CN201901829U - 一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统 - Google Patents

一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统 Download PDF

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边学成
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卢文博
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Abstract

本实用新型公开了一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统。该系统包括模型试验箱、高速铁路无砟轨道路基模型、激励系统和监测系统。高速铁路无砟轨道路基模型依次由地基、基床底层、基床表层、混凝土底座、CA砂浆、轨道板、扣件系统和钢轨组成,激励系统由一系列的激振器组成,通过协同控制每个激振器的激振频率和相位,实现不同运行速度下列车荷载的模拟。在路基模型中布置了动态土压力传感器和分层沉降计,混凝土底座内部埋设了钢筋应变计,轨道结构上布置了位移、加速度传感器,共同构成模型试验系统的监测系统。本实用新型可用于开展列车运行荷载下路基动力学模型试验的研究,可对不同的地基条件、路基结构和轨道不平顺进行评估和预测。

Description

一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统
技术领域
本实用新型涉及路基动力学模型试验系统,尤其是涉及一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统。
背景技术
目前,我国在300km/h及以上客运专线铁路上普遍采用无砟轨道技术。由于无砟轨道已经松散的道砟换成了刚度巨大的钢筋混凝土材料,使得无砟轨道结构对路基的变形和刚度极其敏感。列车的高速运行对轨道结构和路基土体的动力性能提出了很高的要求。列车速度的提高,导致轨道结构的振动加剧,尤其当列车速度接近土体的临界波速时,土体的动力响应急剧增加。列车速度的提高,导致路基内部动应力的影响范围变大,使得路基的不均匀沉降变大,进而引起轨道的不平顺,加剧了车轨的动力相互作用。路基变形的控制已经达到了亚厘米—毫米级,如:无砟轨道路基的工后零沉降理论、一般路基工后沉降不大于15mm、路基与其它结构交界处的差异沉降不大于5mm等,这些技术标准和工程问题已经超出了目前国际上对岩土材料极其构筑物工程特性的认识水平。目前,高速铁路动力学试验的研究手段主要有室内模型试验和现场原位测试两种。室内模型试验受到场地尺寸和列车速度的限制,不易实现真车的高速移动加载;现场原位测试虽然可以采用真实的列车高速运行,但所处的环境比较复杂不易控制,且对监测设备的要求很高。如西南交通大学建立了室内1:3的模型试验,进行无砟轨道定点循环加载试验,这与模拟列车的运行荷载还有很大的差距。再如北京东郊环形道无砟轨道试验段采用真车进行现场模拟试验,可以实现不同列车速度下的动力学试验,不足之处是:现场的地质条件和环境条件不可控,轨道和路基模型无法实现重复制作性。
发明内容
为了克服现有室内模型试验和现场原位测试的不足,本实用新型的目的在于提供一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统,本实用新型不仅可以实现室内模型试验的模型环境可控性,还可以实现现场原位测试的列车荷载移动性,从而在室内模型试验中实现“假车真路”的动力学模拟试验。
本实用新型采用的技术方案是:
该系统由模型试验箱、高速铁路无砟轨道路基模型、激励系统和监测系统构成;其中:
1) 模型试验箱:是由四个侧面钢板和底板构成的长方形钢结构模型槽;
2) 高速铁路无砟轨道路基模型:在模型试验箱底板上由下至上依次设置有碎石和砂垫层、地基、基床底层、基床表层、混凝土底座、CA砂浆、轨道板、扣件系统和两根钢轨;两根钢轨通过扣件系统连接在轨道板上,基床底层和基床表层构成基床底层底面大而基床表层上面小其坡度为1:1.5的梯形体;
3) 激励系统:包括多个激振器、与激振器个数相同的分配梁;分配梁按照扣件系统的间距设置在两根钢轨上,每个激振器分别安置于各自的分配梁上表面中心;
4) 监测系统:包括多个动态土压力传感器、多个分层沉降计、多个钢筋应变计、多个位移传感器和多个加速度传感器。
多个动态土压力传感器分别布置在混凝土底座正下方区域的地基中间厚度处、基床底层与地基结合处、基床底层中间厚度、基床底层与基床表层结合处和基床表层与混凝土底座结合处。
多个分层沉降计分别布置在混凝土底座正下方区域的基床底层与地基结合处、基床底层与基床表层结合处和基床底层与混凝土底座结合处。
多个钢筋应变计按照扣件系统的间距分别连接在混凝土底座上下表层的两层钢筋上,位置分别对应于上方的两根钢轨及轨道板纵向中心线。
多个位移传感器按照扣件系统的间距分别布置在轨道板表面的纵向中心线及轨道板两侧靠近扣件系统处。
多个加速度传感器按照扣件系统的间距分别布置在轨道板表面的纵向中心线及轨道板两侧靠近扣件系统处。
所述的模型试验箱底部的碎石和砂垫层内设有控制水位用的供水管网。
所述的基床底层上方的模型试验箱顶部两侧设有模拟降水用的喷淋系统。
所述的多个动态土压力传感器分别对应于上方的扣件系统中心处、轨道板纵向中心线处和混凝土底座横向边缘位置;多个分层沉降计分别对应于上方的扣件系统中心处、轨道板纵向中心线处和混凝土底座横向边缘位置。
本实用新型与背景技术相比,具有的有益效果是:
(1)可产生多种致灾和加固条件,模拟功能多,包括地下水位变动、真空预压、复合地基、桩基等;
(2)高速铁路无砟轨道路基模型中土层条件、地下水位、初始应力状态及边界条件可控、已知;
