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CN111638136B - 下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置及方法 - Google Patents

下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置及方法 Download PDF

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CN111638136B CN202010608588.4A CN202010608588A CN111638136B CN 111638136 B CN111638136 B CN 111638136B CN 202010608588 A CN202010608588 A CN 202010608588A CN 111638136 B CN111638136 B CN 111638136B
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Abstract

本发明涉及下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置及方法，技术方案是，底板、左侧梁、右侧梁以及两侧的土体限位板之间围成的空间构成相似岩土体的填充空间，顶梁上设置有由电动推杆驱动、沿顶梁长度方向左右滑动的滑台，滑台上固定有向下伸出顶梁下表面且位于填充空间正上方的加载机构；当电动推杆驱动滑台带动加载机构沿顶梁长度方向前后滑动时，第一转向触板与第二转向触板上的转向按钮接触并挤压转向按钮，转向按钮触发，电动推杆改变伸缩方向，本发明通过液压千斤顶和激振器组成的伸缩加载机构完成对轨道机构的动荷载的施加，通过激振器动态控制，真实模拟高速列车行驶时实际的振动荷载作用频率。

Description

下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置及方法
技术领域
本发明涉及地基动力加载相似模型试验的技术领域，特别是一种下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置及方法。
背景技术
针对既有底下工程的地基上建设高速铁路等相关问题的研究，除了进行现场试验还需进行大量的模型试验，进而得到综合可靠的测试数据来支撑实际工程。
公开号为CN 101787716 A的发明专利，一种研究高速铁路动力响应和长期沉降规律的模型试验装置和公开号为CN 106501079 A的发明专利，一种路基动力加载模型试验系统，两种发明装置只能对列车循环动荷载作用下的路基及浅层地基进行振动位移、速度和加速度的测试，但未考虑下伏地下工程地基在循环动荷载作用下的累积变形和动应力的衰减。公开号为CN 204405654 U的实用新型专利，一种模拟采空区开采的装置，该装置通过用空心管插入充满沙的胶管中，进而达到用放沙来模拟采空区开采的目的。该装置胶管内充满沙且水平铺设，沙在上覆土层自重作用下，压缩密实且流动性差，操作困难，导致试验效果不好。该装置只能模拟浅采空区，但不能模拟高铁循环动荷载对采空区地基的作用影响。公开号为CN 110409518 A的发明专利，一种高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置及方法，该装置通过用水管放出水袋中的水，进而达到用放水来模拟采空区开采的目的。该装置水袋水平放置，水袋材质柔软且宜变形，水袋上部土层施工难度大，且固定的加载装置无法准确模拟列车真实运行情况。此外，该发明在模型外预制岩土体然后移入模型内，该操作极其困难恐难以实现。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置及方法，可有效解决下伏地下工程的高铁地基动力加载模拟试验的问题。
本发明解决的技术方案是：
