CN111610094B - 通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其构成主要是：试验箱体安装于反力架的横梁下方，其前、后为有机玻璃板；箱体内填筑埋有示踪粒子的模型土，且模型土内设有PVC竖管和PVC纵管；模型土的顶面设有铁路路基；铁路路基内部设置有多层加筋条，其上部铺设有混凝土垫板，横梁上的千斤顶位于混凝土板的正上方；混凝土垫板上还有激振器、位移计，加筋条的模型土工格栅上布置三个应变计，铁路路基竖向设置3个土压力盒，PVC竖管设置三个侧向土压力盒和两个应变计；试验箱体外侧设有粒子图像测速仪。本发明能得出列车载荷下，路基与坎儿井地基的力学特性，从而为通过坎儿井地区高速铁路路基和地基的加固设计和修建，提供试验依据。

Description

通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种通过坎儿井高速铁路路基模型试 验装置及测试方法。
背景技术
坎儿井是荒漠地区使用的一种巧妙的灌溉输水结构。其主要构成是竖井、 地下暗渠、地面明渠。其构造原理是：在高山雪原潜流处，寻找水源，然后从 高处的水源处到低处的地面明渠间，自上而下按照一定间距打深度逐渐变浅的 竖井，然后通过竖井底部在地下挖暗渠，由暗渠连通水源、各竖井及地面明渠， 从而将高处的地下水引流至低处的地面明渠，由地面明渠进行灌溉和水源的输 送。坎儿井在国内主要分布在新疆，在陕西、山西和甘肃等荒漠地区也有分布。
随着高速铁路的快速发展，必然会在荒漠地区的坎儿井上修建高速铁路路 基。由于坎儿井是当地重要的用水渠道，所以在坎儿井上建设高速铁路，一定 得保证坎儿井不被破坏或者说不影响坎儿井的正常工作。同时，坎儿井地区的 地下暗渠和竖井导致了其地质结构的力学性能明显变差。为了高速铁路的安全， 也必须对路基结构进行加固，如在路基中沿轨道方向增加加筋带、使用更高性 能的路基材料；如单纯的路基加固不能满足要求，还必须对地基进行加固，如 对竖井浇筑钢筋混凝土。但是，这些加固措施的效果如何，仅靠理论计算和分 析，其误差大，不能可靠的保证高速铁路路基的安全以及坎儿井的正常使用。 亟待研发出通过坎儿井地区高速铁路路基室内模型试验装置及方法，为通过坎 儿井地区高速铁路路基的加固设计和修建提供试验依据。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装 置，该装置能够通过模型试验方法得出列车载荷作用下，路基与坎儿井地基的 力学性能，得出路基修建材料、加筋带及层数等路基结构与路基及坎儿井地基 力学性能的关系；也能得出地基结构及加固方法与路基及坎儿井地基力学性能 的关系。从而为通过坎儿井地区高速铁路路基和地基的加固设计和修建，提供 试验依据，以保证通过坎儿井地区的高速铁路的安全运行及坎儿井的正常使用。
本发明实现其第一发明目的所采用的的技术方案是，一种通过坎儿井的高 速铁路路基的模型试验装置，由试验箱体、加载装置和测试模块构成，其特征 在于：
所述的试验箱体的组成为：
试验箱体为矩形箱体，由底板、底板上固定的侧钢板和插于侧钢板安装槽 中的有机玻璃板构成；所述的有机玻璃的顶部还盖有一根钢条，钢条的两端焊 接在侧钢板上；
所述的试验箱体的底板连接于反力架的底座上，反力架的左、右两个支架 之间固定连接有横梁；
所述的试验箱体内填筑有模拟坎儿井地区地基的模型土，并在模型土中埋 入示踪粒子，且模型土的中部设有一根模拟竖井的PVC竖管，PVC竖管的顶部 与模型土的顶面齐平；PVC竖管的下端连接模拟暗渠的PVC纵管；
