CN108914982A - 移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期沉降模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期沉降模型试验装置。模型试验装置由***框架、模型箱、列车荷载模拟***和数据采集***组成。其中模型箱内装填有高铁桩承加筋路基模型，在路基模型顶部固定设置加载板。列车荷载模拟***包括单轮小车、液压作动器、双轮小车、牵引电机和牵引绳。其中，单轮小车、液压作动器和双轮小车组成竖向加载***；双轮小车、牵引电机和牵引绳等组成水平移动***，用牵引绳连接牵引电机和双轮小车；数据采集***包括应变片、土压力计、LVDT位移计。本发明能够通过竖向加载***和水平移动***模拟高铁列车荷载，并通过试验获得高铁列车荷载下的桩承加筋路基长期沉降规律，具有操作方便、构造简单、控制精确等特点。

Description

移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期沉降模型试验装置

技术领域

本发明涉及用于岩土工程模型试验装置，尤其是涉及高铁桩承加筋路基长期沉降的模型试验装置。

背景技术

桩承加筋路基具有沉降变形小、工后沉降较易控制、稳定性高、施工方便等优点，因此在高速铁路的建设中多采用桩承加筋路基，但是在列车的长期移动循环荷载下，其长期沉降对路基稳定性十分重要。如不能有效控制路基的长期运营沉降，则会影响到高铁的正常运营，严重时甚至会造成列车脱轨事故，从而引起巨大经济损失和不利社会影响。

目前，普遍采用的用于分析桩承加筋软土路基长期运营沉降模型试验设计方案有两种，第一种是在桩承加筋软土路基现场进行现场测试，第二种是采用缩尺模型试验进行分级静力堆载来分析桩承加筋软土路基长期运营沉降。这两种试验方案设计都能够用了分析桩承加筋软土路基长期运营沉降，但是两种方法都存在一定的局限性。第一种方案-现场测试虽然能够最真实的得到桩承加筋软土路基长期运营沉降规律，但是由于现场测试工作量大、费用高以及耗时长等缺点，在实际研究中采用的较少。第二种方案采用缩尺模型试验进行分级静力堆载来分析桩承加筋软土路基长期运营沉降，该方案加载方式是静力的，无法体现移动循环荷载的特点。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明的目的是提供一种移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期沉降的模型试验装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，包括与地面固定连接***框架(1)、模型箱(2)、列车荷载模拟***和数据采集***；

所述列车荷载模拟***包括模拟列车水平移动的水平移动***、模拟列车轴重的竖向加载***和控制器，竖向加载***和水平移动***通过控制器控制，即列车荷载模拟***在控制器下用于模拟列车轨道上的运行状态；

所述***框架1上部设置液压升降器(3)和反力架(4)，所述反力架(4)上部用于设置竖向加载***和水平移动***，***框架(1)下部正对反力架(4)处设置加载板(10)；所述***框架(1)内设置模型箱(2)；所述模型箱(2)内部装填高铁桩承加筋路基模型，所述加载板(10)设置在高铁桩承加筋路基模型面上；所述数据采集***用于采集列车荷载模拟***在不同运行状态下模型的测试数据。

所述的竖向加载***包括单轮小车(9)、作动器(8)和双轮小车(7)，所述作动器(8)位于上方的双轮小车(7)和下方的单轮小车(9)两者之间，其中，所述双轮小车(7)顶部滚轮置于反力架(4)上部并能沿着反力架(4)长度方向移动；所述双轮小车(7)底部固定连接在液压作动器(8)上；所述液压作动器(8)通过螺栓连接单轮小车(9)顶部；所述单轮小车(9)底部置于加载板(10)上用于模拟列车在轨道上；所述的水平移动***包括牵引电机(5)、牵引绳(6)和双轮小车(7)，其中，所述牵引电机(5)设在反力架(4)上用于为双轮小车提供水平移动的动力；所述牵引绳(6)用于连接牵引电机(5)的输出轴和双轮小车(7)，从而使牵引电机(5)转动时带动双轮小车(7)移动；所述牵引电机和作动器均连接于控制器。

进一步限定，所述的反力架(4)上表面设置有双轨，便于双轮小车(7)移动；所述的加载板(10)，其上表面设置有滑轨，便于单轮小车(9)在滑轨上移动。

所述的高铁桩承加筋路基模型包括从下到上依次铺设的碎石持力层(11)、地基填土(12)、模型格栅及碎石垫层(13)和路堤填土(14)，其中地基填土(12)内布置有中空的模型管桩(15)；

