高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验系统及其试验方法与流程

本发明涉及铁路技术领域，具体涉及一种高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验系统及试验方法。

背景技术：

翻浆冒泥是铁路路基的常见病害，在普通有砟铁路中也是量最多的路基病害，已有比较成熟的处理方法和措施。而无砟轨道铁路路基的翻浆冒泥，目前还处于初步认知阶段，加快这方面的探索性研究，是扼制其发展的关键。

无砟轨道路基翻浆是近年高速铁路无砟轨道路基出现的特殊病害形式，因高速铁路荷载频率、幅值特征以及无砟轨道路基结构上的差异而区别于传统有砟轨道或公路路基翻浆。无砟轨道路基翻浆改变了无砟轨道结构的支承条件及传力路径，引起纵向上基础刚度不均匀，成为车-线系统振动的激扰源，加剧列车对无砟轨道路基的动力破坏作用。

实现翻浆冒泥再现是研究其孕育机理和产生条件的重要手段。目前还未有有效的实现翻浆冒泥再现的实验方法。受现场条件和不干扰正常运营所限，现场试验的方法很难得以有效采用。

综上所述，开发一种能够真实再现翻浆冒泥发生全过程的系统和方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种结构精简、操作方便且能够很好再现轨道路基翻浆冒泥过程的系统，具体技术方案是：

一种高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验系统，包括与实际待试验轨道路基的比例尺为1:1的轨道-路基结构模型、高速列车荷载模拟加载装置、雨水滴浸装置以及测量与观测装置；

所述轨道-路基结构模型为双向预应力钢筋混凝土结构，其由下至上依次包括基床层、支撑层和轨道板；

所述高速列车荷载模拟加载装置包括作用于所述轨道-路基结构模型上的多个作动器，多个作动器的位置与列车的车轮位置排布相同；

所述雨水滴浸装置包括储水箱以及支撑层侧面滴水部件和轨道板上钻孔浸水部件中的至少一种，所述支撑层侧面滴水部件包括位于所述支撑层的两侧且沿线路方向水平布置的多排滴水管，部分所述滴水管的出水口位于所述支撑层的侧壁的正上方；所述轨道板上钻孔浸水部件包括竖直设置且其下端设有多个出水小孔的多排进水管，所述进水管的下端贯穿所述支撑层且位于所述基床层内，所述进水管的外壁与所述支撑层的接触部位完全密封；所述滴水管与所述进水管均与所述储水箱连通；

所述测量与观测装置包括综合测试仪、土体水分传感器、张力计、土体水分数据采集器、孔隙水压计、超声波流量计、包含地质雷达和照相机的地质雷达系统、动力触探仪以及独立设置的钻心取样机-混凝土取芯钻机，所述土体水分传感器、张力计、土体水分数据采集器、孔隙水压计、超声波流量计、地质雷达系统以及动力触探仪均与所述综合测试仪连接，所述滴水管和所述进水管上均设有超声波流量计；所述动力触探仪与所述作动器连接；所述土体水分传感器和所述张力计均与所述土体水分数据采集器连接。

以上技术方案中优选的，所述轨道-路基结构模型的规格是：所述基床层、支撑层以及轨道板三者的厚度分别为2700mm、300mm和200mm；所述基床层包括厚度为2300mm的基床下层和厚度为400mm的基床上层；所述轨道板、支撑层以及基床上层上表面三者的宽度分别为2500mm、2700mm和3100mm。

以上技术方案中优选的，所述进水管的下端端部低于所述基床上层上表面50-100mm。

以上技术方案中优选的，所述土体水分传感器、张力计以及孔隙水压计三者的数量均为6-20。

以上技术方案中优选的，所述土体水分传感器的数量为15个，所述张力计的数量为10个，所述孔隙水压计的数量为16根。

以上技术方案中优选的，15个所述土体水分传感器的排列方式为：包括垂直于线路方向并列设置的两大组，第一大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组，每个小组包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三个土体水分传感器；第二大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组，每个小组包含位于50mm位置和350mm位置的两个土体水分传感器；

10个张力计的排列方式为：包括垂直于线路方向并列设置的两大组，第一大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组，每个小组包含位于500mm位置和200mm位置的两个张力计；第二大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组，位于两侧的两个小组分别包含一个位于50mm位置的张力计，位于中间的小组包括位于50mm位置和350mm位置的两个张力计；

