CN115791425A - 水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置及检测方法，装置包括模型本体，支撑模块连接有安装架，于安装架上滑动连接有行走式竖向位移检测模块，于模型本体的上表面上设置有应变检测模块；支撑模块与加压水系统连接，且由加压水系统而出的压力水作用于仰拱层底部；方法基于装置来完成，主要是通过加压水系统模拟地下水作用仰拱底部，通过所测得的应变数据和道床板层的竖向位移数据来得到道床板层的纵向拉应力，和道床板层的竖向变形规律。本发明用以模拟均匀或者不均匀地下水对铁路隧道仰拱‑无砟轨道的作用，检测无砟轨道道床板层受地下水作用的受力变形规律。本发明适用于模拟铁路隧道及无砟轨道受地下水影响的技术领域。

Description

水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置及检测方法

技术领域

本发明属于铁路隧道的无砟轨道模型试验的技术领域，具体的说，涉及一种水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置及检测方法。

背景技术

近年来，隧道内无砟轨道在服役过程中，由于隧道内水文地质条件极其复杂，导致无砟轨道受到基础不均匀变形、地下水压变化、围岩压力、地应力等的影响，出现上拱、开裂、下沉、轨道结构层间离缝及冒浆等病害。其中地下水是引发隧道内出现上拱、开裂、翻浆冒泥等病害的主要原因，尤其是岩溶地区，地下水丰富且具有良好的通道，地下水能够进入仰拱填充层和无砟轨道垫层间形成较高的承压水头，导致道床板层上拱。当上拱超过一定量后将引起轨道不平顺，影响列车运行的平稳性和安全性，造成列车限速或者停运，严重影响列车的正常运营。目前，模型试验方法是研究隧道内地下水作用下道床板层力学响应的重要方法，但传统的隧道模型试验主要考虑隧道结构的二衬层，研究二衬结构在地下水作用下的水压力分布、力学响应、破坏机理，并对排水方式进行优化，以期减少隧道内衬砌结构开裂、渗漏水和涌水灾害，未能考虑无砟轨道结构。轨道方面的研究更多的关注桥梁或者路基上降雨后滞留在无砟轨道的水对轨道的影响，但是隧道内由于其特殊的结构，地下水才是无砟轨道道床板层上拱的主要原因，和桥梁或者路基基础上水的作用方式不同，上拱机理也不同。然而，地下水在无砟轨道道床板层下是不均匀分布的，实际工况中无法得知不均匀地下水对无砟轨道道床板层作用位置以及水压值对无砟轨道道床板层上拱量的影响。因此，急需开发一种隧道-无砟轨道结构模型及检测方法，可以模拟不均匀地下水作用，可变换地下水水头高度的试验装置，地下水作用于仰拱底部时，检测无砟轨道道床板层受地下水作用的变形规律。

发明内容

本发明提供一种水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置及检测方法，用以模拟均匀或者不均匀地下水对铁路隧道仰拱-无砟轨道的作用，并可变换地下水水头高度，进而使得地下水作用于仰拱底部时，检测无砟轨道道床板层受地下水作用的受力变形规律。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，包括经支撑模块所支撑的模型本体，所述支撑模块连接有安装架，于所述安装架上滑动连接有行走式竖向位移检测模块，于所述模型本体的上表面上设置有应变检测模块；所述支撑模块与加压水系统连接，且由加压水系统而出的压力水作用于模型本体的底部；所述模型本体包括自下而上依次设置的垫层、仰拱层、仰拱填充层及道床板层。

进一步的，所述支撑模块包括上端处于开放状态的模型装配箱，所述模型装配箱经多组支撑腿支撑于地面上，于模型装配箱的底壁上开设有多个加压口，于所述模型装配箱的下端且位于各加压口处可拆卸安装有可调式进水机构，所述加压水系统的出口与相对应的至少一个可调式进水机构连接。

进一步的，所述可调式进水机构包括大径端与模型装配箱下端可拆卸连接的喇叭罩，止回式进水件螺纹连接于喇叭罩的小径端，且所述止回式进水件的一端伸入喇叭罩内。

进一步的，所述止回式进水件包括与喇叭罩的小径端螺纹连接的调整管，于所述调整管内设置有具有多个第一导通孔的第一挡板，于所述第一挡板靠近模型装配箱的一端设置有具有多个第二导通孔的第二挡板，所述第一导通孔和第二导通孔相互错开；所述第二挡板连接有一穿过第一挡板的连接套，一插杆插装于连接套内，且插杆远离连接套的一端与导水座连接，所述导水座固定于调整管内，且于导水座与连接套之间设置有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧套装于插杆外。

