一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置和试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置和试验方法。所述试验装置包括：模型箱，其用于装填模拟路基结构的道砟石‑路基土试样；泥浆分析盒，其用于容纳待测泥浆；泥浆输液结构，其用于将模型箱内的道砟石‑路基土试样形成的泥浆输入至泥浆分析盒内；反力密封结构模块，其用于通过拉压力保持模型箱内的道砟石‑路基土处于封闭状态；泥浆浊度采集和分析模块，用于采集泥浆分析盒内待测泥浆的浊度；以及加载机构，用于施加模拟车辆动荷载的力，将动荷载和静荷载传递并施加在模型箱内的道砟石‑路基土试样表面。本发明专利技术的试验装置具有精确可靠、方法简单、适用范围广等诸多优点。

A test device and method for measuring the temporal and spatial evolution characteristics of mud turbidity

【技术实现步骤摘要】
一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置和试验方法
本专利技术涉及一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置和试验方法，属于测量泥浆浊度领域，具体为一种跟踪测量路基发生翻浆冒泥病害过程中泥浆浊度时空演变特性试验装置和试验方法。
技术介绍
铁路是国家运输体系中的重要组成部分，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。目前，我国已成为当今世界上铁路运营里程最长、在建规模最大的国家。铁路的快速发展随之带来了一系列路基动力学和岩土工程问题，过去，人们对包括轨枕、扣件等轨道上部结构开展了大量研究，而实际情况是，有砟轨道下部结构即道砟、底砟和路基土层的力学与工程性质比上部结构更加复杂多变且难以评估。在列车运行和自然环境（降水、地下水、冻融等）的长期水-力耦合作用下，路基土中的细颗粒逐步发生固-液转化行为，并与其周围的孔隙水相互作用形成泥浆，该泥浆体在土-水-力耦合以及浓度梯度、孔隙水压力梯度等势能梯度的共同作用下，从路基土层内逐渐发生竖直向上的迁移流动进入底砟和道砟料层内，并最终从路基结构表面冒出，演化形成路基翻浆冒泥病害。特别地，目前高速铁路工程中虽然较多采用无砟轨道，但当路基填料的含水量达到一定程度后，在无砟轨道板与路基垫层间亦出现了类似上述的翻浆冒泥现象。因此该路基病害的形成和演化发展对有砟及无砟铁路的保养维修和安全运营等均将产生一系列深刻影响。一方面，由于泥浆不断填充轨道道砟料层内相对较大的颗粒孔隙，从而促使道床排水性能的降低，增大了道床的整体压缩性和变形能力，进而导致铁路轨道的不平顺性；另一方面，随着时间推移，当道砟颗粒间的孔隙被泥浆细颗粒填满后，将促使轨道道砟料层失去排水能力，加剧铁路道床剪切强度和刚度的进一步降低，形成对轨道上部结构各部分的持续劣化，这些将大大增加轨道的保养、维修工作成本，甚至对列车的安全运行构成严重威胁。路基翻浆冒泥病害演化过程中的水-力耦合作用和机制研究是开展准确预测预报的基础和前提。目前相关研究已表明，路基翻浆冒泥病害涉及动荷载作用下的颗粒介质运动、水分迁移、泥浆扩散形态以及造成的路基不均匀沉降等一系列工程表现和工程问题，而其从形成到不断演化的过程中孔隙水始终扮演了一个十分重要的角色，因此通过研究模拟列车动、静荷载作用下路基土的渗透性与持水特性，以及跟踪捕捉表征翻浆冒泥病害演化发展程度的泥浆中细颗粒含量指标，即泥浆浊度的时空演变特性对分析孔隙水、细颗粒在路基结构层中的迁移和集聚特性具有重要意义，同时也为进一步提出和解释铁路路基翻浆冒泥病害的形成机理和演化机制、以及从根本上发展新的治理翻浆冒泥病害的工程设计方案奠定理论和试验基础。目前国内外在该领域主要采用原位观测、室内试验和数值模拟方法开展研究。首先，在铁路工程现场开展翻浆冒泥原位试验存在诸多困难，一方面是该病害从形成到出现路基劣化效应历时较长、开展长期的现场试验将对铁路部门正常的列车运行、调度工作等带来很大影响；另一方面，开展路基翻浆冒泥原位试验将需要开挖铁路路基、埋设传感器等，这些将对路基结构的完整性、连续性等构成扰动和破坏，如果不能及时、妥善地修复该试验路基段，将可能引发一连串的路基破坏连锁效应，从而造成路基保养、修复费用的增加，浪费大量的劳力、物力。