所述的模型土的顶面填筑模型路基土，形成端面为梯形的铁路路基，在铁 路路基内部从下至上还间隔设置有多层加筋条，所述的加筋条由轨道正下方成 条状的模型土工格室和模型土工格室上面、下面连接的模型土工格栅构成；所 述的模型土工格栅贯通铁路路基；
所述的加载装置的组成为:
所述的铁路路基上部铺设一层混凝土垫板，混凝土垫板的中部与压力环的 下端相连，压力环的上方与千斤顶的下端相连，千斤顶的上端固定在反力架的 横梁上；压力环两侧的混凝土垫板上还对称设有激振器；
所述的测试模块的组成为:
所述的混凝土垫板上设置有位移计，所述的每个模型土工格室上面的模型 土工格栅上布置有三个应变计，三个应变计分别位于模型土工格室的上方和两 侧；所述的铁路路基的中部竖向均匀间隔设置3个土压力盒，所述的PVC竖管 从下至上均匀设置三个侧向土压力盒和两个应变计；所述的试验箱体外侧设有 粒子图像测速仪，所述的位移计、应变计以及土压力盒均与粒子图像测速仪的 中央处理器电连接。
本发明的第二发明目的是提供一种使用上述的通过坎儿井的高速铁路路 基的模型试验装置，对通过坎儿井的高速铁路路基进行模型试验的方法。该方 法能够快速、方便的试验测出在列车载荷作用下，路基与坎儿井地基的力学性 能。
本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的通过坎 儿井的高速铁路路基的模型试验装置，对通过坎儿井的高速铁路路基进行模型 试验的方法，其步骤为：
A、开启千斤顶或激振器，以模拟高速列车停止或通过时，对铁路路基及 地基施加的静载荷或动载荷；
B、在加载的过程中，逐渐增大载荷，由位移计测出路基的位移，由应变 计测出加筋条和PVC竖管的应变；同时，由土压力盒测出路基受到的压力及PVC 竖管受到的压力；并由粒子图像测速仪对模型图中的示踪粒子进行粒子图像测 速，连续测出并记录地基中各个示踪粒子的位置；
C、当地基中各个示踪粒子的动态位置不再变化时，试验结束。
由待测坎儿井地区的地基、竖井及暗渠的地质勘探结果，或者根据加固方 案得到的地基、竖井及暗渠的加固后的力学性能，再结合相似理论计算结果， 更换试验箱体中相应的模拟地基的模型土、PVC竖管和PVC横管。再由待测铁 路路基的拟用路基土、加筋带及其层数，结合相似理论计算结果，更换模型土 上面相应的模型路基土和加筋条及其层数；即可得出不同坎儿井地区地基力学 性能和不同材料与结构的路基的力学性能，进而得出路基修建材料、结构及加 筋带与路基及坎儿井地基力学性能的关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明通过千斤顶施加静载荷，以模拟高速列车停止时对铁路路基及 地基施加的静载荷；通过激振器施加动载荷，以模拟高速列车通过时，对铁路 路基及地基施加的动载荷。
二、在试验箱体透明的有机玻璃板外侧，通过粒子示踪测速仪测试出试验 过程中，模型土中多个示踪粒子的实时位置变化及速度数据，得到丰富的地基 流场空间结构以及流动特性；能够得到在列车荷载作用下，坎儿井地基力学特 性在空间、时间维度上的演变发展规律；进而更好的为地基及路基的加固措施 提供直观的试验依据。
三、位移计可以方便的测出路基的垂向位移；土压力盒可以测出路基中部 不同深度及地基中模拟竖井的PVC竖管不同部位的受力强度；应变计能够完整 的测出直接承受轨道动荷载部分的各个模型土工格室和不同部位模型土工格 栅的变形情况，进而完整得出路基及地基(或加固后地基)在列车载荷作用下 的力学特性。当PVC竖管上的应变计的应变数据产生跃变时，可判定PVC竖管 产生裂纹，受到破坏；进而得到路基及地基的临界力学数据。