进一步的，于所述调整管伸入喇叭罩的一端螺纹连接有调整嘴，所述调整嘴包括与调整管螺纹连接的连接部，于所述连接部靠近模型装配箱的一端构造有口径渐缩或者口径渐扩的调整部。

进一步的，于所述模型装配箱内构造有多根沿其长度方向间隔设置的横向分隔肋，于模型装配箱的底部中间位置构造有一根与各横向分隔肋连接的纵向分隔肋，所述横向分隔肋和纵向分隔肋将模型装配箱的底部分为多个检测区域，于模型装配箱的底壁上且位于各检测区域处开设排泄口，所述排泄口与构造于模型装配箱下端的排泄管连通；于所述模型本体的下表面上与纵向分隔肋和各横向分隔肋相对应处构造有纵向装配槽和横向装配槽；于所述安装架上且位于其两端处分别安装有至少一个液压缸，各所述液压缸的下端与模型本体的上端可拆卸连接。

进一步的，所述安装架包括沿支撑模块的纵向延伸的吊梁，所述行走式竖向位移检测模块包括安装于吊梁上的直线电机，于所述直线电机上安装有装配座，于所述装配座上开设有沿支撑模块的横向延伸的条形孔，且装配座经条形孔安装有激光位移传感器。

进一步的，所述加压水系统包括设置于地面上的调整架，于所述调整架上沿竖直方向间隔设置有多个放置板，各所述放置板与调整架滑动连接，且于各放置板上放置有多个加压桶，各所述加压桶通过出水管与支撑模块连接；于所述调整架的下端设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接有沿竖向延伸的传动丝杠，各所述放置板经离合件与传动丝杠传动连接。

进一步的，所述加压水系统包括设置于地面上的加压罐体，于所述加压罐体的下水管上连接有分配管，于所述分配管上连通有多根并排设置的加压支管，于各所述加压支管上安装有支管控制阀及减压阀；于所述加压罐体周壁的上部及顶壁的上端分别构造有进水管及补气管。

本发明还公开了一种利用上述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、根据试验选定工况，选取压力水作用的区域，确定模型本体底部受水压作用的位置和水头高度；

S2、确定应变片和激光位移传感器的位置：根据有限元仿真结果将应变检测模块固定在模型本体上表面的相应位置处；

S3、行走式竖向位移检测模块检测道床板层钢轨位置处模型本体全长范围内的初始竖向位移并做好记录；

S4、将加压水系统与支撑模块的底部连接，且连接的位置为待检测的区域处；

S5、调整水压，使之处于预定的水压范围内；

S6、应变数据采集仪采集应变检测模块的应力并传输至电脑；

S7、竖向位移观测时，控制行走式竖向位移检测模块匀速、稳定行走，且行走不少于3个往复，用数据采集仪采集数据，电脑保存数据，确保数据的稳定性；

S8、测得道床板层多处应变后，根据公式σ=Eε，E表示杨氏模数，σ表示正向应力，ε表示正向应变,求出道床板层多处的截面应力。

本发明由于采用了上述的结构，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：本发明依据模型试验的相似原理，首次构建了相对完整的隧道内无砟轨道结构，其包括垫层、仰拱、仰拱填充层、道床板层，并配制适合模型试验的仰拱、仰拱填充层、道床板层的原材料和配合比，用以还原实际的隧道内无砟轨道结构，并通过加压水系统与支撑模块的不同方式的连接，可实现水压作用均布荷载，也可实现不同水头高度作用于仰拱不同位置，实现仰拱不均匀受力；本发明的行走式竖向位移检测模块能够保证检测点位位置的灵活性，并方便地检测任意点位地竖向位移；本发明通过加压水系统模拟地下水作用仰拱底部，通过所测得的应变数据和道床板层的竖向位移数据来得到道床板层的纵向拉应力，和道床板层的竖向变形规律；综上可知，本发明能够准确地模拟均匀或者不均匀地下水对铁路隧道仰拱-无砟轨道的作用，进而检测无砟轨道道床板层受地下水作用的受力变形规律。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置去除加压水系统后的结构示意图；

