5 MDT测试结果

由于上述问题，只有一个焊盘（焊盘A）的结果被认为是可靠的。5月27日，测试的第一天，Pad A被设置为5-in。深度垫。所有接线和设置配置均正确，但A盘作为第二个（5英寸）盘埋在地下。在所有其他的日子里，A垫首先埋在2英寸深的地方。测试结果如表1所示。

表1。测试结果。

表1。测试结果。

在接受Tactilus®软件输出的值时，应考虑一些因素。在轮胎中心下面直接找到压力是很困难的。接触片通常是斑点状的，很难准确判断轮胎的中心位置。确定获得该压力的最佳方法是在可能包括接触片中心的区域（29.76 in.2）中取平均压力。为了获得平均压力值，使用椭圆绘图工具隔离施加压力的区域。有关此过程的示例和接触修补程序的屏幕截图，请参见附录B。椭圆绘制工具可以看作是在附录B中的接触面上绘制的红线。

6 Froehlich对Boussinesq方程的修正

CRREL有兴趣找到一个相对简单的方程来估计车辆荷载作用下土壤中的垂直应力，该方程可在现场快速实现。初步探讨了椭圆接触区非均匀应力分布方程。这是最现实的，因为土壤应力分布从来没有均匀时，由如此大的轮胎与大耳加载。此外，椭圆是这些轮胎接触区域最真实的形状（Smith等人。2000年）。在椭圆柱坐标系中，这种应力的方程是

（一）

诚然，这种方法过于复杂，达不到预期的效果。因此，有必要假设一个均布荷载区域和各向同性土壤。Boussinesq的原始土壤应力分布方程证明要简单得多（在极坐标系中）：

（二）

然而，在其所有的简单性，Boussinesq没有考虑到土壤的性质，如不同的质地，水分含量，或杨氏模量。由于土壤既不是完全塑性的，也不是完全弹性的，O.K.Froehlich引入了一个因子（称为浓度因子）来修改基于其弹塑性特性的Boussinesq方程（Smith等人。2000年）：

（三）

哪里

v=弗氏浓度因子；

P=施加的点荷载；

z=点荷载与关注点之间的垂直距离；

r=荷载和关注点之间的径向距离。

原始Boussinesq方程中基于弹性土的浓度因子v为3。然而，Soehne（1958）根据土壤特性为浓度因子赋值。硬土浓度因子为4，中土浓度因子为5，软土浓度因子为6。然而，Sharifat和Kushwaha（2000）建议硬土为3，正常土为4，软土为5。在这项研究中，浓度系数为4。

如果将修正的Froehlich方程结合起来，就可以计算出砂土或淤泥体积中任何点的应力以及接触区内任何荷载分布的应力。特别是对于圆形区域（半径R）上的均匀应力，接触区域中心以下深度z处的剩余垂直应力可以通过

（四）

哪里

σ0=W/πr2=土表面平均应力，W为总重；

z=点荷载与相关深度之间的垂直距离；

R=假定圆形荷载区域的半径；

v=Froehlich浓度因子。

使用MDT（0.05 m2=77.5 in2）（CSI nd）和W=4700 lbs的公布接触面积，表2显示了直接位于轮胎下方的平均垂直应力的Froehlich方程值。

表2。使用Froehlich方程（方程4）计算的垂直应力。

表2。使用Froehlich方程（方程4）计算的垂直应力。

回想一下，Froehlich方程只考虑了载荷、接触面积、深度和浓度因子。正常土壤的浓度因子为4。假设相同的荷载、接触面积和浓度系数，无论土壤是沙、高水分沙还是粉土。因此，理论值仅在第一次原始砂原位测试时发生变化，因为它是在5英寸的深度进行的。

7 MDT试验结果与预测值的比较

当比较Froehlich方程的值与压力垫的实验值时，Froehlich值除了深度的变化外没有变化。但是，每次测试都会产生不同的压力垫值。表3给出了方程和实验值及其相应百分比误差的比较。

