CN110409518A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及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，该装置包括设有模型槽的试验平台，模型槽的两侧为壁板，壁板的一侧紧贴试验平台、另一侧设有多个卡槽，模型槽内放置试验岩土体，试验岩土体的内部设有采空区模拟组件，试验岩土体的两侧为***卡槽的挡板，试验岩土体的上方设有加载基座，加载基座的上方平铺有加载板，加载板的上方为轨道垫板，轨道垫板的上方固定有两条平行的加载轨道，试验平台的上方设有反力架，反力架设有向下的加载装置，加载装置的下方连接有刚性梁，本发明能够将挡板***卡槽内，使挡板位置固定且能提供水平反力，而且挡板的位置能够根据卡槽的位置调节，模型槽能够容纳不同尺寸的试验岩土体。
Description
技术领域
本发明涉及采空区地基大型模型试验的技术领域，特别涉及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。
背景技术
随着我国高速铁路的迅速发展，高速铁路线路的铺设也迎来各种各样的技术难题，其中也不乏通过采空区地基。所以急需得到大量的研究成果来支撑实际工程。然而针对采空区地基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CN101787716 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，该装置只能对高铁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，但未考虑更深处采空区地基在循环动荷载累积作用下的变形。公开号为CN204405654 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***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。该装置胶管充满沙且水平铺设，沙在上覆土层自重压力作用下，流动性不大，且操作困难步骤不清晰，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。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供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。
本发明的技术方案是：一种高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，包括试验平台，所述试验平台设有模型槽，所述模型槽的两侧为壁板，所述壁板的一侧紧贴试验平台、另一侧设有多个水平均布且竖向设置的卡槽，所述模型槽内放置有四方形的试验岩土体，所述试验岩土体的内部设有采空区模拟组件，所述采空区模拟组件包括位于试验岩土体内部的储水袋，所述储水袋的一端为穿过一侧挡板的进水管、另一端为穿过另一侧挡板的出水管，所述出水管上安装有流量表和阀门，所述试验岩土体的两侧为***卡槽的挡板，所述试验岩土体的上方设有棱台结构的加载基座，所述加载基座的上方平铺有加载板，所述加载板的上方为轨道垫板，所述轨道垫板的上方固定有两条平行的加载轨道，所述试验平台的上方设有横跨模型槽的反力架，所述反力架设有向下的加载装置，所述加载装置的下方连接有横跨加载轨道的刚性梁。
优选的，所述壁板的内侧和所述挡板的内侧均设有吸波材料。
优选的，所述加载装置为作动器。
优选的，所述反力架包括两侧固定在试验平台上的立柱和横跨模型槽的横梁，所述立柱和所述横梁均为中空结构，所述横梁的下方为安装板，所述安装板的中部设有滑槽，所述滑槽内设有T形的吊杆，所述吊杆的横杆位于安装板上方、所述吊杆的竖杆穿过滑槽，所述竖杆的下端固定有连接板，所述连接板与所述安装板通过螺栓连接，所述安装板在所述滑槽的两侧设置多个均布的预留螺栓穿孔，所述作动器与所述连接板固定连接。
优选的，所述立柱和所述横梁之间连接有斜撑，所述立柱底部的底板通过螺栓固定在试验平台上，所述底板与所述立柱之间连接有多个均布的筋板。
