一种道砟散体与基床动力响应模型及试验方法技术

本发明专利技术涉及一种道砟散体与基床动力响应模型，包括基床以及从下至上依次铺设在基床上的第一道砟层、第二道砟层、轨枕和轨道，基床包括模型箱以及填筑在模型箱内的填料土，模型箱为上端敞口等腰梯形箱，上端敞口等腰梯形箱的两腰板、两界面板和底板分别采用柔性板、半刚性板和刚性板制成，轨道上设有双激振点；第一道砟层中道砟颗粒内埋设有磁铁；还包括磁力仪，磁力仪用于追踪磁铁随道砟颗粒的运动轨迹；还包括测试元件，测试元件设置在基床的填料土上。本发明专利技术的有益效果是：通过特殊的设置，获得模型中道砟在柔性基床内运动过程的跟踪观测以及基床附近处道砟和基床的应力状态进行跟踪观测获得有关道砟陷槽病害微观力学行为规律。

A Kind of Dynamic Response Model and Test Method for Ballast Bulk and Subgrade

【技术实现步骤摘要】
一种道砟散体与基床动力响应模型及试验方法
本专利技术涉及散体动力学、断裂力学和道路与铁道工程领域，尤其涉及一种道砟散体与基床动力响应模型及试验方法。
技术介绍
研究既有铁路路基道砟囊、道砟陷槽病害形成的微观力学机制，需要研究有砟轨道道砟与基床接面处在列车动荷载作用下的细观力学行为，通常道砟颗粒与基床的细观力学行只能通过室内相似模型试验观察获得。研究有砟轨道路基和道砟层的动力响应关系需要获得动荷载作用下填料土的应力、应变、位移的分布情况，道砟动力响应关系需要获得道砟和基床接触面处某个断面道砟行为轨迹分布情况。在做道砟与基床接触面处的动载数值仿真计算时，道砟和基床的物理力学参数的获得非常关键。基于相似定理的室内结构动力模型试验的设计方法。试验模型与被模拟的原型结构满足物理力学相似，需要满足几何尺寸相似、应力应变关系相似、质量和重力相似以及初始条件和边界条件相似。结构动力模型试验的量纲分析确定各物理量之间的关系，线弹性范围内的表达式如下：f(σ,l,E,ρ,t,u,v,a,g,ω)＝0λσ＝λEλu＝λlλ1＝lp/lmCauchyFroude其中，σ、l、E、ρ、t、u、v、a、g、ω依次为动应力、长度、弹性模量、密度、时间、位移、速度、加速度、重力加速度、圆频率。以长度l、密度ρ和弹性模量E为基本未知量。定义λ为原型与模型之间物理量的相似比。λl,λυ,λE分别为几何比尺、质量密度比尺、弹性模量比尺。λσ、λt、λu、λv、λa、λg、λw分别为应力比尺，时间比尺、变形比尺、速度比尺、加速度比尺,重力加速度比尺和圆频率比尺。P,m分别代表原型和模型。Cauchy常数、Froude常数这就是关于质量和重力相似的两个重要常数。Cauchy常数或Froude常数与原型保持一致。重力相似律：Froude常数反映原型与模型之间惯性力与重力的比值相等的要求，即重力相似律。重力相似律可用于研究土工建筑物临近破坏阶段的相似关系。重力相似律要求Froude常数模型与原型一致。λg＝1λσ＝λE，λu＝λl，λa＝λg＝1，具体的由于轨道是铁路、地铁的主要技术设备之一，是行车的基础，它直接承受由车轮传来的荷载，并将其传送给路基或桥隧等建筑物，同时还起着引导机车车辆平稳安全运行的作用。重载铁路大多采用有砟轨道，有砟轨道的特点是作为散粒体的道床结构，道砟颗粒之间总是存在着空隙。这种空隙会由于外荷载的振动，使道砟颗粒相互错动、重新排列而减小、也会由于外部压力使道砟颗粒各接触点(面)之间出现破碎、粉化，使颗粒排列更加紧密。特别是桥隧地段，线下基础为刚性，本来就比路基区段的轨道刚度就大，在重载列车作用下道砟更容易破碎脏污，降低道床弹性缓冲功能，加剧轮轨之间冲击，增加养护维修难度和工作量，隧道以及桥梁内的道床容易损坏。