所述第一结构层之间和或所述法向力加载单元的一侧。9.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，针对无砟轨道的路面结构层，所述切向力加载单元包括至少一个千斤顶。10.一种道路界面特性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：模拟待测路面各结构层的受力情况，针对所述待测路面的相应结构层施加可调的法向力和可调的切向力；记录各所述结构层受到的所述法向力和所述切向力，以及在所述法向力和所述切向力的作用下产生的位移；绘制所述法向力和或切向力和或位移的关系曲线，根据所述关系曲线分析所述待测路面相应结构层之间的界面特性。

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