一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置

本发明涉及边坡失稳实验装置，具体是指一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置。

背景技术：

1、铁路运输是一种重要的运输方式。如重型货运铁路-高速铁路-普通客运铁路等，随着中国国铁路基础设施建设的发展和铁路运营安全意识的增强，铁路运营安全问题受到高度重视，受工程地质条件-地形地貌及人为因素等影响，铁路线路不可避免地要穿山而过，形成了众多的铁路斜坡，地势高处不得不开挖形成路堑边坡，地势低处不得不修建路堤边坡，受持续降雨入渗和铁路列车长期循环荷载的影响，铁路边坡灾害时有发生。因此对于铁路路基边坡失稳过程预测分析不容忽视。然而观测其动力学响应难以实现且具备一定的危险因素，内部岩土体失稳演化过程更是不具备观测条件，单一使用模拟软件进行模拟，虽然可以设定良好的边界条件及湿润或干燥条件，但研究模式单一，由于实际工况的复杂性，并不能直观的表现出铁路路基边坡失稳机理及岩土体演化过程。采用相似模型及数值模拟结合是合理的研究方式，现有的试验当中多采用模型箱及岩土体-降雨设备-监测设备三部分组成，通过各式传感器获取试验过程中变化模式，以记录的数据分析其演化规律，也有通过搭建列车模型或者执行器模拟列车载荷，记录并分析其对轨道的破坏模式。

2、因此，通过人工模拟列车循坏荷载-降雨耦合条件下的路基边坡失稳形式实验装置，研究降雨入渗状态下各时间段边坡滑坡-围岩坍塌-拱底隆起-裂隙演变-孔隙水压-加速度等规律，对于铁路路基边坡的保护-生态环境的保护，以及可持续发展具有重要的意义。

3、首先，现阶段相似模型装置大多集合在降雨对路基边坡的影响，考虑因素单一；其次，许多列车荷载下路堤边坡稳定性研究装置都只考虑列车振动的频率，而未考虑列车的重量，内部受重量载荷和振动载荷的耦合影响研究不够清晰，所得结论无法准确的总结失稳演化过程，不能很好的满足实验目的及要求。

技术实现思路

1、(一)技术问题

2、本发明提供了一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，目的在于解决现阶段相似模型装置考虑因素单一、重量载荷和振动载荷的耦合影响研究不够清晰的问题。

3、(二)技术内容

4、为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，包括模型框和固定设于模型框内部的模型箱，模型箱内部盛装有模拟岩土层，模拟岩土层内部埋设有传感器组件，所述模型框上且位于模型箱上方固定设有人工降雨装置，所述模型箱上端面抵接设有增减压装置，所述模型箱侧面开口处底部固定设有排水装置，所述增减压装置包括防水顶板，防水顶板底部通过钢管固定设有底板，底板和防水顶板之间固定设有电执行器，所述模型框上端固定设有杠杆支架，防水顶板上端通过挂钩挂接设有绳索，绳索另一端绕接在杠杆支架上且端部固定设有重力砝码。

5、进一步地，还包括用于拍摄边坡失稳变化的监测装置，监测装置包括位于模型箱外部的红外热成像仪和高清相机。

6、进一步地，所述传感器组件包括土压力传感器、孔隙水压力传感器和加速度传感器，所述模型箱外部固定设有激光测距传感器。

7、进一步地，所述人工降雨装置包括水泵、进水管、流量计和喷水管网，所述模型框上端固定设有可伸缩支架，喷水管网固定设于可伸缩支架上。

8、进一步地，所述可伸缩支架包括固定设于模型框上端四角处的电动推杆，电动推杆上端固定设有所述喷水管网，喷水管网底部连通设有若干多功能喷淋头。

9、进一步地，所述排水装置包括固定设于模型箱底部的导流排水器和连接导流排水器的水收集桶。

10、进一步地，所述模型框底部固定设有小推车。

11、进一步地，所述模型箱上端面和底板之间放置有橡胶垫层。

12、进一步地，所述土压力传感器、孔隙水压力传感器、加速度传感器和激光测距传感器均通过数据线电性连接设有数据采集器。

13、(三)技术效果

14、本发明与现有技术相比优点在于：建立铁路路堤边坡模型，通过持续降雨及列车荷载作用使其产生位移-裂隙-加速度演变；记录含水率-裂隙变化及压力数据，通过高清数码相机及红外热影技术拍摄不同时间特征图像，通过图像-数据分析技术总结路堤边坡受降雨-荷载耦合影响变形破坏演化机理。

