一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法

摘要

本发明公开一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法,在振动台上面设置一个双层圆柱形透明塑料圆桶，在冲刷桶四周设置四个可调节给水压力管道为冲刷桶内水压进行加压供给水流压力，圆桶内壁环向和竖向设置可调方向喷水嘴，喷水嘴端部设置定位装置，对定位系统进行试验时间—旋转方向编程，通过电脑程序控制模拟雨滴对材料冲刷作用。通过设置气动活塞上下移动保证压杆上下移动，压杆对弹簧进行压缩冲击，压缩冲击力直接作用压板及橡胶板模拟汽车轮载对材料瞬时冲击作用，通过调节气动活塞运动幅度模拟车辆轮载对路面材料冲击力大小。评价抗冲刷性能指标包括冲刷物占总质量百分比及冲刷后试件强度与原试件强度百分比，本发明值得推广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验领域，特别是涉及一种水泥稳定类、石灰稳定类、石灰工业废渣稳定类无机结合料稳定基层抗冲刷性能试验装置及试验方法。

背景技术

目前我国路面基层破坏主要因素为车辆超重荷载和水损坏，特别对于路面基层半刚性材料尤为严重，水进入路面基层同时车辆荷载对路面基层瞬间荷载作用下产生高压动水压力导致基层材料出现微损伤，长期荷载作用致使路面基层材料之间强度破坏，基层承载力不足问题，对应路面位置逐步出现破坏形式，因此路面基层材料在车辆荷载和水的共同作用对材料冲刷性能直接决定路面使用寿命，因此需要研究车辆荷载和水共同作用对材料冲刷性能为路面基层材料设计提供一定资料。在《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中提出材料抗冲刷试验方法，由于该试验设备价格昂贵导致不能广泛应用，目前我国很多科研院所在对抗冲刷试验理解的基础上进行自行设计，适用于本单位所需抗冲刷试验设备，由于设备参数不同、评价结果各异。

目前查阅资料专利CN104198367A提出将试件悬挂，在试件下面采用顺时针、逆时针旋转叶片旋转模拟水流对试件冲刷作用，将冲刷物质量和试件总质量比作为评价材料抗冲刷指标。

CN103344517A提出在动三轴仪压力室内，通过轴向加压系统、围压系统及可调频调压、动水压力发生等因素模拟动水压力对材料冲刷作用。

CN102183452B提出冲刷动水压力、冲刷次数、冲刷频率、冲刷角度等因素对材料冲刷，考虑因素全面但存在不足，没有更加真实模拟水对材料冲刷模拟作用。

雨水对材料冲刷作用通常分为两步，第一步是雨点对材料冲刷作用，即点对材料冲刷作用，第二部为水流对材料冲刷作用。为了更加真实准确模拟水对材料冲刷作用，包括雨点对材料冲刷作用及水流对试件冲刷作用，同时模拟在不同交通量状况下、不同轴载对路面基层作用下水对材料冲刷作用，需要研制一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，综合评价路面基层材料抗冲刷性能具有更加重要意义。

发明内容

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明目的在于提供一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，在本试验装置下面设置一套振动台，振动台频率范围为0-10kHz间，通过调节频率来调整振动台振动幅度，产生水流方向对试件表面进行预冲刷，将试件表面未粘结或松散颗粒冲刷掉，保证试验的准确性。

在振动台上面设置一个冲刷桶，在冲刷桶底面固定一底座，底座与振动台顶板通过螺栓进行固定，在底座上面设置一套下固定器，下固定器形状为圆台形，圆台形下边缘距离冲刷桶边缘为2cm，圆台形坡度为1:3, 在下固定器顶面设置一个凹槽用于稳定试件，凹槽内径比试件直径大2mm，在凹槽内放置防摩擦土工布，土工布上面放置试件，试件顶面采用压板给予稳定，在试件顶面设置一套瞬时加载装置用于对试件进行瞬时加载模拟车辆荷载对路面基层的瞬时作用。

