CN108447377A - 无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置以及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置以及模拟方法。该模拟装置包括由下至上依次设置的填料层、碎石层、底座板和加载组件以及设于所述填料层四周的刚性层、位于所述碎石层底部和四周的防水层、设于所述碎石层四周的防水层的四周的柔性层、设于所述底座板四周的封闭层、传感器组以及检测所述碎石层的含水量是否饱和的检测装置；所述加载组件包括由下至上依次设置加载梁、加载板和加载装置；所述加载装置包括加载系统、动力源和数据采集系统。本发明对无砟轨道的上部刚性结构进行简化，使填料层模拟基床底层、碎石层模拟基床表层，并增设刚性层和柔性层作为边界，整个装置结构简单且占地面积小，可以在室内进行。

Description

无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置以及模拟方法

技术领域

本发明涉及无砟轨道基床表层翻浆病害的技术领域，具体而言，涉及无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置以及模拟方法。

背景技术

近年来，我国在高速铁路领域不断取得新的突破和成就，目前我国高铁总运营里程2.2万公里，已成为高铁运营里程最长的国家，列车运行速度先后突破200km/h、250km/h、350km/h。在此背景下，许多与高速铁路相关的新需求、新问题不断涌现。无砟轨道因其具备稳定性好、耐久性好、塑性变形小、维修量少等特点，成为高速铁路轨道结构的主要发展方向。无砟轨道的优点虽然显而易见，但必须看到，无砟轨道在国外高速铁路上的大面积推广应用只有30多年时间，其本身还有待进一步完善。无砟轨道在隧道、桥梁和高架结构上的应用，已被世界各国铁路普遍认可并逐步标准化，而在高速铁路土路基上的应用则十分谨慎。

国内外高铁运营实践表明：随着运营时间不断增长，在复杂自然环境和高速列车冲击荷载反复作用下，无砟轨道和路基将不可避免地出现损伤、破坏等病害现象，线下工程结构缺陷和病害在无砟轨道线路中逐渐显露。

在高速铁路无砟轨道路基空间多层结构体系中，无砟轨道刚性结构与基床散粒体柔性介质接触层较为薄弱，工作环境复杂，在高周频列车动荷载和水等工程因素的长期作用下，级配碎石微结构损伤恶化导致无砟轨道基床接触状态劣化。路基是由散粒体土石材料填筑而成的土工结构物，在复杂多变的自然环境中受高速列车动荷载等不利因素影响，处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合、交互影响中，局部地段无砟轨道路基服役状态可能发生劣化，产生病害。无砟轨道路基翻浆是高速铁路新近发现的特殊病害形式。

无砟轨道路基翻浆改变了无砟轨道的支承条件及传力路径，引起纵向上基础刚度不均匀，成为车-线系统振动的激扰源，加剧列车对无砟轨道路基的动力破坏作用。并且改变了级配碎石组构特征及底座板-基床表层的接触状态，使得路基刚度下降，引起无砟轨道结构体系垂向刚度不匹配，严重影响列车运行的舒适性和安全性。因高速铁路荷载频率、幅值特征以及无砟轨道路基结构上的差异而区别于传统有砟轨道或公路路基翻浆。目前无砟轨道路基冒浆机理尚未形成统一认识，冒浆病害也缺乏等级评定方法，尚未形成相关标准。此问题不能及时解决，将导致实践中无砟轨道路基冒浆病害的评估和整治缺乏科学决策依据。

所以当前迫切地需要对无砟轨道基床翻浆冒泥的发生、发展过程进行观察，揭示无砟轨道路基翻浆冒泥的孕育机理和产生条件，从而提出有效的无砟轨道路基翻浆冒泥防控和整治措施，用以指导无砟轨道路基结构、材料设计与施工。采用现场检测或试验模拟再现的方法对无砟轨道路基翻浆冒泥的发展过程进行观察，成为一个亟需解决的问题。然后运营现场基床翻浆病害，往往是各方面因素的综合作用，直接进行现场检测与分析难以实施、存在较大难度(需要高铁全封闭)，同时基床翻浆冒泥是一个缓慢发展的过程，初期属于隐蔽病害。基于此，对基床翻浆冒泥的形成过程进行室内模拟就显得十分必要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置以及模拟方法，以解决现有技术中无砟轨道基床表层翻浆病害过程难以观察的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置。该无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置包括由下至上依次设置的填料层、碎石层、底座板和加载组件以及设于所述填料层四周的刚性层、位于所述碎石层底部和四周的防水层、设于所述碎石层四周的防水层的四周的柔性层、设于所述底座板四周的封闭层、传感器组以及检测所述碎石层的含水量是否饱和的检测装置；所述加载组件包括由下至上依次设置加载梁、加载板和加载装置；所述加载装置包括加载系统、动力源和数据采集系统。

