CN210604213U - 一种铁路填石路堤抗剪试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种铁路填石路堤抗剪试验装置，包括推力装置、物理信息检测系统和固定钢箱；所述推力装置包括压力器、固定所述压力器的枕木板、钢板和可调平支架；压力器设置在固定钢箱内，PTFE板设置在固定钢箱的两肋板内侧，压力器一端设置钢板和枕木板，枕木板的两端与PTFE板连接，压力器工作时，推动枕木板和钢板沿所述PTFE板运动，从而实现试验土体的剪出；还包括光纤，预埋在试验土体内，OTDR测试仪用于检测试验土体的破坏点位置。本实用新型的试验装置，操作简单，测量精度高，测量结果更可靠，可用于施工场地检测，快速筛选出稳定性更优越的填石材料。
Description
技术领域
本实用新型涉及铁路工程技术领域，尤其涉及一种铁路填石路堤抗剪试验装置。
背景技术
路堤是指在天然地面上用土或石填筑的具有一定密实度的线路建筑物。其中填石路堤是利用粒径大于40mm且不大于500mm的石料填筑的路堤。
近年来，随着我国经济日益发展，铁路建设迅速发展。用碎石材料填筑路堤的情况越来越多，尤其在我国的多山丘陵地区，因为铁路路基填料大多是从石质挖方和隧道弃方而来，所以填石路堤被广泛应用。又因为铁路上填石路堤中所含粗粒料较高，填料的压实特性、力学特性等稳定性参数基本由填料中的粗粒部分决定。
目前国内对铁路填石路堤的研究还比较少，铁路填石路堤的稳定性是铁路工程安全中的重中之重，在施工过程中，影响填石路稳定性的因素很多，具体研究各工况和因素对填石路堤的影响十分必要，这对于保证铁路列车的运行安全具有重要作用。如果铁路建设过程中填石路堤填石材料选取不当，从而会导致铁路路堤稳定性较差，车辆行驶安全会存在极大的风险，严重的可导致列车脱轨、车辆侧翻及人员伤亡。因此，对于铁路填石路堤的稳定性而言，材料选取是否合适非常关键。
推滑平衡分析法的基本原理是对土体施加推力，使土体达到极限强度后失去稳定而滑动。推力作用在土体上，土颗粒受到挤压，除沿着推力方向传递位移外，还要向四周挤压发生侧向应变，这种应变受到周围土体的约束，产生侧压力。而表面为临空面，土体不受约束，其余3个侧面(两侧和底面) 则受土体的约束，故需考虑侧压力的作用。这样，作用于土体上的力，除本身的重力外，还有水平推力和由它产生的侧压力，这些力形成了滑动力和抗滑力。当滑动力等于抗滑力时，土体处于极限平衡状态。根据这一原理，可以求出土体的指标。
现有的抗剪试验方法通常采用的是打孔灌柱法，试验土体打孔后，孔内灌入石灰，当试体剪断后，需人工开挖以确定破坏点的位置，开挖过程中可能会破坏灌柱，因此对破坏点位置的确认造成很大程度的干扰，从而造成测量不准确，测量精度不高，从而影响工程安全。
有鉴于此，特提出本实用新型。
实用新型内容
为解决现有技术中缺乏铁路填石路堤抗剪试验装置，以及现有的其他领域的抗剪试验装置，设备简陋，测量精度不高；人工开挖剪断的试验土体确认滑裂面的方法不准确的问题，本实用新型提供一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置。
本实用新型的技术方案如下：
一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，包括推力装置、物理信息检测系统、固定装置；所述推力装置包括压力器、固定所述压力器的枕木板、钢板和可调平支架；所述固定装置包括固定钢箱，PTFE板；
所述固定钢箱为U型钢箱，包括一侧板和两肋板，所述固定钢箱从内向外依次设置压力器、钢板、枕木板，所述压力器下方固定设置可调平支架；所述PTFE板分别设置在所述固定钢箱的两肋板内侧，所述枕木板垂直设置于两个所述PTFE板之间，所述枕木板、两个所述PTFE板围合形成的空间用于填充待试验土体，所述压力器推动所述钢板、枕木板在两个所述PTFE板间运动，将所述待试验土体剪出；
所述物理信息检测系统包括位移传感器、压力传感器，所述位移传感器设置在钢板上，所述压力传感器设置在所述肋板上；还包括预埋于所述待试验土体内的光纤，所述固定钢箱肋板上固定设置光时域反射测试仪(OTDR 测试仪)，用于检测光纤断点位置。