其次，室内试验主要通过利用改进一维渗流试验装置完成，但该试验装置不能实现模拟真实的铁路路基复杂边界条件，如地下水赋存环境、颗粒尺度效应和动应力响应、分布和应力历史等，而专门用于分析路基翻浆冒泥病害演化行为，特别是泥浆浊度时空演变特性的相关试验装置、试验仪器尚未见诸于报道，针对路基翻浆冒泥病害的研究仍停留在简单地考虑单因素作用试验或数值模拟阶段，很难精准获得路基翻浆冒泥病害泥浆迁移流动特性与路基土性-水-力等耦合环境效应之间的关系。因此，随着基础设施工程建设的加快实施，建设安全可靠、高效耐久的铁路路基已成为其关键和核心问题之一，是时候开展涉及更全面和深入的路基翻浆冒泥理论与试验研究。本专利技术专利针对现有路基翻浆冒泥病害室内试验装置的不足，以及着眼未来高速铁路等基础工程设施建设的重大需求，通过设计研制一套路基翻浆冒泥病害泥浆浊度测试试验装置，配制新型分级、系列模拟铁路道砟-路基土试样，更加聚焦路基土的颗粒几何特征与水力特性，实现跟踪测量路基翻浆冒泥发展过程中泥浆浊度的时空演变特性与发展规律，获得诱发路基翻浆冒泥形成与诸因素间的耦合关系，揭示其演化行为、特别是泥浆的形成机理与迁移、扩散特性。该成果不仅可以为数值模拟等研究提供验证，更为重要的是为揭示路基翻浆冒泥病害形成、演化及其对工程的影响机制具有极其重要的学术和工程应用价值，也为工程建设提供更为可靠的理论与技术支撑。
技术实现思路
为了弥补上述原位、室内试验技术的不足，本专利技术旨在提供一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置和试验方法，该试验装置具有精确可靠、方法简单、适用范围广等诸多优点。应用该试验装置可以开展多种水-力耦合作用下模拟铁路路基的静、动力特性试验，分析路基道砟料层的强度、变形和承载能力等力学与工程特性、路基底砟料层的排水和过滤性能、以及路基翻浆冒泥形成和演化过程中泥浆的迁移流动特性和由此而引起的铁路道砟脏污、劣化效应。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其包括：-模型箱，其用于装填模拟路基结构的道砟石-路基土试样；-泥浆分析盒，其用于容纳待测泥浆；-泥浆输液结构，其用于将模型箱内的道砟石-路基土试样形成的泥浆输入至泥浆分析盒内；-反力密封结构模块，其用于通过拉压力保持模型箱内的道砟石-路基土处于封闭状态；-泥浆浊度采集和分析模块，用于采集泥浆分析盒内待测泥浆的浊度；以及-加载机构，用于施加模拟车辆动荷载的力，将动荷载和静荷载传递并施加在模型箱内的道砟石-路基土试样表面。根据本专利技术的实施例，还可以对本专利技术作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：在其中一个优选的实施例中，所述反力密封结构模块包括底座板、密封顶盖、反力拉杆；所述模型箱的底部定位于底座板上，该模型箱的顶部定位于密封顶盖下表面；所述反力拉杆连接所述底座板和密封顶盖。更优选地，所述加载机构包括穿过所述密封顶盖的轴向加载杆，该密封顶盖与轴向加载杆之间设有轴向加载密封机构；优选所述轴向加载密封机构包括密封上压载帽、密封下压载帽、上O型密封圈和下O型密封圈；所述上O型密封圈和下O型密封圈的内径与所述轴向加载杆的外径相同，所述密封上压载帽和密封下压载帽的中心通孔的直径与所述轴向加载杆的外径相同；更优选所述密封顶盖的上表面和下表面均开设有凹槽，所述上O型密封圈设置在密封顶盖的上表面的凹槽内，所述下O型密封圈设置在密封顶盖的下表面的凹槽内。在其中一个优选的实施例中，所述密封顶盖上安装有连通模型箱与外界的连通管，该连通管上安装有阀。在其中一个优选的实施例中，所述泥浆输液结构包括泥浆收集器和输浆管；所述泥浆收集器的一端伸入所述模型箱内，另一端与输浆管相连，所述输浆管的出料端与泥浆分析盒连通；优选所述输浆管上装有泥浆调节阀；优选所述泥浆收集器和输浆管有多根，各泥浆收集器沿着模型箱高度方向间隔设置，各输浆管通过多聚接头汇总后与所述泥浆分析盒连通；优选所述泥浆收集器与模型箱之间通过电缆密封接头进行密封安装；更优选地，所述泥浆收集器的外形为一尖嘴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其特征在于，包括：‑模型箱（2），其用于装填模拟路基结构的道砟石‑路基土试样；‑泥浆分析盒（27），其用于容纳待测泥浆；‑泥浆输液结构，其用于将模型箱（2）内的道砟石‑路基土试样形成的泥浆输入至泥浆分析盒（27）内；‑反力密封结构模块，其用于通过拉压力保持模型箱（2）内的道砟石‑路基土处于封闭状态；‑泥浆浊度采集和分析模块，用于采集泥浆分析盒（27）内待测泥浆的浊度；以及‑加载机构，用于施加模拟车辆动荷载的力，将动荷载和静荷载传递并施加在模型箱（2）内的道砟石‑路基土试样表面。