(3)可代替真实列车,模拟列车的运行过程;
(4)可模拟列车不同速度和轨道不平顺时的轮轨垂向相互作用;
(5)监测系统全面、综合,可实现多个物理量的自动、实时监测;监测仪器埋设相对容易,试验操作比较简单;
(6)短时间内可预测路基的永久变形以及路基沉降与轨道不平顺的关系。
附图说明
图1是高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统示意图;
图2是高速铁路无砟轨道路基模型;
图3是监测系统布置示意图。
图中:1、模型试验箱,2、高速铁路无砟轨道路基模型,3、激励系统,4、监测系统,5、主体钢结构梁柱,6、主体结构侧面钢板,7、地基,8、基床底层,9、基床表层,10、混凝土底座,11、CA砂浆,12、轨道板,13、扣件系统,14、钢轨,15、激振器,16、分配梁,17、动态土压力传感器,18、分层沉降计,19、钢筋应变计,20、位移传感器,21、加速度传感器,22、碎石和砂垫层,23、供水管网,24、喷淋系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明。
如图1所示,该系统由模型试验箱1、高速铁路无砟轨道路基模型2、激励系统3和监测系统4构成;其中:
1) 模型试验箱1:由主体钢结构梁柱5和主体结构侧面钢板6组成的长方形钢结构模型槽,尺寸为长15m×宽5m×高6m;
2) 高速铁路无砟轨道路基模型2:在模型试验箱1底板上由下至上依次设置有碎石和砂垫层22、地基7、基床底层8、基床表层9、混凝土底座10、CA砂浆11、轨道板12、扣件系统13和两根钢轨14,如图2所示;两根钢轨14通过扣件系统13连接在轨道板12上,基床底层8和基床表层9构成基床底层8底面大而基床表层9上面小其坡度为1:1.5的梯形体。其中,地基7厚度2.5m,采用南方典型的钱塘江粉土,分层填筑夯实,虚铺35cm,夯实至25cm,控制填土的密度和含水量,从而满足高速铁路设计规范中对地基土体比贯入阻力Ps不低于1.8MPa的要求。填筑完成后,对地基7进行静力触探试验,抽取地基7范围内的9个测点检验土体的比贯入阻力。基床底层8厚度2.3m,采用A/B类填料,主要成分为粗砂,分层填筑夯实,虚铺30cm,夯实至25cm,基床表层9厚度0.4m,采用级配碎石,分层填筑夯实,虚铺25cm,夯实至20cm,控制填土的密度和含水量,填筑完成后,抽取基床底层8、基床表层9范围内各9个测点,检验地基系数k30、变形模量Ev2、动态变形模量Evd和孔隙率n,压实质量标准应符合表1的要求。混凝土底座10厚度0.3m,预先扎好钢筋笼,双向布筋,采用C40混凝土现场浇注。待混凝土底座10的强度满足要求后,铺设CA砂浆灌注袋,吊装轨道板12并灌注CA砂浆11。最后将扣件系统13和钢轨14安装在轨道板12上。
表1 高速铁路无砟轨道基床填料压实标准
Figure 201020666503X100002DEST_PATH_IMAGE001
3) 激励系统3:包括多个激振器15、与激振器15个数相同的分配梁16;分配梁16按照扣件系统13的间距设置在两根钢轨14上,每个激振器15分别安置于各自的分配梁16上表面中心;根据列车运行时轮轨作用力设置激振器15的激振力幅值,根据列车的运行速度设置每个激振器15的激振频率和相位,实现不同运行速度下列车荷载的模拟。
4) 监测系统4:包括多个动态土压力传感器17、多个分层沉降计18、多个钢筋应变计19、多个位移传感器20和多个加速度传感器21,如图3所示;激励系统3启动之后,可以通过监测系统4对高速铁路无砟轨道路基模型2内部动应力的分布规律、各结构层的沉降发展规律、路基沉降对轨道结构受力的影响以及轨道结构的振动特性进行动态监测与评价。其中:
多个动态土压力传感器17分别布置在混凝土底座10下面的地基7中间厚度、基床底层8与地基7结合处、基床底层8中间厚度、基床底层9与基床表层9结合处和基床表层9与混凝土底座10结合处,在横断面方向,多个动态土压力传感器17分别对应于扣件系统13中心处、轨道板12纵向中心线处和混凝土底座10横向边缘位置;动力加载过程中,通过动态土压力传感器17可以获得列车动荷载沿着基床表层9、基床底层8和地基7的分布大小和衰减规律,通过变化加载频率,可获得各个结构层中动应力随着车速的变化规律,用以评价不同列车速度下路基内部土体的动力响应;
多个分层沉降计18分别布置在混凝土底座10下面的基床底层8与地基7结合处、基床底层9与基床表层9结合处和基床底层9与混凝土底座10结合处,在横断面方向,多个分层沉降计18分别对应于扣件系统13中心处、轨道板12纵向中心线处和混凝土底座10横向边缘位置;通过分层沉降计18可以获得基床表层9、基床底层8和地基7在列车动荷载下的动态变形特性和永久沉降发展规律,用以评价路基中的变形传递机理和各个结构层的填筑质量,以指导路基施工;
多个钢筋应变计19按照扣件系统13的间距分别连接在混凝土底座10上下表层的两层钢筋上,位置分别对应于两根钢轨14及轨道板12纵向中心线;通过钢筋应变计19可以监测列车动荷载作用下混凝土底座10的应力应变关系,评价混凝土底座10的服役性能;
多个位移传感器20按照扣件系统13的间距分别布置在轨道板12表面的纵向中心线及轨道板12两侧靠近扣件系统13处;通过位移传感器20可以获得列车荷载作用下轨道结构的动态变形和永久沉降,探究路基沉降和轨道沉降的传递机理,用以预测列车荷载长期作用下轨道的永久沉降;
多个加速度传感器21按照扣件系统13的间距分别布置在轨道板12表面的纵向中心线及轨道板12两侧靠近扣件系统13处;通过加速度传感器21可以获得列车荷载作用下轨道结构的振动特性,评价轨道结构的振动特性。
模型试验箱1底部的碎石和砂垫层22内设有供水管网23,可调节地基7的水位,模拟地下水的变化情况。
基床底层8上方的模型试验箱1顶部两侧设有喷淋系统24,可模拟高速铁路现场的降水情况。