四、如试验结果表明，难以通过更改路基的设计方案保证地基的稳定性， 则应通过对坎儿井地基进行加固(如对竖井浇筑钢筋混凝土，对地基土灌水泥 浆)；再相应更换试验箱体中的模拟地基的模型土、PVC竖管和PVC横管；然后 进行试验，以验证加固方案的有效性，为坎儿井地区的地基加固设计提供良好 的数据支撑。
五、用PVC管模拟坎儿井简单方便，同时PVC管抗拉强度高，但高压下会 产生破坏，符合坎儿井特性。
总之，本发明解决了坎儿井地区高速铁路路基室内模拟装置以及加载方法 的技术空缺，能够在室内有效模拟坎儿井地区的地基及路基的工作情况，且能 够通过测试仪器得到相应精确的力学性能数据。能够通过模型试验方法得出路 基与坎儿井地基的力学性能；进而得出路基修建材料、加筋带及层数等路基结 构与路基及坎儿井地基力学性能的关系；也能得出地基结构及加固方法与路基 及坎儿井地基力学性能的关系。从而为通过坎儿井地区高速铁路路基和地基的 加固设计和修建，提供试验依据，以保证通过坎儿井地区的高速铁路的安全运 行及坎儿井的正常使用。
进一步，本发明的模型土的填筑高度为试验箱体高度的3/4～5/6。
这样，在满足试验箱体中的模型土高度足够又不浪费的前提下，能够有效 的保证千斤顶及激振器对模型路基及地基的有效、可靠加载。
进一步，本发明的有机玻璃上还均匀布置有三条横向的钢肋，钢肋的两端 与侧钢板焊接连接。
这样，在保证有机玻璃整体透明，能满足粒子图像测速的前提下，有效提 高有机玻璃的强度，使其足以满足加载试验的强度需要。
进一步，本发明的反力架的左、右两个支架上部与横梁固定连接的方式为， 横梁两端的上下面均与L型钢条的横条相连，L型钢条的竖条与支架螺纹或销 钉连接。
这样，横梁方便拆卸，并可以通过调节螺纹或销钉孔的位置来调节横梁的 垂向位置，进而实现对千斤顶加载位置的调节。
进一步，本发明的模型土工格室上面、下面连接模型土工格栅的具体方式 是尼龙绑带绑扎。
进一步，本发明的试验箱体的侧钢板内侧还设有柔性缓冲材料板；所述的 柔性缓冲材料板为泡沫板。
这样，模型土与钢板不直接摩擦接触，加载时可有效减缓模型土对钢板的 冲击力；并可减少模型土的边界效应，提高试验的可靠性和精度。
再进一步，本发明的铁路路基底部紧密叠合设置两到三个加筋条，铁路路 基的中上部设置一到两个加筋条。
这样，可以方便试验得出加筋条(加筋带)增设的不同位置和层数与路基 力学性能的关系，为路基的加筋结构的设计和修建提供试验依据。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明模型试验装置的剖视图；
图2为图1局部A的放大图；
图3为本发明模型试验装置的试验箱体及反力架和粒子图像测速仪的立 体图。
具体实施方式
实施例
图1-图3示出，本发明的一种具体实施方式是，一种通过坎儿井的高速 铁路路基的模型试验装置，由试验箱体、加载装置和测试模块构成，其特征在 于：
图1和图3示出，所述的试验箱体的组成为：
试验箱体为矩形箱体，由底板1a、底板上固定的侧钢板1b和插于侧钢板 1b安装槽中的有机玻璃板1c构成；所述的有机玻璃1c的顶部还盖有一根钢条 1e，钢条1e的两端焊接在侧钢板1b上；
所述的试验箱体的底板1a连接于反力架的底座2a上，反力架的左、右两 个支架2b之间固定连接有横梁2c；
所述的试验箱体内填筑有模拟坎儿井地区地基的模型土3，并在模型土3 中埋入示踪粒子，且模型土3的中部设有一根模拟竖井的PVC竖管4，PVC竖 管4的顶部与模型土3的顶面齐平；PVC竖管4的下端连接模拟暗渠的PVC纵 管5；
图1和图2示出，所述的模型土3的顶面填筑模型路基土，形成端面为梯 形的铁路路基6，在铁路路基6内部从下至上还间隔设置有多层加筋条，所述 的加筋条由轨道正下方成条状的模型土工格室8和模型土工格室8上面、下面 连接的模型土工格栅7构成；所述的模型土工格栅7贯通铁路路基6；
