建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置及方法
阅读说明：本技术 建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置及方法 (Device and method for testing soaking-circulating traffic load of construction waste sponge pavement ) 是由 康宝 沈建海 包华 孙晓龙 章旬立 郑凌逶 徐亦采 谢新宇 胡庆红 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置及方法,可用于开展建筑垃圾海绵路面在不同浸水程度下实施循环交通荷载的室内试验研究。测试装置具有荷载施加与监测功能,能够对建筑垃圾海绵路面模型施加不同形式的循环交通荷载,即时获取路面模型各层填料的温度变化、形变、渗流前后水头、渗流流量等数据。方法主要步骤包括：将建筑垃圾海绵路面填料分层填入测试装置内并埋设各种测量仪器,调节模型试验箱两侧活动挡板的高度用以控制路面模型浸水程度并通入稳定水流,通过一个与可调速电机相连的曲柄滑块机构为模型施加循环交通荷载,根据测试装置获取的各项数据计算得到各层填料在加荷过程中的渗透系数变化曲线与压缩曲线。(The invention discloses a device and a method for testing the soaking-circulating traffic load of a construction waste sponge pavement, which can be used for developing the indoor experimental research of the implementation of circulating traffic load of the construction waste sponge pavement under different soaking degrees. The testing device has the load applying and monitoring functions, can apply circulating traffic loads of different forms to the construction waste sponge pavement model, and can immediately acquire data such as temperature change, deformation, water heads before and after seepage, seepage flow and the like of fillers of each layer of the pavement model. The method mainly comprises the following steps: filling the construction waste sponge pavement filler into the testing device layer by layer and embedding various measuring instruments, adjusting the height of movable baffles at two sides of the model test box to control the water immersion degree of the pavement model and introduce stable water flow, applying circulating traffic load to the model through a crank-slider mechanism connected with a speed-adjustable motor, and calculating according to various data acquired by the testing device to obtain a permeability coefficient change curve and a compression curve of each layer of filler in the loading process.)
技术领域
本发明属于路基施工领域，具体涉及一种建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置及方法。
背景技术
