斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置及试验方法

1.本发明涉及岩土工程技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.目前国内尚无有关坎儿井地区高速铁路路基的设计方案，本发明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。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的上述问题，本发明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。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
8.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；
9.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；
10.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；
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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。
17.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：
18.s1：模型尺寸计算
19.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；
20.s2：填筑试样
21.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；
22.s3：布置监测系统
23.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；
24.s4：布置加载装置
25.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；
26.s5：静载加载
27.千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；
28.s6：动载加载
29.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；
30.s7：卸载；
31.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。
32.步骤s8进一步包括：
33.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；
34.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；
35.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基倾斜跨越坎儿井相互作用影响范围。
36.进一步地，根据模型试验结果确定高速铁路路基倾斜跨越坎儿井相互作用影响范围的方法为：
37.分析动应力在水平方向、竖向方向的衰减规律σx，σy，得到高铁荷载的影响范围s1；分析动荷载下坎儿井地基的沉降d，得到坎儿井存在对路基沉降的影响s2；分析动荷载下不同位置坎儿井暗渠qy和竖井的变形量qx，得到列车荷载对坎儿井变形的影响s3，得到距离为scr时的列车荷载下的坎儿井竖井和暗渠不需要加固；σ
xmax
，σ
ymax
为交叉位置地基处的最大水平和竖向动应力；dy为地基表面的沉降量，dymax为最大沉降量；q为监测的不同位置的坎儿井的变形量，交叉中心位置的暗渠最大变形量为qmax；竖井的变形量取竖井直径(sd) 的10％；
38.当满足：σ
x
《0.1σ
xmax
、σy《0.1σ
ymax
、dy《0.1d
y max
、qy《0.1q
y max
和qx《0.1sd 时，确定scr为临界距离，在临界距离外动荷载对坎儿井对影响可以忽略，确定动荷载的影响范围。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
40.1、本发明能够在室内有效模拟不同坎儿井交角、埋深等工况下，跨坎儿井高速铁路路基的工作情况，并通过测试元件得到较为精确的数据；能够针对性的研究在不同交角下，坎儿井暗渠的塌陷破坏与变形规律、列车荷载对坎儿井变形的影响、暗渠存在对于路基沉降的影响、动应力在地基中的衰减规律和坎儿井土拱效应的形态演变过程等。
41.2、本发明可结合试验结果综合评估高速铁路路基倾斜跨越坎儿井相互作用影响范围，确定倾斜跨坎儿井路基和地基所需处理区域，为实际坎儿井地区高速铁路路基施工打下良好的理论基础，且试验的装置以及过程较为简便，方便在实验室内进行操作。
附图说明
42.图1为斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置的结构示意图。
43.其中，1、模型箱；2、模型路基；3、模型地基；4、坎儿井暗渠；5、坎儿井竖井；6、反力架；7、加载装置；8、位移计；9、应变计；10、土压力盒； 11、含水率计；12、加载板。
具体实施方式
44.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
45.如图1所示，本发明提供了一种斜跨坎儿井的高速铁路路基的模型试验装置，包括反力架6，模型装置、加载装置7、监测系统和数据采集系统。
46.其中，模型装置包括模型箱1，模型箱1由框架和设置在框架侧壁上的透明钢化玻璃组成，其尺寸以不发生边界效应为基准。
47.模型箱1内设置有模型路基2和设置在模型路基2下方的模型地基3，模型地基3中设置有采用pvc管模拟的坎儿井暗渠4和坎儿井竖井5；为了模型试验开展方便，试验模型尺寸相似比可取为20。根据相似比，标准断面进行设计的基床表层宽度为8.2m，路堤底面宽23.2m，高度5m，边坡坡度为1∶1.5，则相应的模型路基2的基床表层宽为41cm，路堤底面宽116cm，路基高度25 cm。则模型箱1尺寸如下：模型箱1高度为地基高度加路基高度并且预留一定安全空间，因此模型箱1的高度取1.5m，模型箱1的宽度和长度为地基底面长，取2m。因此实际选定的模型箱1内部尺寸为2.0m
×
2.0m
×
1.5m(长
×
宽
×
高)。此外，透明钢化玻璃厚30mm。坎儿井地区的土层多为黏土质砂，采用黏土质砂材料作为模型试验中模型路基2和模型地基3。
