一种寒区冬季心墙坝料碾压施工的模拟试验系统

技术领域

本发明涉及碾压模拟试验系统技术领域，更具体地说涉及一种寒区冬季心墙坝料碾压施工的模拟试验系统。

背景技术

随着我国水利水电工程的迅猛推进，大坝建设逐渐向西部高海拔山区靠拢，以雅砻江两河口(高295m)、大渡河双江口(高312m)、怒江松塔(高307m)、澜沧江如美(高315m)等为代表的新一批高土石坝工程相继开工建设。然而寒区气候条件恶劣，施工质量控制难度大，这些高坝的冬季施工都面临着严寒天气的挑战——心墙土料负温环境下因短时冻结会引起压实性能降低，土体经反复冻融后会出现强度和防渗性能的严重劣化，如两河口、双江口、大伙房、清河坝、吉林台等，其心墙土料在填筑时就曾饱受严寒天气的困扰。针对上述问题，工程实际中主要通过严寒条件(持续负温)停工和保温覆盖的方式来减少不利影响，进而确保大坝的填筑质量。但是，也带来耽误施工进度、工艺流程繁复、缺乏有效热源补充等问题。

针对寒区冬季施工问题，考虑到现有技术手段的局限性，不少学者对填筑料进行了改进，使材料本身就具备抗冻性能，如防冻相变土料、胶粉红黏土等新型心墙填筑料，使寒区大坝在冬季的连续填筑施工成为了可能。然而，现阶段对上述新型填筑料的压实特性及其工作性能的认识还不够充分，对其适用范畴、施工工艺要求以及相关辅助施工措施的规定不够明确，且缺乏相应的研究手段和技术。常规的室内试验研究，无法反映实际碾压过程且存在缩尺效应；而开展现场温控碾压试验，则存在变量控制困难，试验人力物力成本过高，且试验结果离散性较大，可靠性偏低等问题。

因此，有必要研制一种能够考虑寒区严寒条件的碾压施工的模拟试验系统，真实反映寒区冬季施工现场的环境条件及施工工艺，为严寒条件下新型心墙坝料压实特性及工作性能的研究提供技术手段，为寒区冬季碾压施工的施工参数优化研究提供有效途径，进而为相关规范要求的制定提供支撑和依据。这对于延长冬期有效施工时段，确保施工质量、实现寒区黏土心墙坝建设的安全和经济建设具有十分重要的意义。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种寒区冬季心墙坝料碾压施工的模拟试验系统，本系统能够对寒区冬季心墙坝料，尤其是新型心墙坝料的碾压施工进行真实模拟，不仅能够实现对严寒条件下温度和风速的工况模拟，再现冬季施工现场的环境条件，还可以对坝料碾压工艺及参数进行模拟试验，可为寒区冬季心墙坝料的碾压施工提供依据。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种寒区冬季心墙坝料碾压施工的模拟试验系统，包括可控温控风速的碾压施工模拟试验装置、集成控制器、数据库及应用服务器、监控客户端、显示装置和无线通讯模块，