一种下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置，该试验装置包括底座、竖直设置在所述底座两侧的左侧梁和右侧梁以及水平设置在所述左侧梁、右侧梁顶部的顶梁，左侧梁和右侧梁两侧面之间连接有并排设置的多块土体限位板，底板、左侧梁、右侧梁以及两侧的土体限位板之间围成的空间构成相似岩土体的填充空间，顶梁上设置有由电动推杆驱动、沿顶梁长度方向左右滑动的滑台，滑台上固定有向下伸出顶梁下表面且位于填充空间正上方的加载机构；所述加载机构包括连接在滑台底部的支撑板，支撑板两端分别设置有对称的两组伸缩加载机构，伸缩加载机构下端连接有随其伸缩的轨道滑轮，支撑板两端下表面连接有向下延伸的第一转向触板，两端的第一转向触板上分别设置有用于改变电动推杆伸缩方向的转向按钮，转向按钮分别位于两端第一转向触板相互远离的表面上，并且相对于支撑板中心线，转向按钮位于伸缩加载机构的外侧，左侧梁和右侧梁上端相互靠近的一侧分别装有与第一转向触板位于同一高度的制动转向机构，制动转向机构相互靠近的一端端面上分别固定有与转向按钮相对应的第二转向触板，当电动推杆驱动滑台带动加载机构沿顶梁长度方向前后滑动时，第一转向触板与第二转向触板上的转向按钮接触并挤压转向按钮，转向按钮触发，电动推杆改变伸缩方向，构成加载机构的往复循环滑动结构。
优选的，所述的试验装置还包括控制器，伸缩加载机构上设置有用于检测其加载力的压力传感器，控制器分别与伸缩加载机构的驱动部件、压力传感器、电动推杆和转向按钮相连。
所述伸缩加载机构包括固定在支撑板底面上、沿竖直方向伸缩的液压千斤顶，液压千斤顶的下端的活动部分固定有随其伸缩升降的激振器支撑板，激振器支撑板下表面固定有沿竖直方向伸缩的激振器，激振器下端连接有与轨道机构相匹配的轨道滑轮。
所述相似岩土体内埋设有隧道预制块或采空区预制块或二者的组合，同时相似岩土体内还埋设有用于监测在动载下相似岩土体内的动应力、振动加速度或土体沉降量的传感器。
一种基于上述试验装置在既有高速铁路下方修建地下工程的动力加载模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤1：测量实际工况，采用相似原理对高速铁路路基及地质状况进行等比例缩放，得到相应的相似岩土体的尺寸，并根据相似岩土体的尺寸，调节左侧梁的位置，使填充空间与等比例缩放得到相应的相似岩土体的尺寸相匹配；
步骤2：依据相似原理制备相似岩土体的材料；
步骤3：在填充空间内分层铺设相似岩土体并埋设相应的传感器22；
步骤4：待模型的相似岩土体固结稳定后，在相似岩土体上方铺设轨道机构；
步骤5：在相似岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6：拆卸土体限位板，在相似岩土体上对应位置开挖支护采空区或地铁隧道，加载机构在施加动荷载的情况下沿轨道机构往复运动，模拟实际火车运行，并通过传感器监测上部轨道系统的沉降变形或岩体的动应力、振动加速度。
一种基于上述试验装置在运营高速铁路下伏既有地下工程的动力加载模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤1：测量实际工况，采用相似原理对高速铁路路基及地质状况进行等比例缩放，得到相应的相似岩土体的尺寸，并根据相似岩土体的尺寸，调节左侧梁的位置，使填充空间与等比例缩放得到相应的相似岩土体的尺寸相匹配；
步骤2：依据相似原理制备相似岩土体的材料；并利用相应的相似材料制备隧道预制块或采空区预制块分别模拟代替下伏既有地下工程的采空区或地铁隧道；
步骤3：在填充空间内分层铺设相似岩土体并埋设相应的传感器22，同时把预制的隧道预制块或采空区预制块埋置在相应的位置上；
步骤4：待模型的相似岩土体固结稳定后，在相似岩土体上方铺设轨道机构；
步骤5：在相似岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6：加载机构在施加动荷载的情况下沿轨道机构往复运动，模拟实际火车运行，并通过传感器监测上部轨道系统的沉降变形或岩体的动应力、振动加速度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过液压千斤顶和激振器组成的伸缩加载机构完成对轨道机构的动荷载的施加，通过激振器动态控制，根据压力传感器采集的加载力数据实时控制激振器伸缩补偿，通过压力补偿保证施加在钢轨上的荷载不发生变化，保持对轨道加载力的稳定，避免因土体沉降导致的施加荷载变小而失真，同时设置荷载的加载曲线可真实模拟高速列车行驶时实际的振动荷载作用频率；