图1和图2示出，所述的加载装置的组成为:
所述的铁路路基6上部铺设一层混凝土垫板9，混凝土垫板9的中部与压 力环10的下端相连，压力环10的上方与千斤顶11的下端相连，千斤顶11的 上端固定在反力架的横梁2c上；压力环10两侧的混凝土垫板9上还对称设有 激振器12；
图2和图3示出，所述的测试模块的组成为:
所述的混凝土垫板9上设置有位移计13，所述的每个模型土工格室8上 面的模型土工格栅7上布置有三个应变计14，三个应变计14分别位于模型土 工格室8的上方和两侧；所述的铁路路基6的中部竖向均匀间隔设置3个土压 力盒15，所述的PVC竖管4从下至上均匀、间隔设置三个侧向土压力盒15和 两个应变计14；所述的试验箱体外侧设有粒子图像测速仪16，所述的位移计 13、应变计14以及土压力盒15均与粒子图像测速仪16的中央处理器电连接。
本例的模型土3的填筑高度为试验箱体高度的3/4～5/6。
本例的有机玻璃1c上还均匀布置有三条横向的钢肋1d，钢肋1d的两端 与侧钢板1b焊接连接。
本例的反力架的左、右两个支架2b上部与横梁2c固定连接的方式为，横 梁2c两端的上下面均与L型钢条2d的横条相连，L型钢条2d的竖条与支架 2b螺纹或销钉连接。
本例的模型土工格室8上面、下面连接模型土工格栅7的具体方式是尼龙 绑带绑扎。
本例的试验箱体的侧钢板1b内侧还设有柔性缓冲材料板1f；所述的柔性 缓冲材料板1f为泡沫板。
本例的在铁路路基6内部从下至上还间隔设置有多层加筋条的具体结构 为，所述的铁路路基6底部紧密叠合设置两到三个加筋条，铁路路基6的中上 部设置一到两个加筋条。
使用本例的通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，对通过坎儿井的 高速铁路路基进行模型试验的方法，其步骤为：
A、开启千斤顶11或激振器12，以模拟高速列车停止或通过时，对铁路 路基6及地基施加的静载荷或动载荷；
B、在加载的过程中，逐渐增大载荷，由位移计13测出路基的位移，由应 变计14测出加筋条17和PVC竖管4的应变；同时，由土压力盒15测出路基 受到的压力及PVC竖管4受到的压力；并由粒子图像测速仪16对模型图中的 示踪粒子进行粒子图像测速，连续测出并记录地基中各个示踪粒子的位置；
C、当地基中各个示踪粒子的动态位置不再变化时，试验结束。

Claims (8)

1.一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，由试验箱体、加载装置和测试模块构成，其特征在于：
所述的试验箱体的组成为：
试验箱体为矩形箱体，由底板(1a)、底板上固定的侧钢板(1b)和插于侧钢板(1b)安装槽中的有机玻璃板(1c)构成；所述的有机玻璃(1c)的顶部还盖有一根钢条(1e)，钢条(1e)的两端焊接在侧钢板(1b)上；
所述的试验箱体的底板(1a)连接于反力架的底座(2a)上，反力架的左、右两个支架(2b)之间固定连接有横梁(2c)；
所述的试验箱体内填筑有模拟坎儿井地区地基的模型土(3)，并在模型土(3)中埋入示踪粒子，且模型土(3)的中部设有一根模拟竖井的PVC竖管(4)，PVC竖管(4)的顶部与模型土(3)的顶面齐平；PVC竖管(4)的下端连接模拟暗渠的PVC纵管(5)；
所述的模型土(3)的顶面填筑模型路基土，形成端面为梯形的铁路路基(6)，在铁路路基(6)内部从下至上还间隔设置有多层加筋条，所述的加筋条由轨道正下方成条状的模型土工格室(8)和模型土工格室(8)上面、下面连接的模型土工格栅(7)构成；所述的模型土工格栅(7)贯通铁路路基(6)；
