CN113624319A - 一种轨道交通环形振动模拟试验装置 - Google Patents

一种轨道交通环形振动模拟试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种轨道交通环形振动模拟试验装置，该装置包括盾构隧道模型、桥梁基础模型、路基模型、列车模型、动力响应监测设备和数据采集区。其中，动力响应监测设备包括激振式波速传感器、静水压力测试传感器、土压力及加速度传感器以及高速摄像机。数据采集区采集监测数据，进行整合、分析，并通过数据显示屏进行展示。

Description

一种轨道交通环形振动模拟试验装置
技术领域
本发明涉及轨道交通基础动力响应，特别涉及一种新型的轨道交通环形振动模拟试验装置，属于轨道工程领域。
背景技术
近年来，我国铁路事业蓬勃发展，铁路建设量迅猛增长，列车运行速度也在逐步攀升，随之而来的是对轨道交通基础结构的更高标准、更严要求。由于轨道的不平顺性及轨枕的结构特点，列车在运行过程中会产生周期性的振动荷载，列车运行所产生的振动经由轨道结构传播到基础及周围土体，振动以弹性波的形式在土体内部传播扩散，如果不加以重点研究，会加速基础累积变形，威胁轨道系统的平顺和稳定，进而发展成轨道交通基础病害。
隧道、桥梁、路基是三种主要的轨道交通基础结构，每种基础均具有不同的力学特性，在进行动力分析时不能一概而论。现有技术对铁路基础方面的试验研究主要分为两大类：一是现场测试试验。现场测试试验是在拟建线路选取试验段，根据试验要求在试验段路基施工过程中设置测点，埋设传感器，轨道铺装完成后，在试验列车运行通过试验段时，由量测系统搜集各传感器的量测数据，对实验数据进行加工处理分析。现场测试试验数据具有很高的真实性和参考价值，但其试验本身也存在造价高昂、环境条件不可控等明显缺点。二是室内模型实验。室内模型实验具有良好的经济型，同时实验环境易操控，可以适应多种模拟条件，获取更全面的数据结果。但现有的室内模型实验多采用激振器模拟震动荷载，在模拟列车荷载方面具有不可避免地实验误差，另外，现有模型实验多针对某一种特定轨道交通基础结构，不能完全反映列车运行的真实过程，因此实验结果具有一定的片面性。
发明内容
针对目前铁路基础模型实验的不足，考虑列车运行的真实情况，提出了一种轨道交通环形振动模拟试验装置。
本发明技术方案是：
1.一种轨道交通环形振动模拟试验装置，其特征在于，该装置包括盾构隧道模型试验箱、桥梁模型、路基模型、过渡结构、上部轨道结构模型、列车模型、动力响应监测设备和数据采集区；所述盾构隧道模型试验箱、桥梁模型、路基模型通过过渡结构拼接呈跑道形模型系统；该跑道形模型系统铺设有上部轨道结构模型；
其中，所述盾构隧道模型试验箱包括位于地面线上方的两个横向隔板(2-2)、位于地面线上方的两个纵向隔板(2-3)、位于地面线下的U型槽A(2-4)、模型箱内的盾构隧道(2-1)以及填土；所述横向隔板(2-2)上开有与隧道(2-1)尺寸相匹配的孔洞，所述横向隔板(2-2)与纵向隔板(2-3)材质均为透明有机玻璃，用于观察隧道周围土体的振动响应及累计变形；所述U型槽A(2-4)由混凝土浇筑而成，埋于地面线下，U型槽底及槽内侧铺设止水薄膜；所述盾构隧道(2-1)由MC尼龙材质的管片拼接而成，拼接形式为错缝拼装；所述管片表面沿纵向设置若干凹槽，用于模拟实际工程中盾构管片拼接成环时螺栓处的应力集中现象；
所述桥梁模型包括一段箱梁(4-1)、两个桥台(4-2)、位于地面线下的U型槽B(4-3)以及槽内填土，所述箱梁(4-1)材质为MC尼龙，所述桥台(4-2)材质为混凝土；