可控温控风速的碾压施工模拟试验装置，用于碾压施工试验；

集成控制器，用于采集和存储碾压施工试验中的各项实验信息；

数据库及应用服务器，用于存储集成控制器采集到的碾压施工试验中的各项实验信息，并对各项试验数据进行分析后，向集成控制器发出控制指令；

监控客户端，用于通过数据库及应用服务器和无线通讯模块向集成控制器发出控制指令，以实现控制可控温控风速的碾压施工模拟试验装置的目的；

显示装置，用于显示集成控制器采集到的碾压施工试验中的各项实验信息；

无线通讯模块，用于传输集成控制器采集到的碾压施工试验中的各项实验信息；

在所述可控温控风速的碾压施工模拟试验装置上的碾压轮、环流风机和温控箱上分别安装有振动传感器、鼓风强度传感器和温度传感器，所述振动传感器、所述鼓风强度传感器和所述温度传感器的信号输出端分别与所述集成控制器的信号输入端相连，所述集成控制器的传输信号输出端通过无线通讯模块与所述数据库及应用服务器的传输信号输入端相连，以实现将碾压轮、环流风机和温控箱的状态信息传递至所述数据库及应用服务器，同时也能够利用集成控制器接收来自数据库及应用服务器的控制指令信息，所述数据库及应用服务器经由Internet网络将相关信息传输至所述监控客户端进行显示，所述监控客户端能够将上述相关信息通过Internet网络存入所述数据库及应用服务器的数据库中以供后续应用，同时，所述监控客户端还能够设定试验参数，所述监控客户端也能够通过所述数据库及应用服务器和所述无线通讯模块向所述集成控制器发出控制指令，控制可控温控风速的碾压施工模拟试验装置的工作状态；

所述集成控制器的显示信号输出端与所述显示装置的显示信号输入端相连，在所述集成控制器中储存的信息通过显示装置进行显示，以方便试验装置操作者根据显示装置实时查看信息，通过操作显示装置，能够向可控温控风速的碾压施工模拟试验装置发出控制指令。

所述可控温控风速的碾压施工模拟试验装置包括温控箱、碾轮系统和移动装置，在所述温控箱的两侧地面上开设有轨道，所述移动装置滑动安装在所述轨道上，在所述移动装置上安装所述碾轮系统。

所述温控箱包括箱本体、温控单元、半导体制冷片、自动出回卷机、环流风机、开关门、保温条带和集成控制器，在所述箱本体的顶端一侧安装所述集成控制器，所述开关门安装在所述箱本体的顶端中部，所述环流风机安装在所述箱本体的一侧，环流风机用于导向气流，以实现模拟环境条件更符合实际情况的目的，且环流风机能够提高升降温速率，以使箱本体内部温度更加均匀，在所述环流风机下方的所述箱本体的外壁上安装所述温控单元，在所述箱本体的顶端两侧安装所述自动出回卷机，所述保温条带滑动安装在所述自动出回卷机上，以实现保持移动架移动过程中，箱本体内密封环境良好温度恒定的目的，保温材料安装在所述箱本体的内壁上，受碾试件通过安装在所述箱本体内部底端的两个垫块固定在所述箱本体内，所述半导体制冷片安装在所述箱本体的四周侧壁上，且位于所述受碾试件的上方。

在所述温控单元上设置有温控面板，温控单元用于控制箱本体内的温度、风速，温控单元包括供电电源、单片机和控制电路，供电电源用于给单片机、控制电路、升降温装置和环流风机进行供电，以保证设备稳定运行；单片机用于处理数据，并通过控制电路向升降温装置发出指令；控制电路用于在收到单片机传来的指令后，对升降温装置进行控制。

所述开关门采用滑动对开式结构，在所述开关门的内侧开设有凹槽式导轨，所述保温条带能够嵌入所述凹槽式导轨中。

所述移动装置包括载物框、升降装置、机架、移动架本体、主驱动装置、副驱动装置和滚轮，所述移动架本体通过所述滚轮滑动安装在所述轨道上，在所述移动架本体上安装所述升降装置，所述升降装置的尾端安装所述机架，以实现机架沿移动架本体纵向移动的目的，所述主驱动装置安装在所述机架上，在所述主驱动装置内安装所述载物框，以实现利用调整载物框的负重来进行不同吨位的压路机振动压实试验的目的，所述副驱动装置设置在所述移动架本体的一侧，在所述副驱动装置上安装有主动链轮，在所述滚轮的滚动轴上安装有从动轮，所述主动链轮通过链条与所述从动轮相连，以实现利用副驱动装置驱动滚轮移动的目的。

