CN109781964B - 一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速铁路技术领域，公开了一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，开挖试验基坑、临空面，临空面深度大于基坑深度；基坑底部挖圆形试验区域、沟槽、渗流通道孔，完成后对各试验区域进行整平；沿渗流通道孔周围挖竖向湿度传感器放置孔；在临空面侧壁上挖横向湿度传感器放置孔；放置孔中放湿度传感器，安装湿度巡检仪、出水孔注水管、渗流通道管件、防水膜、加载底板、机电百分表、加载立柱、加载顶板、堆载物、蓄水桶等，放置孔内的多余空间用细沙填埋挤压密实；渗流通道加满水试验开始。记录机电百分表数值，结合设定的参数，计算出试验区域泥岩竖向总膨胀量。有益效果：施工便捷、自动化程度高、成本低。

Description

一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法

技术领域

本发明涉及高速铁路无砟轨道路基技术领域，具体涉及一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量测定装置。

背景技术

高速铁路是现代科学技术在交通运输领域集成创新的产物，具有速度高、能耗低、排放少等显著经济技术优势。发展高速铁路，对我国这样一个幅员辽阔、人口众多、资源相对有限的发展中大国而言，具有极其重要意义和价值。对一般铁路工程而言，弱膨胀性泥岩地基的膨胀变形对路基影响较小，常忽略不计，而高速铁路无砟轨道对膨胀变形值要求极为严格，上拱允许调整量仅为4mm，当高速铁路穿越弱膨胀性泥岩地段时，由于泥岩的膨胀将导致路基上拱，进而使轨道不平顺性加剧，这将直接影响机车车辆振动、轮轨相互作用及行车安全舒适性能，最终将影响高速铁路安全运营。

关于弱膨胀性泥岩地基引起高速铁路路基上拱的研究，国内外鲜有报道。上覆荷载是影响路基上拱的关键因素，上覆荷载越大对泥岩膨胀性抑制作用越强，路基上拱量越小，上覆荷载越小对泥岩膨胀性抑制作用越弱，路基上拱量越大。而目前对上覆荷载作用下泥岩膨胀量测定方法大多在室内进行，但室内受试验尺寸效应、边界条件、扰动等影响，试验结果依然不能真实、有效反映构筑物在实际工作中受力状况；而现场对上覆荷载作用下泥岩膨胀量测定方法并未考虑测试区域泥岩是否已均匀、完全渗水，且测试区域渗水孔对泥岩最终膨胀值存在削减，因此最终测得的泥岩膨胀值偏小，不能准确反映地基泥岩膨胀给路基造成的最大危害，致使高速铁路无砟轨道的运营存在安全隐患。

为此，针对上覆荷载作用下高铁泥岩地基膨胀量原位测定方法的不足，提供一种施工便捷、自动化程度高、成本低廉的膨胀量原位测定方法，对泥岩地基高速铁路无砟轨道的设计和施工具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其结构包括加载顶板，加载顶板的上表面放置堆载物、加载顶板下表面为加载立柱，所述加载立柱的底部放置于加载底板之上，所述加载底板的上表面设置有伸缩装置，伸缩装置顶部设有顶板，顶板上表面与机电百分表的触头接触，所述机电百分表固定于横梁，所述横梁固定于地面；所述机电百分表通过位移信号线连接位移显示器，所述位移显示器通过电源线连接于控制器；所述加载底板设置有湿度感应器和注水管孔，所述湿度感应器通过第一湿度信号线与湿度控制开关连接，所述湿度控制开关通过电线与电动执行机构连接，所述电动执行机构连接电动阀门，电动阀门由电动执行机构控制开闭，所述电动阀门设置在输水管上，输水管一头与蓄水桶相连，输水管另一头放置于注水管孔内，输水管上安装流量计和手动阀门，蓄水桶放置于地面，所述湿度控制开关通过电源线连接于控制器；所述加载底板底面布置防水膜和砂，所述砂的下表面设有多出水孔注水管，多出水孔注水管上设有注水口、湿度感应口、出水口，注水口与输水管相连，湿度感应口与湿度感应器相连，出水口与渗流通道相连通，渗流通道为竖向，渗流通道内部中空、外壁上均匀地开设有若干渗水孔，所述渗流通道周围布设有湿度传感器，所述湿度传感器通过第二湿度信号线连接于湿度巡检仪，所述湿度巡检仪通过电源线与控制器相连；所述控制器有3对接线头，其中一对接线头正负极与位移显示器、湿度控制开关、湿度巡检仪各自的供电线接头连接，一对接线头正负极与蓄电池相连，一对接线头正负极与电源相连。