2、通过电动推杆带动滑台运动，从而带动加载机构下部的轨道滑轮在钢轨上滑动，当第一转向触板与第二转向触板上的转向按钮接触并挤压转向按钮时，转向按钮触发，电动推杆改变伸缩方向，从而使加载机构往复循环滑动，同时调节伸缩杆的伸缩快慢可以有效模拟列车不同的行驶速度，如此往返运动可模拟高铁火车循环往复行驶的真实工况；
3、通过左侧梁和右侧梁表面的土体限位板构建一个相似岩土体的填充空间，通过左侧梁的滑动可以根据模型尺寸任意调节填充空间的大小，同时左右侧梁内设置液压千斤顶能够提供水平侧向应力边界条件，从而更好的完成相似岩土体的铺设；
4、相似岩土体铺设完成后，拆下土体限位板即可在相似岩土体的对应位置开挖支护采空区或地铁隧道，或在铺设相似岩土体的过程中通过隧道预制块或采空区预制块可在任意位置上模拟采空区、地铁隧道、地下管廊等既有地下工程，利用预制块的方法来模拟地下工程对于分层铺设上覆岩土体和埋置各类传感器都更加便利，可以更好的完成相似模拟，更准确的对物理试验模型动力加载进行监测；
5、既可进行在运营高速铁路下伏既有地下工程的动力加载模拟试验，又可进行在既有高速铁路下方修建地下工程的动力加载模拟试验，其结构新颖独特，操作简单，使用方便，效果好，是下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置上的创新，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明的立体图。
图2为本发明的侧视图。
图3-4为本发明左侧梁两个不同角度的立体图。
图5为本发明滑台的立体图。
图6为本发明伸缩加载机构的立体图。
图7为本发明制动转向机构的立体图。
图8为本发明轨道机构的立体图。
图9为本发明电路原路框式图。
图10为本发明使用状态的剖视图(相似岩土体处剖开)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-10给出，本发明包括底座2、竖直设置在所述底座2两侧的左侧梁3和右侧梁4以及水平设置在所述左侧梁、右侧梁顶部的顶梁5，左侧梁3和右侧梁4两侧面之间连接有并排设置的多块土体限位板9，底板、左侧梁、右侧梁以及两侧的土体限位板之间围成的空间构成相似岩土体的填充空间，顶梁5上设置有由电动推杆20驱动、沿顶梁长度方向左右滑动的滑台14，滑台14上固定有向下伸出顶梁下表面且位于填充空间正上方的加载机构12；所述加载机构12包括连接在滑台14底部的支撑板123，支撑板123两端分别设置有对称的两组伸缩加载机构，伸缩加载机构下端连接有随其伸缩的轨道滑轮18，支撑板123两端下表面连接有向下延伸的第一转向触板124，两端的第一转向触板上分别设置有用于改变电动推杆20伸缩方向的转向按钮127，转向按钮127分别位于两端第一转向触板相互远离的表面上，并且相对于支撑板中心线，转向按钮位于伸缩加载机构的外侧，左侧梁3和右侧梁4上端相互靠近的一侧分别装有与第一转向触板位于同一高度的制动转向机构15，制动转向机构15相互靠近的一端端面上分别固定有与转向按钮127相对应的第二转向触板151，当电动推杆20驱动滑台带动加载机构沿顶梁长度方向前后滑动时，第一转向触板124与第二转向触板151上的转向按钮接触并挤压转向按钮，转向按钮触发，电动推杆20改变伸缩方向，构成加载机构的往复循环滑动结构。
为保证使用效果，所述的试验装置还包括控制器21，伸缩加载机构上设置有用于检测其加载力的压力传感器，控制器21分别与伸缩加载机构的驱动部件、压力传感器、电动推杆20和转向按钮127相连。
如图2所示，控制器21可固定在右侧梁4远离左侧梁一端的外侧壁上，方便操作，控制器21可连接有与其相匹配的操作按键、显示器和电源，显示器用于显示各个元器件的参数和状态等信息；操作按键用于输入指令对各个元器件进行对应操作、进行开关机操作等；电源为各个元器件供电。
所述控制器用于接收压力传感器采集的加载力数据，并根据加载力数据实时控制伸缩加载机构的驱动部件伸缩，保持对轨道加载力的稳定，同时接收转向按钮被挤压按下后的触发信号，对电动推杆的伸缩方向进行转换，该控制器为现有技术，如型号为STC89C51的单片机控制器等。
所述伸缩加载机构包括固定在支撑板123底面上、沿竖直方向伸缩的液压千斤顶121，液压千斤顶121的下端的活动部分固定有随其伸缩升降的激振器支撑板125，激振器支撑板125下表面固定有沿竖直方向伸缩的激振器122，激振器122下端连接有与轨道机构16相匹配的轨道滑轮18。
所述的轨道滑轮18包括固定连接在所述激振器下端的轮轴支撑块184、转动穿装在所述轮轴支撑块184上的轮轴181和固定在所述轮轴两端的轮体182。
