CN106093351A - 一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法及其装置，通过对以往传统一维静力固结仪的改造，使其可以施加轴向动力循环荷载，便于开展列车动载与侧限条件下土体轴向压缩变形量化分析，求得土体的等效动力压缩曲线与经验动力固结方程，进一步推算土体的等效动力变形参数，并通过多组试样同时试验来满足大规模工程实践的需求。相比于以往利用动三轴仪、空心圆柱扭剪仪等传统岩土工程室内动力测试方法，本发明所公开的上述测试方法及其装置，结构简单、生产制造成本合理，测试方法操作快捷、结果数据稳定性好，为铁路地基动力长期沉降的准确计算与设计奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及铁路岩土工程中的土工测试技术，尤其是涉及一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法及其装置。
背景技术
工程中的铁路地基在列车循环动载下的沉降计算多为拟静力法，就是将列车荷载经验性地等效为路堤自重荷载进行计算，并没有考虑高速列车长期循环荷载作用下地基的应力场以及动变形规律。由于土体在静力与动力下沉降变形机制的不同，拟静力法计算的沉降多小于实际沉降，计算结果是偏不安全的。
学术界在研究交通荷载作用下软土地基土体长期沉降变形动力计算模型时，主要分为理论与经验两种计算方法。
理论计算方法从现代土力学的角度来建立合理的动力弹塑性本构模型，将其开发进数值计算方法中，进而得到循环动荷载作用下土体的塑性累积变形。但是，循环加载次数达到几十万次数量级时，会产生巨大的计算量，离工程实用还有一定的距离，而基于经验模型的实用简化计算方法或许更适合在工程中推广应用，通过经验拟合公式分别得到软土的累积变形与累积孔压，再利用分层总和法计算出软土地基沉降。
目前经验模型计算方法是学术界给工程界开的一剂良方，然而在具体的铁路工程中推广应用则还存在着太多阻碍。工程实际中，一段铁路勘查钻探取出的土样，做的室内试验多为压缩、固结、直剪等常规试验，普通静力三轴试验做的较少，得出动力经验模型的动三轴仪和空心圆柱扭剪仪的应用则更少。产生这一现象的原因，一方面是仪器贵、数量少，不能大规模同步试验，另一方面则是动力试验对试样的质量要求较高，操作流程复杂，对操作人员的专业素质要求很高，加载周期长，平均下来约是静力试验的2-3倍时间，如此诸多因素制约着高端室内土工仪器的大规模推广。
综上分析，一方面工程界的这个拟静力计算沉降方法亟待改进，另一方面学术界开的良方又难以工程推广应用，在这两难的困境中，就需要寻找新的突破与出路——一种模拟循环动载下土体动力变形特性的试验测试方法及其装置便应运而生。在本发明专利之前，中国专利ZL 201110100459.5、ZL 200910061644.0、ZL 201010260128.3先后公开了模拟土体动力固结变形特性的试验装置与方法。前者按照实际工程要求的相似系数设计击实箱，击实架与重锤，通过预埋微型土压力计、孔隙水压力计、含水量探头与吸力探头，可以再现现场施工工程中的土水压力与土水特征曲线变化特性，研究土体击实后的物理力学机理与孔隙水压力变化特性，该装置开展的是大型模型试验，研究的是单向单次冲击荷载后土体的固结系数与压实度等指标，不能够用来开展长期循环荷载作用下土体的沉降变形研究。后面两项专利技术仍然属于模型试验范畴，其试验功能较多，导致结构设计复杂，操作流程繁琐，也不宜开展大规模的并行试验，在用于研究循环动载下土体变形机理方面还存在着天然的局限性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法及其装置，通过对以往传统一维静力固结仪的改造，使其可以施加轴向动力循环荷载，开展列车荷载与侧限条件下土体轴向压缩变形量化分析，求得土体的等效动力压缩曲线与经验动力固结方程，进一步推算土体的相关动力变形参数，并通过多组试样同时试验来满足大规模工程实践的需求。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法，其特征在于，采用模拟列车动载下土体变形特性的测试装置实现，技术步骤如下：
(1)制备标准尺寸的原状试样或者重塑试样，需要饱和时，按规定进行抽气饱和；
