CN102608297B - 道床板基础脱空试验模拟结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种道床板基础脱空试验模拟结构，包括结构上层及结构下层；在所述结构上层与所述结构下层之间设置有硫磺砂浆材料的热敏结构层，所述热敏结构层中设置有分区控制的发热部件；某一分区控制的所述发热部件发热后融化该分区的所述热敏结构层，在所述结构上层与所述结构下层之间形成分区控制的脱空区域。本发明的道床板基础脱空试验模拟结构，采用硫磺砂浆作为热敏材料，按照任意脱空形式，预先布置在假定的板底脱空区域，待道床板或支撑板实际施工完毕后，通过通电加温的方法将预埋的热敏材料融化，从而在不同空间分布、时间变化中实现精确模拟板底脱空区域的技术目的。

Description

道床板基础脱空试验模拟结构

技术领域

本发明涉及道路与铁道工程基础技术领域，尤其涉及一种用于道板床或水泥混凝土路面基础脱空试验的结构。

背景技术

无砟轨道、公路等作为狭长的线形构筑物，具有覆盖地域跨度大、范围广等特点。这类结构的路基性能受当地地质地貌、路基填料、施工质量控制、行车荷载及温湿外界环境等多方面因素的影响。由于路基土本身的不均匀性和外界影响因素的不均匀性，从空间分布形式来分，路基的不均匀变形可以分为纵向不均匀变形和横向不均匀变形。

上述的路基纵向不均匀变形主要是源于以下因素：沿线土质的差异(包括地基土层的性质、厚度不一、路基填料在物理、力学特性方面的差异)，路基土压实度的施工变异性，半填半挖的路基形式和沿线路桥(涵)过渡段的结构性差异等。

上述的路基横向不均匀变形体现在路基土本身沿横向的不均匀变化，以及行车荷载作用沿路基横向分布的差异。尤其在软土地区，高路堤在“梯形”土体自重作用下，在路基顶面通常会形成“盆状”沉降断面，一般将这种沉降盆假设为抛物线或正弦曲线形。

当路基的不均匀变形过大时，行车荷载和温度荷载不足以使路基的面层与其下部结构层接触，道床板将呈现简支结构或悬臂结构的受力状态，而使路基的面层应力剧增，严重影响到道床板的使用寿命。按目前的道板床室内试验技术水平，缺乏一套精确模拟现场道床板脱空结构的科学方法。

如图1所示为现有的道床板基础脱空试验模拟结构，上层为道板床1，下层为支承层2。将沉降盆模拟为均一厚度的脱空区域11、12、13，以等差脱空数列形式模拟沉降盆，且在不同脱空厚度中间用水泥混凝土支承条21、22间隔，道床板的纵向脱空区域也以等同脱空尺寸模拟。

但上述现有的道床板试验模拟结构与现场工程实际差距较大，无法精确模拟现场脱空结构的空间分布，且支撑条的存在增加了分析的难度，影响到分析的精确度。上述试验模拟结构存在以下技术问题亟待解决：

1、脱空结构的空间分布模拟失真

路基的空间不均匀变形体现在路基土本身沿纵向、横向的不均匀变化，以及行车荷载作用沿路基横向分布的差异。尤其在软土地区，高路堤会形成纵向不均匀变形、横向“盆状”沉降断面的道床板脱空空间分布。在室内试验模拟时，常常将不均匀脱空结构转化成单一脱空厚度结构进行模拟，无法精确获得与现场工程较为一致的试验结果。

2、脱空结构的时间分布模拟失真

道床板在使用过程中，由于填封缝材料质量问题或其工艺不当，雨水沿道板床接裂缝下渗，在行车荷载反复作用下，形成有压水在板底接裂缝处和板边高速流动，对支承层的顶面进行冲刷，细颗粒从接裂缝处和板边被带到道床板顶面产生唧泥现象，随着细颗粒的不断被带出导致道床板板底脱空。现有的脱空试验模拟结构无法体现板底脱空结构随时间的变化过程。

3、脱空区域间支承情况模拟失真

为模拟道床板脱空结构的不同脱空厚度，现有的做法是将道床板的板底划分为不等厚度的脱空区域，每个区域间用水泥混凝土砂浆条支承。这种模拟结构人为地分割了脱空区域之间的连续性，且中间用水泥混凝土砂浆支承条严重破坏了脱空区域水泥混凝土板的应力集中现象，必然导致检测结果与实际情况不符。

另一方面，上述现有脱空结构的模拟情况与目前的理论模型假设条件不吻合，导致室内实验与力学计算结果不一致。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种精度高的道床板基础脱空试验模拟结构。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种精度高的道床板基础脱空试验模拟结构。