所述位移传感器用来测量推进土体的位移值，所述压力传感器用来测量推动过程中侧压力大小。
较佳地，还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在所述固定钢箱的侧板上。用来测固定钢箱的垂直度，有效保证装置的垂直放置及水平横向推进加压，从而保证顶推行程的正常进行。
较佳地，所述U型钢箱的侧板与所述压力器间还设置后枕木和后钢板，给与压力器反向作用力，维持压力器的稳定推进；所述压力器为带压力表的油压千斤顶，方便读取推进压力值。
较佳地，所述推力装置为油压千斤顶，方便读取推进压力数值。
较佳地，所述可调平支架为ABS可调平支架，所述ABS可调平支架包括 ABS固定底座、ABS螺纹升降管、尼龙扎带，所述ABS螺纹升降管用于调节高度。
PEFE(聚四氟乙烯)板，具有不沾性，高润滑性，其摩擦因数在工程材料中可称为最小，加之润滑油作用其摩擦系数可忽略。
较佳地，所述物理信息检测系统还包括信号读取设备，将所述位移传感器、所述压力传感器、所述倾角传感器的结果可视化。
较佳地，所述预埋光纤材料为石英，直径约13mm。
较佳地，所述位移传感器为激光位移传感器，所述压力传感器为电磁压力传感器。测量精度高，测量范围大。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：
第一，本实用新型的一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，采用了先进高精度传感器检测设备，倾角传感器可以有效保证装置的垂直放置及横向推进过程中提供反向作用力，从而确保顶推过程的顺利进行；激光位移传感器可精确测量推进土体的位移值，电磁压力传感器测量侧压力，位移值、侧压力、油压千斤顶的推进压力值等用于确定平衡方程；通过合理布置测试光纤，结合OTDR测试仪，快速、准确地测出光纤预埋点的剪切破坏位置，相比于现有的打孔灌柱法定位更精确，而且对试验土体不会产生任何破坏。
第一，本实用新型的一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，能够在现场条件下较为快速准确的确定施工场地路堤填石材料的抗剪强度指标，减少因为将样本带回实验室测定的误差；通过OTDR测试仪较准确测出光纤预埋点的剪切破坏位置，提高测量精度，快速得到抗剪强度指标，提高了工作效率；相对于现有的打孔灌柱法试验土体剪切破坏后无法直观确定破坏点位置，还需剖切土体，这样操作较繁琐并且会导致误差产生；本实用新型的试验装置，使用时对试验土体不会产生任何破坏，测量结果更可靠。
第二，本实用新型的一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，使用时，在施工场地现场，即可筛选出稳定性更优越的填石材料，从而节约人力、物力、财力，并保证了铁路工程安全性。
第三，本实用新型的一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，结构简单，操作便捷，可以多次反复使用，并且能够在一个装置上同时测定不同填石材料路堤的抗剪指标参数，为工程实际提供参考，从而起到节约成本、缩短工期、提高工程质量安全的目的。
当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的新型铁路填石路堤抗剪试验装置的纵截面示意图；
图2是本实用新型实施例1的新型铁路填石路堤抗剪试验装置的俯视图；
图3是本实用新型实施例2新型铁路填石路堤抗剪试验中试验土体条块划分示意图；
图4是本实用新型实施例2新型铁路填石路堤抗剪试验中圆弧条块受力分析示意图。
附图标记：1.固定钢箱 2.后枕木 3.后钢板 4.前钢板 5.油压千斤顶 6.激光位移传感器 7.前枕木 8.预埋光纤 9.填石路堤 10.电磁压力传感器 11.PTFE板 12.信号读取设备 13.ABS可调平支架 14.剪切破坏面 15.倾角传感器 16.尼龙扎带 17.ABS螺纹升降管 18.ABS固定底座 19.OTDR测试仪；21.圆弧条块。
具体实施方式