所述加载板(10)设置在路堤填土(14)之上。

所述的数据采集***包括应变片，所述应变片黏贴于模型管桩(15)的内壁用于量测桩身轴力分布。

所述模型管桩(15)中的两根作为测试桩，所述测试桩在桩身内壁黏贴有9个应变片，用于测定桩身应变，并在桩身顶部侧面开有小口，便于导线的引出。

所述的数据采集***包括薄膜土压力计，所述薄膜土压力计设置在地基表面的桩帽顶和桩间土中心用于量测桩顶和桩间土压力。

所述的数据采集***包括LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器布置在地基表面和路堤顶面用于分别量测地基部分沉降和总沉降。

本发明具有以下优点：

1、列车荷载模拟***的竖向加载***采用作动器施加正弦荷载，可根据不同试验方案输入不同荷载幅值和频率来控制液压作动器实现正弦加载，能够更好的模拟高铁桩承加筋路基在不同列车轴重和不同车速下的长期沉降。

2、列车荷载模拟***的水平移动***配合位于***框架上的升降器，可实现单向移动加载，从而更好的模拟列车移动荷载。

3、土压力计和LVDT位移计都能实时测定桩土压力和地基表面沉降，从而能够监测试验过程中桩土应力分担和路基长期沉降。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明做进一步详细地说明：

图1为本发明的结构示意图

图2为图1的A-A结构剖面图

图3为图1的B-B结构剖面图

图4为加载***剖面图

图5为模型测试桩1、2详图

数字标记：

1***框架，2模型箱，3液压升降器，4反力架，5牵引电机，6牵引绳，7双轮小车，8液压作动器，9单轮小车，10加载板，11碎石持力层，12地基填土，13模型格栅和碎石垫层，14路堤填土，15模型管桩。

S11、S12、S13...S19和S21、S22、S123...S29为粘贴在测试桩1和测试桩2桩身的应变片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种模拟移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期沉降的试验装置，如图1所示，该装置包括***框架1、模型箱2、升降***、列车荷载模拟***及数据采集***。

所述模型箱2置于***框架1内，模型箱2为2000mm×1000mm×1400mm的长方体。如图2、图3所示，在模型箱2底部铺设碎石并压实至10cm高度作为碎石持力层11。在碎石持力层11上部分层填筑试验用地基填土12，并压实至100cm高度。在地基土体对应位置按照试验布桩方式打入模型管桩15，然后在模型管桩15帽顶和桩间土体部分布设薄膜土压力计。在地基土体表面铺设一层模型格栅，然后填入碎石垫层，在碎石垫层上部再铺设一层模型格栅形成模型格栅和碎石垫层13。在模型格栅上部按边坡率为1:1.5分层填筑路堤填料-AB料作为路堤填土14，路堤填土14高度为18cm。在路堤顶部布置加载板10，所述加载板10沿着路堤的长度方向布置，加载板10上表面中心线位置设置有滑轨。

所述升降***包括反力架4和升降组件，所述反力架4平行设置在路堤的上方，反力架4的上侧开有滑槽用于列车荷载模拟***沿着反力架4的长度方向移动。所述升降组件包括两个升降元件，在本实施例中采用的是液压升降器3。所述液压升降器3有两个，分别安装在反力架4的两端，液压升降器3的上端安装在反力架4的下侧，液压升降器3的下端安装在***框架1上，从而实现通过液压升降器3带动反力架4的升降。

如图4所示，所述列车荷载模拟***包括双轮小车7、液压作动器8，单轮小车9、牵引电机5和牵引绳6。

双轮小车7、液压作动器8和单轮小车9构成了列车荷载模拟***的竖向加载***。液压作动器8的上端安装在双轮小车7的底部，液压作动器8的下端通过螺栓与单轮小车9固定，双轮小车7的滚轮设置在反力架4上的滑槽内用于让双轮小车7沿滑槽移动，单轮小车9的滚轮放置在加载板10的滑轨内用于让单轮小车9沿着加载板10上的滑轨移动。

双轮小车7、牵引电机5和牵引绳6构成列车荷载模拟***的水平移动***。其中，牵引电机5有两个，分别固定在反力架4上侧的两端，每个牵引电机5的转轴上同轴安装有扩大圆筒；所述牵引绳6有两根，每个牵引绳6的一端与扩大圆筒连接，另一端连接在双轮小车7上。牵引电机5带动同轴的扩大圆筒转动，牵引绳6在扩大圆筒上缠绕实现双轮小车7的移动。

牵引电机5和液压作动器8均连接于控制器用于控制水平移动***和竖向加载***。

如图2、图5所示，所述数据采集***包括薄膜压力计、应变片和LVDT位移传感器，所述薄膜土压力计布设在模型管桩15帽顶和桩间土体中心用于量测桩顶和桩间土压力。如图5所示，选取两个模型管桩15作为测试管桩，根据测试管桩的长度在每个测试管桩的内壁竖向黏贴应变片，本实施例中在测试管桩的内壁由上到下竖向黏贴9个应变片用于量测桩身轴力分布。LVDT位移传感器在地基表面和路堤顶面各布置一个，用于分别量测地基部分沉降和总沉降。