为实现上述目的，本发明提供了一种道床板基础脱空试验模拟结构，包括结构上层及结构下层；在所述结构上层与所述结构下层之间设置有硫磺砂浆材料的热敏结构层，所述热敏结构层中设置有分区控制的发热部件；某一分区控制的所述发热部件发热后融化该分区的所述热敏结构层，在所述结构上层与所述结构下层之间形成分区控制的脱空区域。

较佳地，所述热敏结构层包括沿道床板基础深度分布的多个分层，在各所述分层中分别设置分层控制的所述发热部件。

较佳地，所述热敏结构层在道床板基础深度上为厚度均匀分布或厚度不均分布。

较佳地，所述热敏结构层在道床板基础平面上为规则分布或不规则分布。

较佳地，所述脱空区域为凸形或凹形。

较佳地，所述发热部件为电阻丝。

本发明的有益效果是：

本发明的道床板基础脱空试验模拟结构，采用硫磺砂浆作为热敏材料，按照任意脱空形式，预先布置在假定的板底脱空区域，待道床板或支撑板实际施工完毕后，通过通电加温的方法将预埋的热敏材料融化，从而在不同空间分布、时间变化中实现精确模拟板底脱空区域的技术目的。由此本发明具有以下有益效果：

1、精确模拟板底脱空形态的空间分布

硫磺砂浆在预热条件下呈熔融状态，可以按照现场模具将其做成任意形状，能精确模拟路基在路基土本身沿纵向、横向的不均匀变化，待室内试验模型布设完毕之后通电加温，硫磺砂浆融化即可获得与现场工程较为一致的弯沉盆曲线。

2、精确模拟板底脱空形态的时间分布

将硫磺砂浆分层填筑，每层设置独立的发热部件(如电阻丝组成的通电加热网)，在试验过程中由上而下加热不同分层的硫磺砂浆，即可精确获得板底脱空形态随时间的变化过程。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是现有的脱空试验模拟结构的结构示意图。

图2是本发明的脱空试验模拟结构的原理示意图。

图3是图2中热敏材料的布置结构示意图。

图4是本发明的脱空试验模拟结构一具体实施例的结构示意图。

图5是本发明中硫磺砂浆的熬制过程示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的道床板基础脱空试验模拟结构一简化的结构，包括结构上层1，结构下层2。在结构上层1与结构下层2之间，设置有硫磺砂浆材料的热敏结构层3，热敏结构层3中设置有分区控制的发热部件4(本实施例中为电阻丝)。

如图3所示，本发明的原理在于，分区控制的发热部件41、42、43中的一个或一部分发热后，融化对应的该分区的热敏结构层3，在结构上层1与结构下层2之间形成分区控制的凸形或凹形的脱空区域。因此本发明的试验模拟结构可以控制脱空区域的分布。

在不同的具体实施中，热敏结构层3包括沿道床板基础深度分布的多个分层，在各分层中分别设置分层控制的发热部件4。因此本发明的试验模拟结构可以控制脱空区域随时间变化。在其他具体实施例中，热敏结构层3还可在道床板基础深度上为厚度均匀分布或厚度不均分布。

另外，热敏结构层3在道床板基础平面上还可以为规则分布或不规则分布。

因此，硫磺砂浆材料的热敏结构层在实施中可以按照现场模具做成任意形状，具有很大的灵活性。

如图4所示，本发明的脱空试验模拟结构一具体实施例，沿深度方向依次为道床板A、支承台B、基床C、土基D，在结构中间还设置多点位移计E，另外在相应位置设置位移传感器、加速度传感器、立交应变花等常规测试部件。本实施例中的支承台B即为图2中的结构上层，基床C为图2中的结构下层。在支承台B与基床C之间设置热敏结构层3，设置在热敏结构层3中的电阻丝未作图示。

如图5所示以硫磺砂浆作为该热敏性预埋材料，硫磺砂浆的配置过程如下：

(1)先将成块的硫磺破碎，按质量配合比称量装入容器内。熬制时，为避免炉火直接加热硫磺导致硫磺升华，采用间接加热法熬制硫磺，以确保熬制温度不至于过高，在135℃至140℃下加热硫磺融化、脱水。边融化边均匀搅拌，防止局部温度过高导致硫磺升华。

