一种隧道基底结构泵吸作用模拟装置的制作方法

本发明属于铁路隧道设计与建造技术领域，尤其属于应用于隧道运营阶段中基底结构在列车作用下，围岩缺陷和地下水动荷载作用下泵吸作用的模型试验装置。

背景技术：

泵吸作用是指隧道基底结构因为受到列车较大的荷载影响时，对基底结构与围岩之间地下水产生动力作用，地下水在列车动荷载影响下对围岩进行冲刷使围岩形成缺陷，围岩缺陷的产生和发展会影响基底结构的受力性能和长期安全稳定性，对基底结构泵吸作用的认知不足，会对隧道长期安全稳定性产生重载威胁。

人们对这种隧道基底结构泵吸作用的形成和发展规律缺乏深入了解。通过建立隧道基底结构泵吸作用模拟装置进行隧道结构运营中基底结构在列车动力作用下与底部围岩和地下水压吸交替动力特性模型试验，以分析得出隧道基底结构在不同水文地质条件下存在缺陷，列车动荷载作用在基底结构上产生的泵吸作用原理和围岩颗粒流失现象及规律，对隧道基底结构的设计、施工和运营期的长期稳定提供实验依据，具有十分重要的意义。

现有的隧道基底结构地下水作用模拟系统主要是静水压力模拟系统，通过水头高度调整装置对试验箱中的缺陷围岩相似材料进行不同的水压力加载模拟，其仅考虑了静水压力值。现有方法和系统通常用于公路隧道和 铁路隧道高速列车动荷载较小的情况，无法考虑并模拟隧道承受大轴重，高行车密度时的基底结构泵吸作用，特别是列车动力作用下底部围岩和地下水交替作用的影响规律，其现有方法和系统更无法模拟隧道长期运营过程中底部围岩在泵吸作用下的缺陷发展以及围岩颗粒流失的现象。

目前，国内尚缺乏关于隧道基底结构泵吸作用的模拟装置，其设计与模拟的静水压力情形简单，模拟的静水压力形式单一，对基底结构的动荷载作用下的泵吸作用模拟受到极大的限制；与此同时，其模拟过程中无法考虑对基底结构动力作用，忽略了大轴重重载列车的影响，对于目前国内大力发展的重载铁路隧道基底结构地下水的动力作用存在不同程度的失真；无法模拟富水地层中基底围岩颗粒随地下水动力流失的原理和规律。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中的不足之处，公开了一种隧道基底结构泵吸作用模拟装置，该装置更好地模拟隧道基底结构所处的不同水文地质条件，包括富水地层、含水地层和无水地层；实现在不同水文地质条件下隧道基底结构在基底围岩存在缺陷时，列车动荷载作用下的“结构-动荷载-围岩-水”泵吸作用的模拟，研究列车对隧道基底结构的动力作用，分析基底结构在不同水文地质条件下的泵吸作用形态和围岩颗粒流失原理，为隧道的设计、施工和运营期的长期稳定性提供更加可靠的试验依据，从而更好地保证隧道基底结构的安全和经济。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

隧道基底结构泵吸作用模拟装置，其特征在于：包括主体试验箱、左 侧蓄水槽、右侧蓄水槽、列车荷载模拟装置、高位水槽和试验台；

主体试验箱两侧分别固定设置左侧蓄水槽和右侧蓄水槽，主体试验箱固定于试验台上，试验台固结于地面，列车荷载模拟装置固定于主体试验箱上，高位水槽由滑轮悬挂并与左侧蓄水槽可拆卸水联通；

左侧蓄水槽与主体试验箱共用壁上、右侧蓄水槽与主体试验箱共用壁上分别均有沿壁设置的纵向缝作为连通通道；

主体试验箱下部承装围岩模拟材料，上部承装基底结构模拟材料，围岩模拟材料与基底结构模拟材料结合缝位于连通通道出口，结合缝中可埋设检测装置的检测端元器件。

所述的围岩模拟材料可选择不同的材料和配合比模拟不同的围岩级别，围岩模拟材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉等。填装时每13cm一层分作至少2次进行填装，每次填装完毕后层间刮毛，避免分层，然后人工振捣20次使围岩模拟材料达到需求的容重要求。

所述基底结构模拟材料可选择不同的材料和配合比模拟不同的标号的混凝土，基底结构模拟材料包括：石膏、水、砂、硅藻土等。按照一定配合比拌合后浇入模具制成需求的形状。

所述连通通道为喇叭形扩口结构，主体试验箱端开口大于水槽入口。

所述的列车荷载模拟装置是可调节激振器。

所述主体试验箱、左侧蓄水槽、右侧蓄水槽和高位水槽均为透明材料制成的内部可视结构。

本发明采用的检测装置包括土压力计、水压力计、静态应变采集仪或 者动态应变采集仪。

所述主体试验箱、左侧蓄水槽、右侧蓄水槽和高位水槽为全密闭结构。

通常隧道基底结构是由隧道的仰拱填充和仰拱结构组成，并在底面与围岩之间的接触面上有部分空隙；本发明围岩模拟材料由石膏、砂土、铁矿粉和水按照不同比例进行拌合模拟不同级别的围岩；基底结构模拟材料由石膏、砂土和水按照不同比例进行拌合制成可模拟不同形状、不同混凝土标号的重载铁路隧道基底结构。