图2为图1另一角度的结构示意图；

图3为本发明实施例支撑模块、模型本体及应变检测模块连接的结构示意图；

图4为本发明实施例支撑模块和模型本体连接的结构示意图；

图5为本发明实施例支撑模块的结构示意图；

图6为本发明实施例支撑模块、模型本体及可调式进水机构连接后的横向结构剖视图；

图7为本发明实施例模型本体的局部结构示意图；

图8为本发明实施例行走式竖向位移检测模块和液压缸安装在安装架上的结构示意图；

图9为本发明实施例行走式竖向位移检测模块与吊梁连接的局部结构示意图；

图10为本发明实施例激光位移传感器安装在装配座上的结构示意图；

图11为本发明实施例多个可调式进水机构安装在模型装配箱下端的结构示意图；

图12为本发明实施例可调式进水机构的结构示意图；

图13为本发明实施例可调式进水机构的轴向结构剖视图；

图14为本发明实施例可调式进水机构的局部结构示意图；

图15为本发明实施例可调式进水机构喇叭罩、调整管及调整嘴连接的轴向结构剖视图；

图16为本发明实施例一种加压水系统的结构示意图；

图17为本发明实施例传动丝杠与一种离合件连接的轴向结构剖视图；

图18为本发明实施例另一种离合件的结构示意图；

图19为图18中的离合件的轴向结构剖视图；

图20为本发明实施例另一种加压水系统的结构示意图。

标注部件：100-模型装配箱，101-支撑腿，102-加压口，103-排泄口，104-横向分隔肋，105-纵向分隔肋，106-排泄管，200-模型本体，201-垫层，202-仰拱层，203-仰拱填充层，204-道床板层，205-横向装配槽，206-纵向装配槽，300-应变片，400-安装架，401-吊梁，402-第一座体，403-第二座体，500-行走式竖向位移检测模块，501-直线电机，502-装配座，503-条形孔，504-激光位移传感器，505-延长座，506-调节孔，600-液压缸，700-可调式进水机构，701-喇叭罩，702-调整管，703-第一橡胶垫圈，704-第一挡板，705-第二挡板，706-连接套，707-导水座，708-插杆，709-拉伸弹簧，710-连接部，711-调整部，712-第二橡胶垫圈，800-调整架，801-横向板，802-放置板，803-驱动电机，804-传动丝杠，900-离合件，901-连接体，902-气胀体，903-充气腔，904-第一充气管，905-第一螺纹套，906-摩擦盘，907-固定座，908-连接凸缘，909-第二充气管，910-活动腔，911-活动体，912-插接条，913-第一卡齿，914-回位弹簧，915-第二螺纹套，916-卡盘，917-第二卡齿，1000-加压桶，1001-出水管，1002-出水控制阀，1100-加压罐体，1101-进水管，1102-下水管，1103-分配管，1104-加压支管，1105-支管控制阀，1106-减压阀，1107-补气管。

实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，如图1-20所示，包括支撑模块、模型本体200、行走式竖向位移检测模块500、应变检测模块及加压水系统。其中，模型本体200放置在支撑模块上，支撑模块用于支撑模型本体200，支撑模块与安装架400相连接，行走式竖向位移检测模块500滑动连接在安装架400上，并可在安装架400上主动行走，应变检测模块设置在模型本体200的上表面上。模型本体200包括自下而上依次设置的垫层201、仰拱层202、仰拱填充层203及道床板层204。支撑模块与加压水系统连接，并且由加压水系统而出的压力水作用于模型本体200的底部仰拱层202，即压力水通过垫层201作用在仰拱层202上。本发明的工作原理及优势在于：本发明依据模型试验的相似原理，首次构建了相对完整的隧道内无砟轨道结构，其包括垫层201、仰拱、仰拱填充层203、道床板层204，并配制适合模型试验的仰拱、仰拱填充层203、道床板层204的原材料和配合比，用以还原实际的隧道内无砟轨道结构，并通过加压水系统与支撑模块的不同方式的连接，可实现水压作用均布荷载，也可实现不同水头高度作用于仰拱不同位置，实现仰拱不均匀受力；本发明的行走式竖向位移检测模块500能够保证检测点位位置的灵活性，并方便地检测任意点位地竖向位移；本发明通过加压水系统模拟地下水作用仰拱底部，再通过所测得的应变数据和道床板层204的竖向位移数据来得到道床板层204的纵向拉应力，和道床板层204的竖向变形规律；综上可知，本发明能够准确地模拟均匀或者不均匀地下水对铁路隧道仰拱-无砟轨道的作用，进而检测无砟轨道道床板层204受地下水作用的受力变形规律。

作为本发明一个优选的实施例，考虑模型试验可实施性、可操作性、试验周期及隧道内双块式无砟轨道施工特点，确定模型试验的原型与模型几何相似常数C _L=10，可知模型隧道几何尺寸长*宽*高=4.8m*1.2m*0.226m。仰拱层202、仰拱填充层203和道床板层204首先按照相似理论及相似比，选择满足强度要求的原材料及配合比。确定几何相似常数C _L=10，容重相似常数C _ρ =1，以相似理论的3个基本定理为依据，推导出其他物理力学参数的相似关系如下表所示：