无砟轨道一般包括基床底层、基床表层和上部刚性结构，其中上部刚性结构包括底座板、轨道板和钢轨，有的刚性结构中还在底座板和轨道板之间设置CA砂浆层。由于基床翻浆是发生在底座板与碎石层的接触面，并且填料层不是翻浆发生的层位，因此本发明的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置对无砟轨道的上部刚性结构进行简化，使填料层模拟基床底层、碎石层模拟基床表层，并增设刚性层和柔性层作为边界，整个装置结构简单且占地面积小，可以在室内进行。通过加载装置的加载以及对传感器组数据的采集，可以研究无砟轨道路基翻浆冒泥的发生、发展及变化规律，揭示无砟轨道路基翻浆冒泥的孕育机理和产生条件，分析基床翻浆对无砟轨道路基动力特性的影响，可为无砟轨道路基翻浆冒泥的防控和整治提供理论基础。

填料层由A组填料和/或B组填料构成，其中，A组填料包括硬块石，以及级配良好和细粒土含量小于15％的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土、角砾土、砾砂、粗砂和中砂中的任意几种；B组填料包括不易风化的软块石(胶结物为硅质或钙质)、级配不良和细粒土含量在15％-30％的的漂石土、卵石土、碎石土、圆砾土和角砾土，以及级配不良的砾砂、粗砂和中砂，以及细粒土含量在15％-30％的细砂、黏砂、砂粉土和砂黏土中的任意几种。

进一步地，所述测试装置包括穿过所述柔性层和所述碎石层四周的防水层并与所述碎石层底部导通的进水管、与所述进水管连接并且高度与所述碎石层厚度匹配的排水量管、穿过所述柔性层和所述碎石层四周的防水层并与所述碎石层顶部导通的出水管以及设于所述进水管和出水管上的水压力计。通过使碎石层的含水量饱和，可以使基床翻浆的模拟结果更为准确。该测试装置的结构简单，并且符合《土工试验方法标准》GB/T50123-1999的规定。

进一步地，所述传感器组包括埋设于所述碎石层中的土压力盒和沉降板以及设于所述封闭层和轨道板的上表面的位移计、加速度计和速度计。由此，更加全面测试研究基床翻浆状态对无砟轨道动力特性的影响。其中，所述沉降板是用于监测沉降的装置。

进一步地，所述刚性层由砖块堆积而成，其厚度≥50cm；所述柔性层由沙袋堆积而成，其厚度≥50cm。由此，易获取且对测试结构的影响小。

进一步地，所述碎石层由级配碎石堆积而成，所述级配碎石中粒径为0.005-0.1mm的颗粒含量占级配碎石总质量的11％；由于级配碎石的渗透性随细料中含泥量(0.005-0.1mm颗粒)增大迅速减小，因此，为了更好的模拟翻浆，级配碎石的含泥量应该接近规范中11％的上限规定。

进一步地，所述封闭层为砂浆封闭层，其厚度为5-15cm。

进一步地，所述防水层为防水塑料布，其厚度≥3mm。防水层不仅可以保持碎石层的含水率，还能更好的模拟级配碎石渗透性差，以便更好的产生翻浆病害。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，还提供了一种采用上述无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法。该无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法包括以下步骤：

1)首先，加载系统在碎石层的最佳含水率下加载，数据采集系统采集传感器组的数据；

2)使碎石层的含水量饱和；

3)沿底座板与封闭层的接缝处进行切割，然后加载系统进行加载，数据采集系统采集传感器组的数据。

其中，最佳含水率通过室内击实试验确定。应用该无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法可以加速模拟在运营过程中无砟轨道路基翻浆病害的发生过程，全过程记录翻浆的发展形态变化规律，得到基床翻浆状态下无砟轨道路基振动特性的变化规律，对于揭示基床翻浆形成机理以及评价基床翻浆的危害具有重要意义。上述加载过程的控制方式优选为应力控制。