所述压力传感器可以设置在轮轴181与轮轴支撑块184之间，用于采集施加的压力。
本实施例中，伸缩加载机构的驱动部件即为液压千斤顶121和激振器122，控制器分别与液压千斤顶121和激振器122的输入端相连，首先通过液压千斤顶施加一个初始的压力再通过激振器动态控制，根据压力传感器采集的加载力数据实时控制激振器伸缩补偿，通过压力补偿保证施加在钢轨上的荷载不发生变化，保持对轨道加载力的稳定，避免因土体沉降导致的施加荷载变小而失真，同时通过激振器设置荷载的加载曲线可真实模拟高速列车行驶时实际的振动荷载作用频率；
所述激振器122下端固定有第一连接板126，轮轴支撑块184上端固定有第二连接板183，第一连接板126和第二连接板183通过螺栓连接。
所述填充空间内铺设有相似岩土体19，相似岩土体19上部伸出填充空间，伸出部分的相似岩土体上铺设轨道机构16。
轨道机构16包括铺设在相似岩土体上表面的基座161，固定在所述基座161上表面的轨道板162、固定铺设在所述轨道板162上的枕木163和固定铺设在所述枕木163上的钢轨164。轨道滑轮18与钢轨164滑动配合。
所述相似岩土体19内埋设有隧道预制块11或采空区预制块10或二者的组合，同时相似岩土体内还埋设有用于监测在动载下相似岩土体内的动应力、振动加速度或土体沉降量的传感器22。
如传感器可以采用HC-3100系列振弦式土压力盒，用于监测动载下相似岩土体内的动应力，将HC-3100系列振弦式土压力盒与动土压力测试仪器配合，动土压力测试仪器科采用东华DH5937采集仪，将其与HC-3100系列振弦式土压力盒连接后，再与安装有DHDAS动态信号采集分析系统的笔记本电脑相连即可进行动相似岩土体的动应力监测；
动载下相似岩土体内振动加速度的监测科采用预埋LCD型加速度传感器进行监测，加速度传感器将信号转换成4-20mA标准信号，直接被PLC或DCS等控制系统采集，并与计算机相连接即可；
动载下相似岩土体内土体沉降量的监测可采用LVDT差动变压器式位移传感器搭配XSEW高精度显示仪表，并计算机相连接即可。
土压力盒和加速度传感器沿土层从上往下均匀布置用于监测动应力和振动加速度沿土层深度方向的传播特性；位移传感器主要布置在地下工程的顶板和轨道系统的下部来监测地下工程的稳定性和保证高速列车的运营安全。
试验过程中将各类型传感器获取的信息通过信息采集仪将采集的动态数据传输到计算机中即可，这些传感器的数据采集技术为现有技术。
所述的左侧梁3上、下两端面上分别设置有第一滑轮31，底座2上表面和顶梁5下表面分别设置有与第一滑轮31相对应的第一滑轮轨道7，第一滑轮31滑动设置在第一滑轮轨道内，构成左侧梁沿底座和顶梁长度方向的前后滑动结构，底座2上设置有用驱动左侧梁滑动的第二液压千斤顶6。
第二液压千斤顶6与控制器相连，用于控制左侧梁的初始位置。
底座远离右侧梁4的一端固定有防止左侧梁脱落的第一限位板1，第二液压千斤顶6的固定部分装在第一限位板1上，第二液压千斤顶6的伸缩杆与左侧梁连接在一起，第二液压千斤顶6伸缩即可带动左侧梁沿第一滑轮轨道前后滑动，从而控制其初始位置，模拟不同尺寸的相似岩土体。
所述土体限位板9可采用槽钢制成，槽钢两端分别通过连接螺栓8固定在对应侧的侧梁上，上下相邻的两槽钢边沿紧贴，防止漏土。根据左侧梁3和右侧梁4不同的长度定制不同的槽钢作为土体限位板。
所述制动转向机构15上开有螺栓连接孔152，制动转向机构通过螺栓连接孔内的连接螺栓与左侧梁3和右侧梁4固定连接在一起，转向机构15的上表面与顶梁相分离，避免滑动过程中的摩擦。
所述左侧梁3和右侧梁4相互靠近一侧的侧面上均设置有由第三液压千斤顶13驱动的、用于施加侧向应力的传力压板131。
第三液压千斤顶13水平固定在左侧梁3和右侧梁4内，各个第三液压千斤顶的伸缩杆均与传力压板131连接在一起，伸缩杆伸缩时，可以带动传力压板挤压填充空间内的相似岩土体，从而对相似岩土体施加侧向应力，确定边界条件。
所述滑台14包括底板144、竖直连接在所述底板上表面的立板145和水平连接在所述立板上端的顶板142，顶梁5上设置有沿其长度方向布置的第二滑轮轨道17，顶板142上转动连接有多个与第二滑轮轨道17相匹配的第二滑轮143，第二滑轮滑动设置在第二滑轮轨道上，构成滑台沿顶梁长度方向滑动的导向结构，顶板142上固定有驱动连接块141，电动推杆20固定在顶梁的一侧，电动推杆20的伸缩杆与驱动连接块141固定连接在一起，底板144上开有第一螺栓孔144a，支撑板123上开有与第一螺栓孔144a相对应的第二螺栓孔123a，底板144与支撑板123通过旋装在两螺栓孔内的螺栓和螺母固定连接在一起。