优选的，所述挡板的外侧表面设有均布的横撑，所述挡板设有供所述进水管和所述出水管穿过的预留管孔。
优选的，所述挡板的外侧设有支撑架，所述支撑架支座、撑杆和支撑板，所述支座固定在模型槽底部，所述支撑板的一侧紧贴挡板外侧面、另一侧为连接座，所述撑杆的一端与支座固定连接、另一端斜向上伸出且与所述连接座铰接。
优选的，所述支撑板位于两个所述横撑之间，所述支撑板与所述挡板接触的表面设有橡胶皮垫。
上述试验装置的试验方法包括以下步骤：
步骤1，测量实际工况，采用相似原理对高铁路基及下方采空区进行缩放，得到相应的试验岩土体的尺寸，并根据试验岩土体尺寸设置卡槽的位置；
步骤2，制作试验岩土体，在内部相应位置埋置采空区模拟组件；
步骤3，将试验岩土体放入模型槽，并调节挡板位置；
步骤4，根据已确定的时间相似比排出储水袋中的水；
步骤5，在试验岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6，待采空区稳定后，在试验岩土体上方铺设加载基座、加载轨道及测量仪器；
步骤7，安装反力架和加载装置；
步骤8，利用加载装置模拟高铁运行时的载荷；
步骤9，测量仪器测量的结果传输到电脑软件进行处理分析，得到试验结果。
进一步地，在步骤2中，制作试验岩土体时要分层制土，每层埋设相应的测量装置且检测每层土样相关物理指标合格后才能进行上层土的制作
本发明的有益效果是：
本发明设置模型槽且在模型槽的壁板上设置卡槽，能够将挡板***卡槽内，使挡板位置固定且能提供水平反力，而且挡板的位置能够根据卡槽的位置调节，模型槽能够容纳不同尺寸的试验岩土体。
试验岩土体上方的加载基座、加载板、轨道垫板、加载轨道分别模拟高铁路基、混凝土底座、轨道板和高铁轨道，能够有效模拟高铁的真实工况。
本发明在壁板的内侧和挡板的内侧均设有吸波材料，能够防止应力波回弹。
本发明在试验岩土体内设置采空区模拟组件，采空区模拟组件采用储水袋模拟采空区，储水袋能够根据利用流量表和阀门控制放水速度，从而能够模拟采空区的演变过程，该采空区模拟组件的时间可空性强、流动性好，能够有效模拟采空区弯曲带的演变规律，对土层扰动相对较小；而且储水袋能够设置成任意形状，可塑性好，能够模拟不同情况的采空区。
本发明中横梁下方的安装板设置吊杆，方便作动器调节位置，便于调整合适的加载位置。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的局部剖视结构示意图；
图3为本发明的主视结构示意图；
图4为反力架的立体结构示意图；
图5为挡板外侧支撑架的结构示意图；
图6为采空区模拟组件的结构示意图；
图中：1、试验平台；1-1、壁板；1-11、卡槽；1-12、钢筋；1-2、排水槽；2、挡板；2-1、横撑；2-2、吊装孔；2-3、预留管孔；3、试验岩土体；4、采空区模拟组件；4-1、储水袋；4-2、进水管；4-3、出水管；4-31、流量表；4-32、阀门；5、加载基座；5-1、加载板；5-2、轨道垫板；5-3、加载轨道；6、作动器；6-1、刚性梁；7、反力架；7-1、立柱；7-11、底板；7-2、横梁；7-21、安装板；7-211、滑槽；7-22、吊杆；7-23、连接板；7-24、作动器垫板；7-3、斜撑； 8、支撑架；8-1、支座；8-2、撑杆；8-3、支撑板；8-31、连接座；8-4、橡胶皮垫。
具体实施方式
本发明的具体实施方式参见图1-6：
本发明的技术方案为：
一种高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，如图1-6，包括试验平台1，该试验平台1设有两端贯穿的模型槽，模型槽的两侧为壁板1-1，壁板1-1为内部设有钢筋1-12的混凝土板，壁板1-1的一侧紧贴试验平台1、另一侧设有多个水平均布且竖向设置的卡槽1-11，模型槽内放置有四方形的试验岩土体3，试验岩土体3的内部设有采空区模拟组件4，采空区模拟组件4包括位于试验岩土体3内部的储水袋4-1，储水袋4-1的一端为穿过一侧挡板2的进水管4-2、另一端为穿过另一侧挡板2的出水管4-3，出水管4-3上安装有流量表4-31和阀门4-32，模型槽的底部两侧设有紧挨壁板1-1的排水槽1-2，排水槽1-2的坡脚不小于3%，试验岩土体3的两侧为***卡槽1-11的挡板2，挡板2