(2)在模拟列车动载下土体变形特性测试装置的固结容器内放置护环，在护环内放置透水石，将试样两侧贴上滤纸，环刀刃口向下放入护环内，并依次放上透水石和加压盖板，最后将固结容器置于活动顶板上，安装位移传感器与液压动力加载系统；
(3)打开TSDI动力固结试验系统，施加1kPa预压荷载，使得试样与仪器上下各部分之间接触良好，并将各试样的位移传感器位移清零；
(4)依据取样深度与路堤初始高度，计算土体在经历列车动载前的竖向应力水平式中Kz为条形荷载下地基土竖向附加应系数，p为路堤等效均布矩形荷载值，并在TSDI动力固结试验系统中输入，来模拟试样在列车服役期前的原始应力状态；
(5)待原始竖向应力σz0加载24h或是每间隔1小时变形小于0.01mm时，记录此时的位移传感器读数Δh0，并将位移传感器位移清零；在TSDI动力固结试验系统中输入各级动力荷载的幅值pd、频率f参数，开始长期动力循环荷载的施加；
(6)动力加载过程中，TSDI动力固结试验系统依据试样的相关初始参数，自动同步显示Δh-t、Δh-pd与e-pd的曲线变化，并记录相关的数据，待各级动力荷载下试样的动力塑性累积变形都满足稳定标准后，自动加载下一级荷载；
(7)动力加载结束后，依据公式等效动力压缩模量和经验动力固结方程TSDI动力固结试验系统自动给出各试样的动力变形相关参数，式中h0为试样的初始高度，hi为第i级动力荷载下土体的稳定位移，a和b是经验动力固结方程的拟合参数。
所述的TSDI动力固结试验系统中施加的各级动力荷载依次为5、10、20、40kPa，最大动力荷载宜不小于实际土体所受最大动力荷载，动力荷载的波形、幅值、频率等相关参数的确定依据岩土动力学的相关理论计算、规范或是地区经验值确定。
所述的动力塑性累积变形的稳定标准为动力变形发展时程曲线斜率小于0.05或相邻100次振动条件下动力累积变形量小于0.01mm。
所述的土样经验动力固结模型满足双曲线规律，拟合第一级动力荷载的实测动力变形数据，同种土样的动力变形发展时程曲线重合，与动力荷载的大小无关。
一种应用于上述模拟列车动载下土体变形特性测试方法的模拟列车动载下土体变形特性的测试装置，包括固结配套系统、液压动力加载系统、位移测试系统、TSDI动力固结试验系统，液压动力加载系统、位移测试系统分别与固结配套系统、TSDI动力固结试验系统相连；所述液压动力加载系统包括动力控制器、压力活塞腔、输水管、活动顶板，动力控制器通过输水管与压力活塞腔相连，通过压力活塞腔体积的变化来推动活动顶板，并借助支撑架的反力来进一步对土样施加列车循环动力荷载；所述TSDI动力固结试验系统用于实时自定义控制液压动力加载系统的荷载输出波形、幅值、频率，并通过预先编制的计算显示程序，自动给出动力试验加载中变形的相关曲线与参数。
所述的固结配套系统包括固结容器、环刀、护环、透水石、加压盖板、底座，所述的固结容器底部的上下两面分别设有与护环和活动顶板尺寸相匹配的凹槽；所述的固结容器位于活动顶板的正上方，其内部放置护环，护环内依次放置底部透水石、带环刀的土样顶部透水石、加压盖板。
所述的位移测试系统包括位移传感器、数据采集仪、活动支架，位移传感器与数据采集仪相连，位移传感器位于活动支架上，活动支架用来调整与固定位移传感器的空间位置，数据采集仪实时采集加载过程中土样的压缩变形量，并将其传送到TSDI动力固结试验系统中。
根据以上技术方案，本发明可实现的有益效果是：
通过对以往传统一维静力固结仪的改造，使其可以施加轴向动力循环荷载，便于开展列车荷载与侧限条件下土体轴向压缩变形量化分析，求得土体的等效动力压缩曲线与经验动力固结方程，进一步推算土体的相关动力变形参数，并通过多组试样同时试验来满足大规模工程实践的需求，相比于以往动三轴仪、空心圆柱扭剪仪等传统岩土工程室内动力测试方法，本发明公开的上述测试方法及其装置，结构简单、生产制造成本合理、测试方法操作快捷、结果数据稳定性好，为铁路地基动力长期沉降的准确计算与设计奠定了基础。
附图说明
图1为本发明的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法的流程图；
图2为本发明的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试装置的原理框图；
图3为本发明的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试装置的结构示意图。
图中标记说明：