随着我国城市化规模不断增大，建筑业迅速发展，随之产生的建筑垃圾也日益增多，这已经成为各城市经济发展过程中必须面对和解决的一大难题。目前，我国建筑垃圾的再利用方式主要包括建筑垃圾造景、生产再生骨料、生产环保型砖块和道路路基填筑等。近年来，我国交通工程建设规模逐渐增大，导致砂石材料的需求量不断上升。在可持续发展的观念之下，建筑垃圾在道路路基填筑方面的研究与应用展现出重大意义。建筑垃圾的回收利用具有避免建筑垃圾占用土地资源从而提高城市土地资源利用效率、提高建筑垃圾资源化发展的科学性与规范性、缓解砂石材料短缺的局面、避免因建筑垃圾处理不当而造成的环境污染问题等一系列效果。
将建筑垃圾集中回收后，通常会对先其进行初选，再采用振动式给料机去除渣土，然后用颚式破碎机将建筑垃圾破碎成不同尺寸的块体，最后采用筛框振动式电动筛和钢丝编织筛对建筑垃圾进行筛分。大粒径块体可作为路面的上层填料，小粒径块体可作为路面的中层填料，建筑垃圾中的泥浆部分经改性固化后可作为路面的不透水底层。
为进一步推动建筑垃圾在道路路基工程中的应用，有必要进行建筑垃圾用作路面填料的研究。地道路面受交通荷载的循环作用，且地道路面渗透性与变形能力直接影响其安全性与耐久性，而目前尚缺少一种能够对建筑垃圾海绵路面在交通循环荷载下渗透性与变形能力动态测试的研究方法。基于此，对建筑垃圾海绵路面开展循环加载室内试验是研究其动态特性较为直接有效且可信的手段。
发明内容
建筑垃圾海绵路面结构根据渗透性强弱通常可分为三层，由上至下的路基填料渗透性逐渐减弱。为获取建筑垃圾海绵路面在浸水-循环交通荷载条件下，各层填料渗透性、变形能力等路基性能的变化特性，本发明提出了一种建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明一方面提供了一种建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置，该测试装置包括模型试验箱、循环交通荷载加载系统和监测系统；
所述模型试验箱设置可上下调节高度的双侧活动挡板，一侧活动挡板口作为进水口，另一侧活动挡板口作为出水口，用于调节路面模型的浸水程度；箱体底部设有渗流口，箱体内依次按建筑垃圾泥浆部分改性固化形成不透水底层、建筑垃圾小粒径块体填入形成中层填料、建筑垃圾大粒径块体填入形成上层填料，不同层填料之间、箱体内壁、箱体底部均设有透水土工布；所述上层填料上表面设有混凝土垫板，所述混凝土垫板中轴线上固定试验系统导轨，所述试验系统导轨可供试验系统滑块自由往复运动，所述试验系统滑块通过一根连杆与循环交通荷载加载系统相连；
所述循环交通荷载加载系统包括加载系统滑块、可调速电机、加载系统导轨、平衡块、连杆、曲柄和摇杆；所述平衡块固定在加载系统导轨一端，所述可调速电机带动曲柄绕一固定点做不同周期的圆周运动，所述曲柄通过摇杆带动加载系统滑块在加载系统导轨上做不同周期的往复运动，再由加载系统滑块通过连杆带动模型试验箱上的试验系统滑块在试验系统导轨上做相同周期的往复运动，从而模拟交通荷载在路面模型上的循环加载；
所述监测系统包括流量计、水头管、光纤和温度传感器，用于监测路面模型在循环交通荷载下各层填料的温度变化、形变、渗流前后水头及渗流流量；所述流量计埋设在上层填料与中层填料交界面、中层填料与不透水底层交界面；所述水头管下端口埋设在上层填料与中层填料交界面、中层填料与不透水底层交界面以及不透水底层底面；所述光纤埋设在上层填料顶面、上层填料与中层填料交界面、中层填料与不透水底层交界面以及不透水底层底面；所述温度传感器的探头埋设在与光纤埋设位置相同的四个界面内；箱体侧壁开有若干孔洞，流量计、水头管、光纤和温度传感器通过孔洞埋设安装在设计的测量点，并引出到箱体外部进行监测数据的读取，在孔洞处进行密封处理。
进一步地，所述模型试验箱的两侧活动挡板通常调节至相同高度，一侧活动挡板口作为进水口，另一侧活动挡板口略有凸出作为出水口。
进一步地，所述模型试验箱在填料过程中需同步进行流量计、光纤和温度传感器的埋设安装，用于后续加载过程中对路面模型的实时监测。
进一步地，所述加载系统滑块和试验系统滑块共平面。
进一步地，所述流量计采用毕托巴流量计，由检测杆、差压变送器和流量显示仪表组成，所述检测杆埋设在上层填料与中层填料交界面、中层填料与不透水底层交界面，所述流量显示仪表引出到模型试验箱外，方便实时读取数据。
进一步地，对于流量计，每个界面均以平面中点中心对称埋设2个流量计，共计4个流量计；
对于水头管，每个界面埋设2根水头管，共计6根水头管，水头管竖直段均引出到模型试验箱外，方便实时监测各水头管的水头变化；
对于光纤，每个界面均匀分布3根光纤，共计12根光纤，根据各光纤不同位置的初始量和试验过程中的变形量即可推算各层填料不同位置处厚度的变化；
对于温度传感器，每个界面埋设2个温度传感器，共计8个温度传感器，用于实时监测各层填料在试验过程中的温度变化。
进一步地，上层填料与中层填料交界面、中层填料与不透水底层交界面的渗流流量通过流量计测定，不透水底层的渗流流量由流体收集装置收集从渗流口渗出的水后测定其质量并换算为渗流流量。
进一步地，由水头管水柱高度获得各层填料上下界面的渗透水流水头高度差ΔH，由光纤监测数据获得各层填料厚度h，由流量计获得各层填料渗流流量Q，各层填料过水断面面积记为A，根据温度传感器所测温度查表获得当前温度下水的黏度μ；根据下式计算得到各层填料渗透系数k：
