本實用新型涉及鐵路技術領域，具體涉及一種高速鐵路無砟軌道路基翻漿冒泥試驗系統(tǒng)。

背景技術：

翻漿冒泥是鐵路路基的常見病害，在普通有砟鐵路中也是量最多的路基病害，已有比較成熟的處理方法和措施。而無砟軌道鐵路路基的翻漿冒泥，目前還處于初步認知階段，加快這方面的探索性研究，是扼制其發(fā)展的關鍵。

無砟軌道路基翻漿是近年高速鐵路無砟軌道路基出現(xiàn)的特殊病害形式，因高速鐵路荷載頻率、幅值特征以及無砟軌道路基結構上的差異而區(qū)別于傳統(tǒng)有砟軌道或公路路基翻漿。無砟軌道路基翻漿改變了無砟軌道結構的支承條件及傳力路徑，引起縱向上基礎剛度不均勻，成為車-線系統(tǒng)振動的激擾源，加劇列車對無砟軌道路基的動力破壞作用。

實現(xiàn)翻漿冒泥再現(xiàn)是研究其孕育機理和產(chǎn)生條件的重要手段。目前還未有有效的實現(xiàn)翻漿冒泥再現(xiàn)的實驗方法。受現(xiàn)場條件和不干擾正常運營所限，現(xiàn)場試驗的方法很難得以有效采用。

綜上所述，開發(fā)一種能夠真實再現(xiàn)翻漿冒泥發(fā)生全過程的系統(tǒng)和方法具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型目的在于提供一種結構精簡、操作方便且能夠很好再現(xiàn)軌道路基翻漿冒泥過程的系統(tǒng)，具體技術方案是：

一種高速鐵路無砟軌道路基翻漿冒泥試驗系統(tǒng)，包括與實際待試驗軌道路基的比例尺為1:1的軌道-路基結構模型、高速列車荷載模擬加載裝置、雨水滴浸裝置以及測量與觀測裝置；

所述軌道-路基結構模型為雙向預應力鋼筋混凝土結構，其由下至上依次包括基床層、支撐層和軌道板；

所述高速列車荷載模擬加載裝置包括作用于所述軌道-路基結構模型上的多個作動器，多個作動器的位置與列車的車輪位置排布相同；

所述雨水滴浸裝置包括儲水箱以及支撐層側面滴水部件和軌道板上鉆孔浸水部件中的至少一種，所述支撐層側面滴水部件包括位于所述支撐層的兩側且沿線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撐層的側壁的正上方；所述軌道板上鉆孔浸水部件包括豎直設置且其下端設有多個出水小孔的多排進水管，所述進水管的下端貫穿所述支撐層且位于所述基床層內(nèi)，所述進水管的外壁與所述支撐層的接觸部位完全密封；所述滴水管與所述進水管均與所述儲水箱連通；

所述測量與觀測裝置包括綜合測試儀、土體水分傳感器、張力計、土體水分數(shù)據(jù)采集器、孔隙水壓計、超聲波流量計、包含地質雷達和照相機的地質雷達系統(tǒng)、動力觸探儀以及獨立設置的鉆心取樣機-混凝土取芯鉆機，所述土體水分傳感器、張力計、土體水分數(shù)據(jù)采集器、孔隙水壓計、超聲波流量計、地質雷達系統(tǒng)以及動力觸探儀均與所述綜合測試儀連接，所述滴水管和所述進水管上均設有超聲波流量計；所述動力觸探儀與所述作動器連接；所述土體水分傳感器和所述張力計均與所述土體水分數(shù)據(jù)采集器連接。

以上技術方案中優(yōu)選的，所述軌道-路基結構模型的規(guī)格是：所述基床層、支撐層以及軌道板三者的厚度分別為2700mm、300mm和200mm；所述基床層包括厚度為2300mm的基床下層和厚度為400mm的基床上層；所述軌道板、支撐層以及基床上層上表面三者的寬度分別為2500mm、2700mm和3100mm。

以上技術方案中優(yōu)選的，所述進水管的下端端部低于所述基床上層上表面50-100mm。

以上技術方案中優(yōu)選的，所述土體水分傳感器、張力計以及孔隙水壓計三者的數(shù)量均為6-20。

以上技術方案中優(yōu)選的，所述土體水分傳感器的數(shù)量為15個，所述張力計的數(shù)量為10個，所述孔隙水壓計的數(shù)量為16根。

以上技術方案中優(yōu)選的，15個所述土體水分傳感器的排列方式為：包括垂直于線路方向并列設置的兩大組，第一大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組，每個小組包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三個土體水分傳感器；第二大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組，每個小組包含位于50mm位置和350mm位置的兩個土體水分傳感器。