15、通过本发明实现对铁路路堤边坡进行降雨和列车循环荷载的作用，并监测加速度-位移-孔隙水压力-土压力多项数据为实验基础综合研究，引入先进的红外热影成像技术准确快速的地检测出边坡内部的裂缝-分层和脱空等缺陷，为持续降雨-列车荷载作用下铁路路堤边坡变形破坏演化机理提供依据。通过垫一层橡胶垫层来缓冲电执行器对模拟岩土层的直接冲击力，再通过自制简易增减压装置，来实现列车对路面压力的增减，拟解决现有研究未考虑车身重量的因素，同时防水顶板也对电执行器起到了保护的作用。

16、本发明综合解决了传统相似模型考虑因素单一，未考虑两种因素耦合条件情况，观察测量难以实现，变形破坏演变特征难以分析的问题，未考虑或难以模拟车身重量的，并加入裂隙演变-孔隙水压力-加速度-位移变化-边坡及平硐位移变化的铁路路堤边坡变形破坏机理，为持续降雨-列车荷载作用下铁路路堤边坡变形破坏演化机理提供依据。

技术特征：

1.一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，包括模型框(10)和固定设于模型框(10)内部的模型箱(12)，模型箱(12)内部盛装有模拟岩土层，模拟岩土层内部埋设有传感器组件，其特征在于：所述模型框(10)上且位于模型箱(12)上方固定设有人工降雨装置，所述模型箱(12)上端面抵接设有增减压装置，所述模型箱(12)侧面开口处底部固定设有排水装置，所述增减压装置包括防水顶板(5)，防水顶板(5)底部通过钢管(17)固定设有底板(18)，底板(18)和防水顶板(5)之间固定设有电执行器(6)，所述模型框(10)上端固定设有杠杆支架(7)，防水顶板(5)上端通过挂钩(19)挂接设有绳索(16)，绳索(16)另一端绕接在杠杆支架(7)上且端部固定设有重力砝码。

2.根据权利要求1所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：还包括用于拍摄边坡失稳变化的监测装置，监测装置包括位于模型箱外部的红外热成像仪(20)和高清相机(21)。

3.根据权利要求1所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述传感器组件包括土压力传感器(25)、孔隙水压力传感器(26)和加速度传感器(27)，所述模型箱(12)外部固定设有激光测距传感器(22)。

4.根据权利要求1所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述人工降雨装置包括水泵(2)、进水管(3)、流量计(1)和喷水管网(4)，所述模型框(10)上端固定设有可伸缩支架(9)，喷水管网(4)固定设于可伸缩支架(9)上。

5.根据权利要求4所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述可伸缩支架(9)包括固定设于模型框(10)上端四角处的电动推杆(23)，电动推杆(23)上端固定设有所述喷水管网(4)，喷水管网(4)底部连通设有若干多功能喷淋头(24)。

6.根据权利要求1所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述排水装置包括固定设于模型箱(10)底部的导流排水器(13)和连接导流排水器(13)的水收集桶(14)。

7.根据权利要求1所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述模型框(10)底部固定设有小推车(15)。

8.根据权利要求1所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述模型箱(10)上端面和底板(18)之间放置有橡胶垫层(8)。

9.根据权利要求3所述的一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，其特征在于：所述土压力传感器(25)、孔隙水压力传感器(26)、加速度传感器(27)和激光测距传感器(22)均通过数据线(28)电性连接设有数据采集器(29)。

技术总结本发明公开了一种测试降雨及列车载荷下铁路路基边坡失稳的实验装置，包括模型框和模型箱，模型箱内部盛装有模拟岩土层，模拟岩土层内部埋设有传感器组件，所述模型框上固定设有人工降雨装置，所述模型箱上端面抵接设有增减压装置，所述增减压装置包括防水顶板，防水顶板底部通过钢管固定设有底板，底板和防水顶板之间固定设有电执行器，本发明建立铁路路堤边坡模型，通过持续降雨及列车荷载作用使其产生位移‑裂隙‑加速度演变；记录含水率‑裂隙变化及压力数据，通过高清数码相机及红外热影技术拍摄不同时间特征图像，通过图像‑数据分析技术总结路堤边坡受降雨‑荷载耦合影响变形破坏演化机理。技术研发人员：谢承煜,陈姣重,杨宝琳,沈金波,傅村,张文涛,熊莞鹏,王新丰,石东平,张孝强,王晋淼,王龙,贺晓龙受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10