表3。垂直应力（压力）的Froehlich方程与实验值的比较。

制表符表3。垂直应力（压力）的Froehlich方程与实验值的比较。

表3。垂直应力（压力）的Froehlich方程与实验值的比较。

因为实验值会发生变化，也许检验误差百分比的最佳方法是平均实验值。分析结果见表4。

表4。Froehlich值与平均实验值的比较。

表4。Froehlich值与平均实验值的比较。

8 CIV测试结果

与MDT进行的相同分析用于预测2英寸和5英寸CIV右前轮胎正下方的土壤应力。深度。施加在试验部分上的力由位于CIV的右前轮上的三轴传感器的垂直方向给出。然而，与CIV仍然存在颠簸测试部分的问题。如果轮胎碰到颠簸，并在通过刹车垫时加速，则施加的力将低于其水平静止重量。如果轮胎在通过衬垫时加速下降，那么施加的力将高于其水平静止重量。重量波动如图2所示。

图2。垂直力与时间的关系（右前CIV轮胎）。

图2。垂直力与时间的关系（右前CIV轮胎）。

图2显示，当CIV通过试验段时，垂直力确实发生了波动。最大作用力范围大于1000磅。选择垂直力正确值的最佳机会是从CIV操作员处收集信息。

当操作员认为右前轮胎位于压力垫正上方时，CIV能够显示脉冲标记。然而，这个标记并不总是出现在CIV的输出数据中。如果存在标记，则可以使用较小的时间窗口来查找CIV施加的垂直力。取此时间窗中垂直力的平均值，以最佳估计施加在焊盘上的力。如果没有标记存在，那么所使用的力的值是CIV开始滚动后垂直力的平均值。在牵引试验中，所用的力值是轮胎旋转时垂直力的平均值。（这可以从CIV输出数据的水平力图上看到）这些平均值是法向力的最佳猜测。从这些试验中收集的数据来看，没有办法知道轮胎越过轮胎垫时施加在土壤上的垂直力的确切数量。来自Tactilus®和压力垫的数据未与CIV的数据同步。表5给出了在每次试验中使用上述方法的右前轮胎重量。

表5。CIV右前轮胎施加的垂直力。

表5。CIV右前轮胎施加的垂直力。

9比较CIV测试结果和预测值

当比较Froehlich方程的值与压力垫的实验值时，Froehlich值随施加的垂直力略有变化，如前一节所述。但是，每次测试都会产生不同的压力垫值。在计算Froehlich值时，使用了50.3 In.2的接触面积（Coutermarsh 2008）。假设圆形接触面积，半径为4英寸。用来计算Froehlich值（方程式4）。同样，正常土壤的浓度系数为4。当发现轮胎中心正下方的压力时，Tactilus®中使用了MDT部分中描述的相同椭圆绘制工具/方法。这次，使用的平均压力来自中心附近13.76英寸2的区域。表6给出了方程和实验值及其相应百分比误差的比较。

表6。CIV-Froehlich与实验值的比较。

表6。CIV-Froehlich与实验值的比较。

平均实验值分析如表7所示。

表7。平均Froehlich值与平均实验值的比较。

表7。平均Froehlich值与平均实验值的比较。

在牵引力测试中，车轮的旋转速度比车辆的移动速度快。这似乎减轻了车辆的有效重量，并在土壤上施加了纵向力。这种纵向力在土壤中产生额外的垂直应力。三次牵引试验期间，轮胎上的平均纵向力为600磅。利用土壤应力与外加应力之间的关系作为深度的函数，发现垂直应力为3.58psi。为了获得更准确的结果，应将该压力添加到计算的Froehlich和LEAF值中，用于牵引试验。

10叶分析

LEAF是分层弹性分析的计算机程序（Hayhoe 2002）。它计算三个方向的应力、应变和位移。西10叶分析

LEAF是分层弹性分析的计算机程序（Hayhoe 2002）。它计算三个方向的应力、应变和位移。然而，当与压力垫一起使用时，它仅用于计算土壤中精确深度处的垂直应力，以便与来自压力垫的数据进行比较。

叶假设土壤表面的荷载是均匀的和圆形的。它根据轮胎半径、轮胎压力、评估点坐标和土层特性计算一个点的应力。它们如下式所示：

（五）

哪里

a=轮胎半径；

r=评估点半径；

z=距顶层的深度；

q=胎压；

a=Hankel域变量。

在计算MDT轮胎下的深度压力时，使用了4700磅的重量和77.5英寸2的面积。在相同的试验条件下，通过在天平上称量被测轮胎的重量来确定重量。使用的面积是工厂指定的轮胎表面积。据估计，淤泥和砂土样本均为23.7英寸。厚厚的覆盖在坚硬的土壤上。计算了5英寸的压力。除一个例外（表6），砂的压力在压力垫所感受到的实际压力的9%以内。叶值为2英寸。砂的精度不高，与实际值相差12%左右。这可能是由于MDT逐渐通过时砂的不均匀性造成的。叶片试验结果远高于淤泥试验的测量压力，平均差异为18%（表8）。