以上技術方案中優(yōu)選的，10個張力計的排列方式為：包括垂直于線路方向并列設置的兩大組，第一大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組，每個小組包含位于500mm位置和200mm位置的兩個張力計；第二大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組，位于兩側的兩個小組分別包含一個位于50mm位置的張力計，位于中間的小組包括位于50mm位置和350mm位置的兩個張力計。

以上技術方案中優(yōu)選的，16根孔隙水壓計的排方式為：包括垂直于線路方向并列設置的兩大組，第一大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組，每個小組包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三個孔隙水壓計；第二大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組，位于兩側的兩個小組分別包含位于50mm位置和350mm位置的兩個孔隙水壓計，位于中間的小組包括位于50mm位置、350mm位置和500mm位置的三個孔隙水壓計。

應用本實用新型的高速鐵路無砟軌道路基翻漿冒泥試驗系統(tǒng)，具體是：利用足尺(1：1)軌道-路基動力試驗模型，進行翻漿冒泥再現(xiàn)試驗，掌握翻漿冒泥的再現(xiàn)試驗技術，真實再現(xiàn)翻漿冒泥孕育發(fā)生全過程，并從宏觀和細觀對翻漿冒泥形成與發(fā)展過程進行持續(xù)觀測，揭示高速鐵路無砟軌道路基翻漿冒泥的發(fā)生、發(fā)展及變化規(guī)律，探索無砟軌道路基翻漿冒泥孕育機理及產(chǎn)生的閥值條件，為翻漿冒泥防控提供實驗基礎。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本實用新型還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本實用新型作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1是實施例1的高速鐵路無砟軌道路基翻漿冒泥試驗系統(tǒng)的整體連接結構示意圖；

圖2是圖1的局部斷面布置圖；

圖3是圖1的平面布置圖；

圖4是圖3的A-A斷面圖；

圖5是圖3的B-B斷面圖；

圖6a是圖3中位置一的孔隙水壓力大小分布圖；

圖6b是圖3中位置一的含水量大小分布圖；

圖6c是圖3中位置一的基質吸力大小分布圖；

圖7a是圖3中位置二的孔隙水壓力大小分布圖；

圖7b是圖3中位置二的含水量大小分布圖；

圖7c是圖3中位置二的基質吸力大小分布圖；

圖8a是圖3中位置三的孔隙水壓力大小分布圖；

圖8b是圖3中位置三的含水量大小分布圖；

圖8c是圖3中位置三的基質吸力大小分布圖；

圖9a是圖3中位置四的孔隙水壓力大小分布圖；

圖9b是圖3中位置四的含水量大小分布圖；

圖9c是圖3中位置四的基質吸力大小分布圖；

圖10a是圖3中位置五的孔隙水壓力大小分布圖；

圖10b是圖3中位置五的含水量大小分布圖；

圖10c是圖3中位置五的基質吸力大小分布圖；

圖11a是圖3中位置六的孔隙水壓力大小分布圖；

圖11b是圖3中位置六的含水量大小分布圖；

圖11c是圖3中位置六的基質吸力大小分布圖；

其中，1、軌道-路基結構模型，1.1、基床層，1.2、支撐層，1.3、軌道板，1.31、軌道，2、高速列車荷載模擬加載裝置，2.1、作動器，3、雨水滴浸裝置，3.1、支撐層側面滴水部件，3.11、滴水管，3.2、軌道板上鉆孔浸水部件，3.21、進水管，3.3、儲水箱，4、測量與觀測裝置，4.1、綜合測試儀，4.2、土體水分傳感器，4.3、張力計，4.4、土體水分數(shù)據(jù)采集器，4.5、孔隙水壓計，4.6、超聲波流量計，4.7、地質雷達，4.8、動力觸探儀，4.9、鉆心取樣機-混凝土取芯鉆機，5、擋水板。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的實施例進行詳細說明，但是本實用新型可以根據(jù)權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

實施例1：

一種高速鐵路無砟軌道路基翻漿冒泥試驗方法，包括如下試驗系統(tǒng)(詳見圖1)：具體包括與實際待試驗軌道路基的比例尺為1:1的軌道-路基結構模型1、高速列車荷載模擬加載裝置2、雨水滴浸裝置3以及測量與觀測裝置4。