Claims (4)

1.一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统,其特征在于:该系统由模型试验箱(1)、高速铁路无砟轨道路基模型(2)、激励系统(3)和监测系统(4)构成;其中:
1) 模型试验箱(1):是由四个侧面钢板和底板构成的长方形钢结构模型槽;
2) 高速铁路无砟轨道路基模型(2):在模型试验箱(1)底板上由下至上依次设置有碎石和砂垫层(22)、地基(7)、基床底层(8)、基床表层(9)、混凝土底座(10)、CA砂浆(11)、轨道板(12)、扣件系统(13)和两根钢轨(14);两根钢轨(14)通过扣件系统(13)连接在轨道板(12)上,基床底层(8)和基床表层(9)构成基床底层(8)底面大而基床表层(9)上面小其坡度为1:1.5的梯形体; 
3) 激励系统(3):包括多个激振器(15)、与激振器(15)个数相同的分配梁(16);分配梁(16)按照扣件系统(13)的间距设置在两根钢轨(14)上,每个激振器(15)分别安置于各自的分配梁(16)上表面中心; 
4) 监测系统(4):包括多个动态土压力传感器(17)、多个分层沉降计(18)、多个钢筋应变计(19)、多个位移传感器(20)和多个加速度传感器(21);
多个动态土压力传感器(17)分别布置在混凝土底座(10)正下方区域的地基(7)中间厚度处、基床底层(8)与地基(7)结合处、基床底层(8)中间厚度处、基床底层(9)与基床表层(9)结合处和基床表层(9)与混凝土底座(10)结合处;
多个分层沉降计(18)分别布置在混凝土底座(10)正下方区域的基床底层(8)与地基(7)结合处、基床底层(9)与基床表层(9)结合处和基床底层(9)与混凝土底座(10)结合处;
多个钢筋应变计(19)按照扣件系统(13)的间距分别连接在混凝土底座(10)上下表层的两层钢筋上,位置分别对应于上方的两根钢轨(14)及轨道板(12)纵向中心线;
多个位移传感器(20)按照扣件系统(13)的间距分别布置在轨道板(12)表面的纵向中心线及轨道板(12)两侧靠近扣件系统(13)处;
多个加速度传感器(21)按照扣件系统(13)的间距分别布置在轨道板(12)表面的纵向中心线及轨道板(12)两侧靠近扣件系统(13)处。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统,其特征在于:所述的模型试验箱(1)底部的碎石和砂垫层(22)内设有控制水位用的供水管网(23)。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统,其特征在于:所述的基床底层(8)上方的模型试验箱(1)顶部两侧设有模拟降水用的喷淋系统(24)。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统,其特征在于:所述的多个动态土压力传感器(17)分别对应于上方的扣件系统(13)中心处、轨道板(12)纵向中心线处和混凝土底座(10)横向边缘位置;多个分层沉降计(18)分别对应于上方的扣件系统(13)中心处、轨道板(12)纵向中心线处和混凝土底座(10)横向边缘位置。
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