第二滑轮轨道17远离右侧梁4的一端固定有防止滑台脱落的第二限位板18。
电动推杆20伸缩，即可带动滑台沿第二滑轮轨道前后滑动，从而带动加载机构沿钢轨前后滑动。
一种基于上述试验装置在既有高速铁路下方修建地下工程的动力加载模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤1：测量实际工况，采用相似原理对高速铁路路基及地质状况进行等比例缩放，得到相应的相似岩土体的尺寸，并根据相似岩土体的尺寸，调节左侧梁的位置，使填充空间与等比例缩放得到相应的相似岩土体的尺寸相匹配；
步骤2：依据相似原理制备相似岩土体的材料；
步骤3：在填充空间内分层铺设相似岩土体并埋设相应的传感器22；
检测每层土样相关物理指标合格后再能进行上层土的制作和铺设；
步骤4：待模型的相似岩土体固结稳定后，在相似岩土体上方铺设轨道机构；
步骤5：在相似岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6：拆卸土体限位板，在相似岩土体上对应位置开挖支护采空区或地铁隧道，加载机构12在施加动荷载的情况下沿轨道机构往复运动，模拟实际火车运行，并通过传感器监测上部轨道系统的沉降变形或岩体的动应力、振动加速度。
将测量设备测量的数据传输到计算机上，进行后续的数据处理分析，得到试验结果，这种在既有高速铁路下方修建地下工程的模拟试验更加侧重与监测地下工程的开挖对轨道沉降变形的影响。
一种基于上述试验装置在运营高速铁路下伏既有地下工程的动力加载模拟试验方法，包括以下步骤：
步骤1：测量实际工况，采用相似原理对高速铁路路基及地质状况进行等比例缩放，得到相应的相似岩土体的尺寸，并根据相似岩土体的尺寸，调节左侧梁的位置，使填充空间与等比例缩放得到相应的相似岩土体的尺寸相匹配；
步骤2：依据相似原理制备相似岩土体的材料；并利用相应的相似材料制备隧道预制块11或采空区预制块10(箱体或管体)分别模拟代替下伏既有地下工程的采空区或地铁隧道；
步骤3：在填充空间内分层铺设相似岩土体并埋设相应的传感器22，同时把预制的隧道预制块11或采空区预制块10埋置在相应的位置上；
检测每层土样相关物理指标合格后再能进行上层土的制作和铺设；
步骤4：待模型的相似岩土体固结稳定后，在相似岩土体上方铺设轨道机构；
步骤5：在相似岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6：加载机构12在施加动荷载的情况下沿轨道机构往复运动，模拟实际火车运行，并通过传感器监测上部轨道系统的沉降变形或岩体的动应力、振动加速度。
将测量设备测量的数据传输到计算机上，进行后续的数据处理分析，得到试验结果，这种在运营高速铁路下伏既有地下工程的动力加载模拟试验更加侧重与监测火车运行对既有地下工程的影响，即对相似岩土体动应力、振动加速度的监测。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过液压千斤顶和激振器组成的伸缩加载机构完成对轨道机构的动荷载的施加，通过激振器动态控制，根据压力传感器采集的加载力数据实时控制激振器伸缩补偿，通过压力补偿保证施加在钢轨上的荷载不发生变化，保持对轨道加载力的稳定，避免因土体沉降导致的施加荷载变小而失真，同时通过激振器设置荷载的加载曲线可真实模拟高速列车行驶时实际的振动荷载作用频率；
2、通过电动推杆带动滑台运动，从而带动加载机构下部的轨道滑轮在钢轨上滑动，当第一转向触板与第二转向触板上的转向按钮接触并挤压转向按钮时，转向按钮触发，电动推杆改变伸缩方向，从而使加载机构往复循环滑动，同时调节伸缩杆的伸缩快慢可以有效模拟列车不同的行驶速度，如此往返运动可模拟高铁火车循环往复行驶的真实工况；
3、通过左侧梁和右侧梁表面的土体限位板构建一个相似岩土体的填充空间，通过左侧梁的滑动可以根据模型尺寸任意调节填充空间的大小，同时左右侧梁内设置液压千斤顶能够提供水平侧向应力边界条件，从而更好的完成相似岩土体的铺设；
4、相似岩土体铺设完成后，拆下土体限位板即可在相似岩土体的对应位置开挖支护采空区或地铁隧道，或在铺设相似岩土体的过程中通过隧道预制块或采空区预制块可在任意位置上模拟采空区、地铁隧道、地下管廊等既有地下工程，利用预制块的方法来模拟地下工程对于分层铺设上覆岩土体和埋置各类传感器都更加便利，可以更好的完成相似模拟，更准确的对物理试验模型动力加载进行监测；