按照图1、图2所示，安装模型以及填筑高铁桩承加筋路基模型。通过控制器控制后端的牵引电机5转动，牵引电机5通过牵引绳6将双轮小车7移至滑轨后端。由于是从滑轨后端开始施加荷载，为了使试验数据更加准确，单轮小9车在双轮小车7移至滑轨后端后用螺栓将单轮小车9与液压作动器8连接通过控制器控制竖向加载***产生相应的荷载幅值和频率，使水平牵引电机5产生相应的速度运行。当前端牵引电机5运行时，竖向作动器同步运行，后端电机不工作；当达到模型前端时，前端牵引电机5和竖向作动器同步停止工作，此时控制其控制液压升降器3上升值一定高度，然后后端牵引电机5工作；当到达模型箱2后端时，后端牵引电机5停止工作，液压升降器3下降，使单轮小车9与加载板10接触，然后前端牵引电机5和竖向作动器同步运行。

根据试验实际情况，按上述步骤循环加载次数达到试验要求次数为止，试验结束后，通过控制器停止竖向液压作动器8和牵引电机5。测定桩土压力分担、桩身应变和路基沉降随循环次数的变化规律。

Claims (8)

1.一种用于移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：包括与地面固定连接***框架(1)、模型箱(2)、列车荷载模拟***和数据采集***；

所述列车荷载模拟***包括模拟列车水平移动的水平移动***、模拟列车轴重的竖向加载***和控制器，竖向加载***和水平移动***通过控制器控制，即列车荷载模拟***在控制器下用于模拟列车轨道上的运行状态；

所述***框架1上部设置液压升降器(3)和反力架(4)，所述反力架(4)上部用于设置竖向加载***和水平移动***，***框架(1)下部正对反力架(4)处设置加载板(10)；

所述***框架(1)内设置模型箱(2)；

所述模型箱(2)内部装填高铁桩承加筋路基模型，所述加载板(10)设置在高铁桩承加筋路基模型面上；

所述数据采集***用于采集列车荷载模拟***在不同运行状态下模型的测试数据。

2.所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：所述的竖向加载***包括单轮小车(9)、作动器(8)和双轮小车(7)，所述作动器(8)连接于位于上方的双轮小车(7)和下方的单轮小车(9)之间，其中，

所述双轮小车(7)顶部滚轮置于反力架(4)上部并能沿着反力架(4)长度方向移动；

所述双轮小车(7)底部固定连接在作动器(8)上；

所述作动器(8)通过螺栓连接单轮小车(9)顶部；

所述单轮小车(9)底部置于加载板(10)上用于模拟列车在轨道上；

所述的水平移动***包括牵引电机(5)、牵引绳(6)和双轮小车(7)，其中，

所述牵引电机(5)设在反力架(4)上用于为双轮小车提供水平移动的动力；

所述牵引绳(6)用于连接牵引电机(5)的输出轴和双轮小车(7)，从而使牵引电机(5)转动时带动双轮小车(7)移动；

所述牵引电机(5)和作动器(8)均连接于控制器。

3.如权利要求1所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：所述的反力架(4)上表面设置有双轨，便于双轮小车(7)移动；

所述的加载板(10)，其上表面设置有滑轨，便于单轮小车(9)在滑轨上移动。

4.如权利要求1所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：

所述的高铁桩承加筋路基模型包括从下到上依次铺设的碎石持力层(11)、地基填土(12)、模型格栅及碎石垫层(13)和路堤填土(14)，其中地基填土(12)内布置有中空的模型管桩(15)；

所述加载板(10)设置在路堤填土(14)之上。

5.如权利要求1所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：所述的数据采集***包括应变片，所述应变片黏贴于模型管桩(15)的内壁用于量测桩身轴力分布。

6.如权利要求5所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：所述模型管桩(15)中的两根作为测试桩，所述测试桩在桩身内壁黏贴有9个应变片，用于测定桩身应变，并在桩身顶部侧面开有小口，便于导线的引出。

7.如权利要求1所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：所述的数据采集***包括薄膜土压力计，所述薄膜土压力计设置在地基表面的桩帽顶和桩间土中心用于量测桩顶和桩间土压力。

8.如权利要求1所述的移动循环荷载下高铁桩承加筋路基长期运营沉降模型试验装置，其特征在于：所述的数据采集***包括LVDT位移传感器，所述LVDT位移传感器布置在地基表面和路堤顶面用于分别量测地基部分沉降和总沉降。