本实用新型提供一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，包括推力装置，物理信息检测系统和固定钢箱；所述推力装置包括压力器、固定所述压力器的枕木板、钢板和ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料)可调平支架；所述物理信息检测系统包括倾角传感器、位移传感器、压力传感器、及OTDR测试仪。推力装置设置在所述固定钢箱内，固定钢箱为U型钢箱，PTFE板设置在所述固定钢箱的两肋板内侧，所述压力器一端设置枕木板和钢板，所述枕木板和钢板与所述PTFE板连接，压力器工作时，推动枕木板和钢板沿所述PTFE板运动，从而将待试验土体剪出。
物理信息检测系统用于检测各参数，倾角传感器设置在U型钢箱侧板外侧，用来测固定钢箱垂直度；激光位移传感器设置在钢板上用来测量推进位移，电磁压力传感器设置在固定钢箱两肋板上用来测量推动过程中侧压力大小。OTDR测试仪即光时域反射测试仪，设置在固定钢箱肋板上，可用于光纤断点定位。
本实用新型的一种新型铁路填石路堤抗剪试验方法，具体步骤如下：
第一步，在铁路填石路堤预定深度处，开挖出一个三面垂直临空的长方体待试验土体，具体长方体尺寸由试验土体填石粒径而定，高H约为5倍最大试验土体粒径，宽B约为1.8H，长度L与宽度B相同；
第二步，在开挖的待试验土体临空的两个侧面各安放一个PTFE板，回填土料并夯实，PTFE板与土料的接触面涂上一层润滑油；
第三步，安装并固定U型钢箱，垂直于路堤且U型开口朝向路堤布置； U型钢箱包括一侧板和两肋板，两个所述PTFE板分别位于所述两肋板的内侧并紧贴所述肋板；侧板外侧安装倾角传感器，通过监测使得U型钢箱始终保持竖直；U型钢箱内，依次设置后枕木、后钢板、ABS可调平支架，将油压千斤顶固定在可调平支架上；调节ABS可调平支架高度使油压千斤顶的推力作用点位置，在水平向位于U型钢箱内居中，在垂直向距试验土体底部高度为1/3H，然后安装前钢板、前枕木，前枕木的两端分别与所述PTFE板连接；
第四步，测试前，沿推进方向距前枕木约1/4L处开始打第一个垂直贯穿土体的孔，之后每隔0.2m打一个孔并安置预埋光纤，所述孔位于U型钢箱的中心线上；在后钢板上安装激光位移传感器，在固定钢箱的两肋板上安装电磁压力传感器和OTDR测试仪；
第五步，驱动油压千斤顶施加水平推力，在逐级加压的同时测量并记录油压千斤顶的推力、试验土体位移、试验土体两侧压力的数值，当油压千斤顶上压力表读数开始下降时，记录该压力值为铁路填石路堤被剪切破坏时的最大推进压力值为Qmax；松开油压千斤顶油阀，使压力表读数回落到一稳定值，记录此时最小推进压力值为Qmin，然后继续加压推进使得试验土体剪出；
第六步，通过OTDR测试仪检测预埋光纤的信息参数，确定破坏点位置，破坏点相连组成剪切面形状，绘制出试验土体剪切破坏面图形；
第七步，根据试验现场所测数据，根据试验现场所测数据，按平面问题进行圆弧条块分析，由作用于滑弧上的重力G，单宽有效推力和由所产生的作用于底面上的侧压力建立平衡方程(受力分析如图4所示)；
gi＝γdHiLiBi
Qi＝Qmaxgi/G
Q0＝Qmax/(H·B)
K＝T0/Q0
式中
Qi为作用于单宽滑弧体、单宽条块i上的有效推力；γd为试验土体干容重；Hi、Li、Bi为单宽条块i的高、长、宽；gi、G分别为单宽条块 i和滑弧体(1～n条块)土重；B、H、R为滑弧体宽度、高度及滑弧半径；T0、 Q0为作用于单位面积上的侧压力、作用于单位面积上的最大推力；K为土体侧压力系数；θi为单宽条块i的滑弧圆心角。
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应该理解，这些实施例仅用于说明本实用新型，而不用于限定本实用新型的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本实用新型做出的改进和调整，仍属于本实用新型的保护范围。
实施例1
一种新型铁路填石路堤抗剪试验装置，包括固定钢箱1、油压千斤顶5、 ABS可调平支架13、PTFE板11、倾角传感器15、激光位移传感器6、电磁压力传感器10、OTDR测试仪19、信号读取设备12。