所述軌道-路基結構模型1為雙向預應力鋼筋混凝土結構(所述軌道-路基結構模型為1:1的足尺模型，其建造材料與尺寸均與實際待試驗軌道路基相同)，其由下至上依次包括基床層1.1、支撐層1.2和軌道板1.3(詳見圖2-圖5)，所述基床1.1、支撐層1.2以及軌道板1.3三者的厚度分別為2700mm、300mm和200mm；所述基床層1.1包括厚度為2300mm的基床下層和厚度為400mm的基床上層；所述軌道板1.3、支撐層1.2以及基床上層上表面三者的寬度分別為2500mm、2700mm和3100mm；軌道板1.3上設有軌道1.31。

所述高速列車荷載模擬加載裝置2包括作用于所述軌道-路基結構模型1上的多個作動器2.1，多個作動器2.1的位置與列車的車輪位置排布相同(作動器布置的間距為列車輪對的間距，)。高速列車荷載模擬加載裝置根據(jù)多個作動器輸出荷載的相位差來模擬列車運行產(chǎn)生的移動荷載，可實現(xiàn)不同軸重，不同速度列車對一段路基的作用，荷載模擬加載裝置真實，可靠。

所述雨水滴浸裝置3(詳見圖1-圖3)包括支撐層側面滴水部件3.1和軌道板上鉆孔浸水部件3.2中的至少一種以及儲水箱3.3，所述支撐層側面滴水部件3.1包括位于所述支撐層的兩側且沿線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撐層的側壁的正上方(目的是：滴水管的布置要求保障有一部分水能沿支撐層側面流下，真實模擬現(xiàn)實降雨情況)；所述軌道板上鉆孔浸水部件3.2包括豎直設置且其下端設有多個出水小孔的多排進水管3.21，所述進水管3.21的下端貫穿所述支撐層1.2且位于所述基床層1.1內(nèi)(進水管的下端端部低于所述基床上層上表面50-100mm)，所述進水管3.21的外壁與所述支撐層1.2的接觸部位完全密封；所述滴水管3.11與所述進水管3.21均與所述儲水箱3.3連通。在基床上層上還可以設有用于阻擋雨水的擋水板5，更好地模擬降雨以及雨水積累情況，為解決軌道路基的翻漿冒泥提供依據(jù)。

所述測量與觀測裝置4包括綜合測試儀4.1、土體水分傳感器4.2、張力計4.3、土體水分數(shù)據(jù)采集器4.4、孔隙水壓計4.5、超聲波流量計4.6、包含地質雷達4.7和照相機的地質雷達系統(tǒng)、動力觸探儀4.8以及獨立設置的鉆心取樣機-混凝土取芯鉆機4.9，所述土體水分傳感器、張力計、土體水分數(shù)據(jù)采集器、孔隙水壓計、超聲波流量計、地質雷達系統(tǒng)以及動力觸探儀均與所述綜合測試儀連接，所述滴水管和所述進水管上均設有超聲波流量計；所述動力觸探儀與所述作動器連接；所述土體水分傳感器和所述張力計均與所述土體水分數(shù)據(jù)采集器連接。所述土體水分傳感器的數(shù)量為15個，所述張力計的數(shù)量為10個，所述孔隙水壓計的數(shù)量為16根。每個土體水分數(shù)據(jù)采集器上分別有五個連接通道(可用于連接張力計或者土體水分傳感器，用于儲存張力計或/和土體水分傳感器的數(shù)據(jù))。部分儀器的參數(shù)詳見表1(除此之外，本實用新型試驗系統(tǒng)還可以借鑒現(xiàn)有其他部件實現(xiàn)一些常規(guī)的功能，未列出的儀器可以采用現(xiàn)有技術中的普通儀器)：

表1 部分儀器的參數(shù)統(tǒng)計表

本實施例中：土體水分傳感器、張力計和孔隙水壓計的具體排布方式詳見圖3、圖4和圖5(在圖4中，儀器埋在基床多處不同深度，即由基床層上表面往下測量分別位于不同位置；儀器沿基床橫向位置，埋在三處不同位置，分別為軌道板兩端下方、軌道板中間正下方)，詳情如下：

16根孔隙水壓計依次標號為a1#-a16#，具體排方式為：包括垂直于線路方向并列設置的兩大組，第一大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組(詳見圖3中的位置一、位置二和位置三)，每個小組包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三個孔隙水壓計；第二大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組(詳見圖3中的位置四、位置五和位置六)，位于兩側的兩個小組分別包含位于50mm位置和350mm位置的兩個孔隙水壓計，位于中間的小組包括位于50mm位置、350mm位置和500mm位置的三個孔隙水壓計。

