斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法，包括反力架，模型装置、加载装置、监测系统和数据采集系统；模型装置包括采用PVC管模拟坎儿井暗渠和竖井，通过设置不同暗渠与路基荷载中心线间的交角和暗渠埋深，研究高速铁路路基倾斜跨越坎儿井时，上伏路基荷载和高速列车动荷载对路基结构稳定性的影响。本发明专利技术可以明确交角和埋深对浅埋坎儿井暗渠塌陷机理的影响机制，评估列车动荷载下高速铁路路基与其倾斜跨越坎儿井的相互作用影响范围，建立跨越不同交角和埋深坎儿井暗渠的高速铁路路基稳定性进评价的基础，填补我国高速铁路路基斜跨坎儿井地区室内模型试验装置方面的技术空白。试验装置方面的技术空白。试验装置方面的技术空白。

【技术实现步骤摘要】
斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程
，特别是涉及一种斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法。

技术介绍

[0002]坎儿井是干旱和半干旱地区开发利用浅层地下水进行自流灌溉的一种古老的地下水利灌溉工程，在我国主要分布在新疆地区。坎儿井是由人工开挖的竖井、具有一定纵坡的暗渠、地面输水的明渠和小型蓄水池四部分共同组成。暗渠是坎儿井的主体部分，利用暗渠的坡度小于地面坡度和地下水面坡度，可以把地下水自流引出地面，从而供给农业灌溉和居民生活使用。竖井沿暗渠分布，一般间隔约15～30m，底部与暗渠连通，深度一般在5～60m，最大的可达80m 以上，主要起通风和修建时排土的作用。
[0003]现今世界各地坎儿井均存在不同程度的消亡，其主要原因是各种自然和人为因素造成的坎儿井塌陷，尤其是未经加固暗渠的塌陷。而在工程研究中，坎儿井暗渠具有与矿场采空区、岩溶溶洞等相似的结构形式。对于被高速铁路路基跨越的坎儿井，未经加固的暗渠极有可能会在路基荷载和列车运行时产生的荷载作用下发生塌陷，引起相连地基的破坏，进而影响上部高铁路基稳定以及列车行车安全。因此有必要对高铁线路下伏坎儿井暗渠在荷载作用下的稳定性进行研究。
[0004]新建高铁路基工程常倾斜交叉跨越坎儿井暗渠。针对坎儿井，当高铁路基以不同交角压覆在坎儿井暗渠上时，外力作用效果不同，会使得坎儿井产生不同的力学响应。因此需要明确交角对坎儿井暗渠
‑
上方路基相互作用的影响机制，从而建立不同交角跨越坎儿井暗渠的稳定性评价方法，确定倾斜跨坎儿井高速铁路路基的加固处理范围。
[0005]目前国内尚无有关坎儿井地区高速铁路路基的设计方案，本专利技术技术的提出可以填补我国高速铁路路基坎儿井地区室内模型试验装置方面的技术空白，为以后我国西北地区乃至其他国家高铁建设贡献一份力量。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的上述问题，本专利技术旨在提供一种斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法，其用于研究不同暗渠与线路交角和暗渠到上方地基深度对坎儿井暗渠塌陷机理的影响，进而分析跨坎儿井高速铁路路基结构的稳定性，确定高速列车动荷载作用下倾斜跨越的坎儿井高速铁路路基所需的加固处理范围，解决了现有技术中研究高速铁路路基坎儿井地区室内模型试验装置方面存在技术空白的问题。
[0007]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]提供了一种用于隧道波纹板支护结构的接头构造，其包括反力架，模型装置、加载装置、监测系统和数据采集系统；
[0009]模型装置包括模型箱，模型箱内设置有模型路基和设置在模型路基下方的模型地基，模型地基中设置有采用PVC管模拟的坎儿井暗渠和坎儿井竖井；所述坎儿井暗渠与线路
交角为θ，交角θ为0～90
°
，在不同交角θ下，获得坎儿井暗渠的塌陷破坏与变形规律；
[0010]加载装置与反力架连接，加载装置用于对模型路基施加静载和动载；
[0011]监测系统包括设置在模型路基和模型地基表面的位移计、设置在坎儿井暗渠和坎儿井竖井表面的应变计、设置在模型路基和模型地基内的土压力盒和设置在模型地基内的含水率计；数据采集系统与监测系统电性连接。
[0012]进一步地，模型箱包括材料为型钢的框架和设置在框架侧壁上的透明钢化玻璃；模型箱的内部尺寸为2.0m
×
2.0m
×
1.5m，透明钢化玻璃的厚度为30mm。
[0013]进一步地，加载装置包括用于对模型路基施加静载的千斤顶和用于对模型路基施加动载的伺服激振器，伺服激振器用于模拟高速铁路列车对模型路基施加的动荷载，伺服激振器的动载频率为5Hz，动载动应力幅值为10kN。
[0014]进一步地，加载装置还包括下表面设置有混凝土垫层的加载板，千斤顶和伺服激振器通过加载板对模型路基施加静载和动载。
[0015]进一步地，坎儿井暗渠和坎儿井竖井内设置有带有远程开关阀的水囊。
[0016]进一步地，模型地基和模型箱内壁之间设置有缓冲装置，缓冲装置包括缓冲垫和刚性挡板，缓冲垫两侧壁分别与模型地基侧壁和刚性挡板侧壁接触，刚性挡板的另一侧侧壁与模型箱的内壁接触。
[0017]本方案还提供了一种斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置的试验方法，用于研究不同暗渠与线路交角和暗渠到上方地基深度对坎儿井暗渠塌陷机理的影响，进而分析跨坎儿井高速铁路路基结构的稳定性，确定高速列车动荷载作用下倾斜跨越的坎儿井高速铁路路基所需的加固处理范围，其方法包括以下步骤：
[0018]S1：模型尺寸计算