表1：物理力学参数的相似关系

根据表1确定的参数比，通过复合材料复配试验，确定的模型试验各结构层的材料参数如表2，材料及配比如表3所示：

表2：模型材料物理力学参数

表3：模型试验各结构层选用的相似材料及配合的份数比

本发明仰拱层202尺寸长4.8m、宽1.2m，中心高5cm，共需要石膏混合材料约691.2kg按照材料配比，支护模板，按照材料比例施工采用搅拌机拌合，并进行浇筑，每1.2m作为一个施工段，共施工4段。仰拱填充层203长4.8m，宽1.2m，中心高15cm。为了降低残余应力，分3层完成仰拱填充层203的制作，每5cm作为一个施工段。

本发明仰拱填充层203的施工和仰拱层202错缝5cm，即第一段1.15m，第二段1.2m，第三段1.2m，第四段1.25m。通过错缝，模拟现场施工中仰拱层202接缝和仰拱填充层203错缝0.5m左右的实际情况。按照材料配合比，采用搅拌机拌合分层分段施工，在仰拱层202施工完成后即可开始仰拱填充层203施工，由于石膏混合材料凝结固化较快，待仰拱填充层203完成模板工程，仰拱层202已经终凝，可在仰拱层202表面拉毛处理，以增强仰拱层202和仰拱填充层203的粘结。

本发明道床板层204宽0.28m，高2.6cm，长有两种规格：2.4m和1.2m。每一种规格都有两种铺设方式：a.道床板与仰拱填充层203接缝对齐；b.道床板跨越仰拱填充层203的接缝，并且道床板中心位置位于接缝附近，接缝称为结构缝。制作时，按照材料比例现场采用搅拌机拌合料，施工缝采用和现场相同的方式，结构缝宽2mm，用闭孔聚乙烯泡沫板填充，并采用硅酮密封材料封面。

本发明在模型装配箱100内均匀满铺等厚度的无纺土工布，该无纺土工布作为垫层201，无纺土工布的厚度为3mm～20mm。

作为本发明一个优选的实施例，如图5-6、11所示，支撑模块包括模型装配箱100，该模型装配箱100的上端处于开放的状态，模型装配箱100通过多组支撑腿101支撑在地面上，在模型装配箱100的底壁上开设有多个加压口102，在模型装配箱100的下端并且位于各个加压口102处可拆卸安装有可调式进水机构700，加压水系统的出口与相对应的至少一个可调式进水机构700连接。这样，实现了加压水系统对模型本体200的预定区域进行模拟检测；当加压水系统与一个可调式进水机构700连接时，实现模拟模型本体200某一个区域受地下水影响的情况；当加压水系统与两个以上的可调式进水机构700连接时，实现模拟模型本体200多个区域受地下水影响的情况。而且根据具体的试验需求，可以检测相邻的区域受地下水影响，也可以检测相离的区域受地下水影响，进而分析模型本体200的形变情况。而且，可以通过调整可调式进水机构700来实现对目标区域受水面积的改变，进而实现模拟地下水对预定区域的不同作用范围，来达到模型本体200在此情况下的不同形变情况。