的上方设有两个位于两侧的吊装孔2-2，挡板2使用钢化玻璃制成，挡板2的外侧表面设有均布的横撑2-1，挡板2设有供进水管4-2和出水管4-3穿过的预留管孔2-3，试验岩土体3四周的表面分别紧贴挡板2和壁板1-1，壁板1-1的内侧和挡板2的内侧均设有吸波材料，壁板1-1内侧和挡板2内侧的吸波材料能够防止应力波回弹，试验岩土体3的上方设有棱台结构的加载基座5，加载基座5的上方平铺有加载板5-1，加载板5-1的上方为轨道垫板5-2，轨道垫板5-2的上方固定有两条平行的加载轨道5-3，试验平台1的上方设有横跨模型槽的反力架7，反力架7设有向下的加载装置，加载装置的下方连接有横跨加载轨道5-3的刚性梁6-1，加载装置为作动器6，作动器6为电液伺服动态作动器6，作动器6连接恒压变量伺服油源且由计算机控制，该加载装置不仅能模拟不同速度、轴重的高铁，还能实现模拟不同波形高频运作。
本发明在模型槽的壁板1-1上设置卡槽1-11，能够将挡板2***卡槽1-11内，使挡板2位置固定且能提供水平反力，而且挡板2的位置能够根据卡槽1-11的位置调节，模型槽能够容纳不同尺寸的试验岩土体3，试验岩土体3上方的加载基座5、加载板5-1、轨道垫板5-2、加载轨道5-3分别模拟高铁路基、混凝土底座、轨道板和高铁轨道，能够有效模拟高铁的真实工况。
本发明还在试验岩土体3内设置采空区模拟组件4，采空区模拟组件4采用储水袋4-1模拟采空区，储水袋4-1能够根据利用流量表4-31和阀门4-32控制放水速度，从而能够模拟采空区的演变过程，该采空区模拟组件4的时间可空性强、流动性好，能够有效模拟采空区弯曲带的演变规律，对土层扰动相对较小；而且储水袋4-1能够设置成任意形状，可塑性好，能够模拟不同情况的采空区。
本发明中的反力架7包括两侧固定在试验平台1上的立柱7-1和横跨模型槽的横梁7-2，立柱7-1和横梁7-2均为中空结构，立柱7-1和横梁7-2之间连接有斜撑7-3，立柱7-1底部的底板7-11通过螺栓固定在试验平台1上，底板7-11与立柱7-1之间连接有多个均布的筋板，横梁7-2的下方为安装板7-21，安装板7-21的中部设有滑槽7-211，滑槽7-211内设有T形的吊杆7-22，吊杆7-22的横杆位于安装板7-21上方、吊杆7-22的竖杆穿过滑槽7-211，竖杆的下端固定有连接板7-23，连接板7-23与安装板7-21通过螺栓连接，安装板7-21在滑槽7-211的两侧设置多个均布的预留螺栓穿孔，作动器6与连接板7-23固定连接，吊杆7-22方便作动器6调节位置，便于调整合适的加载位置，立柱7-1的两侧设置均布的安装孔，能够调节横梁7-2的连接位置，作动器6与连接板7-23之间连接有作动器垫板7-24。
本发明中在挡板2的外侧设有支撑架8，支撑架8支座8-1、撑杆8-2和支撑板8-3，支座8-1固定在模型槽底部，支撑板8-3的一侧紧贴挡板2外侧面、另一侧为连接座8-31，撑杆8-2的一端与支座8-1固定连接、另一端斜向上伸出且与连接座8-31铰接，支撑板8-3位于两个横撑2-1之间，支撑板8-3与挡板2接触的表面设有橡胶皮垫8-4，在加载力较大时该支撑架8能够避免挡板2变形。
上述高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1，测量实际工况，采用相似原理对高铁路基及下方采空区进行缩放，得到相应的试验岩土体3的尺寸，并根据试验岩土体3尺寸设置卡槽1-11的位置；
步骤2，制作试验岩土体3，在内部相应位置埋置采空区模拟组件4，制作试验岩土体3时要分层制土，每层埋设相应的测量装置且检测每层土样相关物理指标合格后才能进行上层土的制作；
步骤3，将试验岩土体3放入模型槽，并调节挡板2位置；
步骤4，根据已确定的时间相似比排出储水袋4-1中的水；
步骤5，在试验岩土体3上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6，待采空区稳定后，在试验岩土体3上方铺设加载基座5、加载轨道5-3及测量仪器；
步骤7，安装反力架7和加载装置；
步骤8，利用加载装置模拟高铁运行时的载荷；
步骤9，测量仪器测量的结果传输到电脑软件进行处理分析，得到试验结果。
Claims (10)