冲刷桶为双层圆柱形透明塑料圆桶，在双层圆柱形透明塑料圆桶外表面设置水位刻度尺，内径25cm，外径为35cm，高度为30cm，圆桶底与圆桶壁为一整体，在圆桶桶盖顶端中心位置设置一个圆孔，孔径大小与压杆直径相匹配。在圆桶桶盖设置一块与圆桶直径大20mm钢板，为气动活塞提供稳定支撑。

在双层圆柱形透明塑料圆桶内壁环向每间隔22.5°、竖向每间隔3cm设置一个电脑可调方向喷水嘴，在圆筒环向设置16个喷水嘴，竖向设置13个喷水嘴，共计208个喷嘴，通过电脑程序通过定位接收器控制不同喷水嘴在不同时间的喷水方向，模拟复杂条件下雨点从不同方向对材料冲刷作用。

在密封双圆柱形冲刷桶中部四周均匀布置四个可调节给水压力管道，保证圆桶内部水压恒压状态，水压控制通过加压泵为冲刷桶内水进行加压。

电脑可调方向喷水嘴，在喷水嘴端部设置一个定位接受器用于控制喷嘴旋转方向，通过无线与电脑连接，通过对208个喷水嘴端部接收器进行编程，通过208个试验通道控制喷头时间-喷头方向关系曲线，模拟风荷载作用下水流从不同方向、不同角度对试件冲刷作用。

瞬时加载装置包括压板、压杆、弹簧、橡胶板、气动活塞、平衡杆，在压板上面设置橡胶板，橡胶板面呈现大孔槽形式，模拟汽车轮胎结构形式，压板上端连接压杆，在压板与桶盖之间设置弹簧，压杆直接穿过桶盖与支撑杆铰接，在支撑杆中间位置设置一个气动活塞，通过气动活塞上下移动能够保证压杆上下移动，对弹簧进行压缩冲击，压缩冲击力直接作用给压板及橡胶板，模拟汽车轮载对材料瞬时作用，通过调节气动活塞运动幅度模拟车辆轮载对路面材料冲击力。

本发明先采用电脑可调方向喷水嘴直接作用试件模拟雨点对试件冲刷作用，将冲刷桶内注水至试件表面，开动振动台使水产生一定流向模拟水流对试件冲刷作用。分两个步骤进行模拟雨水对路面材料冲刷影响，对于评价材料抗冲刷性能提出综合评价法，分别对冲刷物占总质量百分比及冲刷后试件强度与原试件强度百分比进行综合评价，其中冲刷物占总质量百分比占综合评价抗冲刷性能70%，冲刷后试件强度与原试件强度百分比占综合评价抗冲刷性能30%。

一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，包括：

1)检查设备工作性能,同时选取同组试件不少于4组，分别进行无侧限抗压强度试验和抗

冲刷性能试验,无侧限抗压强度值为P。

2)将试件放入下固定器的凹槽内,拧紧冲刷桶顶盖,调试瞬时加载装置使压板与试件顶面

重合。

3）开启可调给水有压管道，低压向冲刷桶内注水，使水面高度达到试件顶面为止。

4）开启振动台对试件进行预冲刷，频率为5kHz，将试件表面未粘结或松散颗粒冲刷掉，振动时间为3min，打开排水管将污水排出，取出试件进行称重，记为M，将试件放置原处准备正式试验。

5）开启可调给水有压管道，使水压逐步增大到工作水压0.3MPa为止，同时开动电脑可调方向喷水嘴，在电脑程序中设置每个喷嘴在不同时间具有不同喷水方向，模拟雨点在复杂条件下对材料冲刷作用。

6）喷水9min后停止喷水，然后低压向冲刷桶内注水至试件高度，再次开启振动台，使水产生流速对试件进行冲刷，模拟水流大小对材料的冲刷作用。

7）水流冲刷9min后关闭振动台，开启可调给水有压管道中压对试件进行冲洗，将冲刷物通过排水管至收集槽，最终排至回收槽。

8）将回收槽内污物沉淀蒸发后进行称重，记为M₁。

9）将试件重复进行上述操作，分别称重质量为M₂、M₃。

10）将冲刷试验后试件进行无侧限抗压强度试验，强度为P₁。

11）抗冲刷系数

本发明专利优点与效果是：

1．本发明专利采用电脑控制四组调节给水压力管道，能够及时准确保证冲刷桶内水压大小，为冲刷筒内部水提供足够压力，将压力水通过电脑可调方向喷水嘴喷向试件模拟不同水压对试件冲刷作用。

