一种透明道砟层模型制作方法及利用该模型进行有砟铁路路基翻浆冒泥试验的装置及方法

本发明属于路基翻浆冒泥机理研究领域，具体为一种透明道砟层模型制作方法及利用该模型进行有砟铁路路基翻浆冒泥试验的装置及方法。

背景技术：

1、在铁路工程中，翻浆冒泥是影响交通基础设施结构与行车安全的突出病害，翻冒出来的泥水从污染道砟，堵塞道砟颗粒之间的孔隙，硬化后会形成道砟内部的硬核，使道砟层失去弹性，危及行车安全。

2、在传统的翻浆冒泥室内试验中，若要使模型箱内道砟层的变形与真实列车经过时所引起的道砟层变形相当(30-60mm)，需要施加巨大的轴压力，在室内试验中很难实现。并且，普通的道砟碎石内部不可直接观察，在翻浆冒泥的过程中对于研究泥浆迁移细观机理十分不便。

技术实现思路

1、本发明的目的在于无需施加巨大轴压力即可真实直观地模拟有砟铁路路基翻浆冒泥试验的装置及方法。

2、本发明提供的这种透明道砟层模型制作方法，包括以下步骤：

3、(1)用蓝光扫描仪将多个路基道砟逐个扫描，得到多个道砟颗粒的三维三角网格模型并保存文件；

4、(2)通过体素化算法将道砟颗粒的三角网格数据转化为微小三维立方体的表示形式，从而得到道砟颗粒模型的外壳；

5、(3)通过漫水填充算法将各颗粒模型的外壳内部填满球颗粒；

6、(4)用球颗粒代替体素网格得道砟颗粒的真实模型；

7、(5)将多个道砟颗粒模型在自重状态下堆积并模拟压实过程形成道砟层模型；

8、(6)通过获取堆积之后各个道砟颗粒的旋转角和重心的改变，把各单个道砟颗粒对应的三维网络模型文件也进行对应的改变并合并成堆积后的三维网格模型；

9、(7)将三维网格模型数据输入3d打印机，采用pvc材料打印出透明道砟层模型。

10、上述方法实施时，步骤(1)中保存的文件格式为obj.。

11、上述方法实施时，步骤(2)中，需将体素坐标(x，y，z)中的两个参数(x，y)视为像素坐标，将z视为其他参数，在计算出(x，y)以后通过三角形的法线方向和几何公式推算出z坐标。

12、上述方法实施时，步骤(3)的操作过程如下：

13、选取颗粒外壳外部的体素作为起点；

14、分别将颗粒外壳外部、颗粒外壳外轮廓和颗粒外壳内部标记为蓝、红和白三个颜色的体素；

15、将体素空间储存为一个三维的矩阵，白色红色蓝色分别对应为数字0、1、2，从选定的起点开始，依次判断蓝色体素上下左右的相邻体素的颜色，若为白色，则将该相邻体素修改为蓝色，并将其压入栈中，栈中储存了待循环的体素；

16、依次对栈中的体素进行上述操作，直到栈中不再有剩余的体素；

17、计算完成，蓝色体素为颗粒外部，红色体素为颗粒边界，白色体素为颗粒内部，道砟颗粒体素模型就是白色体素和红色体素的部分。

18、上述方法实施时，步骤(4)的操作过程如下：

19、设某体素在体素空间中的坐标为(rn,cn,ln)，根据以下公式(1)、(2)、(3)和(4)求得球单元的数据；

20、xs ＝x0 +dvox ×(r-0.5)    (1)

21、ys ＝y0 +dvox ×(c-0.5)    (2)

22、zs ＝z0 +dvox ×(l-0.5)    (3)

23、rs ＝ dvox /2                (4)