15個所述土體水分傳感器依次標號為b1#-b15#，具體排列方式為：包括垂直于線路方向并列設置的兩大組，第一大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組(詳見圖3中的位置一、位置二和位置三)，每個小組包含位于500mm位置、200mm位置和400mm位置的三個土體水分傳感器；第二大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組(詳見圖3中的位置四、位置五和位置六)，每個小組包含位于50mm位置和350mm位置的兩個土體水分傳感器。

10個張力計依次標號為c1#-c10#，具體排列方式為：包括垂直于線路方向并列設置的兩大組，第一大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組(詳見圖3中的位置一、位置二和位置三)，每個小組包含位于500mm位置和200mm位置的兩個張力計；第二大組中：包括沿基床層的厚度方向并列設置的三小組(詳見圖3中的位置四、位置五和位置六)，位于兩側的兩個小組分別包含一個位于50mm位置的張力計，位于中間的小組包括位于50mm位置和350mm位置的兩個張力計。

應用上述試驗系統(tǒng)進行試驗，具體包括以下步驟：

第一步：獲得軌道-路基結構模型的初始參數(shù)，具體是：通過地質雷達系統(tǒng)對軌道-路基結構模型從垂直和側面進行掃描探測，得到軌道板和路基的初始狀態(tài)；通過已經(jīng)安裝好的高速列車荷載模擬加載裝置和測量與觀測裝置(各儀器安裝時采用鉆心取樣機-混凝土取芯鉆機先鉆孔，再將連接線引出)對軌道-路基結構模型進行一次動力響應測試，獲得初始動力響應參數(shù)，此處的動力響應參數(shù)主要包括位移和加速度；

第二步：安裝雨水滴浸裝置，并獲得軌道-路基結構模型的第一次狀態(tài)參數(shù)和第一次動力響應參數(shù)，具體是：安裝設計好的排布方式安裝好滴水管和/或進水管(進水管安裝時，先采用鉆心取樣機-混凝土取芯鉆機進行鉆孔，再密封進水管外壁和支撐層之間的縫隙)；通過地質雷達系統(tǒng)對軌道-路基結構模型從垂直和側面進行掃描探測，獲得第一次狀態(tài)參數(shù)；通過已經(jīng)安裝好的高速列車荷載模擬加載裝置和測量與觀測裝置對軌道-路基結構模型進行一次動力響應測試，獲得第一次動力響應參數(shù)；

第三步：模擬降雨條件(模擬降雨時，可以開啟支撐層側面滴水部件3.1和軌道板上鉆孔浸水部件3.2中的至少一種，模擬不同的降雨情形；一般先開啟支撐層側面滴水部件3.1進行試驗，再同時開啟支撐層側面滴水部件3.1和軌道板上鉆孔浸水部件3.2模擬持續(xù)降雨的情況)，進行動力響應測試，若軌道-路基結構模型出現(xiàn)翻漿冒泥，則獲取軌道-路基結構模型的最終狀態(tài)參數(shù)和最終動力響應參數(shù)；若軌道-路基結構模型未出現(xiàn)翻漿冒泥，則獲取軌道-路基結構模型的第i次狀態(tài)參數(shù)和第i次動力響應參數(shù)，i為大于等于1的自然數(shù)，進行下一步；

第四步：改變降雨量和/或降雨時間(優(yōu)選采用以降雨的流量和流速逐漸增大的方式進行改變)，取i＝i+1，返回第三步。

上述試驗過程中所述高速列車荷載模擬加載裝置包含能模擬以時速60-300km/h(最好是300km/h)運行下列車的動力作用的多個動作器。

采用上述試驗方法，本實施例圖3中位置一至位置六模擬過程中的質量含水率變化、基質吸力變化以及孔隙水壓力變化情況詳見圖6a、圖6b、圖6c、圖7a、圖7b、圖7c、圖8a、圖8b、圖8c、圖9a、圖9b、圖9c、圖10a、圖10b、圖10c、圖11a、圖11b和圖11c。

從圖中可以看出：

1、在路基與軌道板的結合處，產(chǎn)生了細粒土-水涌出現(xiàn)象，開始階段涌出通道呈串珠狀分布，隨著荷載的進一步施加，翻漿冒泥通道呈條帶狀分布。因此，在一定雨強條件下，高速鐵路無砟軌道路基存在發(fā)生翻漿冒泥的較大可能性，需引起注意。