检测装置可以是试验用微型土压力计，或者试验用微型水压力计，或者两者同时使用；检测装置的测试元器件设置在围岩模拟材料和基底结构模拟材料之间，用静变仪采集记录试验过程中水压力和土压力的变化规律。

两侧蓄水槽可以是由有机玻璃板制作的全密闭蓄水槽，固结在主体试验箱左右两侧，用来为主体试验箱中的所述围岩模拟材料和基底结构模拟材料提供模拟地下水。

在两侧蓄水槽与主体试验箱连接的侧壁上、在围岩模拟材料和基底结构模拟材料之间的缝隙位置左右两侧均设置有一个缺口作为水和围岩模拟材料土颗粒通道。

围岩模拟材料土颗粒通道采用喇叭形扩口结构，可使蓄水槽侧的水压力略大于主体试验箱侧防止所述围岩相似材料土颗粒回流。

两侧蓄水槽，选用右侧或者左侧蓄水槽通过水管连接高水压模拟装置即高位水槽。水管连接处的开口同样可以选用喇叭形扩口使水管侧水压高于蓄水槽，所述围岩相似材料土颗粒不进入水管。

高水压模拟采用包括高位水槽、连接水管和定滑轮结构实现，通过滑轮升降高位水槽实现不同的注水压力。

本发明可实现模拟高压、含水、无水条件下实验模拟研究。高压水模拟装置即高位水槽在对基底结构进行含水地层和无水地层模拟研究时，可拆卸不用，此时，对两侧蓄水槽内注水，利用连通器原理模拟含水地层，或者保持所述两侧蓄水槽干燥模拟无水地层。

列车荷载模拟装置选用可调节的小型激振器进行模拟，小型激振器可以由马达电机和偏心轮组成，通过调节转速可以模拟输出不同轴重的重载列车动荷载对基底结构相似材料形成动力作用，进而使模拟地下水冲刷围岩相似材料形成泵吸作用。

列车荷载模拟装置固定在主体试验箱上顶面。列车荷载模拟装置可以根据需要设置多台。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)试验装置采用有可视透明结构，能够清楚的看到围岩颗粒随地下水的流动和底部围岩在地下水冲刷作用下缺陷的发展规律。模拟的重载列车动荷载对基底结构的动力作用和底部围岩颗粒流失的现象更加直观，

(2)在模拟富水地层条件时，密封水槽并连接高水压力模拟装置，调整水头高度能够实现富水地层条件下的环境模拟。在模拟含水地层条件时，断开高水压力模拟装置，在双侧蓄水槽中注入部分水利用连通器原理保证含水地层条件下的地下水供给；在模拟无水地层条件时，可保持双侧蓄水槽和试验箱干燥模拟无水地层条件下的列车动荷载对基底结构的影响。

(3)通过修改试验箱内基底结构的形状和相似材料配比可以模拟不同强度、不同型式的基底结构泵吸作用。

(4)通过基底结构相似材料表面固定安装多台，如在安装2台列车荷载模拟装置条件下可以模拟隧道运营期不同轴重和时速下重载列车的动荷载，也可以体现重载列车对隧道基底结构的动力作用；还可以分析运营隧道基底结构的受力性态、安全性和耐久性，包括结构裂缝的产生、底部围岩缺陷的发展，从而更好地保证重载铁路隧道的安全和经济。

附图说明

图1是本发明模拟装置结构原理示意图；

图2是图1中A部放大结构示意图；

图3是本发明模拟装置结构俯视示意图；

图4是图3中B部发大结构示意图。

图中，1是主体试验箱，2是左侧蓄水槽，3是右侧蓄水槽，4是列车荷载模拟装置，5是围岩模拟材料，6是基底结构模拟材料，7是水，8是连接水管，9是高位水槽，10是水箱，11是滑轮，12是实验台，13是连通通道，14是高位水口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合图1至图4。

如图所示，隧道基底结构泵吸作用模拟装置，包括主体试验箱1、左侧蓄水槽2、右侧蓄水槽3、列车荷载模拟装置4、高位水槽9和试验台12；

主体试验箱1两侧分别固定设置左侧蓄水槽2和右侧蓄水槽3，主体试验箱1固定于试验台12上，试验台12固结于地面，列车荷载模拟装置4固定于主体试验箱1上，高位水槽9由滑轮11悬挂并与左侧蓄水槽2可拆卸水联通；