24、(rn,cn,ln)表示体素处于第rn行、第cn列、第ln层，dvox表示体素单元的大小，xs、ys、zs、rs分别表示球单元的三维坐标和半径。

25、本发明提供的这有砟铁路路基翻浆冒泥试验装置，包括底座、加载架、轴向加载装置、渗流箱、孔隙水压力计、tdr含水探针和水头控制箱；加载架可拆卸连接于底座上，轴向加载装置安装于加载架上；孔隙水压力计和tdr含水探针有相同的多列，渗流箱的侧壁设置相应的安装孔；渗流箱置于底座上，与轴向加载装置的加载杆共轴向中心线；高度可调的水头控制箱的出水管连接至渗流箱底部；加载杆的下端可拆卸连接所述透明道砟层模型。

26、该装置实施时，所述底座为矩形座，所述加载架包括对称连接于底座四个角部的支撑柱，及支撑柱顶部连接的支撑板，支撑板的中心位置设置有所述加载杆的导向套。

27、该装置实施时，所述轴向加载装置还包括伺服电机、偏心轮和连杆机构，伺服电机以输出轴水平布置固定于立板上，立板的下端固定于所述支撑板上，伺服电机的输出轴通过联轴器与偏心轮的轮轴连接，连杆结构的一端与偏心轮铰接，另一端与所述加载杆铰接。

28、该装置实施时，所述加载杆的底部连接有水平压板，加载杆伸出压板与透明道砟层模型的中心孔螺纹连接。

29、本发明提供的这种利用上述装置和透明道砟层模型进行有砟铁路路基翻浆冒泥试验的方法，包括以下步骤：

30、(1)、将安装好轴向加载装置的加载架从底座上拆下；

31、(2)、将渗流箱对中置于底座上；

32、(3)、往渗流箱中加入道基土体，逐层压实，并按要求埋设孔隙水压力计和tdr水分探针，并将它们分别连接至数据采集系统；

33、(4)、将高于道基土体高度的圆孔用堵头堵住；

34、(5)、将加载架重新与底座连接固定，注意使透明道砟层模型从上往下进入渗流箱中且与道基土体表面接触；

35、(6)、水头控制箱往渗流箱内加水至土体充分饱和，读取各孔隙水压力计和tdr水分探针反馈的数据；

36、(7)、伺服电机工作，使加载杆下降至最低位置，然后上升至最高位置，如此循环，通过数据采集系统实时监测土样含水率的整个过程中的变化，同时通过高速摄影机记载道基土体颗粒在道砟层模型内的迁移情形。

37、本发明为了进行有砟铁路路基翻浆冒泥试验，采用三步走的方法：先制作透明道砟层模型，再设计试验装置，最后将透明道砟层模型用于试验装置来进行试验。关于获得透明道砟层模型，先通过扫描获得道砟颗粒模型的外壳，再通过漫水充填算法将外壳内部填满球颗粒获得道砟颗粒的真实模型，通过道砟颗粒真实模型堆叠并模拟压实后获得道砟颗粒簇模型，通过获取堆积之后各个道砟颗粒的旋转角和重心的改变，把各单个道砟颗粒对应的三维网格模型文件也进行对应的改变并合并成堆积后的三维网格模型。关于试验装置和试验，由于透明道砟层模型具有易压缩的特性，所以采用结构简单的试验装置即可满足使用要求：轴向加载装置通过伺服电机驱动偏心轮转动，偏心轮与加载轴之间连接连杆机构，从而使偏心轮的转动实现加载轴的循环升降。将透明道砟层模型连接于加载轴的下端，即可实现透明道砟层模型的循环升降。加载杆下降使透明道砟层模型挤压道基土体试样时，透明道砟层模型本身被压缩。即通过给加载杆施加小的轴向力即可使透明道砟层模型有30-60mm的压缩变形。通过透明道砟层模型的变形，将对试验土样产生某种“抽吸”作用，使得土样在竖直方向产生孔隙水压力梯度，从而诱发孔隙水携带细颗粒不断迁移流动最终形成翻浆冒泥。所以试验装置通过透明道砟层模型来进行试验，适用于土木工程领域中翻浆冒泥室内试验对于道砟层变形的真实模拟，以及泥浆在道砟层中的运动的实时监测。