所述的加载装置的组成为:
所述的铁路路基(6)的上部铺设一层混凝土垫板(9)，混凝土垫板(9)的中部与压力环(10)的下端相连，压力环(10)的上方与千斤顶(11)的下端相连，千斤顶(11)的上端固定在反力架的横梁(2c)上；压力环(10)两侧的混凝土垫板(9)上还对称设有激振器(12)；
所述的测试模块的组成为:
所述的混凝土垫板(9)上设置有位移计(13)，所述的每个模型土工格室(8)上面的模型土工格栅(7)上布置有三个应变计(14)，三个应变计(14)分别位于模型土工格室(8)的上方和两侧；所述的铁路路基(6)的中部竖向均匀间隔设置3个土压力盒(15)，所述的PVC竖管(4)从下至上均匀、间隔设置三个侧向土压力盒(15)和两个应变计(14)；所述的试验箱体外侧设有粒子图像测速仪(16)，所述的位移计(13)、应变计(14)以及土压力盒(15)均与粒子图像测速仪(16)的中央处理器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于：所述的模型土(3)的填筑高度为试验箱体高度的3/4～5/6。
3.根据权利要求1所述的一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于：所述的有机玻璃(1c)上还均匀布置有三条横向的钢肋(1d)，钢肋(1d)的两端与侧钢板(1b)焊接连接。
4.根据权利要求1所述的一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于：所述的反力架的左、右两个支架(2b)上部与横梁(2c)固定连接的方式为，横梁(2c)两端的上下面均与L型钢条(2d)的横条相连，L型钢条(2d)的竖条与支架(2b)螺纹或销钉连接。
5.根据权利要求1所述的一种通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于：所述的模型土工格室(8)上面、下面连接模型土工格栅(7)的具体方式是尼龙绑带绑扎。
6.根据权利要求1所述的通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于：所述的试验箱体的侧钢板(1b)内侧还设有柔性缓冲材料板(1f)；所述的柔性缓冲材料板(1f)为泡沫板。
7.根据权利要求1所述的通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于：所述的在铁路路基(6)内部从下至上还间隔设置有多层加筋条的具体结构为，所述的铁路路基(6)底部紧密叠合设置两到三个加筋条，铁路路基(6)的中上部设置一到两个加筋条。
8.一种使用权利要求1所述的通过坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，对通过坎儿井的高速铁路路基进行模型试验的方法，其步骤为：
A、开启千斤顶(11)或激振器(12)，以模拟高速列车停止或通过时，对铁路路基(6)及地基施加的静载荷或动载荷；
B、在加载的过程中，逐渐增大载荷，由位移计(13)测出路基的位移，由应变计(14)测出加筋条和PVC竖管(4)的应变；同时，由土压力盒(15)测出路基受到的压力及PVC竖管(4)受到的压力；并由粒子图像测速仪(16)对模型图中的示踪粒子进行粒子图像测速，连续测出并记录地基中各个示踪粒子的位置；
C、当地基中各个示踪粒子的动态位置不再变化时，试验结束。
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