所述副驱动装置包括三相电机、减速机和离合装置，所述三相电机的输出轴与所述减速机的输入轴相连，所述减速机的输出轴通过离合装置与所述主动链轮相连。

在所述机架的首尾两端与所述移动架本体相接触处均设置有导向限位轮组，以实现使机架在升降完毕后固定于相应位置的目的。

在所述主驱动装置上还设置有无线通讯装置和移动集成控制器。

所述碾轮系统包括振动轮和悬挂架，所述悬挂架安装在所述机架的中部，且所述悬挂架朝向所述受碾试件设置，在所述悬挂架上安装所述振动轮。

本发明的有益效果为：该系统能够模拟寒区的温度条件，所设计的密闭保温箱体密闭性良好且箱体体积较小，能够实现环境温度高精度控制；该系统能够模拟实际环境中的风速，通过控制环流风机的鼓风强度，来达到模拟风速的效果；该系统能够实现碾压施工的真实模拟，碾压轮在设定参数下进行碾压和振动；该系统能够实时、自动采集碾压数据，取代人工测量，在减少人为误差的同时，确保测量精度；与前期的相关专利相比(振动压实试验装置CN201610014686.9、一种铁路粗粒土填料振动压实实验装置及实验方法CN202010940647.8)，在保证基本功能的同时，能够模拟实际中不同环境条件下的工况，更加贴近工程实际。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明温控箱三视图及温控面板示意图；

图3是本发明碾轮系统及移动架的正视图及侧视图；

图4是本发明的数据传输流程图。

其中，1为可控温控风速的碾压施工模拟试验装置，2为集成控制器，3为数据库及应用服务器，4为监控客户端，5为显示装置，6为无线通讯模块，7为半导体制冷片，8为温控单元，9为自动出回卷机，10为环流风机，11为开关门，12为保温条带，13为温控面板，14为保温材料，15为受碾试件，16为垫块，17为集成控制器，18为振动轮，19为悬挂架，20为载物框，21为升降装置，22为机架，23为移动架本体，24为导向限位轮组，25为主驱动装置，26为副驱动装置，27为主动链轮，28为从动轮，29为滚轮，30为无线通讯装置，31为移动集成控制器，32为轨道。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例一

一种寒区冬季心墙坝料碾压施工的模拟试验系统，包括可控温控风速的碾压施工模拟试验装置1、集成控制器2、数据库及应用服务器3、监控客户端4、显示装置5和无线通讯模块6，

可控温控风速的碾压施工模拟试验装置1，用于碾压施工试验；

集成控制器2，用于采集和存储碾压施工试验中的各项实验信息；

数据库及应用服务器3，用于存储集成控制器采集到的碾压施工试验中的各项实验信息，并对各项试验数据进行分析后，向集成控制器发出控制指令；

监控客户端4，用于通过数据库及应用服务器3和无线通讯模块6向集成控制器2发出控制指令，以实现控制可控温控风速的碾压施工模拟试验装置1的目的；

显示装置5，用于显示集成控制器2采集到的碾压施工试验中的各项实验信息；

无线通讯模块6，用于传输集成控制器2采集到的碾压施工试验中的各项实验信息；

在可控温控风速的碾压施工模拟试验装置1上的碾压轮、环流风机10和温控箱上分别安装有振动传感器、鼓风强度传感器和温度传感器，振动传感器、鼓风强度传感器和温度传感器的信号输出端分别与集成控制器2的信号输入端相连，集成控制器2的传输信号输出端通过无线通讯模块6与数据库及应用服务器3的传输信号输入端相连，以实现将碾压轮、环流风机10和温控箱的状态信息传递至数据库及应用服务器3，同时也能够利用集成控制器2接收来自数据库及应用服务器3的控制指令信息，数据库及应用服务器3经由Internet网络将相关信息传输至监控客户端4进行显示，监控客户端4能够将上述相关信息通过Internet网络存入数据库及应用服务器3的数据库中以供后续应用，同时，监控客户端4还能够设定试验参数，监控客户端4也能够通过数据库及应用服务器3和无线通讯模块6向集成控制器2发出控制指令，控制可控温控风速的碾压施工模拟试验装置1的工作状态；

集成控制器2的显示信号输出端与显示装置5的显示信号输入端相连，在集成控制器2中储存的信息通过显示装置5进行显示，以方便试验装置操作者根据显示装置5实时查看信息，通过操作显示装置5，能够向可控温控风速的碾压施工模拟试验装置1发出控制指令。