16根孔隙水压计的排方式为：包括垂直于线路方向并列设置的两大组，第一大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组，每个小组包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三个孔隙水压计；第二大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组，位于两侧的两个小组分别包含位于50mm位置和350mm位置的两个孔隙水压计，位于中间的小组包括位于50mm位置、350mm位置和500mm位置的三个孔隙水压计。

本发明还公开了一种高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验方法，利用足尺(1：1)轨道-路基动力试验模型，进行翻浆冒泥再现试验，掌握翻浆冒泥的再现试验技术，真实再现翻浆冒泥孕育发生全过程，并从宏观和细观对翻浆冒泥形成与发展过程进行持续观测，揭示高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥的发生、发展及变化规律，探索无砟轨道路基翻浆冒泥孕育机理及产生的阀值条件，为翻浆冒泥防控提供实验基础。具体技术方案是：

一种高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验方法，包括以下步骤：

第一步：获得轨道-路基结构模型的初始参数，具体是：通过地质雷达系统对轨道-路基结构模型从垂直和侧面进行扫描探测，获得初始状态参数；通过已经安装好的高速列车荷载模拟加载装置和测量与观测装置对轨道-路基结构模型进行一次动力响应测试，获得初始动力响应参数；

第二步：安装雨水滴浸装置，并获得轨道-路基结构模型的第一次状态参数和第一次动力响应参数，具体是：安装设计好的排布方式安装好滴水管和/或进水管；通过地质雷达系统对轨道-路基结构模型从垂直和侧面进行扫描探测，获得第一次状态参数；通过已经安装好的高速列车荷载模拟加载装置和测量与观测装置对轨道-路基结构模型进行一次动力响应测试，获得第一次动力响应参数；

第三步：模拟降雨条件，进行动力响应测试，若轨道-路基结构模型出现翻浆冒泥，则获取轨道-路基结构模型的最终状态参数和最终动力响应参数；若轨道-路基结构模型未出现翻浆冒泥，则获取轨道-路基结构模型的第i次状态参数和第i次动力响应参数，i为大于等于1的自然数，进行下一步；

第四步：改变降雨量和/或降雨时间，取i＝i+1，返回第三步。

以上技术方案中优选的，所述轨道-路基结构模型为1:1的足尺模型，其建造材料与尺寸均与实际待试验轨道路基相同。

以上技术方案中优选的，所述高速列车荷载模拟加载装置包含能模拟以时速60-300km/h运行下列车的动力作用的多个动作器。

以上技术方案中优选的，所述第四步中改变降雨量和/或降雨时间具体是：以降雨的流量和流速逐渐增大的方式进行改变。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1的高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验系统的整体连接结构示意图；