操作、测定过程：1）在计划测量区域选择一块场地，清除地表浮土，开挖试验基坑，基坑开挖完成后，对坑底整平；

2）在基坑一侧开挖临空面，临空面深度大于基坑深度；

3）基坑底部开挖圆形试验区域，完成后对各试验区域进行整平；

4）将基坑圆形区域挖出与多出水孔注水管形状相配合的沟槽；

5）在沟槽中向下钻渗流通道孔，渗流通道孔用来放入渗流通道，渗流通道孔沿圆周向均匀布置，渗流通道孔之间的位置布置是与渗流通道管件的布置相匹配的；沿渗流通道孔周围开挖竖向湿度传感器放置孔；在基坑下方的临空面侧壁上开挖横向湿度传感器放置孔；

6）将横向湿度传感器和竖向湿度传感器分别放置在横向湿度传感器放置孔和竖向湿度传感器放置孔中，并将放置孔内的多余空间用细沙填埋挤压密实，将横向、竖向湿度传感器信号线与湿度巡检仪相连，湿度巡检仪开机，查看湿度传感器运行是否正常，如有异常立即更换；

7）将多出水孔注水管下方的出水口与渗流通道管件上端连接组装；渗流通道管件放置于渗流通道孔内，多出水孔注水管放置于开挖好圆形区域的沟槽中；

8）在基坑圆形区域铺一层砂，砂面与多出水孔注水管保持水平平齐，用防水膜覆盖砂面与多出水孔注水管，防止水分从土体表面蒸发；

9）将加载底板放置于防水膜上，加载底板的注水管孔与多出水孔注水管的注水口对应连接，加载底板的湿度感应器放置孔与多出水孔注水管的湿度感应口对应连接；

10）在加载底板上表面放置伸缩装置，伸缩装置顶放置机电百分表触头，机电百分表固定于横梁，并将机电百分表连接位移显示器，之后安装加载立柱和加载顶板，在加载顶板上表面放置堆载物，使其达到目标上覆荷载值；

11）待机电百分表读数稳定后，将湿度控制开关通电，打开手动阀门，电动执行机构、电动阀门与湿度控制开关联动，当湿度感应器湿度为设定低值，湿度控制开关接收湿度信号设定低值，湿度控制开关控制电动执行机构、电动阀门开启，水从蓄水桶经输水管流入多出水孔注水管，再流入渗流通道中；当湿度感应器湿度为设定高值，湿度控制开关接收湿度信号设定高值，湿度控制开关控制电动执行机构、电动阀门关闭，停止向渗流通道注水，试验开始；

12）横向湿度传感器和竖向湿度传感器读数稳定后，表明试验区域泥岩已均匀、完全渗水，记录此时每个机电百分表的读数，以5个机电百分表为例，读数分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅，单位为mm；

13）试验区域泥岩竖向膨胀量削减计算：

① 渗流通道孔

渗流通道孔数量以13个为例，孔直径为d₁（mm），渗流通道直径为d₂（mm），由于渗流通道孔与渗流通道不可能完全密贴，因此渗流通道与渗流通道孔之间存在间隙，但泥岩既有竖向膨胀，又有侧向膨胀，存在间隙必定被泥岩膨胀完全填充，假设渗流通道高度为H（mm），则间隙总体积为：（mm³），试验区域泥岩直径为D（mm），则换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

② 竖向湿度传感器放置孔

竖向湿度传感器放置孔以10个为例，孔直径为d₃（mm），孔内用砂子填充，砂子孔隙率为50%，砂子在试验区泥岩侧向膨胀作用下假设有20%孔隙被泥岩侧向膨胀挤密，则砂子20%孔隙总体积为：，试验区域泥岩直径为D（mm），则换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