作为本发明一个优选的实施例，如图12-14所示，可调式进水机构700包括喇叭罩701和止回式进水件，其中，喇叭罩701的大径端与模型装配箱100的下端可拆卸连接在一起，止回式进水件螺纹连接在喇叭罩701的小径端处，并且该止回式进水件的一端伸入喇叭罩701内。加压水系统的出口与止回式进水件的进口连接，压力水通过止回式进水件进入，并通过垫层201作用在仰拱层202上。当止回式进水件与垫层201具有一定距离时，这时压力水充满整个喇叭罩701，进而压力水的作用范围为喇叭罩701大径端所罩设的范围；当止回式进水件在喇叭罩701内旋进，并且止回式进水件的端部通过垫层201抵接在仰拱层202上时，压力水的作用范围为止回式进水件的出口端所对应的范围。通过上述的两种方式，实现压力水通过可调式进水机构700作用在仰拱层202上的范围改变。本实施例止回式进水件具体的结构为，止回式进水件包括调整管702，该调整管702与喇叭罩701的小径端螺纹连接，在调整管702内设置有具有多个第一导通孔的第一挡板704，在第一挡板704靠近模型装配箱100的一端设置有具有多个第二导通孔的第二挡板705，而且第一导通孔和第二导通孔相互错开。本实施例的第二挡板705连接有一个连接套706，该连接套706穿过第一挡板704，插杆708插装在连接套706内，并且插杆708远离连接套706的一端与导水座707连接，导水座707固定在调整管702内，而且在导水座707与连接套706之间设置有拉伸弹簧709，该拉伸弹簧709套装在插杆708外。本实施例的第二挡板705由于与连接套706连接，连接套706在拉伸弹簧709的作用下，使得第二挡板705与第一挡板704贴合，这样实现了第一导通孔和第二导通孔的封闭，当压力水通过导水座707进入到调整管702内时，第二挡板705在水压的作用下与第一挡板704分开一段距离，这样压力水通过第一导通孔和第二导通孔后作用在仰拱层202上，此时拉伸弹簧709处于拉伸状态。当停止压力水的作用时，第二挡板705在拉伸弹簧709的作用下回位，进而封闭调整管702。而且在压力水通过其他可调式进水机构700的调整管702逆向流动时，压力水作用在第二挡板705上，并且向调整管702的出口运动，这样，压力水推动第二挡板705紧密贴合在第一挡板704上，进而使得第一导通孔和第二导通孔封闭，实现了止逆的作用。本实施例当调整管702的端部抵接在仰拱层202表面上时，为了提高调整管702与模型本体200的密封程度，在调整管702的该端端部固定有第一橡胶垫圈703。本实施例为了进一步提高压力水经可调式进水机构700作用在模型本体200上的范围的可调节性，所采取的措施为，如图15所示，在调整管702伸入喇叭罩701的一端螺纹连接有调整嘴，该调整嘴包括一体成型的连接部710和调整部711，其中，连接部710与调整管702螺纹连接，调整部711构造在连接部710靠近模型装配箱100的一端，该调整部711口径渐缩或者口径渐扩。本实施例通过更换不同的调整部711，来实现压力水作用在模型本体200上单点处的范围改变。本实施例为了提高调整部711与模型本体200的密封程度，在调整部711的与模型本体200相抵的一端端部固定有第二橡胶垫圈712。

作为本发明一个优选的实施例，如图5、11所示，在模型装配箱100内构造有多根沿其长度方向间隔设置的横向分隔肋104，在模型装配箱100的底部中间位置构造有一根纵向分隔肋105，该纵向分隔肋105与各个横向分隔肋104连接，横向分隔肋104和纵向分隔肋105将模型装配箱100的底部分为多个检测区域。本实施例在模型装配箱100的底壁上且位于各个检测区域处开设排泄口103，排泄口103与构造在模型装配箱100下端的排泄管106连通，并且在每个排泄管106上安装有排放阀。本实施例的排泄口103也可以开设在模型装配箱100的侧壁上，并位于检测区域的高点位置处，以便于后续的排气作业。如图7所示，本实施例在模型本体200的下表面上与纵向分隔肋105和各个横向分隔肋104相对应处构造有纵向装配槽206和横向装配槽205。如图1所示，在安装架400的两端分别构造有第一座体402，每个第一座体402连接有一个第二座体403，第二座体403与模型装配箱100可拆卸连接，而且在每个第一座体402上安装有至少一个液压缸600，每个液压缸600的下端与模型本体200的上端可拆卸连接。本实施例的工作原理及优势在于：本实施例可进行至少一个检测区域的模拟试验，即通过液压缸600来驱动模型本体200抬升一定距离，使得模型本体200与模型装配箱100的底端具有一个距离，此时纵向分隔肋105和各个横向分隔肋104还处于装配在相对应的纵向装配槽206和横向装配槽205内的状态，这样，各个检测区域处于相互隔断的状态，之后，通过加压水系统连接检测区域的至少一个可调式进水机构700，压力水进入到检测区域内，使得检测区域内的压力水作用在该区域所对应的模型本体200的仰拱层202上，实现了检测区域整体的检测。本实施例也可进行模型本体200整体的检测，具体的，控制液压缸600驱动模型本体200抬升，直至纵向分隔肋105和各个横向分隔肋104与模型本体200完全脱离，这样，各个检测区域处于连通的状态，之后，通过加压水系统连接至少一个可调式进水机构700，压力水进入到各个检测区域内，使得模型本体200的下端承受压力水的作用。本实施例也可以调整行走式竖向位移检测模块500的竖向高度，具体的，将第二座体403与模型装配箱100解除连接，驱动液压缸600动作，由于模型本体200的重量较大，液压缸600在动作的过程中，其与模型本体200连接的一端不发生改变，液压缸600的另一端带动安装架400沿竖直方向运动，进而实现了行走式竖向位移检测模块500竖向位置的改变。