图2是图1的局部断面布置图；

图3是图1的平面布置图；

图4是图3的A-A断面图；

图5是图3的B-B断面图；

图6a是图3中位置一的孔隙水压力大小分布图；

图6b是图3中位置一的含水量大小分布图；

图6c是图3中位置一的基质吸力大小分布图；

图7a是图3中位置二的孔隙水压力大小分布图；

图7b是图3中位置二的含水量大小分布图；

图7c是图3中位置二的基质吸力大小分布图；

图8a是图3中位置三的孔隙水压力大小分布图；

图8b是图3中位置三的含水量大小分布图；

图8c是图3中位置三的基质吸力大小分布图；

图9a是图3中位置四的孔隙水压力大小分布图；

图9b是图3中位置四的含水量大小分布图；

图9c是图3中位置四的基质吸力大小分布图；

图10a是图3中位置五的孔隙水压力大小分布图；

图10b是图3中位置五的含水量大小分布图；

图10c是图3中位置五的基质吸力大小分布图；

图11a是图3中位置六的孔隙水压力大小分布图；

图11b是图3中位置六的含水量大小分布图；

图11c是图3中位置六的基质吸力大小分布图；

其中，1、轨道-路基结构模型，1.1、基床层，1.2、支撑层，1.3、轨道板，1.31、轨道，2、高速列车荷载模拟加载装置，2.1、作动器，3、雨水滴浸装置，3.1、支撑层侧面滴水部件，3.11、滴水管，3.2、轨道板上钻孔浸水部件，3.21、进水管，3.3、储水箱，4、测量与观测装置，4.1、综合测试仪，4.2、土体水分传感器，4.3、张力计，4.4、土体水分数据采集器，4.5、孔隙水压计，4.6、超声波流量计，4.7、地质雷达，4.8、动力触探仪，4.9、钻心取样机-混凝土取芯钻机，5、挡水板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种高速铁路无砟轨道路基翻浆冒泥试验方法，包括如下试验系统(详见图1)：具体包括与实际待试验轨道路基的比例尺为1:1的轨道-路基结构模型1、高速列车荷载模拟加载装置2、雨水滴浸装置3以及测量与观测装置4。

所述轨道-路基结构模型1为双向预应力钢筋混凝土结构(所述轨道-路基结构模型为1:1的足尺模型，其建造材料与尺寸均与实际待试验轨道路基相同)，其由下至上依次包括基床层1.1、支撑层1.2和轨道板1.3(详见图2-图5)，所述基床1.1、支撑层1.2以及轨道板1.3三者的厚度分别为2700mm、300mm和200mm；所述基床层1.1包括厚度为2300mm的基床下层和厚度为400mm的基床上层；所述轨道板1.3、支撑层1.2以及基床上层上表面三者的宽度分别为2500mm、2700mm和3100mm；轨道板1.3上设有轨道1.31。

所述高速列车荷载模拟加载装置2包括作用于所述轨道-路基结构模型1上的多个作动器2.1，多个作动器2.1的位置与列车的车轮位置排布相同(作动器布置的间距为列车轮对的间距)。高速列车荷载模拟加载装置根据多个作动器输出荷载的相位差来模拟列车运行产生的移动荷载，可实现不同轴重，不同速度列车对一段路基的作用，荷载模拟加载装置真实，可靠。

所述雨水滴浸装置3(详见图1-图3)包括支撑层侧面滴水部件3.1和轨道板上钻孔浸水部件3.2中的至少一种以及储水箱3.3，所述支撑层侧面滴水部件3.1包括位于所述支撑层的两侧且沿线路方向水平布置的多排滴水管3.11，部分所述滴水管3.11的出水口位于所述支撑层的侧壁的正上方(目的是：滴水管的布置要求保障有一部分水能沿支撑层侧面流下，真实模拟现实降雨情况)；所述轨道板上钻孔浸水部件3.2包括竖直设置且其下端设有多个出水小孔的多排进水管3.21，所述进水管3.21的下端贯穿所述支撑层1.2且位于所述基床层1.1内(进水管的下端端部低于所述基床上层上表面50-100mm)，所述进水管3.21的外壁与所述支撑层1.2的接触部位完全密封；所述滴水管3.11与所述进水管3.21均与所述储水箱3.3连通。在基床上层上还可以设有用于阻挡雨水的挡水板5，更好地模拟降雨以及雨水积累情况，为解决轨道路基的翻浆冒泥提供依据。

所述测量与观测装置4包括综合测试仪4.1、土体水分传感器4.2、张力计4.3、土体水分数据采集器4.4、孔隙水压计4.5、超声波流量计4.6、包含地质雷达4.7和照相机的地质雷达系统、动力触探仪4.8以及独立设置的钻心取样机-混凝土取芯钻机4.9，所述土体水分传感器、张力计、土体水分数据采集器、孔隙水压计、超声波流量计、地质雷达系统以及动力触探仪均与所述综合测试仪连接，所述滴水管和所述进水管上均设有超声波流量计；所述动力触探仪与所述作动器连接；所述土体水分传感器和所述张力计均与所述土体水分数据采集器连接。所述土体水分传感器的数量为15个，所述张力计的数量为10个，所述孔隙水压计的数量为16根。每个土体水分数据采集器上分别有五个连接通道(可用于连接张力计或者土体水分传感器，用于储存张力计或/和土体水分传感器的数据)。部分仪器的参数详见表1(除此之外，本发明试验系统还可以借鉴现有其他部件实现一些常规的功能，未列出的仪器可以采用现有技术中的普通仪器)：

