[发明专利]列车荷载作用下坎儿井地基塌陷的模型试验装置及方法

说明书

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。

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体位移的位移计，地基土内放置多个土压力盒，插入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。