(2)当硫磺完全加热融化后，将干燥的石英砂均匀地加入液态硫磺内，搅拌均匀后再加入石墨和水泥不停搅拌，并升温至150℃至155℃搅拌均匀。

(3)将聚硫乙胶缓慢、均匀地加入硫磺砂浆中，加强搅拌，排除气泡，温度控制在150℃至160℃，不能超过170℃，否则聚硫乙胶分解。

(4)熬制3至4小时，待硫磺砂浆液体变得均匀、颜色一致抱沫完全消失时，说明硫磺砂浆熬制完成，可浇筑入模。浇筑入模时密切注意有无沉陷、不密实、分层现象。浇筑时降温至140℃至150℃，同时预埋入一段电阻丝(一根3千瓦的电阻丝平均截成4段，每段做成W型，每个硫磺砂浆临时支座内埋一段)，硫磺砂浆冷却后很快产生强度。

为了在工程中广泛运用硫磺材料，硫磺砂浆必须具有一定的技术性能，如下表所示：

有关硫磺砂浆的组份，硫磺是硫磺砂浆的胶粘剂，通常的硫磺分为纯硫磺和改性硫磺。

纯硫磺在常温下为淡黄色固体，比重2.07，熔点112.8℃，沸点444.60℃，在不同的温度下，将形成不同的同素异形体和三态。固态的斜方硫加温至95.5℃形成固态单斜硫；加温至119.250℃，形成液态黄色硫；加温至160℃，形成褐色液态硫；加温至444.60℃，形成气态硫；加温至1000℃，形成气态硫蒸气。

熔融的硫磺，其粘度变化较为复杂，硫磺温度与粘度变化情况见下表。由下表可知硫磺在施工过程中温度应在115℃至160℃，易于操作施工。硫磺的强度随温度的不同而变化，在20℃至40℃时其强度最大。

纯硫磺在熔融、冷却和凝固过程中，由于晶格变化，当从单斜硫转变为斜方硫时，体积缩小，形成收缩应力，便硫磺的耐热稳定性及其他特性(如粘度、强度、抗冲击强度等)大为降低，在冷热交替及干燥环境中结构极易破坏。为了防止和减少单斜硫转变为斜方硫，在硫磺中加入少量的聚硫橡胶(为硫磺用量的1.7％至3.3％左右)形成硫磺胶泥，它的耐热稳定性、粘结强度及其冲击性能均有大幅度提高(见下表)，硫的工程特性见下表：

硫是可燃材料，在有氧的条件下燃烧成SO₂，易发生火灾，又放出刺激气味，不利于大量用于民用或工业建筑上。为了弥补这些不足，已研究的缓凝剂有苯乙烯、顺丁烯二酸、三甲苯磷酸盐、有机磷酸盐及溴酸盐、不饱和碳水化合物等。

硫磺砂浆所用的硫磺选用工业粉状硫磺或块状硫，要求纯度高、杂质少、水份少、含量应不少于98％、水份小于1％，否则熬制时间长，影响硫磺砂浆的性质。

在硫磺砂浆中，掺入一定量的耐酸粉料石英粉或石英砂，可以提高硫磺的耐酸性，增加强度，改善其他性质，如可燃性等，减少体积收缩。

石英粉的质量要求：耐酸率不小于95％；细度要求通过0.16毫米筛孔筛，余量不大于5％；通过0.08毫米筛孔筛，余量为10％至30％；含水量不大于0.5％，使用前必须烘干。

石英砂的质量要求：要求耐酸率不低于94％，含水率小于0.5％，含泥量不大于1％，通过1毫米筛孔筛，余量不大于5％，使用前需烘干脱水。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种道床板基础脱空试验模拟结构，包括结构上层及结构下层；其特征在于：在所述结构上层与所述结构下层之间设置有硫磺砂浆材料的热敏结构层，所述热敏结构层中设置有分区控制的发热部件；某一分区控制的所述发热部件发热后融化该分区的所述热敏结构层，在所述结构上层与所述结构下层之间形成分区控制的脱空区域。

2.如权利要求1所述的道床板基础脱空试验模拟结构，其特征在于：所述热敏结构层包括沿道床板基础深度分布的多个分层，在各所述分层中分别设置分层控制的所述发热部件。

3.如权利要求1所述的道床板基础脱空试验模拟结构，其特征在于：所述热敏结构层在道床板基础深度上为厚度均匀分布或厚度不均分布。

4.如权利要求1所述的道床板基础脱空试验模拟结构，其特征在于：所述热敏结构层在道床板基础平面上为规则分布或不规则分布。

5.如权利要求1所述的道床板基础脱空试验模拟结构，其特征在于：所述脱空区域为凸形或凹形。

6.如权利要求1至5任一所述的道床板基础脱空试验模拟结构，其特征在于：所述发热部件为电阻丝。