表8。叶片值与平均实验值的比较。

表8。叶片值与平均实验值的比较。

11条建议

根据上述调查结果，以下为压力垫项目的后续研究或建议领域：

在开始试验测试部分之前，重新校准并测试设备至基线。用已知重量的车辆确保设备可靠。

尽可能使试验段光滑，以减少车辆的弹跳。这样可以更好地预测施加在感兴趣区域上方试验段上的垂直力。

在测试车辆和计算机之间同步数据，从压力垫获取数据。

找到土壤/轮胎接触区域的更精确测量值。使用硬表面接触区域可能无法提供真实接触区域的良好估计。在较软的土壤中，更多的轮胎将与地面接触，接触面积增加。可能需要进行一项完整的研究，以确定有效面积是如何根据轮胎在其胎面和/或凸耳之间的接触变化的。

确定压实对同一区域后续试验的影响。衬垫的有效深度将发生变化，Froehlich方程的预测值将发生变化。

12总结和结论

本研究的目的是确定最初为人类工效学设计的压力垫在显示土壤中垂直压力分布的真实数据方面的有效性。Frulelic方程对原Boussinesq方程的修正在理论上是很好的，但是在该方程中没有考虑到许多变量。然而，Froehlich值与MDT实验值的比较表明，两者之间没有太大的差异。焊盘制造商公布焊盘显示数据的分辨率为10%。砂试两天的平均数据误差小于10%（分别为4.63和7.68）。然而，20%的泥沙测试误差可能归因于Froehlich方程的简单性。粉土具有许多不同于沙子的特性，例如更高的粘聚力。然而，只要土壤被认为是“正常的”（浓度系数为4），Froehlich方程期望的应力与给定深度相同。尽管Froehlich方程假设了一个圆形接触面，但它似乎是一种快速而简单的方法来估计在深度处的应力值。然而，CIV实验与理论的比较表明，误差较大。应注意的是，在MDT之后，CIV在试验区域内运输，这使得试验区域明显不均匀。CIV也有冲击，这将导致CIV车轮上的称重传感器有振动读数，如图2所示。给定的接触面积（50.3 in.2）可能不正确，因为该值是从先前的研究中获得的，在该研究中，使用了公路胎面轮胎，而不是车辆上当前的全地形胎面。如果压力垫工作正常，它们就可以为某一土壤的压力分布提供很好的数据。从一个方程计算出的应力可能不如从一个可靠的装置中获得的实验数据好。参考文献

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附录A：土壤特性

表A1。干砂、湿砂和粉土的土壤特性。

表A1。干砂、湿砂和粉土的土壤特性。

图A1。2008年5月27日干砂DCP结果。

图A1。2008年5月27日干砂DCP结果。

图A2。2008年5月29日对含水量较高的砂的DCP结果。

图A2。2008年5月29日对含水量较高的砂的DCP结果。

图A3。2008年6月2日淤泥的DCP结果。

图A3。2008年6月2日淤泥的DCP结果。

附录B:Tactilus®屏幕截图

图B1。干砂MDT，第一遍。

图B1。干砂MDT，第一遍。

图B2。MDT对含水量较高的砂，第一遍。

图B2。MDT对含水量较高的砂，第一遍。

图B3。淤泥上的MDT，第一道。

图B3。淤泥上的MDT，第一道。

图B4。沙滩上的公民，第二关。

图B4。沙滩上的公民，第二关。

图B5。砂土牵引试验，第二遍。

图B5。砂土牵引试验，第二遍。

图B6。淤泥上的CIV，第一关。

图B6。淤泥上的CIV，第一关。

附录C：试验章节和程序说明

图C1。试验段，2008年5月27日。

图C1。试验段，2008年5月27日。

图C2。2008年5月27日，在压力垫上铺设筛分砂。

图C2。2008年5月27日，在压力垫上铺设筛分砂。

图C3。两个被埋的垫子都与笔记本电脑相连。2008年5月27日，右上角的HEMMT和MDT。

图C3。两个被埋的垫子都连接到笔记本电脑上。2008年5月27日，右上角的HEMMT和MDT。

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