③ 横向湿度传感器放置孔

横向湿度传感器放置孔有1个，为横向长孔槽，长度为试验区域泥岩直径D（mm），孔径为d₃（mm），孔内用砂子填充，砂子孔隙率为50%，砂子在试验区泥岩侧向膨胀作用下假设有20%孔隙被泥岩竖向膨胀挤密，则砂子20%孔隙体积为：，换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

14）试验区域泥岩竖向总膨胀量计算

。

所述伸缩装置为套管与内杆套接的结构，套管上设有调节螺丝，调节螺丝顶紧内杆，使内杆处于不同的高度。

所述伸缩装置数量为5个，一个放置于加载底板中心，其余4个放置于加载底板1/2半径处，在以加载底板中心为圆心的圆周上均匀布设。这样布置使受力均匀，测量数据的统一性好。

所述横梁为钢铁材料，所述机电百分表通过磁性表座固定于横梁的下表面。

所述的多出水孔注水管是圆钢管加工而成，其上表面有一个5cm高的注水口和一个5cm高的湿度感应口，且注水口外径与注水管孔内径相匹配，湿度感应口与湿度感应器直径相匹配，其下表面有13个5cm长出水口，且出水口外径与渗流通道内径相匹配。

所述的渗流通道为圆钢管，共计13个，分为最外侧8个和内侧5个两种布置，其中内侧5个均匀布置4列梅花状渗水孔，最外侧8个仅在朝内侧位置均匀布置2列梅花状渗水孔。梅花状既能使渗水通畅，又避免孔径大造成的土粒进入渗流通道。

效果更好的方案是渗流通道28侧壁的渗水孔的孔径大小从下往上呈逐渐增大的趋势。侧壁最底部渗水孔孔径为0.5cm，随渗流通道高度的增加，渗水孔孔径在0.5cm基础上，每隔一个孔孔径增长0.01cm，由于渗流通道中水的不同深度压力不同将导致渗流通道下部孔渗水速度较快，而上部孔渗水速度较慢，致使下部土体含水率较高，上部土体含水率较低，则上下土体释放的膨胀量不能同步进行，导致试验区域测得的土体膨胀量偏小，进而不能真实反映无砟轨道上拱情况，影响数据可用性，采用孔径变化的设置方式可实现渗水同步、均匀、流畅。

所述的湿度传感器数量为21个，分3种方式布置，第一种方式为2个湿度传感器，布置于渗流通道竖向1/2位置处，第二种方式为3个湿度传感器，布置于渗流通道底部，第三种方式为16个湿度传感器，分为2层，每层8个，沿加载底板中心顺时针方向22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°分别布设于渗流通道竖向1/3位置处和2/3位置处。采用3种布置方式可以更好的保证在特定荷载下测试区域泥岩均匀、完全饱水，防止测试区域泥岩渗水不均匀，导致测试膨胀量偏小，不能最大限度保证泥岩膨胀，即不能最大限度反映高速铁路路基的上拱量，影响数据可用性。当湿度传感器值随注水量不再变化，且所有湿度传感器值的误差在5%以内，说明测试区域泥岩已经均匀、完全饱水，采用这3种布置方式测得的数据准确可靠。

所述控制器的其中一对接线头正负极与太阳能电池板相连，在白天时，太阳能电池板通过控制器对湿度控制开关、湿度巡检仪、电动执行机构、电动阀门、位移显示器供电，也对蓄电池进行充电；在夜晚时，通过蓄电池对湿度控制开关、湿度巡检仪、电动执行机构、电动阀门、位移显示器供电。

所述位移显示器、湿度巡检仪具有无线信号传输功能。

所述的加载顶板和加载底板均为圆形钢板。

本发明的有益效果：1、该高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，通过湿度感应器、湿度控制开关、电动执行机构、电动阀门、蓄水桶的全自动智能注水方式，克服了传统人工注水方式，保证了泥岩全天候不间断注水。

2、该高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，通过湿度传感器和湿度巡检仪实时测量、实时传输泥岩体积含水率的方式，根据体积含水率的变化情况可判定试验区域泥岩是否已均匀、完全渗水。

3、该高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，通过机电百分表和无线传输位移显示器可实时测量、实时传输泥岩不同上覆荷载下的膨胀量，克服了传统人工驻守现场的读数方式。