5、既可进行在运营高速铁路下伏既有地下工程的动力加载模拟试验，又可进行在既有高速铁路下方修建地下工程的动力加载模拟试验，其结构新颖独特，操作简单，使用方便，效果好，是下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置上的创新，有良好的社会和经济效益。
本发明的模拟实验数据如下：
现场试验
以埋深32米的隧道为例，从隧道顶板向上至地表埋设各类传感器，传感器种类：位移传感器、加速度传感器和动应力传感器。在高铁运行过程中采集各类传感器获取的火车运行的受力及振动相关信息并传输到计算机中。
土层物理力学参数
相似原理
(1)几何相似比
几何相似比为αL＝1/100，选取工程原型长度100m，采空区埋深32m，所以模型尺寸为长100cm，宽40cm，高度45cm。
(2)密度相似比
原型岩层平均密度为ρy＝2.2，模型材料干密度为ρm＝1.6。
αρ＝ρy/ρm＝1.6/2.2＝0.73
(3)应力与强度相似比
ασ＝αρ×αL＝0.0073
(4)速度相似比
Vy原型某点的速度，Vm模型对应点的速度
αv＝Vy/Vm
(5)时间相似比
由于几何相似比为αL＝1/100，所以时间相似比为αt＝1/10
(6)加速度相似比
αa＝αL/αt 2＝1
根据隧道上覆岩土层赋存情况，按几何相似比和应力与强度相似比计算出模型各层材料厚度和重量。模拟试验选用粒径小于0.05mm的细粒河沙为骨料，石膏、碳酸钙具有脆性破坏的特点，选用石膏为主要胶结材料，碳酸钙为辅助胶结材料，并用云母粉模拟岩层间软弱面。由于石膏材料凝固胶结速度较快，在相似材料中，加入少量硼砂作为缓凝剂，加水配成浓度为1％溶液。材料相似配比如下：
材料相似配比表
序号 岩性 厚度/cm 分层 配比号 砂子/kg 石灰/kg 石膏/kg 水/kg
1 人工填土层 3 2 537 42 2.6 5.9 5
2 冲积洪积层 8 2 437 107.5 8.2 18.9 13.4
3 塑状残积层 10 2 355 122.5 7.4 17.1 14.8
4 全风化岩层 9 3 337 113.3 11.4 26.3 15.2
5 强风化岩层 5 1 573 78.3 10.9 4.7 9.4
6 中风化岩层 5 1 328 52.3 8.6 4.6 8.2
以1：100为相似比进行物理模型试验，依据上述各参数相似比制备相似岩土体、隧道预制块，确定各土层的厚度、移动速度、加载荷载等。传感器种类：位移传感器、加速度传感器和动应力传感器。各类传感器的间距及埋深也按照几何相似比1：100进行埋设。车辆荷载的形式可以采用正弦波形脉冲：
P(t)＝P0+Psin(2πft)
其中：p为接触斑上的压力；P0
为车辆静载，P为振动荷载幅值；f为荷载作用频率，频率取实际荷载作用频率。利用加载机构上的液压千斤顶施加列车静载P0，调节激振器的加载频率f和振动荷载幅值P。调试好设备后通过模型试验装置即可进行模拟试验。
下列实验数据为列车往复运行50次测得的试验数据：
模型试验装置采集的数据：
动应力：
埋深(cm) 0 4 8 12 16 20 24 28 32
动应力(Kpa) 0.65 0.45 0.3 0.2 0.12 0.07 0.04 0.02 0.01
竖向振动加速度：
埋深(cm) 0 1 5 10 15 20
竖向加速度(m/s) 0.038 0.036 0.022 0.01 0.0037 0.001
沉降：
埋深(cm) 0 4 8 12 16 20 24 28 32
沉降(mm) 1.5 2.2 3.0 4.12 5.16 6.04 6.75 7.62 8.31
现场试验实测数据：
动应力：
埋深(m) 0 4 8 12 16 20 24 28 32
动应力(Kpa) 53 42 24 18 10 6 3 1.6 0.8
竖向振动加速度：
埋深(m) 0 1 5 10 15 20
竖向加速度(m/s) 0.04 0.035 0.020 0.008 0.0037 0.001
沉降：
埋深(m) 0 4 8 12 16 20 24 28 32
沉降(cm) 13 19 28 41.2 50.6 61 68 75 81
