高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统。该系统包括模型试验箱、高速铁路无砟轨道路基模型、激励系统和监测系统。高速铁路无砟轨道路基模型依次由地基、基床底层、基床表层、混凝土底座、CA砂浆、轨道板、扣件系统和钢轨组成，激励系统由一系列的激振器组成，通过协同控制每个激振器的激振频率和相位，实现不同运行速度下列车荷载的模拟。在路基模型中布置了动态土压力传感器和分层沉降计，混凝土底座内部埋设了钢筋应变计，轨道结构上布置了位移、加速度传感器，共同构成模型试验系统的监测系统。本发明专利技术可用于开展列车运行荷载下路基动力学模型试验的研究，可对不同的地基条件、路基结构和轨道不平顺进行评估和预测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及路基动力学模型试验系统，尤其是涉及一种高速铁路无砟轨道路基动 力学模型试验系统。
技术介绍
目前，我国在300km/h及以上客运专线铁路上普遍采用无砟轨道技术。由于无砟 轨道已经松散的道砟换成了刚度巨大的钢筋混凝土材料，使得无砟轨道结构对路基的变形 和刚度极其敏感。列车的高速运行对轨道结构和路基土体的动力性能提出了很高的要求。 列车速度的提高，导致轨道结构的振动加剧，尤其当列车速度接近土体的临界波速时，土体 的动力响应急剧增加。列车速度的提高，导致路基内部动应力的影响范围变大，使得路基的 不均勻沉降变大，进而引起轨道的不平顺，加剧了车轨的动力相互作用。路基变形的控制已 经达到了亚厘米一毫米级，如无砟轨道路基的工后零沉降理论、一般路基工后沉降不大于 15mm、路基与其它结构交界处的差异沉降不大于5mm等，这些技术标准和工程问题已经超 出了目前国际上对岩土材料极其构筑物工程特性的认识水平。目前，高速铁路动力学试验 的研究手段主要有室内模型试验和现场原位测试两种。室内模型试验受到场地尺寸和列车 速度的限制，不易实现真车的高速移动加载；现场原位测试虽然可以采用真实的列车高速 运行，但所处的环境比较复杂不易控制，且对监测设备的要求很高。如西南交通大学建立了 室内1:3的模型试验，进行无砟轨道定点循环加载试验，这与模拟列车的运行荷载还有很 大的差距。再如北京东郊环形道无砟轨道试验段采用真车进行现场模拟试验，可以实现不 同列车速度下的动力学试验，不足之处是现场的地质条件和环境条件不可控，轨道和路基 模型无法实现重复制作性。
技术实现思路
为了克服现有室内模型试验和现场原位测试的不足，本专利技术的目的在于提供一种 高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统，本专利技术不仅可以实现室内模型试验的模型环 境可控性，还可以实现现场原位测试的列车荷载移动性，从而在室内模型试验中实现“假车 真路”的动力学模拟试验。本专利技术采用的技术方案是该系统由模型试验箱、高速铁路无砟轨道路基模型、激励系统和监测系统构成；其中1)模型试验箱是由四个侧面钢板和底板构成的长方形钢结构模型槽；2)高速铁路无砟轨道路基模型在模型试验箱底板上由下至上依次设置有碎石和砂 垫层、地基、基床底层、基床表层、混凝土底座、CA砂浆、轨道板、扣件系统和两根钢轨；两根 钢轨通过扣件系统连接在轨道板上，基床底层和基床表层构成基床底层底面大而基床表层 上面小其坡度为1:1. 5的梯形体；3)激励系统包括多个激振器、与激振器个数相同的分配梁；分配梁按照扣件系统的 间距设置在两根钢轨上，每个激振器分别安置于各自的分配梁上表面中心；4)监测系统包括多个动态土压力传感器、多个分层沉降计、多个钢筋应变计、多个位 移传感器和多个加速度传感器。多个动态土压力传感器分别布置在混凝土底座正下方区域的地基中间厚度处、基 床底层与地基结合处、基床底层中间厚度、基床底层与基床表层结合处和基床表层与混凝 土底座结合处。多个分层沉降计分别布置在混凝土底座正下方区域的基床底层与地基结合处、基 床底层与基床表层结合处和基床底层与混凝土底座结合处。多个钢筋应变计按照扣件系统的间距分别连接在混凝土底座上下表层的两层钢 筋上，位置分别对应于上方的两根钢轨及轨道板纵向中心线。多个位移传感器按照扣件系统的间距分别布置在轨道板表面的纵向中心线及轨 道板两侧靠近扣件系统处。多个加速度传感器按照扣件系统的间距分别布置在轨道板表面的纵向中心线及 轨道板两侧靠近扣件系统处。所述的模型试验箱底部的碎石和砂垫层内设有控制水位用的供水管网。所述的基床底层上方的模型试验箱顶部两侧设有模拟降水用的喷淋系统。所述的多个动态土压力传感器分别对应于上方的扣件系统中心处、轨道板纵向中 心线处和混凝土底座横向边缘位置；多个分层沉降计分别对应于上方的扣件系统中心处、 轨道板纵向中心线处和混凝土底座横向边缘位置。本专利技术与
技术介绍