4、该高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，通过太阳能电池板、控制器、蓄电池、无线传输的湿度巡检仪、无线传输位移显示器、可实现全天候、全自动采集数据，太阳能供电克服了野外供电不便和原状土体因渗透较慢、渗透时间较长所带来的测试人员长期驻守现场的问题，并加快了试验进程。

5、该高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，施工便捷，自动化智能程度高，成本低廉，克服了测试区域泥岩是否已均匀、完全渗水和渗水孔对泥岩膨胀值削减的问题，对实际工程意义更大。

附图说明

图1是试验区域竖向钻孔俯视图；

图2是试验区域左视图；

图3是基坑开挖立面图；

图4为多出水孔注水管示意图；

图5为内侧渗流通道侧面展开图；

图6为外侧渗流通道侧面展开图；

图7为本发明结构示意图；

图8是梅花状渗水孔示意图；

图中：1-加载顶板、2-堆载物、3-加载立柱、4-加载底板、5-伸缩装置、6-调节螺丝、7-机电百分表、8-磁性表座、9-横梁、10-位移信号线、11-位移显示器、12-电源线、13-控制器、14-蓄电池、15-太阳能电池板、16-湿度感应器、17-注水管孔、18-第一湿度信号线、19-湿度控制开关、20-电线、21-电动执行机构、22-电动阀门、23-输水管、24-蓄水桶、25-流量计、26-手动阀门、27-多出水孔注水管、28-渗流通道、29-湿度传感器、30-第二湿度信号线、31-湿度巡检仪、32-地面、33-防水膜、34-砂、35-临空面、36-竖向湿度传感器、37-渗水通道、38-横向湿度传感器、39-横向钻孔、40-非试验区域、41-注水口、42-出水口、43-湿度感应口、44-梅花状渗水孔。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的图1-7，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

参照图4-7所示，一种高铁地基泥岩上覆荷载下渗透系数原位智能测定方法，其结构包括加载顶板1，加载顶板1的上表面放置堆载物2、加载顶板1下表面为加载立柱3，所述加载立柱3的底部放置于加载底板4之上，所述加载底板4的上表面设置有伸缩装置5，伸缩装置5顶部设有顶板，顶板上表面与机电百分表7的触头接触，所述机电百分表7固定于横梁9，所述横梁9固定于地面32；所述机电百分表7通过位移信号线10连接位移显示器11，所述位移显示器11通过电源线12连接于控制器13；所述加载底板4设置有湿度感应器16和注水管孔17，所述湿度感应器16通过第一湿度信号线18与湿度控制开关19连接，所述湿度控制开关19通过电线20与电动执行机构21连接，所述电动执行机构21连接电动阀门22，电动阀门22由电动执行机构21控制开闭，所述电动阀门22设置在输水管23上，输水管23一头与蓄水桶24相连，输水管23另一头放置于注水管孔17内，输水管23上安装流量计25和手动阀门26，蓄水桶24放置于地面32，所述湿度控制开关19通过电源线12连接于控制器13；所述加载底板4底面布置防水膜33和砂34，所述砂34的下表面设有多出水孔注水管27，多出水孔注水管27上设有注水口41、湿度感应口43、出水口42，注水口41与输水管23相连，湿度感应口43与湿度感应器16相连，出水口42与渗流通道28相连通，渗流通道28为竖向，渗流通道28内部中空、外壁上均匀地开设有若干渗水孔，所述渗流通道28周围布设有湿度传感器29，所述湿度传感器29通过第二湿度信号线30连接于湿度巡检仪31，所述湿度巡检仪31通过电源线12与控制器13相连；所述控制器13有3对接线头，其中左侧一对接线头正负极与位移显示器11、湿度控制开关19、湿度巡检仪31连接，中间一对正负极与蓄电池14相连，右侧一对接线头正负极与太阳能电池板15相连，在白天时，太阳能电池板15通过控制器13对湿度控制开关19、湿度巡检仪31、电动执行机构21、电动阀门22、位移显示器11供电，也对蓄电池14进行充电；在夜晚时，通过蓄电池14对湿度控制开关19、湿度巡检仪31、电动执行机构21、电动阀门22、位移显示器11供电。

