一种可视化高铁路基颗粒体振陷重演模型试验系统的制作方法

本发明涉及路基动力学领域，尤其是涉及一种可视化高铁路基颗粒体振陷重演模型试验系统。

背景技术：

路基作为一种普遍的轨道支承结构形式，广泛应用于我国的高铁线路建设中。随着列车速度及舒适度要求不断提高，铁路路基在运营过程中的变形问题也日益受到关注。研究发现，当高速列车在380km/h至400km/h速度区间内运行时铁路路基会显现拟共振态，不均匀变形显著增加，严重影响列车运行安全。且路基维养存在周期间隔，导致其实际服役中产生的劣化并不能及时发现，因此十分有必要对路基在高频动载作用下既存劣化进一步发展的规律进行深入研究。

本发明所述的可视化高铁路基灾害重演模型试验系统，利用分布式高频加载装置和不均匀变形调节装置重演路基在实际运营中的工作状态，利用可视化监测系统对路基在高频动载作用下的变形过程进行监测，为路基灾害萌生演化过程研究提供一定试验依据。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精确模拟、直观准确的可视化高铁路基颗粒体振陷重演模型试验系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可视化高铁路基颗粒体振陷重演模型试验系统，该系统包括：

模型试验箱：为一矩形箱体，其内部填筑路基材料，用以模拟有砟轨道路基形式和无砟轨道路基形式，其顶部设置有试验轨道；

分布式高频加载装置：沿试验轨道延伸方向设置，用以模拟高速列车行进过程中产生的动载荷，并调节动载荷的波形、幅值、频率和相位差；

路基不均匀变形调节装置：设置在模型试验箱的底部，用以定量控制并模拟路基纵向不均匀变形；

可视化监测装置，包括与模型试验箱相对设置的高速摄像机和光源，用以拍摄模型试验箱内的路基纵断面图像；

工作站：分别与分布式高频加载装置、路基不均匀变形调节装置、高速摄像机和光源连接，实现试验的控制以及获取路基纵断面图像进行分析处理。

所述的分布式高频加载装置包括多个沿试验轨道延伸方向依次设置的激振器，所述的工作站通过同步器统一控制激振器。

所述的模型试验箱内取相似比为1:5，依次填筑基床表层、基床底层和路基土。

当需模拟有砟轨道路基时，则在基床表层上方加铺设道砟层。

所述的路基不均匀变形调节装置包括多个沿试验轨道延伸方向依次设置可进行升降调节的液压顶块，所述的工作站通过同步器统一控制多个液压顶块的下移高度。

所述的液压顶块上方设置一层柔性橡胶垫，相邻的液压顶块间的接触面涂设润滑油。

所述的模型试验箱的宽度为1000mm，高度为600mm，厚度为300mm。

所述的激振器的最大激振频率为60hz。

所述的液压顶块的厚度为300mm，宽度为100mm，高度为200mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明分布式高频加载装置可以通过控制激振频率，幅值及相邻激振器波形相位差模拟列车在不同行车速度下产生的动载，更加精确地模拟高速列车行进过程产生的高频动载作用；

二、不均匀变形调节装置可通过控制各液压顶块位移量控制不均匀变形曲线的形态，实现路基不均匀变形定量控制，使路基模型更接近于实际服役状态。

三、采用可视化监测手段，结合先进的图像处理软件进行分析，实现试验过程的可视化，使得试验过程更加直观、准确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的目的是提供一种可视化高铁路基颗粒体振陷重演模型试验系统。依照高铁路基铺设方式制作铁路路基模型，将其置于高频振动加载装置中进行试验，利用高速图像处理软件对已经存在不均匀变形的基础上进一步劣化的过程进行分析，研究路基灾害萌生发展。为达到此目的，采用如下技术方案：

