阅读说明：本技术 列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置及方法 (Model test device and method for karez foundation collapse under action of train load ) 是由 刘先峰 张炎飞 李晓辰 袁胜洋 陈伟志 潘高峰 杨文腾 阳剑 高泽飞 陈志明 蒋 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：一种列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置,其组成是：无盖的试验箱体的前面为有机玻璃板；试验箱体内填筑有地基土并埋设有充满水的橡胶水袋、多个土压力盒和多个示踪粒子；地基土表面的中部铺设有混凝土垫板,其表面中部与千斤顶的下端相连；混凝土垫板上固定有位移计,水袋与水管相连,试验箱体外部的水管上还设置有水压力计和电磁阀；试验箱体的前方设置有粒子图像测速装置。该装置能进行列车荷载作用下,坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的模拟试验,以揭示在列车荷载作用下,坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的机理,找出其塌陷原因及各因素对塌陷的影响,进而为坎儿井地区高速铁路的地基加固、抗塌陷设计、修建提供试验依据。(A model test device for karez foundation collapse under the action of train load comprises: the front of the uncovered test box body is an organic glass plate; the test box body is internally filled with foundation soil and is embedded with a rubber water bag filled with water, a plurality of soil pressure cells and a plurality of tracer particles; a concrete cushion plate is laid in the middle of the surface of the foundation soil, and the middle of the surface of the concrete cushion plate is connected with the lower end of the jack; a displacement meter is fixed on the concrete cushion plate, the water bag is connected with a water pipe, and a water pressure meter and an electromagnetic valve are also arranged on the water pipe outside the test box body; the front of the test box body is provided with a particle image speed measuring device. The device can carry out a simulation test of the collapse of the underground canal of the karez to further cause the collapse of the foundation under the action of the train load, so as to reveal the mechanism of the collapse of the underground canal of the karez to further cause the collapse of the foundation under the action of the train load, find out the collapse reasons and the influence of all factors on the collapse, and further provide test basis for the foundation reinforcement, the collapse resistance design and the construction of the high-speed railway in the karez region.)

列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种坎儿井地基塌陷的模型试验系统及试验方法。

背景技术

坎儿井是荒漠地区使用的一种巧妙的灌溉输水结构。其主要构成是竖井、地下暗渠、地面明渠。其构造原理是：在荒漠高山的雪原潜流处，寻找水源，然后从高处的水源处到低处的地面明渠间，自上而下按照一定间距打深度逐渐变浅的竖井，然后通过竖井底部在地下挖暗渠，由暗渠连通水源、各竖井及地面明渠，从而将高处的地下水引流至低处的地面明渠，由地面明渠进行水源的输送和灌溉。

坎儿井在国内主要分布在新疆，陕西、山西和甘肃等西北荒漠地区也有分布。国外则较多分布在中亚、西亚地区。随着高速铁路的飞速发展，铁路路基穿越我国西北和中亚、西亚等坎儿井集中地区成为必然。

由于坎儿井是当地重要的用水渠道，所以在坎儿井上建设高速铁路，一定得保证坎儿井不被破坏或者说不影响坎儿井的正常工作。同时，由于坎儿井修建久远、长时间风化等原因会导致地下暗渠已局部塌陷，或者结构性能明显变差，在列车荷载作用下已局部塌陷、性能明显变差的地下暗渠，会进一步塌陷以致完全塌陷，进而使得其上部区域地基的力学性能明显变差，引发所在区域地基塌陷，严重影响高速铁路的安全运行。因此，坎儿井地区高速铁路的设计、修建，必须保证坎儿井地区的地基足够稳定、且坎儿井既有的蓄水、排水功能不可废弃。其解决方案有：对于坎儿井渠道走向与高速铁路线路方向夹角大(接近90度)的高速铁路，可以用桥梁工程跨过坎儿井；但存在抬高铁路线位，桥梁长度长、工程投资大的问题。对于坎儿井渠道走向与线路方向夹角小的高速铁路，用桥梁工程跨过坎儿井，一方面桥梁超长、并且桥墩难以避开坎儿井渠道，导致这种方式实际上无法实施。而以路基工程跨越坎儿井，则必须弄清在路基上列车的荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的机理。因此，亟需研制出列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置及方法，以弄清在路基上列车的荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的机理；为坎儿井地区高速铁路的地基加固、抗塌陷设计、修建提供试验依据。