操作、测定过程：如图1-3所示，1）在计划测量区域选择一块场地，清除地表约0.4m厚浮土，开挖试验基坑，基坑底尺寸2m×1.75m，深0.4m，边坡比例2∶1，基坑开挖完成后，对坑底整平。

2）在基坑一侧开挖临空面，临空面深度要大于基坑深度，临空面长、宽、深度分别为2m、0.7m、2m。

3）基坑底部开挖直径为0.75m，深0.1m的圆形试验区域，完成后对各试验区域进行整平。

4）将基坑圆形区域挖出与多出水孔注水管形状相配合的沟槽，多出水孔注水管形状如图4所示的样子时，沟槽就是圆环槽与十字槽的组合。

5）在沟槽中向下钻渗流通道孔，渗流通道孔用来放入渗流通道，渗流通道孔沿圆周向均匀布置，渗流通道孔之间的位置布置是与渗流通道管件的布置相匹配的；沿渗流通道孔周围开挖竖向湿度传感器放置孔；在基坑下方的临空面侧壁上开挖横向湿度传感器放置孔。

6）如图4-7所示，将横向湿度传感器38和竖向湿度传感器36分别放置在横向湿度传感器放置孔和竖向湿度传感器放置孔中，并将放置孔内的多余空间用细沙填埋挤压密实（横向钻孔的敞口用塞子塞住或用挡板挡住），将横向、竖向湿度传感器信号线与湿度巡检仪31相连，湿度巡检仪开机，查看湿度传感器运行是否正常，如有异常立即更换。

7）将多出水孔注水管27下方的出水口与渗流通道28管件上端连接组装；渗流通道28管件放置于渗流通道孔内，多出水孔注水管27放置于开挖好圆形区域的沟槽中。

8）在基坑圆形区域铺一层砂，砂面与多出水孔注水管保持水平平齐，用防水膜（从聚合物材料膜选用即可，如聚乙烯薄膜）覆盖砂面与多出水孔注水管，防止水分从土体表面蒸发。

9）将加载底板4放置于防水膜上，加载底板4的注水管孔17与多出水孔注水管的注水口对应连接，加载底板4的湿度感应器放置孔与多出水孔注水管的湿度感应口对应连接；为了孔、口相连通，孔、口对应后戳破防水膜即可，或者在防水膜预先为注水口、湿度感应口挖孔。

10）在加载底板4上表面放置伸缩装置5，伸缩装置顶放置机电百分表7触头，机电百分表7固定于横梁9，并将机电百分表连接位移显示器11，之后安装加载立柱3和加载顶板1，在加载顶板1上表面放置堆载物2，使其达到目标上覆荷载值。

11）待机电百分表读数稳定后，将湿度控制开关19通电，打开手动阀门26，电动执行机构、电动阀门与湿度控制开关联动，湿度控制开关19带有液晶显示器，当湿度感应器16的值为设定低值时，湿度控制开关控制电动执行机构、电动阀门，湿度控制开关19开启，电动执行机构21运转，电动阀门22打开，蓄水桶24的水经过输水管23进入多出水孔注水管，水再流入渗流通道中；当湿度感应器湿度为设定高值，湿度控制开关接收湿度信号设定高值，湿度控制开关控制电动执行机构、电动阀门关闭，蓄水桶停止向渗流通道注水，试验开始。

12）横向湿度传感器和竖向湿度传感器读数稳定后，表明试验区域泥岩已均匀、完全渗水，机电百分表的读数也基本不再变动，记录此时5个机电百分表的读数分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅，单位为mm。

13）试验区域泥岩竖向膨胀量削减计算：

① 渗流通道孔

渗流通道孔数量为13个，孔直径为d₁（mm），渗流通道直径为d₂（mm），由于渗流通道孔与渗流通道不可能完全密贴，因此渗流通道与渗流通道孔之间存在间隙，但泥岩既有竖向膨胀，又有侧向膨胀，存在间隙必定被泥岩膨胀完全填充，假设渗流通道高度为H（mm），则间隙总体积为：（mm³），试验区域泥岩直径为D（mm），则换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

② 竖向湿度传感器放置孔

竖向湿度传感器放置孔共10个，孔直径为d₃（mm），孔内用砂子填充，砂子孔隙率为50%，砂子在试验区泥岩侧向膨胀作用下假设有20%孔隙被泥岩侧向膨胀挤密，则砂子20%孔隙总体积为：，试验区域泥岩直径为D（mm），则换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