所述路基模型包括路基(6-1)与U型槽C(6-2)，所述路基从上往下分别为支承层、中粗砂、路基填料、双向土工格栅、碎砾石垫层、地基土填料；所述支承层为混凝土板；所述路基填料分为上下两部分，上部分为A组填料，下部分为B组填料；所述双向土工格栅抗拉强度大于等于110KN/M；
所述过渡结构为所述桥梁旁路基与所述盾构隧道模型试验箱旁路基的连接部分，采用普通的砖垒成路基的形状，在保证其平顺性的基础上，上部铺设轨道；
所述上部轨道结构模型包括钢轨、轨枕、轨道板；所述钢轨架设于轨枕上；所述轨枕采用有机高分子材料，具有足够的强度；所述轨道板材料为混凝土；
所述列车模型由一节机车与一节车厢组成，列车模型电压与运行速度可控；所述机车取点方式为轨道取电；所述机车电机驱动方式为双电机驱动；
所述数据采集区采集监测数据，进行整合、分析，并通过数据显示屏进行展示。
所述动力响应监测设备包括激振式波速传感器、静水压力测试传感器、土压力及加速度传感器以及高速摄像机。所述动力响应监测设备同时布置于路基-隧道测试段与路基桥梁测试段，对列车行驶过程中的基础振动响应进行实时监测。所述激振式波速传感器用于监测轨道路基系统弹性波的产生及发展，获取振动指标。所述静水压力测试传感器用于监测基础内部的孔隙水压力，确定超孔隙水压的分布情况。所述土压力及加速度传感器包括电阻式微型土压力盒与微型加速度传感器，用于监测基础的土压力及加速度的变化。所述高速摄像机采用粒子图像测速系统(PIV)测量土体的瞬时全局速度场，能在粒子稀少或速度梯度较大的流动的情况下具有较高的测量精度。
所述数据采集区位于环形轨道内，由计算机、实验操作台和数据集成显示器组成，实时接收所述动力响应监测设备采集的数据，并保证实验的正常开展。所述计算机通过电线连接所述动力响应监测设备，对数据进行接收、整合、处理、分析；所述实验操作台控制列车在轨道上的运行；所述数据集成显示屏可以实时显示动力响应监测设备的监测曲线，可以直观地展示列车通过时基础的振动响应。
本发明可以模拟列车在运行过程中路基、桥梁、盾构隧道的应力应变情况以及振动特性，同时可以分析土体内部的超孔隙水压分布，也可用于研究周期荷载作用下的轨道交通基础的累计变形。
附图说明
图1是本发明轨道交通环形振动模拟试验装置平面图；
图2是本发明盾构隧道模型试验箱概念图；
图3是本发明盾构隧道模型试验箱尺寸图(mm)；
图4是本发明桥梁基础模型概念图；
图5是本发明桥梁基础模型尺寸图(mm)；
图6是本发明路基模型概念图；
图7是本发明路基模型尺寸图(mm)；
图8是本发明轨道交通环形振动模拟试验装置概念图。
图2中，2-3——纵向隔板；2-2——横向隔板；2-1——隧道；2-4——U型槽A
图4中，4-1——箱梁；4-2——桥台；4-3——U型槽B；
图6中，6-1——路基；6-2——U型槽C。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图所示，本发明公开了一种轨道交通环形振动模拟试验装置，本实施例以1:10比例为例：
该装置包括盾构隧道模型试验箱、桥梁模型、路基模型、过渡结构、上部轨道结构模型、列车模型、动力响应监测设备和数据采集区。其中，
如图2所示：
