[發明專利]一種振動壓實過程中土顆粒流動情況的2D模擬實驗方法

有效

• 申請號: 201910266540.7
• 申請日: 2019-04-03
• 公開（公告）號: CN110286068B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 馬濤;方周;陳成勇;丁衛東;馬海俠;張曉艷;劉寧
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N15/02
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 張偉

本發明公開了對振動壓實過程中土顆粒流動狀態的2D模擬實驗方法，準備一前壁透明，左右壁可拆卸調整的木箱，準備一組不同直徑的鋁棒，根據直徑不同在其端面上標記不同顏色，按一定比例混合，利用紗布、細砂包裹在鋁棒表面模擬內摩擦角，并用黃油或慢干弱粘性膠水模擬粘聚力，制作小型加載設備，將鋁棒在紙箱內鋪好，測量并計算實驗前孔隙率，開始壓實實驗，測量并計算壓實后孔隙率，將前后空隙率進行比較，確定壓實效果，觀察高速相機所得的照片，分析微觀運動機理。本發明能夠方便并詳細地模擬振動壓實過程中土顆粒的流動狀態，為從微觀角度解釋振動壓實機理提供便利，為研究振動壓密過程中微觀運動與宏觀參數的聯系提供了直觀有效的實驗手段。

技術領域

本發明屬于道路工程技術領域，具體涉及到以鋁棒對振動壓實過程中土顆粒流動情況進行2D實驗模擬的方法。

背景技術

近年來，由于公路交通量逐漸繁重，車輛負載逐漸增加，再加上公路運行時間不斷變長，導致公路在運營過程中很容易出現沉陷、坑洼、水毀、開裂和車轍等破損現象。為了適應新的交通環境，延長公路的使用壽命并提高服務質量，廣大學者對路基路面的壓實質量提出了更高的要求。良好的壓實質量能夠有效地提升土基填方與路面材料的強度和剛度，是被壓實材料的不透水性和整體穩定性得到顯著改善，從而避免路基路面在車輛荷載以及其他因素影響下產生超標變形，迫使土體的結構發生損壞。道路施工的經驗表明：對路基路面進行壓實作業，是使路面與土基達到應有穩定性和強度非常有效而且經濟的技術措施。

為了提高振動壓實質量，專家學者們針對振動壓實技術展開了大量研究。在振動壓實技術初步發展階段，學者們只著力于改進壓實機械本身，而往往忽略了對壓實材料本身運動及響應的認識。經過大量的實驗研究和摸索，學者們逐漸認識到只有將壓實設備與壓實材料關聯起來綜合考慮，才能取得更理想的壓實效果，由此引申出了“機械—地面”這一動力學系統的概念，將振動壓路機與被壓實材料組成一個閉環振動系統，以后針對振動壓實技術的研究大都建立在這一系統的基礎上。

目前，國內外針對這一振動系統的研究主要分為宏觀和微觀兩個方面。首先，在宏觀層面上，主要是將土壤簡化為彈性—阻尼元件以建立不同自由度的“壓路機—土壤”系統動力學模型，采用數值模擬分析的方法分析系統的動態響應特征；或者是通過有限元分析的方法，將土壤假設為連續均勻的彈性或彈塑性結構，通過模擬施工荷載進行力學響應分析；也可以通過室外實驗路或者室內縮尺實驗的方法對施工場景進行模擬，但是這些實驗方法工作體量太大，成本過高，即便是室內縮尺實驗，為了保證小型壓路機的影響范圍和一定的運動距離，對于實驗耗材以及實驗槽體積要求也是非常之高，而且這些實驗大都只能都到土體位移、振動加速度等宏觀參數，對于振動壓實過程中土顆粒流動狀態，密實、填充等微觀作用機理卻無法展現。而在微觀方面，前人的研究大都集中在離散元仿真分析上，但卻一直缺乏有效的微觀實驗與之結合，真正地揭示土體壓密環節中顆粒運動、填充以及空隙衰變的過程，從而實現從微觀運動的角度解釋宏觀的動態響應。

發明內容

本發明目的是提供一種對振動壓實過程中土顆粒流動狀態的2D模擬試驗方法，以便于能夠細致觀察和記錄土體壓密過程中空隙衰變以及顆粒運動和填充的過程，為開展針對振動壓實微觀作用機理的研究提供實驗手段。

為達到上述目的，本發明采用的方法是：一種振動壓實過程中土顆粒流動情況的2D模擬實驗方法，包括如下步驟：

步驟1：準備一長方體木箱，箱的前壁為透明，箱子的左右壁為可拆卸的，便于調整木箱的長度。

步驟2：選取材料鋁棒來模擬土顆粒，準備一組鋁棒，鋁棒的長度略小于木箱寬度，但大于木箱寬度的2/3，鋁棒的直徑根據級配需要選擇不同規格，不同直徑的鋁棒在其端面涂上不同色彩；

步驟3：模擬土體粘聚力與內摩擦角，對于砂性土，在鋁棒的外圍包裹一層紗布提供摩擦力；對于粘性土，在上述操作的基礎上，對鋁棒進行浸泡或在其表面涂抹一層黃油，提供基質吸力以及模擬粘聚力，如對粘聚力要求更高，則選用加水稀釋后的漿糊溶液或建筑801膠水等慢干弱粘性膠，涂在鋁棒表面，以提供化學膠結作用；