③ 横向湿度传感器放置孔

横向湿度传感器放置孔有1个，为横向长孔槽，长度为试验区域泥岩直径D（mm），孔径为d₃（mm），孔内用砂子填充，砂子孔隙率为50%，砂子在试验区泥岩侧向膨胀作用下假设有20%孔隙被泥岩竖向膨胀挤密，则砂子20%孔隙体积为：，换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）。

14）试验区域泥岩竖向总膨胀量计算

。

伸缩装置5具备伸缩结构，可以采用套管与内杆套接的结构形式，套管上设有调节螺丝6，调节螺丝6顶紧内杆，使内杆处于不同的高度。伸缩装置5数量为5个，一个放置于加载底板4中心，其余4个放置于加载底板1/2半径处，在以加载底板4中心为圆心的圆周上均匀布设（从上向下看沿加载底板4中心顺时针方向0°、90°、180°、270°布设）。伸缩装置的作用是在机电百分表数量为多个时，方便调节机电百分表的整齐度，使机电百分表基本处于同一高度。

机电百分表7与横梁9的固定可以是螺丝紧固、胶水粘等方式，优选的是横梁9采用钢铁材料（如工字钢），机电百分表7通过磁性表座8固定于横梁9的下表面。加载顶板1和加载底板4均是圆形钢板。

多出水孔注水管27有多个出水的孔，为多个渗流通道供水，具体采用的是圆钢管加工，一部分是弯成圆圈，圆圈内有交叉的直管，圆圈与直管都是相通的，其上表面有一个5cm高的注水口41和一个5cm高的湿度感应口43，且注水口41外径与注水管孔17内径相匹配，湿度感应口43与湿度感应器16直径相匹配，其下表面有13个5cm长出水口42，且出水口42外径与渗流通道28内径相匹配，安装时渗流通道28上端与出水口42插接起来，安装起来很方便。注水口41、湿度感应口43带有一定高度，注水口41、湿度感应口43与加载底板4的注水管孔、湿度感应器放置口可以插接安装，避免接口与接口对接的不便。渗流通道28为圆钢管，共计13个，分为最外侧8个和内侧5个两种，其中内侧5个均匀布置4列梅花状渗水孔，最外侧8个仅在朝内侧位置均匀布置2列梅花状渗水孔。湿度传感器29数量为21个，分3种方式布置，第一种方式为2个湿度传感器29，布置于渗流通道28竖向1/2位置处，第二种方式为3个湿度传感器29，布置于渗流通道28底部，第三种方式为16个湿度传感器29，分为2层，每层8个，沿加载底板4中心顺时针（从上向下看）方向22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°分别布设于渗流通道28竖向1/3位置处和2/3位置处。