集成控制器的主要部件为数据控制器。采用外部供电电源向集成控制器中的数据控制器持续供电(说明：本发明实施例对供电电源不做具体要求，可以选择不同品牌)，同时，数据控制器还会输出5V电压为温度传感器、风速传感器和碾轮系统上的加速度传感器供电；输出12V电压为显示装置供电。

数据控制器主要负责测量数据的接收、计算、保存和传送，本发明可以采用凌霄系列智能终端控制器，通过编写控制程序并结合硬件设备集成的方式，利用RS-232数据接口，分别实时地向温度传感器、风速传感器和碾轮系统上的加速度传感器发出读取数据的信息指令，同步获取编码器测量的碾轮运动参数、温控箱内的实时温度，以及风速传感器采集的实时风速。

采集结束后，将寒区冬季碾压施工的当前时间，温控箱内的实时温度及环流风机的相应风速、碾轮系统运行过程中的运行参数等数据，一并放入FLASH存储器中进行缓存，且利用RAM存储器临时存贮相关的数据；并进一步将上述数据通过RS-232数据接口传输到无线通讯模块。

显示装置安装于保温箱和移动架的一侧，用于温控箱及碾轮状态信息的实时显示。该装置采用Windows 10操作系统，运行开发的相应软件。硬件部分包括：液晶显示屏、CPU中央处理器、FLASH存储器、RAM存储器、RS-232接口和电源转换模块等。显示装置由集成控制器供电(本发明中供电电压为12V)，且可以通过电源转换模块变压，再由显示装置分别向CPU中央处理器、FLASH存储器、RAM存储器和液晶显示屏等各个部分供电。显示装置通过RS-232接口与集成控制器相连，在监控开始前，输入温度和风速、碾轮运行参数控制标准，并进行保存。与此同时，试验装置操作者可根据显示装置实时显示的信息，及时调整试验装置的工作参数，从而达到设定要求。

无线通讯模块负责接受并传输由集成控制器发送过来的数据，包括当前时间、数据采集的时间间隔，温控箱内的实时温度及环流风机的相应风速，该时段内碾轮系统的具体运行参数。上述数据通过GSM通讯模块或4G网络或5G网络，传送到远程的数据库及应用服务器。说明：GSM通讯模块可采用华为GTM900b，其具体工作过程如下：首先，无线通讯模块将接收到的相关数据放入FLASH存储器中，通过缓存将数据发送给CPU(中央处理器)(其中，RAM存储器用来临时存贮数据)；把IP数据包交给GSM通讯模块；然后，GSM通讯模块根据定制的TCP/IP协议，按一定的时间间隔(如1s)，将相关数据发送到远程数据库及应用服务器中。此外，对通用GSM模块的控制程序进行以下改进，增强相关数据发送的抗干扰性：(1)增加设备数据缓存功能，即在网络断线的状况下，先对数据进行存储，等待网络正常后，再与后续接收的数据一起发送；(2)增加断线重拨功能，以保证数据传输的连续性。

数据库及应用服务器主要由数据库模块、分析模块、信息反馈模块。

数据库模块主要负责质量监测信息的数据接收、存储以及传输。此模块用来与无线通讯模块、监控客户端、分析模块之间进行数据交互和存储：首先(1)接收来自各装置的仪器及传感器信息存储到数据库中，并实时显示到监测客户端；(2)接收来自客户端的控制指令信息，经无线通讯模块发送至各装置内的集成控制器，控制装置各部件的运行。本发明实施例中采用企业级版本的数据库来支持数据应用，服务器通过光纤连接Internet，根据设定的服务器IP地址，无线通讯模块向该指定IP地址发送数据，并将接收的数据存储在数据库中。

分析模块主要将当前时间的温度和风速测量值与通过监控客户端输入的相应控制标准(如10℃温度控制标准线)作对比，判断是否符合控制标准。当相关指标超过安全阈值后，则该模块向信息反馈模块发送报警激活信号。