48.选用pvc管模拟坎儿井是由于pvc管抗拉强度高，但是在高压下会产生破坏，符合坎儿井特性。在pvc管内设置有带有远程开关阀的水囊，pvc管和水囊直径取7.5cm，以模拟实际直径1.5m的坎儿井暗渠4或竖井5。在模型填筑时，采用水囊事先填充pvc管，以避免其在模型成型前即发生破坏。模型填筑完后，通过将打开远程开关阀水囊中的水排出，即完成了坎儿井暗渠4的模拟。
49.加载装置7与反力架6连接，加载装置7用于对模型路基2施加静载和动载；加载装置7分为静载装置和动载装置。静载装置和动载装置通过加载板12 实现对模型路基2施加静载和动载，同时在加载板12下方设有一层混凝土垫层，用于使加载装置7产生的荷载均匀的分布在路基之上。模型地基3和模型箱1 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，缓冲垫可以为泡沫板，缓冲垫两侧壁分别与模型地基3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1的内壁接触，在地基土边上先布有泡沫板等柔性缓冲材料，再在柔性缓冲材料外布置刚性挡板，以防止动载施加过程中激振器对试验装置产生损害。
50.优选但不局限地，静载加载采用千斤顶对试样进行加载，间隔1min记录一次数据，当加载到比列车荷载稍高时即停止加载。动载加载采用伺服激振器设备，其由液压伺服加载系统和加载作动器组成，加载板12的尺寸为2.0m
×
0.3m
ꢀ×
0.03m(长
×
宽
×
高)，最大动力荷载加载值可达200kn，最高动力加载频率可达100hz，能够充分模拟高速铁路路基在动荷载作用下的工作情况。利用激振器对试样进行正弦循环荷载形式的加载，每各加载循环均观测并记录数据，此时即停止加载。
51.监测系统包括设置在模型路基2和模型地基3表面的位移计8、设置在坎儿井暗渠4和坎儿井竖井5表面的应变计9、设置在模型路基2和模型地基3内的土压力盒10和设置在模
型地基3内的含水率计11；数据采集系统与监测系统电性连接，数据采集系统可以采用计算机。
52.利用位移计8、应变计9、土压力盒10、含水率计11等传感器，静态数据采集仪及相应的测试分析系统，测定在自重作用和路基荷载作用下位移、土压力和含水率的变化规律。
53.本发明还提供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，包括以下步骤：
54.s1：模型尺寸计算
55.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1 中填筑的模型路基2、模型地基3和pvc管的尺寸以及所需填土的质量；为研究暗渠与路基荷载中心线间的交角对路基结构稳定性的影响，可选用0～90
°
等多个不同的角度对暗渠进行布置；为研究暗渠埋深对路基结构稳定性的影响，暗渠到上方地基深度h可选用3～7倍暗渠直径；横断面上暗渠与荷载中心位置的距离，可根据模拟工点暗渠的实际需求确定。
56.s2：填筑试样
57.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，具体为每层相似材料填筑完成后需要进行初次的整平，整平后在土体表面铺设一块木板，利用固定质量的砝码通过木板的传力作用对填筑的相似材料进行压密，每层砂的锤击次数相同，待压密后再次用水平尺调整高差使填土表面保持平整；在设计埋深下，将pvc管道放置至模型地基3中模拟坎儿井暗渠4或竖井5；模拟坎儿井暗渠4的pvc管道中预先放置水囊，待模型地基3填筑完成后，对水囊排水，得到无支护空洞模拟坎儿井暗渠4；
58.s3：布置监测系统
59.模型路基2和模型地基3中埋设土压力盒10和含水率计11、pvc管道上安装应变计9、模型路基2和模型地基3表面安装位移计8；并将土压力盒10、含水率计11、应变计9和位移计8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；
60.s4：布置加载装置7
61.将加载部分放在水泥垫板之上，使加载装置7产生的荷载均匀的分布在路基之上，垫板厚度宜为50mm；
62.s5：静载加载
63.千斤顶对试样进行加载，加载速率不宜过快，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；
64.s6：动载加载
65.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；
66.s7：卸载；需注意安全，应当先确保加载装置7开关关闭后再进行卸载；
67.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。
68.步骤s8进一步包括：试验结束后，土压力盒10数据获得动载阶段时模型路基2和模
型地基3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；
69.根据位移计8采集的位移参数获得动载阶段时模型路基2和模型地基3的沉降，得到坎儿井的存在对路基沉降的影响；
70.根据应变计9采集的应变参数获得动载阶段时坎儿井暗渠4和坎儿井竖井5 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基倾斜跨越坎儿井相互作用影响范围。
71.进一步地，根据模型试验结果确定高速铁路路基倾斜跨越坎儿井相互作用影响范围的方法为：
72.分析动应力在水平方向、竖向方向的衰减规律σx，σy，得到高铁荷载的影响范围s1；分析动荷载下坎儿井地基的沉降d，得到坎儿井存在对路基沉降的影响s2；分析动荷载下不同位置坎儿井暗渠qy和竖井的变形量qx，得到列车荷载对坎儿井变形的影响s3，得到距离为scr时的列车荷载下的坎儿井竖井和暗渠不需要加固；σ
xmax
，σ
ymax
为交叉位置地基处的最大水平和竖向动应力；dy为地基表面的沉降量，dymax为最大沉降量；q为监测的不同位置的坎儿井的变形量，交叉中心位置的暗渠最大变形量为qmax；竖井的变形量取竖井直径(sd) 的10％；
73.当满足：σ
x
《0.1σ
xmax
、σy《0.1σ
ymax
、dy《0.1d
y max
、qy《0.1q
y max
和qx《0.1sd 时，确定scr为临界距离，在临界距离外动荷载对坎儿井对影响可以忽略，确定动荷载的影响范围。
74.综上，本发明能够在室内有效模拟不同坎儿井交角、埋深等工况下，跨坎儿井高速铁路路基的工作情况，并通过测试元件得到较为精确的数据；能够针对性的研究在不同交角下，坎儿井暗渠4的塌陷破坏与变形规律、列车荷载对坎儿井变形的影响、暗渠存在对于路基沉降的影响、动应力在地基中的衰减规律和坎儿井土拱效应的形态演变过程等，可结合试验结果综合评估高速铁路路基倾斜跨越坎儿井相互作用影响范围，确定倾斜跨坎儿井路基和地基所需处理区域，为实际坎儿井地区高速铁路路基施工打下良好的理论基础，且试验的装置以及过程较为简便，方便在实验室内进行操作。