为了减少人员值守时间，位移显示器11、湿度巡检仪31具有无线信号传输功能，信号通过无线信号发射、接收装置来传送，可以实现远程观测、记录。湿度巡检仪每20分钟记录一次湿度传感器组的值，并将该值通过自身携带的无线传输功能传回室内接受设备。位移显示器每1分钟记录一次机电百分表的值，并将该值通过自身携带的无线传输功能传回室内接受设备。通过位移、湿度数据变化幅度来观察泥岩是否已均匀、完全渗水，数据稳定、变化不大时，就表明渗水完全了。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明原理和精神情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征是：其结构包括加载顶板（1），加载顶板（1）的上表面放置堆载物（2）、加载顶板（1）下表面为加载立柱（3），所述加载立柱（3）的底部放置于加载底板（4）之上，所述加载底板（4）的上表面设置有伸缩装置（5），伸缩装置（5）顶部设有顶板，顶板上表面与机电百分表（7）的触头接触，所述机电百分表（7）固定于横梁（9），所述横梁（9）固定于地面（32）；所述机电百分表（7）通过位移信号线（10）连接位移显示器（11），所述位移显示器（11）通过电源线（12）连接于控制器（13）；所述加载底板（4）设置有湿度感应器（16）和注水管孔（17），所述湿度感应器（16）通过第一湿度信号线（18）与湿度控制开关（19）连接，所述湿度控制开关（19）通过电线（20）与电动执行机构（21）连接，所述电动执行机构（21）连接电动阀门（22），电动阀门（22）由电动执行机构（21）控制开闭，所述电动阀门（22）设置在输水管（23）上，输水管（23）一头与蓄水桶（24）相连，输水管（23）另一头放置于注水管孔（17）内，输水管（23）上安装流量计（25）和手动阀门（26），蓄水桶（24）放置于地面（32），所述湿度控制开关（19）通过电源线（12）连接于控制器（13）；所述加载底板（4）底面布置防水膜（33）和砂（34），所述砂（34）的下表面设有多出水孔注水管（27），多出水孔注水管（27）上设有注水口（41）、出水口（42）、湿度感应口（43），注水口（41）与输水管（23）相连，湿度感应口（43）与湿度感应器（16）相连，出水口（42）与渗流通道（28）相连通，渗流通道（28）为竖向，渗流通道（28）内部中空、外壁上均匀地开设有若干渗水孔，所述渗流通道（28）周围布设有湿度传感器（29），所述湿度传感器（29）通过第二湿度信号线（30）连接于湿度巡检仪（31），所述湿度巡检仪（31）通过电源线（12）与控制器（13）相连；所述控制器（13）有3对接线头，其中一对接线头正负极与位移显示器（11）、湿度控制开关（19）、湿度巡检仪（31）各自的供电线接头连接，一对接线头正负极与蓄电池（14）相连，一对接线头正负极与电源相连；

操作、测定过程：1）在计划测量区域选择一块场地，清除地表浮土，开挖试验基坑，基坑开挖完成后，对坑底整平；

2）在基坑一侧开挖临空面，临空面深度大于基坑深度；

3）基坑底部开挖圆形试验区域，完成后对各试验区域进行整平；

4）将基坑圆形区域挖出与多出水孔注水管形状相配合的沟槽；

5）在沟槽中向下钻渗流通道孔，渗流通道孔用来放入渗流通道，渗流通道孔沿圆周向均匀布置，渗流通道孔之间的位置布置是与渗流通道管件的布置相匹配的；沿渗流通道孔周围开挖竖向湿度传感器放置孔；在基坑下方的临空面侧壁上开挖横向湿度传感器放置孔；

6）将横向湿度传感器（38）和竖向湿度传感器（36）分别放置在横向湿度传感器放置孔和竖向湿度传感器放置孔中，并将放置孔内的多余空间用细沙填埋挤压密实，将横向、竖向湿度传感器信号线与湿度巡检仪（31）相连，湿度巡检仪开机，查看湿度传感器运行是否正常，如有异常立即更换；

7）将多出水孔注水管（27）下方的出水口与渗流通道（28）管件上端连接组装；渗流通道（28）管件放置于渗流通道孔内，多出水孔注水管（27）放置于开挖好圆形区域的沟槽中；

8）在基坑圆形区域铺一层砂，砂面与多出水孔注水管保持水平平齐，用防水膜覆盖砂面与多出水孔注水管，防止水分从土体表面蒸发；

9）将加载底板（4）放置于防水膜上，加载底板（4）的注水管孔（17）与多出水孔注水管的注水口对应连接，加载底板（4）的湿度感应器放置孔与多出水孔注水管的湿度感应口对应连接；

10）在加载底板（4）上表面放置伸缩装置（5），伸缩装置顶放置机电百分表（7）触头，机电百分表（7）固定于横梁（9），并将机电百分表连接位移显示器（11），之后安装加载立柱（3）和加载顶板（1），在加载顶板（1）上表面放置堆载物（2），使其达到目标上覆荷载值；

11）待机电百分表读数稳定后，将湿度控制开关（19）通电，打开手动阀门（26），电动执行机构、电动阀门与湿度控制开关联动，当湿度感应器湿度为设定低值，湿度控制开关接收湿度信号设定低值，湿度控制开关控制电动执行机构、电动阀门开启，水从蓄水桶经输水管流入多出水孔注水管，再流入渗流通道中；当湿度感应器湿度为设定高值，湿度控制开关接收湿度信号设定高值，湿度控制开关控制电动执行机构、电动阀门关闭，停止向渗流通道注水，试验开始；