作为本发明一个优选的实施例，如图8-10所示，安装架400包括沿支撑模块的纵向延伸的吊梁401。行走式竖向位移检测模块500包括安装在吊梁401上的直线电机501，在该直线电机501上安装有装配座502，在装配座502上开设有条形孔503，条形孔503沿支撑模块的横向延伸，而且装配座502经条形孔503安装有激光位移传感器504。本实施例通过改变激光位移传感器504在装配座502上的连接位置，实现了激光位移传感器504的横向位置的调整，而且直线电机501带动激光位移传感器504沿吊梁401运动，进而实现了数据的采集的连续性。本实施例为了增加装配座502的可调节性，使得激光位移传感器504的调整范围增大，所采用的措施为，在直线电机501上连接有延长座505，在该延长座505上开设有条形的调节孔506，该调节孔506与条形孔503的延伸方向相同，装配座502通过调节孔506与延长座505连接。

作为本发明一个优选的实施例，如图16-19所示，加压水系统包括设置在地面上的调整架800，在调整架800的下部固定有横向板801，在调整架800上且位于横向板801的上方沿竖直方向间隔设置有多个放置板802，其中，每个放置板802与调整架800滑动连接，并且在每个放置板802上放置有多个加压桶1000，每个加压桶1000通过出水管1001与支撑模块连接，在出水管1001上安装有出水控制阀1002。本实施例在调整架800的下端设置有驱动电机803，该驱动电机803为正反转电机，驱动电机803的输出轴连接有传动丝杠804，该传动丝杠804沿竖直方向延伸，每个放置板802通过离合件900与传动丝杠804传动连接。本实施例通过驱动电机803驱动传动丝杠804转动，并控制相应的离合件900，使得传动丝杠804带动相对应的放置板802沿竖直方向运动，使得放置板802上的加压桶1000的水压头得到调整，进而实现对不同地下水位高度的模拟。本实施例为了确保加压桶1000内的水位保持恒定，在加压桶1000内安装有液位传感器，通过补水管对加压桶1000进行补水，使得液位保持在预定的位置。本实施例可进行一个放置板802或者多个放置板802高度的调整，进而实现模型本体200某一区域或者多个区域受等压地下水作用，或者实现模型本体200某一区域或者多个区域受不同压力的地下水作用，进而实现了仰拱层202均匀受力或者不均匀受力。本实施例离合件900分为两种实施方式，第一种，如图17所示，离合件900包括与放置板802固定连接的连接体901，该连接体901的下端为气胀体902所构成，在连接体901内形成充气腔903，该充气腔903的底壁为气胀体902，在连接体901上端连接有第一充气管904，该第一充气管904与充气腔903连通。在连接体901的下方设置有第一螺纹套905，该第一螺纹套905的外周壁与放置板802转动连接，在第一螺纹套905的上端构造有摩擦盘906，传动丝杠804依次穿过第一螺纹套905和连接体901，并且传动丝杠804与第一螺纹套905螺纹连接。本实施例的工作原理为：当需要驱动放置板802沿竖直方向运动时，高压气体通过第一充气管904进入充气腔903内，进而使得气胀体902胀大，使得气胀体902与摩擦盘906相抵，实现连接体901与第一螺纹套905连接为一体，传动丝杠804在转动的过程中，通过与第一螺纹套905传动，使得带动连接体901及放置板802沿竖直方向运动的目的；而其他不需要调整的放置板802上的离合件900中，第一螺纹套905和连接体901处于分离的状态，传动丝杠804转动的过程中，第一螺纹套905在放置板802上空转，进而不会发生竖直方向上的位移。第二种，如图18-19所示，该种离合件900包括固定座907，该固定座907通过构造在其上的连接凸缘908与放置板802连接，在固定座907上构造有活动腔910，固定座907上的第二充气管909与活动腔910相互连通，在活动腔910内装配有活动体911，该活动体911的外壁上沿其周向均匀地构造有沿竖向延伸的插接条912，在活动腔910的周壁上形成有沿竖向延伸的插接槽，插接条912装配在插接槽内，并且可在插接槽内沿竖向滑动，本实施例在活动体911的下端端面上均匀地构造有第一卡齿913，在活动腔910内安装有回位弹簧914，该回位弹簧914的两端分别与活动体911和固定座907连接。本实施例在固定座907的下方设置有第二螺纹套915，该第二螺纹套915通过其外周壁与放置板802转动连接，在第二螺纹套915的上端设置有卡盘916，在卡盘916的上端端面上均匀地构造有第二卡齿917，传动丝杠804依次穿过第二螺纹套915和固定座907，并且传动丝杠804与第二螺纹套915螺纹连接。本实施例的工作原理为：当需要驱动放置板802沿竖直方向运动时，高压气体通过第二充气管909进入活动腔910内，进而使得活动体911向下运动，使得活动体911上的第一卡齿913与卡盘916上的第二卡齿917相互咬合，实现活动体911、固定座907及第二螺纹套915形成一体，传动丝杠804在转动的过程中，通过与第二螺纹套915传动，使得带动固定座907及放置板802沿竖直方向运动的目的；而其他不需要调整的放置板802上的离合件900中，第二螺纹套915和活动体911处于分离的状态，传动丝杠804转动的过程中，第二螺纹套915在放置板802上空转，进而不会发生竖直方向上的位移。