道砟散体的动力特性试验研究在国内外已经有很多研究成果，其室内散体动力特性模型试验往往是将刚性边墙装道砟散体，然后通过动力加载，获得道砟在刚性边墙内的运动、变形和磨损特性，这种方法只能获得道砟作为单独研究对象的动力特性，获得相关动力参数。但实际铁路情况是支撑道砟的基床本身就是柔性的土工结构，道砟与基床在列车震动荷载作用下，接触面处就会发生相互摩擦、相互破坏、相互渗透的作用，有砟线路的道砟陷槽病害就充分证明了这一点，其在接触面处的相互作用并不是道砟与刚性边墙所能比拟的。随着我国铁路建设事业的快速发展，提高路基施工质量以适应铁路跨越式发展已显得十分重要。铁路路基是铁路工程的重要组成部分，作为土工构筑物，铁路路基主要由基床表层、基床底层和基床以下路堤组成，路基的沉降变形主要是这几部分沉降变形的叠加产生。我国已建成铁路绝大部分以有砟铁路为主，在长期的服役过程中有砟铁路路基受到循环累积荷载的作用从而产生累积变形，服役过程中轨枕受到列车行驶带来的垂向荷载和水平向荷载的耦合作用从可能产生过大的位移导致轨道失效。对于长期服役状况下有砟轨道道砟层的累积变形状况由于不能破坏已有线路路基所以很难在现场进行详细全面的试验测试，而目前室内试验常用的道闸试验箱试验只能在单纯的垂向或水平向荷载(如蛇行运动、列车转弯等)荷载下进行试验，无法模拟二者间更加复杂相互渗透的影响。随着客运高速化和货运重载化的发展，铁路运输在交通运输体系中的地位越来越重要。而轨道结构作为铁路运输的基础，在列车荷载的反复作用下，往往会出现扣件失效、轨枕吊空、路基不均匀沉降等不利缺陷。这些缺陷的存在对列车的安全运行十分不利，并极大地加快了轨道结构的疲劳损伤。路基动力响应的关注集中在列车—轮轨—路基的动力耦合方面，将道砟被模拟成弹簧或阻尼，忽略了道砟本身对基床的损害，模型试验通过对基床与道砟接触面处的颗粒的细观力行为研究，进一步认识道砟陷槽病害的本质原因。相似模型试验是力学领域的一项重要的研究方法，它将研究对象以一定比例(相似比例)进行缩放，同时，对加载条件、边界条件、材料物理参数也按照一定的相似比例进行缩放，然后对结构的应力、应变、位移、孔隙比等参数进行获取和研究，它具有影响因素、试验条件可控、试验结果可靠等诸多优点。随着我国铁路交通的高速发展，交通荷载所引起的岩土工程问题越来越为人们所重视。但是现在国内的交通荷载室内试验方法大多归为两类:一是通过动三轴试验对路基土土体的动态分析；二是通过低频伺服加载器的震动试验来进行对交通荷载的模拟。这两类实验原理都是通过模拟交通荷载的震动波形的形式来进行模拟试验，没有相似模型缩尺的交通荷载实体进行试验。土工室内模型实验，是岩土工程课题广泛采用的研究方法。土体位移沉降观测是土工实验的主要测试参数，其结果是分析土体应力分布及地下结构物力学性能的主要影响因素。现有的土体位移测试仪器是针对工程现场实验的数据测量，仪器量程较大，利用其在室内实验环境下直接读取实验数据，导致室内实验数据测试精度低。室内模型实验测试数据较小，忽视测试精度因素，仪器误差导致实验测试数据与实验偏差过大甚至数据错误。随着计算机技术的不断发展和各种商业有限元软件的出现，有限元法得到了飞快发展，并被用于各种分析中，如热力学分析、流体力学分析、机械零件性能分析、结构静力和动力分析等等。现有技术中很多论文或者专利中采用建立了高速铁路桩-板结构路基有限元模型，对列车动荷载作用下桩-板结构加固后路基的动力响应进行了分析，其中列车动荷载用包含静荷载和正弦函数叠加而成的激振函数来模拟，或者是根据铁路轨道结构的对称性，以轨道纵向中心线为界，建立了1/2轨道-路基的有限元离散模型，并利用此模型分析了列车速度对路基动应力以及车辆运行品质、动位移的影响。