如图1、图2所示，所述固定钢箱1为U型钢框架，U型钢框架包括一侧板和两肋板，U型钢框架内从内向外依次设置有：后枕木2、后钢板3、油压千斤顶5、前钢板4和前枕木7，油压千斤顶下方设置ABS可调平支架13。 ABS可调平支架13由ABS固定底座18、ABS螺纹升降管17、尼龙扎带16 三部分组成，ABS螺纹升降管17用于调节高度。固定钢箱1两长边内侧分别设置PTFE板11，在PTFE板11与填石材料9之间涂上一层润滑油，减小PTFE 板11与填石材料9之间的摩擦力。固定钢箱1的侧板外侧固定倾角传感器15，用来测固定钢箱垂直度；激光位移传感器6安置在后钢板3上用来测量推进位移，在固定钢箱1两肋板上安置电磁压力传感器10用来测量推动过程中侧压力大小，以上所述传感器通过信号读取设备12将测量结果可视化。OTDR 测试仪19设置在固定钢箱1的一个肋板上。
所述油压千斤顶5带有压力表，可以在压力可控条件下逐级加压，通过压力表读取水平推进压力值。
测试前沿竖直方向打一个贯穿至填石材料9底部的孔，孔内预埋光纤8，并沿推进方向预埋一排光纤8，预埋光纤材料为石英，直径约13mm；孔的位置在固定钢箱1的中心线上。试验后通过OTDR测试仪19对光纤8断点定位，确定剪切后形成的破坏面14。
实施例二：
本实施例的一种新型铁路填石路堤抗剪试验方法，使用实施例一的装置，包括如下步骤：
第一步，在铁路填石路堤预定深度处，开挖出一个三面垂直临空的长方体待试验土体，具体长方体尺寸由试验土体填石粒径而定，高H约为5倍最大试验土体粒径，宽B约为1.8H，长度L与宽度W相同；
第二步，在开挖的待试验土体临空的两个侧面各安放一个PTFE板，回填土料并夯实，PTFE板与土料的接触面涂上一层润滑油；
第三步，安装并固定U型钢箱，垂直于路堤且U型开口朝向路堤布置； U型钢箱包括一侧板和两肋板，两个所述PTFE板分别位于所述两肋板的内侧并紧贴所述肋板；侧板外侧安装倾角传感器，通过监测使得U型钢箱始终保持竖直；U型钢箱内，依次设置后枕木、后钢板、ABS可调平支架，将油压千斤顶固定在可调平支架上；调节ABS可调平支架高度使油压千斤顶的推力作用点位置，在水平向位于U型钢箱内居中，在垂直向距试验土体底部高度为1/3H，然后安装前钢板、前枕木，前枕木的两端分别与所述PTFE板连接；
第四步，测试前，沿推进方向距前枕木约1/4L处开始打第一个垂直贯穿土体的孔，之后每隔0.2m打一个孔并安置预埋光纤，所述孔位于U型钢箱的中心线上；在后钢板上安装激光位移传感器，在固定钢箱的两肋板上安装电磁压力传感器和OTDR测试仪；
第五步，驱动油压千斤顶施加水平推力，在逐级加压的同时测量并记录油压千斤顶的推力、试验土体位移、试验土体两侧压力的数值，当油压千斤顶上压力表读数开始下降时，记录该压力值为铁路填石路堤被剪切破坏时的最大推进压力值为Qmax；松开油压千斤顶油阀，使压力表读数回落到一稳定值，记录此时最小推进压力值为Qmin，然后继续加压推进使得试验土体剪出；
第六步，通过OTDR测试仪检测预埋光纤的信息参数，确定破坏点位置，破坏点相连组成剪切面形状，绘制出试验土体剪切破坏面图形14；
第七步，根据试验现场所测数据，根据试验现场所测数据，按平面问题进行圆弧条块分析，由作用于滑弧上的重力G，单宽有效推力和由所产生的作用于底面上的侧压力建立平衡方程(受力分析如图4所示)；
gi＝γdHiLiBi
Qi＝Qmaxgi/G
Q0＝Qmax/(H·B)
K＝T0/Q0
式中
Qi为作用于单宽滑弧体、单宽条块i上的有效推力；γd为试验土体干容重；Hi、Li、Bi为单宽条块i的高、长、宽；gi、G分别为单宽条块 i和滑弧体(1～n条块)土重；B、H、R为滑弧体宽度、高度及滑弧半径；T0、 Q0为作用于单位面积上的侧压力、作用于单位面积上的最大推力；K为土体侧压力系数；θi为单宽条块i的滑弧圆心角。
如图3所示，为本实施例铁路填石路堤抗剪试验中试验土体条块划分示意图；如图4所示，为本实施例铁路填石路堤抗剪试验中圆弧条块受力分析示意图。试验土体的高度为H，根据实测资料中破坏点c和推力面上a、b两点，连接bc，作bc线的垂直平分线，交ba延长线于o点，以o为圆心，ob 为半径画圆，得到的bc圆弧，即为滑弧面。将所测得的有关数据及圆弧条块分析的参数代入式(1)求出