进一步地，由埋设的光纤监测数据计算得到各层填料厚度随加荷时间变化的曲线，即压缩曲线。
本发明另一方面提供了一种建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置的实施方法，该方法包括以下步骤：
(1)测试装置及模型材料准备：平整场地后将测试装置放置于场地合适位置并将建筑垃圾海绵路面各层填料运输至场地附近；
(2)填料及监测系统布置：首先在模型试验箱底部铺设与安装透水土工布、光纤、温度传感器、水头管，接着缓慢、密实地填入海绵路面不透水底层填料，然后铺设透水土工布并埋设安装流量计、光纤、温度传感器、水头管；继续缓慢、密实地填入中层填料，然后铺设透水土工布并埋设安装流量计、光纤、温度传感器、水头管；继续缓慢、密实地填入上层填料，然后铺设透水土工布并埋设安装光纤、温度传感器，完成填料的填入与监测系统的安装，最后在顶面盖上混凝土垫板；
(3)安装与连接循环交通荷载加载系统：在混凝土垫板中轴线上安装试验系统导轨，在试验系统导轨上放置试验系统滑块，试验系统滑块的质量根据所需的交通荷载大小进行调节，试验系统滑块通过连杆与循环交通荷载加载系统中的加载系统滑块相连；
(4)设置渗透层浸水程度：确定进行试验的路面模型渗透层浸水程度后，上下移动两侧活动挡板至设定位置并在活动挡板口连接水管，在一侧活动挡板口注入水并在另一侧活动挡板口和模型试验箱底部渗流口收集流出水；
(5)检查监测系统工作状态：注水半小时到一小时后检查光纤监测数据、水头管水柱高度、流量计读数、温度传感器读数是否能够正常获取，若无法正常获取则拆除各部件并清理填料重新执行步骤(2)；
(6)荷载施加：设置循环交通荷载加载系统中的加载系统滑块质量、平衡块质量、可调速电机转速，然后启动可调速电机进行循环荷载的施加，加载过程中保持对监测系统以及各滑块运动状态的检查以确保各试验数据的正常获取；
(7)数据获取与处理：根据模型试验箱中水头管水柱高度、活动挡板口高度、流量计读数、光纤监测数据、温度传感器读数，整理计算得到各层填料在加荷过程中的渗透系数变化曲线与压缩曲线。
本发明的有益效果是：本发明可用于开展建筑垃圾海绵路面在不同浸水程度下实施循环交通荷载的室内试验研究。测试装置具有荷载施加与监测功能，能够对建筑垃圾海绵路面模型施加不同形式的循环交通荷载，即时获取路面模型各层填料的温度变化、形变、渗流前后水头、渗流流量等数据。通过模型试验及测试装置分析循环交通荷载在不同浸水程度下对建筑垃圾海绵路面渗透特性及变形特性的作用机理，可以用于进一步开展路面材料及结构优化研究，从而推动建筑垃圾在海绵路面中的应用及产业化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的模型试验箱断面图；
图2是本发明实施例提供的模型试验箱左视图；
图3是本发明实施例提供的循环交通荷载施加原理图；
图4是本发明实施例提供的循环交通荷载加载系统示意图；
图中，上层填料1，中层填料2，不透水底层3，混凝土垫板4，活动挡板5，水头管6，透水土工布7，温度传感器8，光纤9，流量计10，渗流口11，试验系统导轨12，试验系统滑块13，连杆14，平衡块15，摇杆16，曲柄17，可调速电机18，加载系统滑块19，加载系统导轨20。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明测试装置用于模拟的建筑垃圾海绵路面结构分为三层，上层填料1为建筑垃圾大粒径块体、中层填料2为建筑垃圾小粒径块体、不透水底层3由建筑垃圾的泥浆部分改性固化形成。
本发明实施例提供的建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置，主要包括模型试验箱、循环交通荷载加载系统、监测系统三个部分。
1.模型试验箱
如图1、2所示，模型试验箱设置可上下调节高度的双侧活动挡板5，一般将两侧活动挡板5调节至相同高度，一侧活动挡板口作为进水口，另一侧活动挡板口略有凸出作为出水口，用于调节控制路面模型的浸水程度，如设定路面渗透层浸水程度为0％、50％、100％或150％等；箱体底部设有渗流口11，箱体内依次按建筑垃圾泥浆部分改性固化形成不透水底层3、建筑垃圾小粒径块体填入形成中层填料2、建筑垃圾大粒径块体填入形成上层填料1，不同层填料之间、箱体内壁、箱体底部均设有透水土工布7，起到分隔、透水、过滤作用；填料过程中需同步进行流量计10、温度传感器8、光纤9等的埋设安装，用于后续加载过程中对模型的实时监测；箱体各侧壁开有若干孔洞，流量计10、温度传感器8、光纤9、水头管6等测量仪器通过孔洞埋设安装在设计的测量点，并引出到箱体外部进行监测数据的读取；在孔洞处进行密封处理，防止试验箱中的水从孔洞渗出；上层填料1上表面设有一混凝土垫板4，混凝土垫板4中轴线上固定有试验系统导轨12，该导轨可供试验系统滑块13自由往复运动，试验系统滑块13通过一根连杆14与循环交通荷载加载系统相连，如图3所示，由循环交通荷载加载系统中的加载系统滑块19通过该连杆14带动试验系统滑块13进行相同周期的往复运动，从而实现循环交通荷载在建筑垃圾海绵路面模型上的施加。其中加载系统滑块19和试验系统滑块13共平面。