12）横向湿度传感器和竖向湿度传感器读数稳定后，表明试验区域泥岩已均匀、完全渗水，记录此时每个机电百分表的读数，以5个机电百分表为例，读数分别为h₁、h₂、h₃、h₄、h₅，单位为mm；

13）试验区域泥岩竖向膨胀量削减计算：

① 渗流通道孔

渗流通道孔数量以13个为例，孔直径为d₁（mm），渗流通道直径为d₂（mm），由于渗流通道孔与渗流通道不可能完全密贴，因此渗流通道与渗流通道孔之间存在间隙，但泥岩既有竖向膨胀，又有侧向膨胀，存在间隙必定被泥岩膨胀完全填充，假设渗流通道高度为H（mm），则间隙总体积为：V₁=（mm³），试验区域泥岩直径为D（mm），则换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

② 竖向湿度传感器放置孔

竖向湿度传感器放置孔以10个为例，孔直径为d₃（mm），孔内用砂子填充，砂子孔隙率为50%，砂子在试验区泥岩侧向膨胀作用下假设有20%孔隙被泥岩侧向膨胀挤密，则砂子20%孔隙总体积为：，试验区域泥岩直径为D（mm），则换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

③ 横向湿度传感器放置孔

横向湿度传感器放置孔有1个，为横向长孔槽，长度为试验区域泥岩直径D（mm），孔径为d₃（mm），孔内用砂子填充，砂子孔隙率为50%，砂子在试验区泥岩侧向膨胀作用下假设有20%孔隙被泥岩竖向膨胀挤密，则砂子20%孔隙体积为：，换算为泥岩竖向膨胀量为：（mm）；

14）试验区域泥岩竖向总膨胀量h的计算。

2.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述伸缩装置（5）为套管与内杆套接的结构，套管上设有调节螺丝（6），调节螺丝（6）顶紧内杆，使内杆处于不同的高度。

3.如权利要求2所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：伸缩装置（5）数量为5个，一个放置于加载底板（4）中心，其余4个放置于加载底板1/2半径处，在以加载底板（4）中心为圆心的圆周上均匀布设。

4.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述横梁（9）为钢铁材料，所述机电百分表（7）通过磁性表座（8）固定于横梁（9）的下表面。

5.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述的多出水孔注水管（27）是圆钢管加工而成，其上表面有一个5cm高的注水口（41）和一个5cm高的湿度感应口（43），且注水口（41）外径与注水管孔（17）内径相匹配，湿度感应口（43）与湿度感应器（16）直径相匹配，其下表面有13个5cm长的出水口（42），且出水口（42）外径与渗流通道（28）内径相匹配。

6.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述的渗流通道（28）为圆钢管，共计13个，分为最外侧8个和内侧5个两种布置，其中内侧5个均匀布置4列梅花状渗水孔，最外侧8个仅在朝内侧位置均匀布置2列梅花状渗水孔。

7.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述的湿度传感器（29）数量为21个，分3种方式布置，第一种方式为2个湿度传感器（29），布置于渗流通道（28）竖向1/2位置处，第二种方式为3个湿度传感器（29），布置于渗流通道（28）底部，第三种方式为16个湿度传感器（29），分为2层，每层8个，沿加载底板（4）中心顺时针方向22.5°、67.5°、112.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°分别布设于渗流通道（28）竖向1/3位置处和2/3位置处。

8.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述控制器（13）的其中一对接线头正负极与太阳能电池板（15）相连，在白天时，太阳能电池板（15）通过控制器（13）对湿度控制开关（19）、湿度巡检仪（31）、电动执行机构（21）、电动阀门（22）、位移显示器（11）供电，也对蓄电池（14）进行充电；在夜晚时，通过蓄电池（14）对湿度控制开关（19）、湿度巡检仪（31）、电动执行机构（21）、电动阀门（22）、位移显示器（11）供电。

9.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述位移显示器（11）、湿度巡检仪（31）具有无线信号传输功能。

10.如权利要求1所述的高铁地基泥岩上覆荷载下膨胀量原位智能测定方法，其特征在于：所述渗流通道（28）侧壁的渗水孔的孔径大小从下往上呈逐渐增大的趋势。

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