如图1和2所示，本系统包括：

分布式高频加载装置1：利用分布式高频加载装置1可模拟高速列车行进过程中产生的动载，并可调节荷载波形、幅值、频率和相位差等参数，分布式加载装置1由六个高频激振装置组成，可以通过控制其激振频率，幅值及相邻激振器波形相位差模拟列车在不同行车速度下产生的动载，激振器可自定义波形，最大激振频率60hz，利用同步器对六个激振器实现统一控制。

模型试验箱2：试验箱内部按照一定相似比填筑路基材料，模拟有砟轨道路基形式和无砟轨道路基形式。路基不均匀变形调节装置：本装置可定量控制路基纵向不均匀变形，模拟路基在实际运营中可能发生的灾害；

试验模型箱尺寸为：宽度1000mm，高度600mm，厚度300mm。选取相似比1:5依次对基床表层、基床底层，路堤，路基土进行填筑。若需模拟有砟轨道路基，需在基床表层上侧加设一层道砟。每层填料压实系数与实际路基压实要求保持一致。

路基不均匀变形调节装置3：该装置可定量控制路基纵向不均匀变形，重演路基在实际运营中可能发生的灾害，不均匀变形调节装置3位于模型试验箱2底部，设置10个可进行升降调节的液压顶块，顶块之间涂抹润滑油进行密封处理，顶块尺寸：厚度300mm，宽度100mm，高度200mm，下部连接液压装置，可实现竖向位移定量控制，模拟路基不均匀变形，可通过控制各液压顶块位移量控制不均匀变形曲线的形态。顶块上方放置一层厚度为20mm的柔性橡胶垫，使变形曲线更加平滑，同时避免小粒径碎石进入顶块间隙。

可视化监测装置：该装置可对试验箱进行高频影像采集，并可利用粒子成像检测技术和高速运动图像分析对将图像数据进行分析处理。对该模型试验系统的使用方法也做了一定说明，可视化监测装置4主要由三部分组成：高速摄像机、光源和工作站。利用高速摄像机对纵断面进行高频拍摄，时序控制器保证摄像机与光源动作同步。获取的图像数据先储存于高速摄像机缓存设备中，之后再导入工作站，利用高速图像处理软件对图像进行分析。

使用装置进行测试的主要步骤有：

(1)铺设路基模型；

(2)计算激振器输出控制参数；

(3)调节各液压顶块不均匀沉降量，模拟实际不均匀沉降；

(4)待路基模型稳定，开启激振器进行动荷载试验，利用可视化监测系统对路基进一步变形演化过程进行记录；

(5)将图像数据导入工作站，利用粒子成像软件对颗粒试样断面的位移场、速度场进行分析，探究高频振动波在颗粒材料中的传播规律；利用高速运动图像分析软件对单个颗粒位置调整过程进行统计分析，得出颗粒材料在高频动载下的细观运动特征。

实施例：

下面以模拟的试验为例进行具体说明

(1)制备路基模型：在尺寸为1000mm×600mm×300mm的试验箱内按照有砟轨道路基铺设形式填筑试验模型，每层材料压实度根据《高速铁路设计规范》tb10621-2009规定进行压实。

(2)激振器加载力幅值根据相似比取2.2kn，波形为自定义m形波。激振器控制参数计算：假设模型中相邻扣件间距为l，列车速度为v，激振器加载频率为f，相邻激振器振动波形相位差为已知一个轮轴荷载由5个扣件承担，则根据下式计算出激振器频率：

相邻激振器相位差

(3)现利用路基不均匀变形调节装置模拟一个最大变形0.5mm的沉降槽，分别输入每个顶块下移高度值，利用同步器控制10个液压顶块，保证沉降槽形成过程中路基的整体性。

(4)待路基变形稳定后，开启分布式加载装置对路基模型进行动力加载，同时开启可视化监测系统，对路基模型在动力加载过程中振动情况进行监测。根据现场光线条件选择适当的光源，保证光强度与图像采集频率匹配。

(5)将图像数据导入工作站，利用粒子成像软件对颗粒试样断面的位移场、速度场进行分析，得出高频振动波在颗粒材料中的传播机理；利用高速运动图像分析软件对单个颗粒位置调整过程进行统计分析。