进一步地，步骤1)中的加载过程如下：幅值为30kPa，振动波形为正弦波，加载频率为5Hz，加载次数为200万次；由此，可以模拟无砟轨道运营1-2年后基床的工作环境，且测试所得的数据可以和基床翻浆状态下的进行对比，以研究基床翻浆对无砟轨道路基振动特性的影响。所述幅值为波峰与波谷的差值。

步骤3)中的加载过程如下：幅值为30kPa，振动波形为正弦波，加载频率为5Hz，加载次数为200万次。由此，进行基床翻浆发生全过程的数据采集。所述幅值为波峰与波谷的差值。

可见，本发明的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置可以研究无砟轨道路基翻浆冒泥的发生、发展及变化规律，揭示无砟轨道路基翻浆冒泥的孕育机理和产生条件，分析基床翻浆对无砟轨道路基动力特性的影响，可为无砟轨道路基翻浆冒泥的防控和整治提供理论基础。该无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法可以加速模拟在运营过程中无砟轨道路基翻浆病害的发生过程，全过程记录翻浆的发展形态变化规律，得到基床翻浆状态下无砟轨道路基振动特性的变化规律，对于揭示基床翻浆形成机理以及评价基床翻浆的危害具有重要意义。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置的剖视图。

图2为本发明实施例的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置的俯视图。

上述附图中的有关标记为：

1：填料层；

2：碎石层；

3：底座板；

4：刚性层；

5：防水层；

6：柔性层；

7：封闭层；

81：加载梁；

82：加载板；

83：加载装置；

91：进水管；

92：排水量管；

93：出水管；

94：水压力计；

10：土压力盒；

11：沉降板；

12：位移计；

13：加速度计；

14：速度计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

如图1-2所示的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，包括由下至上依次设置的填料层1、碎石层2、底座板3和加载组件以及设于所述填料层1四周的刚性层4、位于所述碎石层2底部和四周的防水层5、设于所述碎石层2四周的防水层5的四周的柔性层6、设于所述底座板3四周的封闭层7、传感器组以及检测所述碎石层2的含水量是否饱和的检测装置；所述加载组件包括由下至上依次设置加载梁81、加载板82和加载装置83；所述加载装置83包括加载系统、动力源和数据采集系统。

所述测试装置包括穿过所述柔性层6和所述碎石层2四周的防水层5并与所述碎石层2底部导通的进水管91、与所述进水管91连接并且高度与所述碎石层2厚度匹配的排水量管92、穿过所述柔性层6和所述碎石层2四周的防水层5并与所述碎石层2顶部导通的出水管93以及设于所述进水管91和出水管93上的水压力计94。在级配碎石含水率换算相等压力下，使水从进水管91进入碎石层2，缓慢渗透直至水从出水管93流出，当排水量管92的水位始终与碎石层2的上表面高度一致时，说明碎石层2饱和浸水。

所述传感器组包括埋设于所述碎石层2中的土压力盒10和沉降板11以及设于所述封闭层7和轨道板的上表面的位移计12、加速度计1413和速度计14。

所述刚性层4由砖块堆积而成，其厚度D为50cm，所述刚性层4形成与所述填料层1大小匹配的凹槽。

所述柔性层6由沙袋堆积而成，其厚度D为50cm，所述柔性层6形成与所述碎石层2大小匹配的凹槽。

所述碎石层2由级配碎石堆积而成，所述级配碎石中粒径为0.005-0.1mm的颗粒含量占级配碎石总质量的11％。碎石层2按照《高速铁路设计规范》要求配置，通过室内击实试验确定其最佳含水率及最大干密度，加水至最佳含水率，填筑高度H1为60厘米，每次填筑15厘米，分层碾压夯实，填筑压实系数不低于0.97(测试压实后干密度除以最大干密度)，宽度W1为430cm，长度L1为210cm。