表1部分仪器的参数统计表

本实施例中：土体水分传感器、张力计和孔隙水压计的具体排布方式详见图3、图4和图5(在图4中，仪器埋在基床多处不同深度，即由基床层上表面往下测量分别位于不同位置；仪器沿基床横向位置，埋在三处不同位置，分别为轨道板两端下方、轨道板中间正下方)，详情如下：

16根孔隙水压计依次标号为a1#-a16#，具体排方式为：包括垂直于线路方向并列设置的两大组，第一大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组(详见图3中的位置一、位置二和位置三)，每个小组包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三个孔隙水压计；第二大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组(详见图3中的位置四、位置五和位置六)，位于两侧的两个小组分别包含位于50mm位置和350mm位置的两个孔隙水压计，位于中间的小组包括位于50mm位置、350mm位置和500mm位置的三个孔隙水压计。

15个所述土体水分传感器依次标号为b1#-b15#，具体排列方式为：包括垂直于线路方向并列设置的两大组，第一大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组(详见图3中的位置一、位置二和位置三)，每个小组包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三个土体水分传感器；第二大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组(详见图3中的位置四、位置五和位置六)，每个小组包含位于50mm位置和350mm位置的两个土体水分传感器。

10个张力计依次标号为c1#-c10#，具体排列方式为：包括垂直于线路方向并列设置的两大组，第一大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组(详见图3中的位置一、位置二和位置三)，每个小组包含位于500mm位置和200mm位置的两个张力计；第二大组中：包括沿基床层的厚度方向并列设置的三小组(详见图3中的位置四、位置五和位置六)，位于两侧的两个小组分别包含一个位于50mm位置的张力计，位于中间的小组包括位于50mm位置和350mm位置的两个张力计。

应用上述试验系统进行试验，具体包括以下步骤：

第一步：获得轨道-路基结构模型的初始参数，具体是：通过地质雷达系统对轨道-路基结构模型从垂直和侧面进行扫描探测，得到轨道板和路基的初始状态；通过已经安装好的高速列车荷载模拟加载装置和测量与观测装置(各仪器安装时采用钻心取样机-混凝土取芯钻机先钻孔，再将连接线引出)对轨道-路基结构模型进行一次动力响应测试，获得初始动力响应参数，此处的动力响应参数主要包括位移和加速度；

第二步：安装雨水滴浸装置，并获得轨道-路基结构模型的第一次状态参数和第一次动力响应参数，具体是：安装设计好的排布方式安装好滴水管和/或进水管(进水管安装时，先采用钻心取样机-混凝土取芯钻机进行钻孔，再密封进水管外壁和支撑层之间的缝隙)；通过地质雷达系统对轨道-路基结构模型从垂直和侧面进行扫描探测，获得第一次状态参数；通过已经安装好的高速列车荷载模拟加载装置和测量与观测装置对轨道-路基结构模型进行一次动力响应测试，获得第一次动力响应参数；

第三步：模拟降雨条件(模拟降雨时，可以开启支撑层侧面滴水部件3.1和轨道板上钻孔浸水部件3.2中的至少一种，模拟不同的降雨情形；一般先开启支撑层侧面滴水部件3.1进行试验，再同时开启支撑层侧面滴水部件3.1和轨道板上钻孔浸水部件3.2模拟持续降雨的情况)，进行动力响应测试，若轨道-路基结构模型出现翻浆冒泥，则获取轨道-路基结构模型的最终状态参数和最终动力响应参数；若轨道-路基结构模型未出现翻浆冒泥，则获取轨道-路基结构模型的第i次状态参数和第i次动力响应参数，i为大于等于1的自然数，进行下一步；

第四步：改变降雨量和/或降雨时间(优选采用以降雨的流量和流速逐渐增大的方式进行改变)，取i＝i+1，返回第三步。

上述试验过程中所述高速列车荷载模拟加载装置包含能模拟以时速60-300km/h(最好是300km/h)运行下列车的动力作用的多个动作器。

采用上述试验方法，本实施例图3中位置一至位置六模拟过程中的质量含水率变化、基质吸力变化以及孔隙水压力变化情况详见图6a、图6b、图6c、图7a、图7b、图7c、图8a、图8b、图8c、图9a、图9b、图9c、图10a、图10b、图10c、图11a、图11b和图11c。