【技术特征摘要】
1.一种测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其特征在于，包括：-模型箱（2），其用于装填模拟路基结构的道砟石-路基土试样；-泥浆分析盒（27），其用于容纳待测泥浆；-泥浆输液结构，其用于将模型箱（2）内的道砟石-路基土试样形成的泥浆输入至泥浆分析盒（27）内；-反力密封结构模块，其用于通过拉压力保持模型箱（2）内的道砟石-路基土处于封闭状态；-泥浆浊度采集和分析模块，用于采集泥浆分析盒（27）内待测泥浆的浊度；以及-加载机构，用于施加模拟车辆动荷载的力，将动荷载和静荷载传递并施加在模型箱（2）内的道砟石-路基土试样表面。2.根据权利要求1所述的测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其特征在于，所述反力密封结构模块包括底座板（1）、密封顶盖（3）、反力拉杆（4）；所述模型箱（2）的底部定位于底座板（1）上，该模型箱（2）的顶部定位于密封顶盖（3）下表面；所述反力拉杆（4）连接所述底座板（1）和密封顶盖（3）；优选所述加载机构包括穿过所述密封顶盖（3）的轴向加载杆（9），该密封顶盖（3）与轴向加载杆（9）之间设有轴向加载密封机构；优选所述轴向加载密封机构包括密封上压载帽（40）、密封下压载帽（41）、上O型密封圈（42）和下O型密封圈（43）；所述上O型密封圈（42）和下O型密封圈（43）的内径与所述轴向加载杆（9）的外径相同，所述密封上压载帽（40）和密封下压载帽（41）的中心通孔的直径与所述轴向加载杆（9）的外径相同；更优选所述密封顶盖（3）的上表面和下表面均开设有凹槽，所述上O型密封圈（42）设置在密封顶盖（3）的上表面的凹槽内，所述下O型密封圈（43）设置在密封顶盖（3）的下表面的凹槽内。3.根据权利要求2所述的测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其特征在于，所述密封顶盖（3）上安装有连通模型箱（2）与外界的连通管，该连通管上安装有阀。4.根据权利要求1-3中任一项所述的测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其特征在于，所述泥浆输液结构包括泥浆收集器（23）和输浆管（25）；所述泥浆收集器（23）的一端伸入所述模型箱（2）内，另一端与输浆管（25）相连，所述输浆管（25）的出料端与泥浆分析盒（27）连通；优选所述输浆管（25）上装有泥浆调节阀（24）；优选所述泥浆收集器（23）和输浆管（25）有多根，各泥浆收集器（23）沿着模型箱（2）高度方向间隔设置，各输浆管（25）通过多聚接头（26）汇总后与所述泥浆分析盒（27）连通；优选所述泥浆收集器（23）与模型箱（2）之间通过电缆密封接头（20）进行密封安装；更优选地，所述泥浆收集器（23）的外形为一尖嘴状、内部具有空心通道的管形结构。5.根据权利要求1-3中任一项所述的测量泥浆浊度时空演变特性试验装置，其特征在于，所述加载机构包括轴向加载杆（9）和加载板（10）；所述加载板（10）置于道砟石-路基土试样的上表面，所述轴向加载杆（9）部分伸入模型箱（2）内并紧压在所述加载板（10）上；所述轴向加载杆（9）上安装单向的惯性式激振器；优选所述轴向加载杆（9）和加载板（10）采用低合金高强度钢制成；优选所述模型箱（2）为圆柱桶状结构，所述加载板（10）为圆形加载板，该圆形加载板的直径比模型箱（2）的内径小2mm-5mm。6.根据权利要求1-3中任一项所述的测量泥浆浊度时空演变特性试验装...

【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，张升，马新岩，陈琪磊，盛岱超，
申请(专利权)人：中南大学，民航机场规划设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43