作为本发明一个优选的实施例，加压水系统还可以采用另一种方式实施，具体的，如图20所示，加压水系统包括设置在地面上的加压罐体1100，在加压罐体1100的下水管1102上连接有分配管1103，在该分配管1103上连通有多根并排设置的加压支管1104，在每个加压支管1104上安装有支管控制阀1105及减压阀1106。本实施例在加压罐体1100周壁的上部连接有进水管1101，在加压罐体1100的顶壁上端构造有补气管1107。本实施例的工作原理为：本实施例通过加压支管1104来实现对模型本体200的不同区域进行加压试验，而且根据调整减压阀1106，实现对模型本体200的不同压力的施加。本实施例为了使得加压罐体1100内的水压处于预定的范围内，通过补气管1107对加压罐体1100进行补气加压。

本发明还公开了一种利用上述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置的检测方法，包括如下步骤：

S1、根据试验选定工况，选取压力水作用的区域，确定模型本体200底部受水压作用的位置和水头高度。

S2、确定应变片300和激光位移传感器504的位置：根据有限元仿真结果将应变检测模块固定在模型本体200上表面的相应位置处；即确定应变片300和激光位移传感器504的位置，以原型隧道尺寸和材料为依据建立有限元分析模型，应变片300粘贴位置：根据有限元仿真结果选择沿线路方向0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、45、48m，共17处作为贴应变片300的横断面，选择距离端部0、0.5、0.75、1.0、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.8m共10处沿线路方向粘贴应变片300。应变片300长度不得过短，长度方向与隧道方向保持一致。贴应变片300时，首先用酒精棉球擦干净要贴应变片300的部位，再用AB胶和502胶水确保应变片300粘贴牢固，并固化至少24h。应用手持式电阻仪检测电路，有电阻显示说明线路正常，检测不到电阻或者电阻异常，需要更换连接应变片300的电线或者更换应变片300和电线。激光位移传感器504固定位置：道床板层204接缝处竖向位移最大，板中位移最小，选择激光位移传感器504可实现全线连续检测，可选择线路中心线1.4m处作为观测线。

S3、行走式竖向位移检测模块500检测道床板层204钢轨位置处模型本体200全长范围内的初始竖向位移并做好记录；即采用激光位移传感器504观测道床板钢轨位置处模型本体200全长范围内的初始竖向位移并做好记录。因为模型本体200制作完成后，本身存在一个不均匀变形，这个就是初始竖向位移和初始应变，模型本体200受地下水作用稳定后，产生新的竖向位移和应变，这时检测到的竖向位移和应变不是模型本体200的绝对值，而是相对值，故需要减去初始竖向位移和初始应变值，得到的结果即是模型本体200受地下水作用后产生的绝对竖向位移和应变值。

S4、将加压水系统与支撑模块的底部连接，且连接的位置为待检测的区域处。

S5、调整水压，使之处于预定的水压范围内。

S6、应变数据采集仪采集应变检测模块的应力并传输至电脑；即按应变仪检测数据稳定性的要求，若是检测时间段内，环境温度和检测结构位置的温差较大时（>5℃，具体温度差根据设备使用要求），需要进行温度补偿，环境温度与待检测构件表面温差不大时（≤5℃）则不需要温度补偿。将连接应变片300的电线连接到应变检测仪对应的线路接口上，打开电脑里的对应软件，检测前做好0位标定后，开始采集试验数据。应变检测不少于3min，需要等数据稳定后停止试验（1h内观测数据稳定，误差不大于±0.01mm）。位移观测时间超过3min时，应变监测应同时进行。遇异常数据时，分析原因，解决问题后再进行观测。

S7、在检测时，控制直线电机501带动激光位移传感器504匀速、稳定前进，行走不少于3个往复，用数据采集仪采集数据，电脑保存数据，确保数据的稳定性（相邻两次的检测误差不大于±0.01mm）。

S8、测得道床板层204多处应变后，根据公式σ=Eε，E表示杨氏模数，σ表示正向应力，ε表示正向应变,求出道床板层204多处的截面应力。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：包括经支撑模块所支撑的模型本体，所述支撑模块连接有安装架，于所述安装架上滑动连接有行走式竖向位移检测模块，于所述模型本体的上表面上设置有应变检测模块；所述支撑模块与加压水系统连接，且由加压水系统而出的压力水作用于模型本体的底部；所述模型本体包括自下而上依次设置的垫层、仰拱层、仰拱填充层及道床板层。