2．本发明专利通过在冲刷筒内壁设计电脑可调方向喷水嘴，在208个喷嘴端部设置定位系统，每个喷嘴通过无线连接到电脑控制系统，对所有喷嘴定位系统进行编程，编程主要针对试验时间—旋转角度，控制所有喷头对试件喷水方向及时间模拟复杂条件下雨点对试件冲刷作用。

3．瞬时加载装置，在压板上面设置橡胶板，橡胶板面呈现大孔槽形式，模拟汽车轮胎的结构形式，压板上端连接压杆，在压板与桶盖之间设置弹簧，压杆直接穿过桶盖与支撑杆铰接，在支撑杆中间位置设置一个气动活塞，气动活塞采用电脑控制，通过控制气动活塞上下移动速度间接调整压板及橡胶板对试件冲击频率，模拟不同交通量状况下车辆轮载对路面的冲击作用；通过启动活塞上下移动幅度调整压板及橡胶板对弹簧的挤压作用，当活塞快速下移时压板及橡胶板对弹簧挤压作用力会对压板及橡胶板产生反作用力，反作用力通过压板和橡胶板瞬间对试件表面施加冲击力，模拟车辆荷载作用下对路面的瞬时作用力，冲击力的大小通过气动活塞上下移动幅度进行控制，交通量大小通过气动活塞上下移动频率进行控制。

附图说明

图1为一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置主视图；

图2为一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置侧视图；

图3为一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置俯视图；

振动台1，冲刷桶2，下固定器3，下防摩擦土工布4，试件5，压板6，橡胶板7，弹簧8，电脑可调方向喷水嘴9，喷头定位器10，电脑控制系统11，可调给水有压管道12，压杆13，气动活塞14，平衡杆15，排水管16，水收集槽17，回收槽18。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

具体实施例一：

一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，包括一套振动台1，振动台频率范围为0-10kHz之间，通过调节频率来调整振动台振动幅度，改变水流方向对试件进行预冲刷，将试件表面未粘结或松散颗粒冲刷掉。

在振动台上面设置一个冲刷桶2，在冲刷桶2底面上固结有底座，在底座上面设置了一套下固定器3，下固定器3形状为圆台形，圆台形下边缘距离冲刷桶为2cm，圆台形外坡度为1:3, 下固定器顶面设置一个凹槽，凹槽内径比试件直径大2mm，在凹槽内放置下防摩擦土工布4，在土工布上面放置试件5，试件顶面采用压板6给予稳定，在压板与试件接触安装了一个大孔橡胶板7，橡胶板尺寸与试件尺寸相匹配，大孔径橡胶板用于模拟车辆轮胎对路面作用效果，在压板上部设置一套弹簧8用于施加瞬时荷载。，

冲刷桶2为双层圆柱形透明塑料圆桶，在双层圆柱形透明塑料圆桶外表面设置水位刻度尺，内径40cm，外径为50cm，高度为30cm，圆桶底与圆桶壁为一个整体，圆桶顶盖上面设置外螺旋螺纹，圆桶内壁设置有相匹配的内螺旋螺纹，其中顺时针可以拧紧桶盖，逆时针可以拆卸桶盖，在桶盖顶端中心位置设置一个圆孔，孔径大小与压杆直径相匹配。

在双层圆柱形透明塑料圆桶2内壁环向每间隔22.5°、竖向每间隔3cm设置一个电脑可调方向喷水嘴9，即在圆筒环向设置16个喷水嘴，竖向设置13个喷水嘴，共计208个喷嘴，通过电脑程序进行控制不同喷水嘴喷水方向，喷水嘴可以旋转对试件进行喷水，模拟在复杂条件下雨点从不同方向对材料冲刷作用。