以上的方法大大推进了有砟轨道有限元模型的发展，但由于都采用全实体建模，故单元数目比较多，计算效率不能保证。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种道砟散体与基床动力响应模型及试验方法，以克服上述现有技术中的不足。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种道砟散体与基床动力响应模型，包括基床以及从下至上依次铺设在基床上的第一道砟层、第二道砟层、轨枕和轨道，基床包括模型箱以及填筑在模型箱内的填料土，模型箱为上端敞口等腰梯形箱，上端敞口等腰梯形箱的两腰板、两界面板和底板分别采用柔性板、半刚性板和刚性板制成；轨道上设有双激振点；第一道砟层中道砟颗粒内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种道砟散体与基床动力响应模型，其特征在于，包括基床(1)以及从下至上依次铺设在所述基床(1)上的第一道砟层(2)、第二道砟层(3)、轨枕(4)和轨道(5)，所述基床(1)包括模型箱(110)以及填筑在模型箱(110)内的填料土，所述模型箱(110)为上端敞口等腰梯形箱，所述上端敞口等腰梯形箱的两腰板(111)、两界面板(112)和底板(113)分别采用柔性板、半刚性板和刚性板制成；所述轨道(5)上设有双激振点(510)；所述第一道砟层(2)中道砟颗粒内埋设有磁铁；还包括磁力仪，所述磁力仪用于追踪磁铁随道砟颗粒的运动轨迹；还包括测试元件(6)和数据采集仪，所述测试元件(6)设置在所述基床(1)的填料土上，所述测试元件(6)与所述数据采集仪电连接。

【技术特征摘要】
1.一种道砟散体与基床动力响应模型，其特征在于，包括基床(1)以及从下至上依次铺设在所述基床(1)上的第一道砟层(2)、第二道砟层(3)、轨枕(4)和轨道(5)，所述基床(1)包括模型箱(110)以及填筑在模型箱(110)内的填料土，所述模型箱(110)为上端敞口等腰梯形箱，所述上端敞口等腰梯形箱的两腰板(111)、两界面板(112)和底板(113)分别采用柔性板、半刚性板和刚性板制成；所述轨道(5)上设有双激振点(510)；所述第一道砟层(2)中道砟颗粒内埋设有磁铁；还包括磁力仪，所述磁力仪用于追踪磁铁随道砟颗粒的运动轨迹；还包括测试元件(6)和数据采集仪，所述测试元件(6)设置在所述基床(1)的填料土上，所述测试元件(6)与所述数据采集仪电连接。2.根据权利要求1所述的一种道砟散体与基床动力响应模型，其特征在于，所述第一道砟层(2)中道砟颗粒采用正四面体石材。3.根据权利要求1所述的一种道砟散体与基床动力响应模型，其特征在于，还包括多根测试绳，每根所述测试绳的一端均与所述第一道砟层(2)中道砟颗粒相连接，另一端为自由端。4.根据权利要求1所述的一种道砟散体与基床动力响应模型，其特征在于，所述测试元件(6)包括表面位移计(610)、土压力盒(620)和水平加速度计(630)，所述表面位移计(610)设置在所述第一道砟层(2)与所述填料土之间，所述土压力盒(62...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖尊群，姜亦男，汤东桑，王鑫，杨凯，曹童童，董琼英，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42