由上述情况可以清楚的看出，动应力与振动加速度根据相似比原理对监测数据进行处理，发现通过本发明获得的监测数据与数值分析和现场监测结果十分接近，动应力、竖向振动加速度在三种监测方法下沿深度方向上均满足指数型衰减特征。根据《动力机器基础设计规范》可知，振动荷载下动应力与竖向振动加速度沿岩土体深度方向的传递规律为指数型衰减。从而说明本装置试验结果具有很高的准确性。此外，试验结果满足对地下工程稳定性和高速列车运营安全评价的需要。从而该发明具有很高的实际应用价值。

Claims (7)

1.一种下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置，其特征在于，该试验装置包括底座（2）、竖直设置在所述底座（2）两侧的左侧梁（3）和右侧梁（4）以及水平设置在所述左侧梁、右侧梁顶部的顶梁（5），左侧梁（3）和右侧梁（4）两侧面之间连接有并排设置的多块土体限位板（9），底板、左侧梁、右侧梁以及两侧的土体限位板之间围成的空间构成相似岩土体的填充空间，顶梁（5）上设置有由电动推杆（20）驱动、沿顶梁长度方向左右滑动的滑台（14），滑台（14）上固定有向下伸出顶梁下表面且位于填充空间正上方的加载机构（12）；所述加载机构（12）包括连接在滑台（14）底部的支撑板（123），支撑板（123）两端分别设置有对称的两组伸缩加载机构，伸缩加载机构下端连接有随其伸缩的轨道滑轮（18），支撑板（123）两端下表面连接有向下延伸的第一转向触板（124），两端的第一转向触板上分别设置有用于改变电动推杆（20）伸缩方向的转向按钮（127），转向按钮（127）分别位于两端第一转向触板相互远离的表面上，并且相对于支撑板中心线，转向按钮位于伸缩加载机构的外侧，左侧梁（3）和右侧梁（4）上端相互靠近的一侧分别装有与第一转向触板位于同一高度的制动转向机构（15），制动转向机构（15）相互靠近的一端端面上分别固定有与转向按钮（127）相对应的第二转向触板（151），当电动推杆（20）驱动滑台带动加载机构沿顶梁长度方向前后滑动时，第一转向触板（124）与第二转向触板（151）上的转向按钮接触并挤压转向按钮，转向按钮触发，电动推杆（20）改变伸缩方向，构成加载机构的往复循环滑动结构；
所述的试验装置还包括控制器（21），伸缩加载机构上设置有用于检测其加载力的压力传感器，控制器（21）分别与伸缩加载机构的驱动部件、压力传感器、电动推杆（20）和转向按钮（127）相连；
所述伸缩加载机构包括固定在支撑板（123）底面上、沿竖直方向伸缩的液压千斤顶（121），液压千斤顶（121）的下端的活动部分固定有随其伸缩升降的激振器支撑板（125），激振器支撑板（125）下表面固定有沿竖直方向伸缩的激振器（122），激振器（122）下端连接有与轨道机构（16）相匹配的轨道滑轮（18）；
所述填充空间内铺设有相似岩土体（19），相似岩土体（19）上部伸出填充空间，伸出部分的相似岩土体上铺设轨道机构（16）。
2.根据权利要求1所述的下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置，其特征在于，所述的轨道滑轮（18）包括固定连接在所述激振器下端的轮轴支撑块（184）、转动穿装在所述轮轴支撑块（184）上的轮轴（181）和固定在所述轮轴两端的轮体（182）。
3.根据权利要求1所述的下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置，其特征在于，所述相似岩土体（19）内埋设有隧道预制块（11）或采空区预制块（10）或二者的组合，同时相似岩土体内还埋设有用于监测在动载下相似岩土体内的动应力、振动加速度或土体沉降量的传感器（22）。
4.根据权利要求1所述的下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置，其特征在于，所述的左侧梁（3）上、下两端面上分别设置有第一滑轮（31），底座（2）上表面和顶梁（5）下表面分别设置有与第一滑轮（31）相对应的第一滑轮轨道（7），第一滑轮（31）滑动设置在第一滑轮轨道内，构成左侧梁沿底座和顶梁长度方向的前后滑动结构，底座（2）上设置有用驱动左侧梁滑动的第二液压千斤顶（6）。
5.根据权利要求4所述的下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置，其特征在于，所述左侧梁（3）和右侧梁（4）相互靠近一侧的侧面上均设置有由第三液压千斤顶（13）驱动的、用于施加侧向应力的传力压板（131）。