电脑可调方向喷水嘴9，在每个喷水嘴端部设置一个定位装置10，通过无线与电脑控制系统11连接，通过对208个喷水嘴端部试验中轨迹进行编程，编辑208个试验通道，主要编辑时间—喷头方向关系曲线，模拟在风荷载作用下，水流从不同方向、不同角度对试件冲刷作用。

在密封双圆柱形冲刷桶中间四周均匀布置四个可调节给水压力管道12，满足双层圆柱形透明塑料圆桶内部水压要求，水压控制通过加压泵为冲刷桶内水进行加压，然后水通过喷水嘴9喷向试件表面模拟水压对材料冲刷作用。

瞬时加载装置包括压板6、压杆13、弹簧8、橡胶板7、气动活塞14、平衡杆15，在压板6上面设置橡胶板7，橡胶板面呈现大孔槽形式，模拟汽车轮胎的结构形式，压板6上端连接压杆13，在压板6与桶盖之间设置弹簧8，压杆直接穿过桶盖与平衡杆15铰接，在支撑杆中间位置设置一个气动活塞14，通过气动活塞上下移动能够保证压杆上下移动，对弹簧进行压缩冲击，压缩冲击力直接作用给压板及橡胶板，模拟汽车轮载对材料瞬时作用，通过调节气动活塞14运动幅度模拟车辆轮载对路面材料瞬时冲击力。

具体实施例二：

一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，包括双层圆柱形透明塑料圆桶，在双层圆柱形透明塑料圆桶内壁环向每间隔22.5°、竖向每间隔3cm设置一个电脑可调方向喷水嘴，即在圆筒环向设置16个喷水嘴，竖向设置13个喷水嘴，共计208个喷嘴，通过电脑程序进行控制不同喷水嘴喷水方向，喷水嘴可以旋转对试件进行喷水，模拟在复杂条件下雨点从不同方向对材料冲刷作用。

电脑可调方向喷水嘴，在每个喷水嘴端部设置一个定位装置，通过无线与电脑连接，通过对208个喷水嘴端部试验中轨迹进行编程，编辑208个试验通道，主要编辑时间—喷头方向关系曲线，模拟在风荷载作用下，水流从不同方向、不同角度对试件冲刷作用。

在密封双圆柱形冲刷桶中间四周均匀布置四个可调节给水压力管道，满足双层圆柱形透明塑料圆桶内部水压要求，水压控制通过加压泵为冲刷桶内水进行加压，然后水通过喷水嘴喷向试件表面模拟水压对材料冲刷作用。

瞬时加载装置包括压板6、压杆13、弹簧8、橡胶板7、气动活塞14、平衡杆15，在压板6上面设置橡胶板7，橡胶板面呈现大孔槽形式，模拟汽车轮胎的结构形式，压板6上端连接压杆13，在压板6与桶盖之间设置弹簧8，压杆直接穿过桶盖与平衡杆15铰接，在支撑杆中间位置设置一个气动活塞14，通过气动活塞上下移动能够保证压杆上下移动，对弹簧进行压缩冲击，压缩冲击力直接作用给压板及橡胶板，模拟汽车轮载对材料瞬时作用，通过调节气动活塞14运动幅度模拟车辆轮载对路面材料瞬时冲击力。

一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，包括：

1)检查设备工作性能,同时选取同组试件不少于4组，分别进行无侧限抗压强度试验和抗冲刷性能试验,无侧限抗压强度值为P。

2)将试件放入下固定器的凹槽内,拧紧冲刷桶顶盖,调试瞬时加载装置使压板与试件顶面重合。

3）开启可调给水有压管道，低压向冲刷桶内注水，使水面高度达到试件顶面为止。

4）开启振动台对试件进行预冲刷，频率为5kHz，将试件表面未粘结或松散颗粒冲刷掉，振动时间为3min，打开排水管将污水排出，取出试件进行称重，记为M，将试件放置原处准备正式试验。

5）开启可调给水有压管道，使水压逐步增大到工作水压0.3MPa为止，同时开动电脑可调方向喷水嘴，在电脑程序中设置每个喷嘴在不同时间具有不同喷水方向，模拟雨点在复杂条件下对材料冲刷作用。