发明内容

本发明的第一发明目的是提供一种列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置，该装置能进行列车荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的模拟试验，以揭示在列车荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的机理，找出其塌陷原因及各相关因素对塌陷的影响关系，进而为坎儿井地区高速铁路的地基加固、抗塌陷设计、修建提供试验依据。

本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置，其组成是：

无盖的试验箱体的前面为有机玻璃板，其余各面为钢板；所述的试验箱体内填筑有地基土，地基土内埋设有模拟坎儿井暗渠塌陷变形的充满水的水袋，所述的水袋由橡胶制成，呈圆柱体、端面靠近有机玻璃板；

所述的地基土表面的中部铺设有混凝土垫板，混凝土垫板上表面的中部与千斤顶的下端相连；千斤顶的上端与反力架相连；

所述的混凝土垫板上固定有测试地基整***移的位移计，地基土内放置多个土压力盒，***试验箱体的水管的管口与水袋相连，试验箱体外部的水管上还设置有水压力计和电磁阀；地基土内还均匀分布有多个示踪粒子，试验箱体的前方设置有粒子图像测速装置；所述的位移计、土压力盒、电磁阀、水压力计、粒子图像测速装置均与计算机电连接。

本发明的第二发明目的是提供一种使用上述的列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置进行列车荷载作用下，坎儿井地基塌陷的模型试验方法，该方法能够快速、方便地揭示出在列车荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的机理，找出其塌陷原因及各相关因素对塌陷的影响关系，进而为坎儿井地区高速铁路的地基加固、抗塌陷设计、修建提供试验依据。

本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置，对列车荷载作用下坎儿井地基塌陷进行模拟试验的方法，其步骤为：

A：计算机读取并记录位移计、土压力盒和水压力计的数据，得到地基土的初始位置和地基土的初始土压力和水袋的初始压力；

B：由千斤顶通过混凝土垫板对地基土逐级施加静载荷，每级静载荷至少保持50s，50s后计算机读取并记录本级静载荷下，位移计、土压力盒和水压力计的数据，得到各级静载荷的地基土的位移和地基土的土压力和水袋的压力；当静载荷达到设定的列车等效荷载值时，静载荷始终保持；

C：计算机控制电磁阀，使得水袋的水以每分钟流出水袋1％的水量向外排出，直至排水量达到水袋体积20％～30％止,水袋的顶面缓慢下沉,以模拟地下暗渠缓慢塌陷；同时，粒子图像测速装置每分钟进行一次拍照，并将拍照数据上传至计算机；

D：计算机控制电磁阀，使得水袋的水以每分钟流出水袋5％水量的流速向外排出，直至水袋的水排完，以模拟地下暗渠迅速坍塌；同时，粒子图像测速装置每分钟进行一次拍照，并将拍照数据上传至计算机；

E：千斤顶回缩，卸去对地基土的载荷，然后粒子图像测速装置进行最后一次拍照，试验完成。

由待测坎儿井地区的地基、暗渠的地质勘探结果，结合相似理论计算结果，更换试验箱体中填筑的地基土、水袋的材料和规格。即可进行在列车荷载作用下，不同坎儿井地区的坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷机理的模型实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在初始时水袋充满水，水袋对周围地基土形成支撑，模拟变形塌陷前的坎儿井暗渠对地基的支撑；再由千斤顶通过混凝土垫板对地基土施加列车等效荷载值的静载荷，模拟出列车对坎儿井地区地基的载荷作用，并得到地基土的初始总位移和地基土中多处的土压力值。实验开始水袋缓慢排水，水袋的水压减小，水袋逐渐与地基土分离，实现坎儿井暗渠初始缓慢局部塌陷的模拟；同时，得出暗渠缓慢局部塌陷时，地基土的总位移，地基土中暗渠正上方及侧上方的土压力变化；并通过粒子图像测速装置对地基土中的示踪粒子进行粒子图像测速，连续测出并记录地基中各个示踪粒子的位置和暗渠局部塌陷时的动态变形情况。最后，水袋快速放水，水袋快速与地基土完整分离，实现坎儿井暗渠快速完全塌陷的模拟，同时得出暗渠快速完全塌陷时，地基土的总位移，地基土中暗渠正上方及侧上方的土压力变化；并通过粒子图像测速装置对地基土中的示踪粒子进行粒子图像测速，连续测出并记录地基塌陷时，地基中各个示踪粒子的位置和暗渠局部塌陷时的动态变形情况。