2.根据权利要求1所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：所述支撑模块包括上端处于开放状态的模型装配箱，所述模型装配箱经多组支撑腿支撑于地面上，于模型装配箱的底壁上开设有多个加压口，于所述模型装配箱的下端且位于各加压口处可拆卸安装有可调式进水机构，所述加压水系统的出口与相对应的至少一个可调式进水机构连接。

3.根据权利要求2所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：所述可调式进水机构包括大径端与模型装配箱下端可拆卸连接的喇叭罩，止回式进水件螺纹连接于喇叭罩的小径端，且所述止回式进水件的一端伸入喇叭罩内。

4.根据权利要求3所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：所述止回式进水件包括与喇叭罩的小径端螺纹连接的调整管，于所述调整管内设置有具有多个第一导通孔的第一挡板，于所述第一挡板靠近模型装配箱的一端设置有具有多个第二导通孔的第二挡板，所述第一导通孔和第二导通孔相互错开；所述第二挡板连接有一穿过第一挡板的连接套，一插杆插装于连接套内，且插杆远离连接套的一端与导水座连接，所述导水座固定于调整管内，且于导水座与连接套之间设置有拉伸弹簧，所述拉伸弹簧套装于插杆外。

5.根据权利要求4所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：于所述调整管伸入喇叭罩的一端螺纹连接有调整嘴，所述调整嘴包括与调整管螺纹连接的连接部，于所述连接部靠近模型装配箱的一端构造有口径渐缩或者口径渐扩的调整部。

6.根据权利要求2所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：于所述模型装配箱内构造有多根沿其长度方向间隔设置的横向分隔肋，于模型装配箱的底部中间位置构造有一根与各横向分隔肋连接的纵向分隔肋，所述横向分隔肋和纵向分隔肋将模型装配箱的底部分为多个检测区域，于模型装配箱的底壁上且位于各检测区域处开设排泄口，所述排泄口与构造于模型装配箱下端的排泄管连通；于所述模型本体的下表面上与纵向分隔肋和各横向分隔肋相对应处构造有纵向装配槽和横向装配槽；于所述安装架上且位于其两端处分别安装有至少一个液压缸，各所述液压缸的下端与模型本体的上端可拆卸连接。

7.根据权利要求1所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：所述安装架包括沿支撑模块的纵向延伸的吊梁，所述行走式竖向位移检测模块包括安装于吊梁上的直线电机，于所述直线电机上安装有装配座，于所述装配座上开设有沿支撑模块的横向延伸的条形孔，且装配座经条形孔安装有激光位移传感器。

8.根据权利要求1所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：所述加压水系统包括设置于地面上的调整架，于所述调整架上沿竖直方向间隔设置有多个放置板，各所述放置板与调整架滑动连接，且于各放置板上放置有多个加压桶，各所述加压桶通过出水管与支撑模块连接；于所述调整架的下端设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接有沿竖向延伸的传动丝杠，各所述放置板经离合件与传动丝杠传动连接。

9.根据权利要求1所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置，其特征在于：所述加压水系统包括设置于地面上的加压罐体，于所述加压罐体的下水管上连接有分配管，于所述分配管上连通有多根并排设置的加压支管，于各所述加压支管上安装有支管控制阀及减压阀；于所述加压罐体周壁的上部及顶壁的上端分别构造有进水管及补气管。

10.一种利用权利要求1-9中任一项所述的水压作用下无砟轨道受力变形模型试验装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据试验选定工况，选取压力水作用的区域，确定模型本体底部受水压作用的位置和水头高度；

S2、确定应变片和激光位移传感器的位置：根据有限元仿真结果将应变检测模块固定在模型本体上表面的相应位置处；

S3、行走式竖向位移检测模块检测道床板层钢轨位置处模型本体全长范围内的初始竖向位移并做好记录；

S4、将加压水系统与支撑模块的底部连接，且连接的位置为待检测的区域处；

S5、调整水压，使之处于预定的水压范围内；

S6、应变数据采集仪采集应变检测模块的应力并传输至电脑；

S7、竖向位移观测时，控制行走式竖向位移检测模块匀速、稳定行走，且行走不少于3个往复，用数据采集仪采集数据，电脑保存数据，确保数据的稳定性；

S8、测得道床板层多处应变后，根据公式σ=Eε，E表示杨氏模数，σ表示正向应力，ε表示正向应变,求出道床板层多处的截面应力。

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