6）喷水9min后停止喷水，然后低压向冲刷桶内注水至试件高度，再次开启振动台，使水产生流速对试件进行冲刷，模拟水流大小对材料的冲刷作用。

7）水流冲刷9min后关闭振动台，开启可调给水有压管道中压对试件进行冲洗，将冲刷物通过排水管至收集槽，最终排至回收槽。

8）将回收槽内污物沉淀蒸发后进行称重，记为M₁。

9）将试件重复进行上述操作，分别称重质量为M₂、M₃。

10）将冲刷试验后试件进行无侧限抗压强度试验，强度为P₁。

具体实施例三：

一种路面基层材料抗冲刷性能试验装置及试验方法，冲刷桶为双层圆柱形透明塑料圆桶，在双层圆柱形透明塑料圆桶外表面设置水位刻度尺，内径40cm，外径为50cm，高度为30cm，圆桶底与圆桶壁为一个整体，圆桶顶盖上面设置外螺旋螺纹，圆桶内壁设置有相匹配的内螺旋螺纹，其中顺时针可以拧紧桶盖，逆时针可以拆卸桶盖，在桶盖顶端中心位置设置一个圆孔，孔径大小与压杆直径相匹配。

在双层圆柱形透明塑料圆桶内壁环向每间隔22.5°、竖向每间隔3cm设置一个电脑可调方向喷水嘴，即在圆筒环向设置16个喷水嘴，竖向设置13个喷水嘴，共计208个喷嘴，通过电脑程序进行控制不同喷水嘴喷水方向，喷水嘴可以旋转对试件进行喷水，模拟在复杂条件下雨点从不同方向对材料冲刷作用。

电脑可调方向喷水嘴，在每个喷水嘴端部设置一个定位装置，通过无线与电脑连接，通过对208个喷水嘴端部试验中轨迹进行编程，编辑208个试验通道，主要编辑时间—喷头方向关系曲线，模拟在风荷载作用下，水流从不同方向、不同角度对试件冲刷作用。

在密封双圆柱形冲刷桶中间四周均匀布置四个可调节给水压力管道，满足双层圆柱形透明塑料圆桶内部水压要求，水压控制通过加压泵为冲刷桶内水进行加压，然后水通过喷水嘴喷向试件表面模拟水压对材料冲刷作用。

瞬时加载装置包括压板、压杆、弹簧、橡胶板、气动活塞、支撑杆，在压板上面设置橡胶板，橡胶板面呈大孔槽模拟汽车轮胎结构形式，压板上端连接压杆，在压板与桶盖之间设置弹簧，压杆直接穿过桶盖与支撑杆铰接，在支撑杆中间位置设置一个气动活塞，气动活塞采用电脑控制，通过控制气动活塞上下移动速度间接调整压板及橡胶板对试件冲击频率，模拟不同交通量状况下车辆轮载对路面的冲击作用；通过启动活塞上下移动幅度调整压板及橡胶板对弹簧的挤压作用，当活塞快速下移时压板及橡胶板对弹簧挤压作用力会对压板及橡胶板产生反作用力，反作用力通过压板和橡胶板瞬间对试件表面施加冲击力，模拟车辆荷载作用下对路面的瞬时作用力，冲击力的大小通过气动活塞上下移动的幅度进行控制，交通量大小通过气动活塞上下移动频率进行控制。

通过气动活塞上下移动能够保证压杆上下移动，对弹簧进行压缩冲击，压缩冲击力直接作用给压板及橡胶板，模拟汽车轮载对材料瞬时作用，通过调节气动活塞运动幅度模拟车辆轮载对路面材料冲击力。

本发明先采用电脑可调方向喷水嘴直接作用试件用于模拟雨点对试件冲刷作用，然后将冲刷桶内注水至试件表面，开动振动台使水产生一定的流向，模拟水流对试件的冲刷作用。分两个步骤进行模拟雨水对路面材料冲刷影响，同时对于评价材料抗冲刷性能提出了综合评价法，分别对冲刷物占总质量百分比及冲刷后试件强度与原试件强度百分比进行综合评价，其中冲刷物占总质量百分比占综合评价抗冲刷性能70%，冲刷后试件强度与原试件强度百分比占综合评价抗冲刷性能30%。