1、TSDI动力固结试验系统 2、数据采集仪
3、动力控制器 4、位移传感器
5、压力活塞腔 6、输水管
7、固结容器 8、环刀
9、透水石 10、加压盖板
11、底座 12、活动支架
13、活动顶板 14、支撑架
15、护环
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
图1显示了本发明涉及的测试方法的流程，如图1所示，一种模拟循环动载下土体动力变形特性的测试方法的技术步骤如下：
(1)制备标准尺寸的原状试样或者重塑试样，需要饱和时，按规定进行抽气饱和；
(2)在模拟列车动载下土体变形特性装置的固结容器内放置护环，在护环内放置透水石，将试样两侧贴上滤纸，环刀刃口向下放入护环内，并依次放上透水石和加压盖板，最后将固结容器置于活动顶板上，安装位移传感器与液压动力加载系统；
(3)打开TSDI动力固结试验系统，施加1kPa预压荷载，使得试样与仪器上下各部分之间接触良好，并将各试样的位移传感器位移清零；
(4)依据取样深度与路堤初始高度，计算土体在经历列车动载前的竖向应力水平式中Kz为条形荷载下地基土竖向附加应系数，p为路堤等效均布矩形荷载值，并在TSDI动力固结试验系统中输入，来模拟试样在列车服役期前的原始应力状态；
(5)待原始竖向应力σz0加载24h或是每间隔1小时变形小于0.01mm时，记录此时的位移传感器读数Δh0，并将位移传感器位移清零；在TSDI动力固结试验系统中输入各级动力荷载的幅值pd、频率f参数，开始长期动力循环荷载的施加；
(6)动力加载过程中，TSDI动力固结试验系统依据试样的相关初始参数，自动同步显示Δh-t、Δh-pd与e-pd的曲线变化，并记录相关的数据，待各级动力荷载下试样的动力塑性累积变形都满足稳定标准后，自动加载下一级荷载；
(7)动力加载结束后，依据公式等效动力压缩模量和经验动力固结方程TSDI动力固结试验系统自动给出各试样的动力变形相关参数，式中h0为试样的初始高度，hi为第i级动力荷载下土体的稳定位移，a和b是经验动力固结曲线的拟合参数。
所述的TSDI动力固结试验系统中施加的各级动力荷载依次为5、10、20、40kPa，最大动力荷载宜不小于实际土体所受最大动力荷载，动力荷载的波形、幅值、频率等相关参数的确定依据岩土动力学的相关理论计算、规范或是地区经验值确定。
所述的动力塑性累积变形的稳定标准为动力变形发展时程曲线斜率小于0.05或相邻100次振动条件下动力累积变形量小于0.01mm。
所述的土样经验动力固结模型满足双曲线规律，拟合第一级动力荷载的实测动力变形数据，同种土样的动力变形发展时程曲线重合，与动力荷载的大小无关。
图2和图3显示了本发明涉及的测试装置的基本结构，如图2和图3所示，一种模拟列车动载下土体变形特性的测试装置包括固结配套系统、液压动力加载系统、位移测试系统、TSDI动力固结试验系统，液压动力加载系统、位移测试系统分别与固结配套系统、TSDI动力固结试验系统1相连。所述液压动力加载系统包括动力控制器3、压力活塞腔5、输水管6、活动顶板13，动力控制器3通过输水管6与压力活塞腔5相连，通过压力活塞腔5体积的变化来推动活动顶板13，并借助支撑架14的反力来进一步对土样施加列车循环动力荷载，所述TSDI动力固结试验系统1用于实时自定义控制液压动力加载系统的荷载输出波形、幅值、频率，并通过预先编制的计算显示程序，自动给出动力试验加载中变形的相关曲线与参数。
所述的固结配套系统包括固结容器7、环刀8、护环15、透水石9、加压盖板10、底座11，所述的固结容器7底部的上下两面分别设有与护环15和活动顶板13尺寸相匹配的凹槽，所述的固结容器7位于活动顶板13的正上方，其内部放置护环15，护环15内依次放置底部透水石9、带环刀8的土样、顶部透水石9、加压盖板10。
所述的位移测试系统由位移传感器4、数据采集仪2、活动支架12等组成，位移传感器4与数据采集仪12相连，位移传感器4位于活动支架12上，活动支架12用来调整与固定位移传感器4的空间位置，数据采集仪2可以实时采集加载过程中土样的压缩变形量，并将其传送到TSDI动力固结试验系统1中。
Claims (7)
1.一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法，其特征在于，采用模拟列车动载下土体变形特性的测试装置实现，技术步骤如下：