左侧蓄水槽2与主体试验箱1共用壁上、右侧蓄水槽3与主体试验箱1共用壁上分别均有沿壁设置的纵向缝作为连通通道13；

主体试验箱1下部承装围岩模拟材料5，上部承装基底结构模拟材料6，围岩模拟材料5与基底结构模拟材料6结合缝位于连通通道13出口，结合缝中可埋设检测装置的检测端元器件。

围岩模拟材料5可选择不同的材料和配合比模拟不同的围岩级别，材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉；填装时每13cm一层，分作至少2次进行填装，每次填装完毕后层间刮毛，避免分层，然后人工振捣20次使围岩模拟材料达到需求的容重要求。

基底结构模拟材料6可选择不同的材料和配合比模拟不同的标号的混凝土，材料包括：石膏、水、砂、硅藻土；按照一定配合比拌合后浇入模具制成需求的形状。

连通通道13为喇叭形扩口结构，主体试验箱1端开口大于水槽入口。

列车荷载模拟装置4是可调节激振器。

主体试验箱1、左侧蓄水槽2、右侧蓄水槽3和高位水槽9均为透明材 料制成的内部可视结构。

本发明检测装置包括土压力计、水压力计、静态应变采集仪和动态应变采集仪。

主体试验箱1、左侧蓄水槽2、右侧蓄水槽3和高位水槽9为全密闭结构。

如图1所示，隧道基底结构泵吸作用模拟装置，包括主体试验箱1、左侧蓄水槽2、右侧蓄水槽3、列车荷载模拟装置4、高位水槽9和试验台12；

主体试验箱1两侧分别固定设置左侧蓄水槽2和右侧蓄水槽3，主体试验箱1固定于试验台上12，试验台固结于地面，列车荷载模拟装置4固定于主体试验箱1上，高位水槽9由滑轮11悬挂并与左侧蓄水槽2可拆卸与水连通；

主体试验箱下部承装围岩模拟材料，上部承装基底结构模拟材料，围岩模拟材料与基底结构模拟材料结合缝位于连通通道出口，结合缝中可埋设检测装置的检测端元器件。

围岩模拟材料可选择不同的材料和配合比模拟不同的围岩级别，围岩模拟材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉等。填装时每13cm一层分作2次进行填装，每次填装完毕后层间刮毛，避免分层，然后人工振捣20次使围岩模拟材料达到需求的容重要求。

基底结构模拟材料可选择不同的材料和配合比模拟不同的标号的混凝土，基底结构模拟材料包括：石膏、水、砂、硅藻土等。按照一定配合比 拌合后浇入模具制成需求的形状。

测试元器件可以是试验用微型土压力计，或者试验用微型水压力计，或者两者同时使用；所述测试元器件设置在所述围岩相似材料和基底结构相似材料之间，用静态应变采集仪或者动态应变采集仪采集记录试验过程中水压力和土压力的变化规律。

如图2所示，左侧蓄水槽2与主体试验箱1共用壁上、右侧蓄水槽与主体试验箱共用壁上均有沿壁设置的纵向缝作为水和围岩相似材料土颗粒通道A；

水和围岩相似材料土颗粒通道A为喇叭形扩口结构，主体试验箱端开口大于水槽入口。可使左侧蓄水槽2侧的水压力略大于主体试验箱1侧防止所述围岩相似材料5土颗粒回流。

高位水槽9包括水箱10、水管8和定滑轮11。高位水槽9与左侧蓄水槽2通过水管8采用可拆卸的方式连接。所述水管8连接处的开口B选用喇叭形使水管8侧水压高于左侧蓄水槽2，围岩相似材料5土颗粒不进入水管8。定滑轮11用来调整所述水箱10的高度，可在0～3米之间调节使所述高位水槽9能够模拟不同水压力。

如图4所示，进一步的，高压水模拟装置在对基底结构6进行含水地层和无水地层模拟研究时，可取消掉所述高压水模拟装置，仅在左侧蓄水槽2内注水利用连通器原理模拟含水地层，或者保持所述左侧蓄水槽2和右侧蓄水槽3干燥模拟无水地层。

如图3所示，列车荷载模拟装置4选用可调节的小型激振器进行模拟， 所述的小型激振器由马达电机和偏心轮组成，通过调节转速可以模拟输出不同轴重的列车动荷载；列车荷载模拟装置4固定在所述基底结构相似材料6的顶面，安装2台进行不同通车参数下对所述基底结构相似材料6的模拟。或者所述小型激振器也可由直流电机和小型偏心块进行制作。

按照需求将主体试验箱1、围岩模拟材料5、基底结构模拟材料6和高位水槽9设置完毕后，开启列车荷载模拟装置4，条件转速输出需求的列车动荷载。进而基底结构模拟材料6在动荷载作用下产生振动从而对围岩模拟材料5进行冲击，在动力循环反复作用下，基底结构模拟材料6和围岩模拟材料5之间的水会形成较高的水压力流向左侧水槽2和右侧水槽3会带走围岩模拟材料5的土颗粒形成泵吸作用。