盾构隧道模型试验箱包括位于地面线上方的两个横向隔板(2-2)与两个纵向隔板(2-3)、位于地面线下的U型槽A、模型箱内的盾构隧道(2-1)以及填土。所述横向隔板(2-2)上开有与隧道(2-1)尺寸相匹配的孔洞，所述横向隔板(2-2)与纵向隔板(2-3)材质均为透明有机玻璃，用于观察隧道周围土体的振动响应及累计变形。所述U型槽A由混凝土浇筑而成，埋于地面线下，U型槽底及槽内侧铺设止水薄膜，如无特殊说明，下文所述U型槽均具有相同特征。所述盾构隧道(2-1)由MC尼龙材质的管片拼接而成，拼接形式为错缝拼装。所述管片表面沿纵向设置若干凹槽，用于模拟实际工程中盾构管片拼接成环时螺栓处的应力集中现象。
如图4所示，
桥梁模型包括一段箱梁(4-1)、两个桥台(4-2)、位于地面线下的U型槽(4-3)以及槽内填土，所述箱梁(4-1)材质为MC尼龙，所述桥台(4-2)材质为混凝土。
桥梁模型与所述盾构隧道模型试验箱分别位于环形模型的两侧，避免相互干扰；所述路基模型布置于所述桥梁模型两端与所述盾构隧道模型试验箱两端，分别组成路基-隧道测试段与路基-桥梁测试段。
所述路基模型包括路基(6-1)与U型槽C(6-2)，所述路基从上往下分别为支承层、中粗砂、路基填料、双向土工格栅、碎砾石垫层、地基土填料。所述支承层为混凝土板；所述路基填料分为上下两部分，上部分为A组填料，下部分为B组填料；所述双向土工格栅抗拉强度大于等于110KN/M。
所述过渡结构为所述桥梁旁路基与所述盾构隧道模型试验箱旁路基的连接部分，采用普通的砖垒成路基的形状，在保证其平顺性的基础上，上部铺设轨道。
所述上部轨道结构模型，包括钢轨、轨枕、轨道板。所述钢轨架设于轨枕上；所述轨枕采用有机高分子材料，具有足够的强度；所述轨道板材料为混凝土。
所述列车模型由一节机车与一节车厢组成，列车模型电压与运行速度可控。所述机车尺寸为2278×295×425(mm)，机车材质为金属主体，重量在60-80kg。所述机车取电方式为轨道取电，控制电压为0～36V，预计最大速度为30km/h。所述机车电机驱动方式为双电机驱动。
动力响应监测设备包括激振式波速传感器、静水压力测试传感器、土压力及加速度传感器以及高速摄像机。
数据采集区采集监测数据，进行整合、分析，并通过数据显示屏进行展示。
所述动力响应监测设备包括激振式波速传感器、静水压力测试传感器、土压力及加速度传感器以及高速摄像机。所述动力响应监测设备同时布置于路基-隧道测试段与路基桥梁测试段，对列车行驶过程中的基础振动响应进行实时监测。所述激振式波速传感器用于监测轨道路基系统弹性波的产生及发展，获取振动指标。所述静水压力测试传感器用于监测基础内部的孔隙水压力，确定超孔隙水压的分布情况。所述土压力及加速度传感器包括电阻式微型土压力盒与微型加速度传感器，用于监测基础的土压力及加速度的变化。所述高速摄像机采用粒子图像测速系统(PIV)测量土体的瞬时全局速度场，能在粒子稀少或速度梯度较大的流动的情况下具有较高的测量精度。
所述数据采集区位于环形轨道内，由计算机、实验操作台和数据集成显示器组成，实时接收所述动力响应监测设备采集的数据，并保证实验的正常开展。所述计算机通过电线连接所述动力响应监测设备，对数据进行接收、整合、处理、分析；所述实验操作台控制列车在轨道上的运行；所述数据集成显示屏可以实时显示动力响应监测设备的监测曲线，可以直观地展示列车通过时基础的振动响应。

Claims (4)

1.一种轨道交通环形振动模拟试验装置，其特征在于，该装置包括盾构隧道模型试验箱、桥梁模型、路基模型、过渡结构、上部轨道结构模型、列车模型、动力响应监测设备和数据采集区；所述盾构隧道模型试验箱、桥梁模型、路基模型通过过渡结构拼接呈跑道形模型系统；该跑道形模型系统铺设有上部轨道结构模型；