[0019]以不发生边界效应为基准设定模型试验相似比，并根据相似比计算模型箱中填筑的模型路基、模型地基和PVC管的尺寸以及所需填土的质量；
[0020]S2：填筑试样
[0021]采用落砂法分层填筑，每层相似材料填筑完成后进行平整、压密，确保填筑过程中每层土的干密度相同；在设计埋深下，将PVC管道放置至模型地基中模拟坎儿井暗渠或竖井；坎儿井暗渠与线路交角为θ，交角θ为0～90
°
，模拟坎儿井暗渠的PVC管道中预先放置水囊，待模型地基填筑完成后，对水囊排水，得到无支护空洞模拟坎儿井暗渠；
[0022]S3：布置监测系统
[0023]模型路基和模型地基中埋设土压力盒和含水率计、PVC管道上安装应变计、模型路基和模型地基表面安装位移计；并将土压力盒、含水率计、应变计和位移计与数据采集系统电性连接；数据采集系统测试监测系统的读数是否正常，如正常进入步骤4，否则进行排查直至读数正常；
[0024]S4：布置加载装置
[0025]加载装置与反力架连接，并在加载板上设置一层混凝土垫层；
[0026]S5：静载加载
[0027]千斤顶对试样进行加载，间隔1min记录一次数据，当千斤顶加载到比列车荷载高时，停止加载，并记录和整理数据；
[0028]S6：动载加载
[0029]激振器以幅值5kN频率10Hz的正弦波形态对试样加载，用以模拟高速列车荷载，观测并记录监测系统数据，直至PVC管破坏或动力循环次数达到10000 次时，激振器停止对试样加载；
[0030]S7：卸载；
[0031]S8：根据监测系统采集的物理参数，分析并确定坎儿井对高速铁路路基的相互作用。
[0032]步骤S8进一步包括：
[0033]土压力盒数据获得动载阶段时模型路基和模型地基结构中的土压力分布，进而获取动应力在水平方向和竖向方向的衰减规律，得出高铁荷载对高速铁路路基的影响分布和作用范围；
[0034]根据位移计采集的位移参数获得动载阶段时模型路基和模型地基的沉降，得到坎儿井的存在对路基沉降的影响；
[0035]根据应变计采集的应变参数获得动载阶段时坎儿井暗渠和坎儿井竖井的应变量，得到列车荷载对坎儿井变形的影响；将模型试验结果用于评估高速铁路路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，包括反力架，模型装置、加载装置、监测系统和数据采集系统；模型装置包括模型箱，所述模型箱内设置有模型路基和设置在所述模型路基下方的模型地基，所述模型地基中设置有采用PVC管模拟的坎儿井暗渠和坎儿井竖井；所述坎儿井暗渠与线路交角为θ，交角θ为0～90
°
，在不同交角θ下，获得坎儿井暗渠的塌陷破坏与变形规律；所述加载装置与所述反力架连接，加载装置用于对模型路基施加静载和动载；监测系统包括设置在模型路基和模型地基表面的位移计、设置在坎儿井暗渠和坎儿井竖井表面的应变计、设置在模型路基和模型地基内的土压力盒和设置在模型地基内的含水率计；数据采集系统与监测系统电性连接。2.根据权利要求1所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型箱包括材料为型钢的框架和设置在框架侧壁上的透明钢化玻璃；模型箱的内部尺寸为2.0m
×
2.0m
×
1.5m，透明钢化玻璃的厚度为30mm。3.根据权利要求2所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型路基和所述模型地基的材料为黏土质砂。4.根据权利要求3所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，所述加载装置包括用于对模型路基施加静载的千斤顶和用于对模型路基施加动载的伺服激振器，伺服激振器用于模拟高速铁路列车对模型路基施加的动荷载，伺服激振器的动载频率为5Hz，动载动应力幅值为10kN。5.根据权利要求4所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，所述加载装置还包括下表面设置有混凝土垫层的加载板，千斤顶和伺服激振器通过加载板对模型路基施加静载和动载。6.根据权利要求1所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，所述坎儿井暗渠和坎儿井竖井内设置有带有远程开关阀的水囊。7.根据权利要求4所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，其特征在于，所述模型地基和所述模型箱内壁之间设置有缓冲装置，缓冲装置包括缓冲垫和刚性挡板，缓冲垫两侧壁分别与模型地基侧壁和刚性挡板侧壁接触，刚性挡板的另一侧侧壁与模型箱的内壁接触。8.一种根据权利要求1～7所述的斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：模型尺寸计算以不发生边界效应为基准设定模型试验相似比，并根据相似比计算模型箱中填筑的模型路基、模型地基和PVC管的尺寸以及所需填土的质量；S2：填筑试样采用落砂法分层填筑，每层相似材料填筑完成后进行平整、压密，确保填筑过程中每层土的干密度相同；在设计埋深下，将PVC管道放置至模型地基中模拟坎儿井暗渠或竖井，坎儿井暗渠与线路交角为θ，交角θ为0～90
°
；模拟坎儿井暗渠的PVC管道中预先放置水囊，待模型地基填筑完成后，对水囊排水，得到无支护空洞模拟坎儿井暗渠；S3：布置监测系统
模...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘先峰，张炎飞，袁胜洋，张冲，宋瑾阳，田凯元，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：