信息反馈模块用于发送报警信息，在接收到分析模块发出的报警激活信号后，信息反馈模块通过Internet网络向监控客户端发出报警信息。

监控客户端安装在试验现场能连接Internet网络的台式机电脑或移动笔记本电脑上，通过4G/5G网络进行通讯，主要用于碾轮系统、温控箱运行状态和相关试验信息的实时显示，以及碾轮系统、移动架和温控箱的实时控制。在试验开始前，操作人员需要通过监控客户端设定起始温度、终止温度、升降温速率、模拟风速、碾压参数等控制参数，控制温控箱及碾压驱动装置的运行。在监控过程中，客户端可实时显示当前的温度以及风速、所设定的温度曲线、碾压参数，并可查询和输出与其相对应的监测结果图。此外，如果出现了危险情况(如碾轮系统、半导体温控片出现故障等)会发送报警信息，提示监控人员采取相应措施(如调整设定温度、及时关停试验设备等)。

实施例二

在实施例一的基础上，可控温控风速的碾压施工模拟试验装置包括温控箱、碾轮系统和移动装置，在温控箱的两侧地面上开设有轨道32，移动装置滑动安装在轨道32上，在移动装置上安装碾轮系统。

温控箱包括箱本体、温控单元8、半导体制冷片7、自动出回卷机9、环流风机10、开关门11、保温条带12和集成控制器17，在箱本体的顶端一侧安装集成控制器17，开关门11安装在箱本体的顶端中部，环流风机10安装在箱本体的一侧，环流风机10用于导向气流，以实现模拟环境条件更符合实际情况的目的，且环流风机10能够提高升降温速率，以使箱本体内部温度更加均匀，在环流风机10下方的箱本体的外壁上安装温控单元8，在箱本体的顶端两侧安装自动出回卷机9，保温条带12滑动安装在自动出回卷机9上，以实现保持移动架23移动过程中，箱本体内密封环境良好温度恒定的目的，保温材料14安装在箱本体的内壁上，受碾试件15通过安装在箱本体内部底端的两个垫块16固定在箱本体内，半导体制冷片7安装在箱本体的四周侧壁上，且位于受碾试件15的上方。

在温控单元8上设置有温控面板13，温控单元8用于控制箱本体内的温度、风速，温控单元8包括供电电源、单片机和控制电路，供电电源用于给单片机、控制电路、升降温装置和环流风机10进行供电，以保证设备稳定运行；单片机用于处理数据，并通过控制电路向升降温装置发出指令；控制电路用于在收到单片机传来的指令后，对升降温装置进行控制。

开关门11采用滑动对开式结构，在开关门11的内侧开设有凹槽式导轨，保温条带12能够嵌入凹槽式导轨中。

实施例三

在实施例二的基础上，移动装置包括载物框20、升降装置21、机架22、移动架本体23、主驱动装置25、副驱动装置26和滚轮29，移动架本体23通过滚轮29滑动安装在轨道32上，在移动架本体23上安装升降装置21，升降装置21的尾端安装机架22，以实现机架22沿移动架本体23纵向移动的目的，主驱动装置25安装在机架22上，在主驱动装置25内安装载物框20，以实现利用调整载物框20的负重来进行不同吨位的压路机振动压实试验的目的，副驱动装置26设置在移动架本体23的一侧，在副驱动装置25上安装有主动链轮27，在滚轮29的滚动轴上安装有从动轮28，主动链轮27通过链条与从动轮28相连，以实现利用副驱动装置26驱动滚轮29移动的目的。

副驱动装置26包括三相电机、减速机和离合装置，三相电机的输出轴与减速机的输入轴相连，减速机的输出轴通过离合装置与主动链轮27相连。

在机架22的首尾两端与移动架本体23相接触处均设置有导向限位轮组24，以实现使机架22在升降完毕后固定于相应位置的目的。

在主驱动装置25上还设置有无线通讯装置30和移动集成控制器31。

碾轮系统包括振动轮18和悬挂架19，悬挂架19安装在机架22的中部，且悬挂架19朝向受碾试件15设置，在悬挂架19上安装振动轮18。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。