2.循环交通荷载加载系统
如图4所示，循环交通荷载加载系统主要由加载系统滑块19、可调速电机18、加载系统导轨20、平衡块15、连杆14、曲柄17、摇杆16等组成。平衡块15固定在加载系统导轨20的一端，用于防止加载系统滑块19在滑动过程中引起加载系统侧翻。可调速电机18带动曲柄17绕一固定点做不同周期的圆周运动，曲柄17通过摇杆16带动加载系统滑块19在加载系统导轨20上做不同周期的往复运动，再由加载系统滑块19通过连杆14带动试验箱上的试验系统滑块13在试验系统导轨12上做相同周期的往复运动，从而模拟交通荷载在路面模型上的循环加载。
3.监测系统
监测系统主要监测路面模型在循环交通荷载下各层填料的温度变化、形变、渗流前后水头、渗流流量等数据。
其中流量采用毕托巴流量计进行流量测定。毕托巴流量计是基于皮托管测速原理发展而来的一类绕流差压式流量计。毕托巴流量计由检测杆、差压变送器和流量显示仪表组成。相较于其他流量计，毕托巴流量计具有结构简单、重量轻、制造成本低、安装拆卸方便、便于维修和更换、压损和能耗少、适用的流体种类与工作状态范围广等优点。由毕托巴流量计对上中层交界处及中下层交界处的渗流流量进行测定，底层的渗流流量由流体收集装置收集从渗流口11渗出的水后测定其质量并换算为渗流流量，各渗流流量用于各层渗透系数的计算。
毕托巴流量计的检测杆埋设在上层填料1与中层填料2交界面、中层填料2与不透水底层3交界面，在两个交界面内均以平面中点中心对称埋设2个流量计10，共计4个流量计10，各流量计10的显示仪表均可引出到模型试验箱外方便实时读取数据。
水头管6下端口埋设在上层填料1与中层填料2交界面、中层填料2与不透水底层3交界面以及不透水底层3底面，每个界面埋设2根水头管6，共计6根水头管6，水头管6竖直段均引出到模型试验箱外方便实时监测各水头管6的水头变化。
光纤9埋设在上层填料1顶面、上层填料1与中层填料2交界面、中层填料2与不透水底层3交界面以及不透水底层3底面，每个界面均匀分布3根光纤9，共计12根光纤9，根据各光纤不同位置的初始量和试验过程中的变形量即可推算各层填料不同位置处厚度的变化。
温度传感器8的探头埋设在与光纤9埋设位置相同的四个界面内，每个界面埋设2个温度传感器8，共计8个温度传感器8，用于实时监测各层填料在试验过程中的温度变化。
由水头管6水柱高度获得各层填料上下界面的渗透水流水头高度差ΔH，由光纤9监测数据获得各层填料厚度h，由流量计10获得各层填料渗流流量Q，各层填料过水断面面积记为A，根据温度传感器8所测温度查表获得当前温度下水的黏度μ；根据下式计算得到各层填料渗透系数k：
由埋设的光纤9监测数据计算得到各层填料厚度随加荷时间变化的h-t曲线，即压缩曲线。
本实施例提供的建筑垃圾海绵路面的浸水-循环交通荷载测试装置实施的具体步骤如下：
(1)测试装置及模型材料准备
平整场地后将测试装置放置于场地合适位置并将建筑垃圾海绵路面各层填料运输至场地附近；
(2)填料及监测系统布置
先在模型试验箱底部铺设与安装透水土工布7、光纤9、温度传感器8、水头管6，接着缓慢、密实地填入海绵路面不透水底层3填料，然后铺设透水土工布7并埋设安装流量计10、光纤9、温度传感器8、水头管6；继续缓慢、密实地填入中层填料2，然后铺设透水土工布7并埋设安装流量计10、光纤9、温度传感器8、水头管6；继续缓慢、密实地填入上层填料1，然后铺设透水土工布7并埋设安装光纤9、温度传感器8，完成填料的填入与监测系统的安装，最后在顶面盖上混凝土垫板4；
(3)安装与连接循环交通荷载加载系统
在模型试验箱混凝土垫板4中轴线上安装试验系统导轨12，随后在试验系统导轨12上放置试验系统滑块13，试验系统滑块13的质量根据所需的交通荷载大小进行调节，试验系统滑块13通过连杆14与放置在模型试验箱旁边的循环交通荷载加载系统中的加载系统滑块19相连；
(4)设置渗透层浸水程度
确定进行试验的路面模型渗透层浸水程度后上下移动左右两侧的活动挡板5至设定位置并在两侧活动挡板口连接水管，在右侧活动挡板口注入水并在左侧活动挡板口和模型试验箱底部渗流口11收集流出水；
(5)检查监测系统工作状态
注水半小时到一小时后检查光纤9监测数据、水头管6水柱高度、流量计10读数、温度传感器8读数是否能够正常获取，若无法正常获取则必须拆除各部件并清理填料重新执行步骤(2)；
(6)荷载施加
设置循环交通荷载加载系统中的加载系统滑块19质量、平衡块15质量、可调速电机18转速，然后启动可调速电机18进行循环荷载的施加，加载过程中保持对监测系统以及各滑块运动状态的检查以确保各试验数据的正常获取；
(7)数据获取与处理
根据模型试验箱中水头管6水柱高度、活动挡板口高度、流量计10读数、光纤9监测数据、温度传感器8读数等整理计算得到各层填料在加荷过程中的渗透系数变化曲线与压缩曲线。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
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