其中，所述盾构隧道模型试验箱包括位于地面线上方的两个横向隔板(2-2)、位于地面线上方的两个纵向隔板(2-3)、位于地面线下的U型槽A(2-4)、模型箱内的盾构隧道(2-1)以及填土；所述横向隔板(2-2)上开有与隧道(2-1)尺寸相匹配的孔洞，所述横向隔板(2-2)与纵向隔板(2-3)材质均为透明有机玻璃，用于观察隧道周围土体的振动响应及累计变形；所述U型槽A(2-4)由混凝土浇筑而成，埋于地面线下，U型槽底及槽内侧铺设止水薄膜；所述盾构隧道(2-1)由MC尼龙材质的管片拼接而成，拼接形式为错缝拼装；所述管片表面沿纵向设置若干凹槽，用于模拟实际工程中盾构管片拼接成环时螺栓处的应力集中现象；
所述桥梁模型包括一段箱梁(4-1)、两个桥台(4-2)、位于地面线下的U型槽B(4-3)以及槽内填土，所述箱梁(4-1)材质为MC尼龙，所述桥台(4-2)材质为混凝土；
所述路基模型包括路基(6-1)与U型槽C(6-2)，所述路基从上往下分别为支承层、中粗砂、路基填料、双向土工格栅、碎砾石垫层、地基土填料；所述支承层为混凝土板；所述路基填料分为上下两部分，上部分为A组填料，下部分为B组填料；所述双向土工格栅抗拉强度大于等于110KN/M；
所述过渡结构为所述桥梁旁路基与所述盾构隧道模型试验箱旁路基的连接部分，采用普通的砖垒成路基的形状，在保证其平顺性的基础上，上部铺设轨道；
所述上部轨道结构模型包括钢轨、轨枕、轨道板；所述钢轨架设于轨枕上；所述轨枕采用有机高分子材料，具有足够的强度；所述轨道板材料为混凝土；
所述列车模型由一节机车与一节车厢组成，列车模型电压与运行速度可控；所述机车取点方式为轨道取电；所述机车电机驱动方式为双电机驱动；
所述数据采集区采集监测数据，进行整合、分析，并通过数据显示屏进行展示。
2.如权利要求1所述一种轨道交通环形振动模拟试验装置，其特征在于，所述桥梁模型与所述盾构隧道模型试验箱分别位于所述环形模型系统的两侧，避免相互干扰；所述路基模型布置于所述桥梁模型两端与所述盾构隧道模型试验箱两端，分别组成路基-隧道测试段与路基-桥梁测试段。
3.如权利要求1所述一种轨道交通环形振动模拟试验装置，其特征在于，所述动力响应监测设备包括激振式波速传感器、静水压力测试传感器、土压力及加速度传感器以及高速摄像机；所述动力响应监测设备同时布置于路基-隧道测试段与路基桥梁测试段，对列车行驶过程中的基础振动响应进行实时监测；所述激振式波速传感器用于监测轨道路基系统弹性波的产生及发展，获取振动指标；所述静水压力测试传感器用于监测基础内部的孔隙水压力，确定超孔隙水压的分布情况；所述土压力及加速度传感器包括电阻式微型土压力盒与微型加速度传感器，用于监测基础的土压力及加速度的变化；所述高速摄像机采用粒子图像测速系统(PIV)测量土体的瞬时全局速度场，能在粒子稀少或速度梯度较大的流动的情况下具有较高的测量精度。
4.如权利要求1所述一种轨道交通环形振动模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集区位于环形轨道内，由计算机、实验操作台和数据集成显示器组成，实时接收所述动力响应监测设备采集的数据，并保证实验的正常开展；所述计算机通过电线连接所述动力响应监测设备，对数据进行接收、整合、处理、分析；所述实验操作台控制列车在轨道上的运行；所述数据集成显示屏可以实时显示动力响应监测设备的监测曲线，可以直观地展示列车通过时基础的振动响应。
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