所述封闭层7为M10砂浆浇筑的砂浆封闭层，其高度为5cm，宽度W2为55cm，长度与碎石层2的宽度和长度匹配。

所述防水层5为防水塑料布，其厚度为3mm。

所述填料层1采用分层碾压夯实，其高度H3为170cm，宽度W1为430cm，长度L1为210cm。

所述底座板3为高度H4为30cm，宽度W4为320cm，长度L4为100cm的钢筋混凝土。

所述加载梁81的高度H5为30cm，宽度W5为200cm，长度L5为50cm。

所述加载板82的高度H6为12cm，宽度W6为60cm，长度L6为90cm。

图2中，加载装置83、检测装置和传感器组未示出。

采用图1-2所示的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法，包括以下步骤：

1)首先，加载系统在碎石层2的最佳含水率下加载，数据采集系统采集传感器组的数据，由此模拟无砟轨道运营1-2年后基床的工作环境，且测试所得的数据可以和基床翻浆状态下的进行对比，以研究基床翻浆对无砟轨道路基振动特性的影响；

2)使碎石层2的含水量饱和，饱和的时间为48h；

3)沿底座板3与封闭层7的接缝处进行切割，然后加载系统进行加载，数据采集系统采集传感器组的数据，由此，进行基床翻浆发生全过程的数据采集。

其中，步骤1)中的加载过程如下：幅值为30kPa，振动波形为正弦波，加载频率为5Hz，加载次数为200万次。步骤3)中的加载过程如下：幅值为30kPa，振动波形为正弦波，加载频率为5Hz，加载次数为200万次。控制方式均为应力控制。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：包括由下至上依次设置的填料层(1)、碎石层(2)、底座板(3)和加载组件以及设于所述填料层(1)四周的刚性层(4)、位于所述碎石层(2)底部和四周的防水层(5)、设于所述碎石层(2)四周的防水层(5)的四周的柔性层(6)、设于所述底座板(3)四周的封闭层(7)、传感器组以及检测所述碎石层(2)的含水量是否饱和的检测装置；所述加载组件包括由下至上依次设置加载梁(81)、加载板(82)和加载装置(83)；所述加载装置(83)包括加载系统、动力源和数据采集系统。

2.如权利要求1所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：所述测试装置包括穿过所述柔性层(6)和所述碎石层(2)四周的防水层(5)并与所述碎石层(2)底部导通的进水管(91)、与所述进水管(91)连接并且高度与所述碎石层(2)厚度匹配的排水量管(92)、穿过所述柔性层(6)和所述碎石层(2)四周的防水层(5)并与所述碎石层(2)顶部导通的出水管(93)以及设于所述进水管(91)和出水管(93)上的水压力计(94)。

3.如权利要求1所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：所述传感器组包括埋设于所述碎石层(2)中的土压力盒(10)和沉降板(11)以及设于所述封闭层(7)和轨道板的上表面的位移计(12)、加速度计(13)和速度计(14)。

4.如权利要求1所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：所述刚性层(4)由砖块堆积而成，其厚度≥50cm；所述柔性层(6)由沙袋堆积而成，其厚度≥50cm。

5.如权利要求1所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：所述碎石层(2)由级配碎石堆积而成，所述级配碎石中粒径为0.005-0.1mm的颗粒含量占级配碎石总质量的11％。

6.如权利要求1所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：所述封闭层(7)为砂浆封闭层，其厚度为5-15cm。

7.如权利要求1所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置，其特征在于：所述防水层(5)为防水塑料布，其厚度≥3mm。

8.采用权利要求1-7所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟装置的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法，包括以下步骤：

1)首先，加载系统在碎石层(2)的最佳含水率下加载，数据采集系统采集传感器组的数据；

2)使碎石层(2)的含水量饱和；

3)沿底座板(3)与封闭层(7)的接缝处进行切割，然后加载系统进行加载，数据采集系统采集传感器组的数据。

9.如权利要求8所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法，其特征在于：步骤1)中的加载过程如下：幅值为30kPa，振动波形为正弦波，加载频率为5Hz，加载次数为200万次。

10.如权利要求8所述的无砟轨道基床表层翻浆病害的模拟方法，其特征在于：步骤3)中的加载过程如下：幅值为30kPa，振动波形为正弦波，加载频率为5Hz，加载次数为200万次。