1.一种高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，包括试验平台，其特征在于：所述试验平台设有模型槽，所述模型槽的两侧为壁板，所述壁板的一侧紧贴试验平台、另一侧设有多个水平均布且竖向设置的卡槽，所述模型槽内放置有四方形的试验岩土体，所述试验岩土体的内部设有采空区模拟组件，所述采空区模拟组件包括位于试验岩土体内部的储水袋，所述储水袋的一端为穿过一侧挡板的进水管、另一端为穿过另一侧挡板的出水管，所述出水管上安装有流量表和阀门，所述试验岩土体的两侧为***卡槽的挡板，所述试验岩土体的上方设有棱台结构的加载基座，所述加载基座的上方平铺有加载板，所述加载板的上方为轨道垫板，所述轨道垫板的上方固定有两条平行的加载轨道，所述试验平台的上方设有横跨模型槽的反力架，所述反力架设有向下的加载装置，所述加载装置的下方连接有横跨加载轨道的刚性梁。
2.根据权利要求1所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述壁板的内侧和所述挡板的内侧均设有吸波材料。
3.根据权利要求2所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述加载装置为作动器。
4.根据权利要求3所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述反力架包括两侧固定在试验平台上的立柱和横跨模型槽的横梁，所述立柱和所述横梁均为中空结构，所述横梁的下方为安装板，所述安装板的中部设有滑槽，所述滑槽内设有T形的吊杆，所述吊杆的横杆位于安装板上方、所述吊杆的竖杆穿过滑槽，所述竖杆的下端固定有连接板，所述连接板与所述安装板通过螺栓连接，所述安装板在所述滑槽的两侧设置多个均布的预留螺栓穿孔，所述作动器与所述连接板固定连接。
5.根据权利要求4所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述立柱和所述横梁之间连接有斜撑，所述立柱底部的底板通过螺栓固定在试验平台上，所述底板与所述立柱之间连接有多个均布的筋板。
6.根据权利要求5所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述挡板的外侧表面设有均布的横撑，所述挡板设有供所述进水管和所述出水管穿过的预留管孔。
7.根据权利要求6所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述挡板的外侧设有支撑架，所述支撑架支座、撑杆和支撑板，所述支座固定在模型槽底部，所述支撑板的一侧紧贴挡板外侧面、另一侧为连接座，所述撑杆的一端与支座固定连接、另一端斜向上伸出且与所述连接座铰接。
8.根据权利要求7所述的高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置，其特征在于：所述支撑板位于两个所述横撑之间，所述支撑板与所述挡板接触的表面设有橡胶皮垫。
9.一种如权利要求8所述高速铁路采空区地基拟动力加载模型试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，测量实际工况，采用相似原理对高铁路基及下方采空区进行缩放，得到相应的试验岩土体的尺寸，并根据试验岩土体尺寸设置卡槽的位置；
步骤2，制作试验岩土体，在内部相应位置埋置采空区模拟组件；
步骤3，将试验岩土体放入模型槽，并调节挡板位置；
步骤4，根据已确定的时间相似比排出储水袋中的水；
步骤5，在试验岩土体上方喷淋水模拟自然降水；
步骤6，待采空区稳定后，在试验岩土体上方铺设加载基座、加载轨道及测量仪器；
步骤7，安装反力架和加载装置；
步骤8，利用加载装置模拟高铁运行时的载荷；
步骤9，测量仪器测量的结果传输到电脑软件进行处理分析，得到试验结果。
10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于：在步骤2中，制作试验岩土体时要分层制土，每层埋设相应的测量装置且检测每层土样相关物理指标合格后才能进行上层土的制作。
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