进而得到铁路填石路堤的抗剪强度指标
因此在其他条件类似的情况下，通过两种或多种填石路堤的的计算分析，选择抗剪强度指标
值大的作为填石路堤的填石材料。
本实用新型的一种新型铁路填石路堤抗剪试验方法，能快速确定施工场地填石路堤抗剪强度指标，随着填料
值的增大，边坡稳定性安全系数增大。因此在施工场地现场，通过不同填石材料路堤的计算分析，可筛选出稳定性更优越的填石材料，从而节约人力、物力、财力，并保证了铁路工程安全性。
本实用新型的数据处理方法属于现有技术，不用于限制本实用新型的保护范围。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应包含在本实用新型的权利要求范围当中。
以上公开的仅为本实用新型优选实施例。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
在本实用新型及上述实施例的教导下，本领域技术人员很容易预见到，本实用新型所列举或例举的各原料或其等同替换物、各加工方法或其等同替换物都能实现本实用新型，以及各原料和加工方法的参数上下限取值、区间值都能实现本实用新型，在此不一一列举实施例。
Claims (8)
1.一种铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，包括推力装置、物理信息检测系统、固定装置；所述推力装置包括压力器、固定所述压力器的枕木板、钢板和可调平支架；所述固定装置包括固定钢箱，PTFE板；
所述固定钢箱为U型钢箱，包括一侧板和两肋板，所述固定钢箱从内向外依次设置压力器、钢板、枕木板，所述压力器下方固定设置可调平支架；所述PTFE板分别设置在所述固定钢箱的两肋板内侧，所述枕木板垂直设置于两个所述PTFE板之间，所述枕木板、两个所述PTFE板围合形成的空间用于填充待试验土体；
所述物理信息检测系统包括位移传感器、压力传感器，所述位移传感器设置在钢板上，所述压力传感器设置在所述肋板上；
还包括预埋于所述待试验土体内的光纤，所述固定钢箱肋板上固定设置OTDR测试仪，用于检测光纤断点位置。
2.根据权利要求1所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，还包括倾角传感器，所述倾角传感器设置在所述固定钢箱的侧板上。
3.根据权利要求1所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，所述压力器与所述U型钢箱侧板之间还设置有后枕木、后钢板。
4.根据权利要求1所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，所述推力装置为油压千斤顶，方便读取推进压力数值。
5.根据权利要求1所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，所述可调平支架为ABS可调平支架，所述ABS可调平支架包括ABS固定底座、ABS螺纹升降管、尼龙扎带，所述ABS螺纹升降管用于调节高度。
6.根据权利要求2所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，所述物理信息检测系统还包括信号读取设备，将所述位移传感器、所述压力传感器、所述倾角传感器的结果可视化。
7.根据权利要求1所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，所述预埋光纤材料为石英，直径为13mm。
8.根据权利要求1所述的铁路填石路堤抗剪试验装置，其特征在于，所述位移传感器为激光位移传感器，所述压力传感器为电磁压力传感器。
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|---|---|---|---|---|
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