相比，具有的有益效果是(1)可产生多种致灾和加固条件，模拟功能多，包括地下水位变动、真空预压、复合地 基、桩基等；(2)高速铁路无砟轨道路基模型中土层条件、地下水位、初始应力状态及边界条件可 控、已知；(3)可代替真实列车，模拟列车的运行过程；(4)可模拟列车不同速度和轨道不平顺时的轮轨垂向相互作用；(5)监测系统全面、综合，可实现多个物理量的自动、实时监测；监测仪器埋设相对容 易，试验操作比较简单；(6)短时间内可预测路基的永久变形以及路基沉降与轨道不平顺的关系。附图说明图1是高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统示意图。图2是高速铁路无砟轨道路基模型。图3是监测系统布置示意图。图中1、模型试验箱，2、高速铁路无砟轨道路基模型，3、激励系统，4、监测系统，5、 主体钢结构梁柱，6、主体结构侧面钢板，7、地基，8、基床底层，9、基床表层，10、混凝土底座， IUCA砂浆，12、轨道板，13、扣件系统，14、钢轨，15、激振器，16、分配梁，17、动态土压力传感 器，18、分层沉降计，19、钢筋应变计，20、位移传感器，21、加速度传感器，22、碎石和砂垫层， 23、供水管网，24、喷淋系统。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。如图1所示，该系统由模型试验箱1、高速铁路无砟轨道路基模型2、激励系统3和 监测系统4构成；其中1)模型试验箱1由主体钢结构梁柱5和主体结构侧面钢板6组成的长方形钢结构模 型槽，尺寸为长15mX宽5mX高6m ；2)高速铁路无砟轨道路基模型2在模型试验箱1底板上由下至上依次设置有碎石和 砂垫层22、地基7、基床底层8、基床表层9、混凝土底座10、CA砂浆11、轨道板12、扣件系统 13和两根钢轨14，如图2所示；两根钢轨14通过扣件系统13连接在轨道板12上，基床底层 8和基床表层9构成基床底层8底面大而基床表层9上面小其坡度为1:1.5的梯形体。其 中，地基7厚度2. 5m，采用南方典型的钱塘江粉土，分层填筑夯实，虚铺35cm，夯实至25cm， 控制填土的密度和含水量，从而满足高速铁路设计规范中对地基土体比贯入阻力Ps不低于 1. SMPa的要求。填筑完成后，对地基7进行静力触探试验，抽取地基7范围内的9个测点 检验土体的比贯入阻力。基床底层8厚度2. 3m，采用A/B类填料，主要成分为粗砂，分层填 筑夯实，虚铺30cm，夯实至25cm，基床表层9厚度0. 4m,采用级配碎石，分层填筑夯实，虚铺 25cm，夯实至20cm，控制填土的密度和含水量，填筑完成后，抽取基床底层8、基床表层9范 围内各9个测点，检验地基系数k3(l、变形模量Ev2、动态变形模量Evd和孔隙率n，压实质量标 准应符合表1的要求。混凝土底座10厚度0. 3m,预先扎好钢筋笼，双向布筋，采用C40混凝 土现场浇注。待混凝土底座10的强度满足要求后，铺设CA砂浆灌注袋，吊装轨道板12并 灌注CA砂浆11。最后将扣件系统13和钢轨14安装在轨道板12上。表1 高速铁路无砟轨道基床填料压实标准权利要求1.一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统，其特征在于该系统由模型试验 箱(1)、高速铁路无砟轨道路基模型(2)、激励系统(3)和监测系统(4)构成；其中1)模型试验箱(1)是由四个侧面钢板和底板构成的长本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高速铁路无砟轨道路基动力学模型试验系统，其特征在于：该系统由模型试验箱（１）、高速铁路无砟轨道路基模型（２）、激励系统（３）和监测系统（４）构成；其中：１）　模型试验箱（１）：是由四个侧面钢板和底板构成的长方形钢结构模型槽；２）　高速铁路无砟轨道路基模型（２）：在模型试验箱（１）底板上由下至上依次设置有碎石和砂垫层（２２）、地基（７）、基床底层（８）、基床表层（９）、混凝土底座（１０）、ＣＡ砂浆（１１）、轨道板（１２）、扣件系统（１３）和两根钢轨（１４）；两根钢轨（１４）通过扣件系统（１３）连接在轨道板（１２）上，基床底层（８）和基床表层（９）构成基床底层（８）底面大而基床表层（９）上面小其坡度为１：１．５的梯形体；３）　激励系统（３）：包括多个激振器（１５）、与激振器（１５）个数相同的分配梁（１６）；分配梁（１６）按照扣件系统（１３）的间距设置在两根钢轨（１４）上，每个激振器（１５）分别安置于各自的分配梁（１６）上表面中心；４）　监测系统（４）：包括多个动态土压力传感器（１７）、多个分层沉降计（１８）、多个钢筋应变计（１９）、多个位移传感器（２０）和多个加速度传感器（２１）；多个动态土压力传感器（１７）分别布置在混凝土底座（１０）正下方区域的地基（７）中间厚度处、基床底层（８）与地基（７）结合处、基床底层（８）中间厚度处、基床底层（９）与基床表层（９）结合处和基床表层（９）与混凝土底座（１０）结合处；多个分层沉降计（１８）分别布置在混凝土底座（１０）正下方区域的基床底层（８）与地基（７）结合处、基床底层（９）与基床表层（９）结合处和基床底层（９）与混凝土底座（１０）结合处；多个钢筋应变计（１９）按照扣件系统（１３）的间距分别连接在混凝土底座（１０）上下表层的两层钢筋上，位置分别对应于上方的两根钢轨（１４）及轨道板（１２）纵向中心线；多个位移传感器（２０）按照扣件系统（１３）的间距分别布置在轨道板（１２）表面的纵向中心线及轨道板（１２）两侧靠近扣件系统（１３）处；多个加速度传感器（２１）按照扣件系统（１３）的间距分别布置在轨道板（１２）表面的纵向中心线及轨道板（１２）两侧靠近扣件系统（１３）处。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈云敏，边学成，蒋红光，蒋建群，陈仁朋，王作洲，卢文博，王顺玉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86