(1)制备标准尺寸的原状试样或者重塑试样，需要饱和时，按规定进行抽气饱和；
(2)在模拟列车动载下土体变形特性测试装置的固结容器内放置护环，在护环内放置透水石，将试样两侧贴上滤纸，环刀刃口向下放入护环内，并依次放上透水石和加压盖板，最后将固结容器置于活动顶板上，安装位移传感器与液压动力加载系统；
(3)打开TSDI动力固结试验系统，施加1kPa预压荷载，使得试样与仪器上下各部分之间接触良好，并将各试样的位移传感器位移清零；
(4)依据取样深度与路堤初始高度，计算土体在经历列车动载前的竖向应力水平式中Kz为条形荷载下地基土竖向附加应系数，p为路堤等效均布矩形荷载值，并在TSDI动力固结试验系统中输入，来模拟试样在列车服役期前的原始应力状态；
(5)待原始竖向应力σz0加载24h或是每间隔1小时变形小于0.01mm时，记录此时的位移传感器读数Δh0，并将位移传感器位移清零；在TSDI动力固结试验系统中输入各级动力荷载的幅值pd、频率f参数，开始长期动力循环荷载的施加；
(6)动力加载过程中，TSDI动力固结试验系统依据试样的相关初始参数，自动同步显示Δh-t、Δh-pd与e-pd的曲线变化，并记录相关的数据，待各级动力荷载下试样的动力塑性累积变形都满足稳定标准后，自动加载下一级荷载；
(7)动力加载结束后，依据公式等效动力压缩模量和经验动力固结方程TSDI动力固结试验系统自动给出各试样的动力变形相关参数，式中h0为试样的初始高度，hi为第i级动力荷载下土体的稳定位移，a和b是经验动力固结曲线的拟合参数。
2.根据权利要求1所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法，其特征在于，所述的TSDI动力固结试验系统中施加的各级动力荷载依次为5、10、20、40kPa，最大动力荷载宜不小于实际土体所受最大动力荷载。
3.根据权利要求1所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法，其特征在于，所述的动力塑性累积变形的稳定标准为动力变形发展时程曲线斜率小于0.05或相邻100次振动条件下动力累积变形量小于0.01mm。
4.根据权利要求1所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法，其特征在于，所述的土样经验动力固结模型满足双曲线规律，拟合第一级动力荷载的实测动力变形数据，同种土样的动力变形发展时程曲线重合，与动力荷载的大小无关。
5.根据权利要求1所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试方法所使用的测试装置，其特征在于，所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试装置，包括固结配套系统、液压动力加载系统、位移测试系统、TSDI动力固结试验系统，液压动力加载系统、位移测试系统分别与固结配套系统、TSDI动力固结试验系统相连；所述液压动力加载系统包括动力控制器、压力活塞腔、输水管、活动顶板，动力控制器通过输水管与压力活塞腔相连，通过压力活塞腔体积的变化来推动活动顶板，并借助支撑架的反力来进一步对土样施加列车循环动力荷载；所述TSDI动力固结试验系统用于实时自定义控制液压动力加载系统的荷载输出波形、幅值、频率，并通过预先编制的计算显示程序，自动给出动力试验加载中变形的相关曲线与参数。
6.根据权利要求5所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试装置，其特征在于，所述的固结配套系统包括固结容器、环刀、护环、透水石、加压盖板、底座，所述的固结容器底部的上下两面分别设有与护环和活动顶板尺寸相匹配的凹槽；所述的固结容器位于活动顶板的正上方，其内部放置护环，护环内依次放置底部透水石、带环刀的土样顶部透水石、加压盖板。
7.根据权利要求5所述的一种模拟列车动载下土体变形特性的测试装置，其特征在于，所述的位移测试系统包括位移传感器、数据采集仪、活动支架，位移传感器与数据采集仪相连，位移传感器位于活动支架上，活动支架用来调整与固定位移传感器的空间位置，数据采集仪实时采集加载过程中土样的压缩变形量，并将其传送到TSDI动力固结试验系统中。
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