从图中可以看出：

1、在路基与轨道板的结合处，产生了细粒土-水涌出现象，开始阶段涌出通道呈串珠状分布，随着荷载的进一步施加，翻浆冒泥通道呈条带状分布。因此，在一定雨强条件下，高速铁路无砟轨道路基存在发生翻浆冒泥的较大可能性，需引起注意。

2、注水过程引起路基内含水率快速增加，并达到饱和状态。在未补水阶段，路基土内基质吸力处于较高水平，均大于700kPa；随着补水的进行，基质吸力急剧下降至10kPa左右，并在随后维持稳定；由于动荷载的作用，在补水侧路基内产生超孔隙水压力，约30-40kPa；随着补水过程的稳定，孔隙水压逐渐消散；超孔隙水压力的产生和消散也是路基内产生翻浆冒泥的根本原因。在轨道板中间位置和非补水侧，超孔隙水压力的产生并不明显。详情是：

结合图6a、6b和6c，得到：从含水率传感器的变化曲线可知，在补水的前1个小时内，不同深度含水率出现明显上升，并接近饱和状态(质量含水率约30％)，随着补水测试完成，土体含水率逐渐降低，表示入渗逐渐向下发展。在这个过程中，基质势传感器只在第一次补水时出现陡降，从150kPa附近降至约10kPa，说明第一次补水时使土体由非饱和状态迅速到达接近饱和。由孔隙水压计的变化曲线可知，在瞬时补水时(如24h，72h)，孔隙水压存在凸起点，由动载引起的超孔隙水压力可达35kPa，当进一步补水形成稳定入渗时，超孔隙水压逐渐消散，而且对比不同深度的孔隙水压曲线不难发现，深度越深，孔隙水压力越大。

结合图7a、7b和7c，得到：在试验过程中，孔隙水压始终处于2-15kPa范围内的稳定水平，并未形成超孔隙水压力，这是由于位置1距离补水侧相对较远，水分渗流途径较长，难以形成明显的超孔隙水压力。其中a4#孔隙水压计由于测试故障，未测得可靠数据，其原因可能为a4#孔隙水压计位于地基的浅部，距离轨道板较近，当施加动荷载时，引起传感器的故障或损坏。

结合图8a、8b和8c，得到：由含水率的变化曲线可知，第一次补水对位置3的含水率影响不大，含水率几乎没有变化。在第二次补水时，该处含水率出现明显跃升，接近饱和状态，而且位置越深，达到饱和的时间越早，后续的补水对含水率没有影响。孔隙水压计的测试结果显示较浅位置的孔隙水压变化不大(a7#和a8#)，始终位于0-10kPa之间，但a9#传感器深度上孔隙水压维持在20-30kPa之间，并存在峰值尖点，说明此处存在超孔压的形成和消散。

结合图9a、9b和9c，得到：图中的孔隙水压曲线可知，该位置孔隙水压始终较高，维持在5-30kPa的范围内，当存在补水条件时，孔隙水压曲线呈现出尖点，说明存在超孔隙水压力，可高达40kPa，补水稳定后，孔隙水压逐渐消散。

结合图10a、10b和10c，得到：轨道板中间部位的孔隙水压比补水侧(位置1和位置4)的产生的孔隙水压要小，该处孔隙水压基本维持在5-15kPa，未见明显的超孔隙水压，并且，深度越深，产生的孔隙水压越大。

结合图11a、11b和11c，得到：位置6不同深度处含水率、基质吸力及孔隙水压随时间的变化。位置6位于剖面2的最右侧，离补水侧较远。含水率在第二次灌水时才出现明显增加，在对应的时刻，基质吸力明显下降，符合非饱和土的土水特征曲线。土体的孔隙水压力均处于5-12kPa的区间。

应用本实施例的技术方案，效果是：(1)构造的轨道-路基结构足尺模型可真实反映铁路现场条件；(2)高速列车荷载模拟加载装置可实现对列车荷载的真实模拟，并可改变列车速度和轴重，研究列车速度及轴重对翻浆冒泥的影响；(3)通过试验前后的地质雷达系统检测，可精确探测试验前后水在路基内的分布状况(深度、范围)，克服了仅从轨道板表面观测翻浆冒泥的缺陷，且能为翻浆冒泥防控提供实验基础。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。