6.一种基于权利要求2所述试验装置在既有高速铁路下方修建地下工程的动力加载模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测量实际工况，采用相似原理对高速铁路路基及地质状况进行等比例缩放，得到相应的相似岩土体的尺寸，并根据相似岩土体的尺寸，调节左侧梁的位置，使填充空间与等比例缩放得到相应的相似岩土体的尺寸相匹配；
步骤2：依据相似原理制备相似岩土体的材料；
步骤3：在填充空间内分层铺设相似岩土体并埋设相应的传感器（22）；
步骤4：待模型的相似岩土体固结稳定后，在相似岩土体上方铺设轨道机构；
步骤5：在相似岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6：拆卸土体限位板，在相似岩土体上对应位置开挖支护采空区或地铁隧道，加载机构（12）在施加动荷载的情况下沿轨道机构往复运动，模拟实际火车运行，并通过传感器监测上部轨道系统的沉降变形或岩体的动应力、振动加速度。
7.一种基于权利要求2所述试验装置在运营高速铁路下伏既有地下工程的动力加载模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测量实际工况，采用相似原理对高速铁路路基及地质状况进行等比例缩放，得到相应的相似岩土体的尺寸，并根据相似岩土体的尺寸，调节左侧梁的位置，使填充空间与等比例缩放得到相应的相似岩土体的尺寸相匹配；
步骤2：依据相似原理制备相似岩土体的材料；并利用相应的相似材料制备隧道预制块（11）或采空区预制块（10）分别模拟代替下伏既有地下工程的采空区或地铁隧道；
步骤3：在填充空间内分层铺设相似岩土体并埋设相应的传感器（22），同时把预制的隧道预制块（11）或采空区预制块（10）埋置在相应的位置上；
步骤4：待模型的相似岩土体固结稳定后，在相似岩土体上方铺设轨道机构；
步骤5：在相似岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6：加载机构（12）在施加动荷载的情况下沿轨道机构往复运动，模拟实际火车运行，并通过传感器监测上部轨道系统的沉降变形或岩体的动应力、振动加速度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113008493A (zh) * 2020-12-30 2021-06-22 中国矿业大学(北京) 一种管片模型振动测试试验装置
CN113884320A (zh) * 2021-09-16 2022-01-04 中铁西北科学研究院有限公司 一种模拟列车荷载动力试验的装置及方法
CN118670353B (zh) * 2024-08-26 2024-10-25 四川省亚通工程咨询有限公司 一种桥梁工程勘测系统及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN212410304U (zh) * 2020-06-29 2021-01-26 河南理工大学 一种下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN205749094U (zh) * 2016-03-24 2016-11-30 河南理工大学 组合式多功能伺服控制加载相似模拟实验台
CN107255698B (zh) * 2017-06-28 2019-12-24 山东大学 全自动真三轴隧道及地下工程模型试验系统
CN107340380A (zh) * 2017-07-10 2017-11-10 武汉科技大学 一种机械施工荷载作用下采空区稳定性模拟试验装置
CN110409518A (zh) * 2019-07-12 2019-11-05 河南理工大学 一种高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置及方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN212410304U (zh) * 2020-06-29 2021-01-26 河南理工大学 一种下伏地下工程的高铁地基动力加载模型试验装置

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