2、注水過程引起路基內(nèi)含水率快速增加，并達到飽和狀態(tài)。在未補水階段，路基土內(nèi)基質吸力處于較高水平，均大于700kPa；隨著補水的進行，基質吸力急劇下降至10kPa左右，并在隨后維持穩(wěn)定；由于動荷載的作用，在補水側路基內(nèi)產(chǎn)生超孔隙水壓力，約30-40kPa；隨著補水過程的穩(wěn)定，孔隙水壓逐漸消散；超孔隙水壓力的產(chǎn)生和消散也是路基內(nèi)產(chǎn)生翻漿冒泥的根本原因。在軌道板中間位置和非補水側，超孔隙水壓力的產(chǎn)生并不明顯。詳情是：

結合圖6a、6b和6c，得到：從含水率傳感器的變化曲線可知，在補水的前1個小時內(nèi)，不同深度含水率出現(xiàn)明顯上升，并接近飽和狀態(tài)(質量含水率約30％)，隨著補水測試完成，土體含水率逐漸降低，表示入滲逐漸向下發(fā)展。在這個過程中，基質勢傳感器只在第一次補水時出現(xiàn)陡降，從150kPa附近降至約10kPa，說明第一次補水時使土體由非飽和狀態(tài)迅速到達接近飽和。由孔隙水壓計的變化曲線可知，在瞬時補水時(如24h，72h)，孔隙水壓存在凸起點，由動載引起的超孔隙水壓力可達35kPa，當進一步補水形成穩(wěn)定入滲時，超孔隙水壓逐漸消散，而且對比不同深度的孔隙水壓曲線不難發(fā)現(xiàn)，深度越深，孔隙水壓力越大。

結合圖7a、7b和7c，得到：在試驗過程中，孔隙水壓始終處于2-15kPa范圍內(nèi)的穩(wěn)定水平，并未形成超孔隙水壓力，這是由于位置1距離補水側相對較遠，水分滲流途徑較長，難以形成明顯的超孔隙水壓力。其中a4#孔隙水壓計由于測試故障，未測得可靠數(shù)據(jù)，其原因可能為a4#孔隙水壓計位于地基的淺部，距離軌道板較近，當施加動荷載時，引起傳感器的故障或損壞。

結合圖8a、8b和8c，得到：由含水率的變化曲線可知，第一次補水對位置3的含水率影響不大，含水率幾乎沒有變化。在第二次補水時，該處含水率出現(xiàn)明顯躍升，接近飽和狀態(tài)，而且位置越深，達到飽和的時間越早，后續(xù)的補水對含水率沒有影響?？紫端畨河嫷臏y試結果顯示較淺位置的孔隙水壓變化不大(a7#和a8#)，始終位于0-10kPa之間，但a9#傳感器深度上孔隙水壓維持在20-30kPa之間，并存在峰值尖點，說明此處存在超孔壓的形成和消散。

結合圖9a、9b和9c，得到：圖中的孔隙水壓曲線可知，該位置孔隙水壓始終較高，維持在5-30kPa的范圍內(nèi)，當存在補水條件時，孔隙水壓曲線呈現(xiàn)出尖點，說明存在超孔隙水壓力，可高達40kPa，補水穩(wěn)定后，孔隙水壓逐漸消散。

結合圖10a、10b和10c，得到：軌道板中間部位的孔隙水壓比補水側(位置1和位置4)的產(chǎn)生的孔隙水壓要小，該處孔隙水壓基本維持在5-15kPa，未見明顯的超孔隙水壓，并且，深度越深，產(chǎn)生的孔隙水壓越大。

結合圖11a、11b和11c，得到：位置6不同深度處含水率、基質吸力及孔隙水壓隨時間的變化。位置6位于剖面2的最右側，離補水側較遠。含水率在第二次灌水時才出現(xiàn)明顯增加，在對應的時刻，基質吸力明顯下降，符合非飽和土的土水特征曲線。土體的孔隙水壓力均處于5-12kPa的區(qū)間。

應用本實施例的技術方案，效果是：(1)構造的軌道-路基結構足尺模型可真實反映鐵路現(xiàn)場條件；(2)高速列車荷載模擬加載裝置可實現(xiàn)對列車荷載的真實模擬，并可改變列車速度和軸重，研究列車速度及軸重對翻漿冒泥的影響；(3)通過試驗前后的地質雷達系統(tǒng)檢測，可精確探測試驗前后水在路基內(nèi)的分布狀況(深度、范圍)，克服了僅從軌道板表面觀測翻漿冒泥的缺陷，且能為翻漿冒泥防控提供實驗基礎。

以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本實用新型，對于本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。