总之，本发明巧妙的用水袋模拟出坎儿井暗渠变形塌陷前、缓慢局部塌陷与快速完全塌陷三种情况；同时测出三种情况下的地基土的位移变化和多处地基土的土压力变化；并由粒子图像测速装置得出暗渠缓慢塌陷与快速塌陷情况下，地基土流场空间结构及其流动特性和暗渠的动态变形，直观显示坎儿井地基力学特性在空间、时间维度上的演变发展规律，实现了列车荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的模拟试验。通过对试验数据和图像的分析，能够揭示出列车荷载作用下，坎儿井暗渠塌陷进而引发地基塌陷的机理，找出其塌陷原因及各相关因素对塌陷的影响关系，进而为坎儿井地区高速铁路的地基加固、抗塌陷设计、修建提供试验依据，成功的填补了现有技术的空白。

进一步，所述的试验箱体的钢板的内壁还设有泡沫板。

这样，地基土与钢板不直接摩擦接触，加载时可有效减缓地基土对钢板的冲击力；并可减少地基土的边界效应，提高试验的可靠性和精度。

再进一步，所述的地基土内放置多个土压力盒的具体方式是，所述的土压力盒为9个，按3行3列的方式均匀分布于水袋的上方，中间一列的土压力盒位于水袋的正上方。

这样，能够得到坎儿井正上方和两侧上方，三个不同深度位置处的土压力变化，能够较全面的反映出地基塌陷时，坎儿井暗渠上方的土压力变化；从而更全面完整的分析出坎儿井地基塌陷的机理。

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进行进一步的详细说明。

附图说明

图1为本发明试验装置的左视结构示意图；

图2为图1的A-A剖视结构示意图。

具体实施方式

实施例

图1-2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置，其组成是：

无盖的试验箱体1的前面为有机玻璃板1a，其余各面为钢板；所述的试验箱体1内填筑有地基土2，地基土内埋设有模拟坎儿井暗渠塌陷变形的充满水的水袋3，所述的水袋3由橡胶制成，呈圆柱体、端面靠近有机玻璃板1a；

所述的地基土2表面的中部铺设有混凝土垫板4，混凝土垫板4 上表面的中部与千斤顶5的下端相连；千斤顶5的上端与反力架13 相连；

所述的混凝土垫板4上固定有测试地基整***移的位移计10，地基土2内放置多个土压力盒6，***试验箱体1的水管7的管口与水袋3相连，试验箱体1外部的水管7上还设置有水压力计9和电磁阀8；地基土2内还均匀分布有多个示踪粒子，试验箱体1的前方设置有粒子图像测速装置11；所述的位移计10、土压力盒6、电磁阀8、水压力计9、粒子图像测速装置11均与计算机电连接。

本例的试验箱体1的钢板的内壁还设有泡沫板12。

本例的土压力盒6为9个，按3行3列的方式均匀分布于水袋3 的上方，中间一列的土压力盒6位于水袋3的正上方。

使用上述的列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置，对列车荷载作用下坎儿井地基塌陷进行模拟试验的方法，其步骤为：

A：计算机读取并记录位移计10、土压力盒6和水压力计9的数据，得到地基土2的初始位置和地基土2的初始土压力和水袋3的初始压力；

B：由千斤顶5通过混凝土垫板4对地基土2逐级施加静载荷，每级静载荷至少保持50s，50s后计算机读取并记录本级静载荷下，位移计10、土压力盒6和水压力计9的数据，得到各级静载荷的地基土2的位移和地基土2的土压力和水袋3的压力；当静载荷达到设定的列车等效荷载值时，静载荷始终保持；

C：计算机控制电磁阀8，使得水袋3的水以每分钟流出水袋31％的水量向外排出，直至排水量达到水袋体积20％～30％止,水袋3的顶面缓慢下沉,以模拟地下暗渠缓慢塌陷；同时，粒子图像测速装置11 每分钟进行一次拍照，并将拍照数据上传至计算机；

D：计算机控制电磁阀8，使得水袋3的水以每分钟流出水袋35％水量的流速向外排出，直至水袋3的水排完，以模拟地下暗渠迅速坍塌；同时，粒子图像测速装置11每分钟进行一次拍照，并将拍照数据上传至计算机；

E：千斤顶5回缩，卸去对地基土2的载荷，然后粒子图像测速装置11进行最后一次拍照，试验完成。