本發(fā)明屬于鐵路隧道設(shè)計(jì)與建造技術(shù)領(lǐng)域，尤其屬于應(yīng)用于隧道運(yùn)營階段中基底結(jié)構(gòu)在列車作用下，圍巖缺陷和地下水動(dòng)荷載作用下泵吸作用的模型試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

泵吸作用是指隧道基底結(jié)構(gòu)因?yàn)槭艿搅熊囕^大的荷載影響時(shí)，對基底結(jié)構(gòu)與圍巖之間地下水產(chǎn)生動(dòng)力作用，地下水在列車動(dòng)荷載影響下對圍巖進(jìn)行沖刷使圍巖形成缺陷，圍巖缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展會影響基底結(jié)構(gòu)的受力性能和長期安全穩(wěn)定性，對基底結(jié)構(gòu)泵吸作用的認(rèn)知不足，會對隧道長期安全穩(wěn)定性產(chǎn)生重載威脅。

人們對這種隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用的形成和發(fā)展規(guī)律缺乏深入了解。通過建立隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用模擬裝置進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營中基底結(jié)構(gòu)在列車動(dòng)力作用下與底部圍巖和地下水壓吸交替動(dòng)力特性模型試驗(yàn)，以分析得出隧道基底結(jié)構(gòu)在不同水文地質(zhì)條件下存在缺陷，列車動(dòng)荷載作用在基底結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的泵吸作用原理和圍巖顆粒流失現(xiàn)象及規(guī)律，對隧道基底結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營期的長期穩(wěn)定提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，具有十分重要的意義。

現(xiàn)有的隧道基底結(jié)構(gòu)地下水作用模擬系統(tǒng)主要是靜水壓力模擬系統(tǒng)，通過水頭高度調(diào)整裝置對試驗(yàn)箱中的缺陷圍巖相似材料進(jìn)行不同的水壓力加載模擬，其僅考慮了靜水壓力值?，F(xiàn)有方法和系統(tǒng)通常用于公路隧道和 鐵路隧道高速列車動(dòng)荷載較小的情況，無法考慮并模擬隧道承受大軸重，高行車密度時(shí)的基底結(jié)構(gòu)泵吸作用，特別是列車動(dòng)力作用下底部圍巖和地下水交替作用的影響規(guī)律，其現(xiàn)有方法和系統(tǒng)更無法模擬隧道長期運(yùn)營過程中底部圍巖在泵吸作用下的缺陷發(fā)展以及圍巖顆粒流失的現(xiàn)象。

目前，國內(nèi)尚缺乏關(guān)于隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用的模擬裝置，其設(shè)計(jì)與模擬的靜水壓力情形簡單，模擬的靜水壓力形式單一，對基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)荷載作用下的泵吸作用模擬受到極大的限制；與此同時(shí)，其模擬過程中無法考慮對基底結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用，忽略了大軸重重載列車的影響，對于目前國內(nèi)大力發(fā)展的重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)地下水的動(dòng)力作用存在不同程度的失真；無法模擬富水地層中基底圍巖顆粒隨地下水動(dòng)力流失的原理和規(guī)律。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，公開了一種隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用模擬裝置，該裝置更好地模擬隧道基底結(jié)構(gòu)所處的不同水文地質(zhì)條件，包括富水地層、含水地層和無水地層；實(shí)現(xiàn)在不同水文地質(zhì)條件下隧道基底結(jié)構(gòu)在基底圍巖存在缺陷時(shí)，列車動(dòng)荷載作用下的“結(jié)構(gòu)-動(dòng)荷載-圍巖-水”泵吸作用的模擬，研究列車對隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用，分析基底結(jié)構(gòu)在不同水文地質(zhì)條件下的泵吸作用形態(tài)和圍巖顆粒流失原理，為隧道的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營期的長期穩(wěn)定性提供更加可靠的試驗(yàn)依據(jù)，從而更好地保證隧道基底結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用模擬裝置，其特征在于：包括主體試驗(yàn)箱、左 側(cè)蓄水槽、右側(cè)蓄水槽、列車荷載模擬裝置、高位水槽和試驗(yàn)臺；

主體試驗(yàn)箱兩側(cè)分別固定設(shè)置左側(cè)蓄水槽和右側(cè)蓄水槽，主體試驗(yàn)箱固定于試驗(yàn)臺上，試驗(yàn)臺固結(jié)于地面，列車荷載模擬裝置固定于主體試驗(yàn)箱上，高位水槽由滑輪懸掛并與左側(cè)蓄水槽可拆卸水聯(lián)通；

左側(cè)蓄水槽與主體試驗(yàn)箱共用壁上、右側(cè)蓄水槽與主體試驗(yàn)箱共用壁上分別均有沿壁設(shè)置的縱向縫作為連通通道；

主體試驗(yàn)箱下部承裝圍巖模擬材料，上部承裝基底結(jié)構(gòu)模擬材料，圍巖模擬材料與基底結(jié)構(gòu)模擬材料結(jié)合縫位于連通通道出口，結(jié)合縫中可埋設(shè)檢測裝置的檢測端元器件。

所述的圍巖模擬材料可選擇不同的材料和配合比模擬不同的圍巖級別，圍巖模擬材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉等。填裝時(shí)每13cm一層分作至少2次進(jìn)行填裝，每次填裝完畢后層間刮毛，避免分層，然后人工振搗20次使圍巖模擬材料達(dá)到需求的容重要求。

所述基底結(jié)構(gòu)模擬材料可選擇不同的材料和配合比模擬不同的標(biāo)號的混凝土，基底結(jié)構(gòu)模擬材料包括：石膏、水、砂、硅藻土等。按照一定配合比拌合后澆入模具制成需求的形狀。

所述連通通道為喇叭形擴(kuò)口結(jié)構(gòu)，主體試驗(yàn)箱端開口大于水槽入口。

所述的列車荷載模擬裝置是可調(diào)節(jié)激振器。

所述主體試驗(yàn)箱、左側(cè)蓄水槽、右側(cè)蓄水槽和高位水槽均為透明材料制成的內(nèi)部可視結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明采用的檢測裝置包括土壓力計(jì)、水壓力計(jì)、靜態(tài)應(yīng)變采集儀或 者動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀。

所述主體試驗(yàn)箱、左側(cè)蓄水槽、右側(cè)蓄水槽和高位水槽為全密閉結(jié)構(gòu)。

通常隧道基底結(jié)構(gòu)是由隧道的仰拱填充和仰拱結(jié)構(gòu)組成，并在底面與圍巖之間的接觸面上有部分空隙；本發(fā)明圍巖模擬材料由石膏、砂土、鐵礦粉和水按照不同比例進(jìn)行拌合模擬不同級別的圍巖；基底結(jié)構(gòu)模擬材料由石膏、砂土和水按照不同比例進(jìn)行拌合制成可模擬不同形狀、不同混凝土標(biāo)號的重載鐵路隧道基底結(jié)構(gòu)。

檢測裝置可以是試驗(yàn)用微型土壓力計(jì)，或者試驗(yàn)用微型水壓力計(jì)，或者兩者同時(shí)使用；檢測裝置的測試元器件設(shè)置在圍巖模擬材料和基底結(jié)構(gòu)模擬材料之間，用靜變儀采集記錄試驗(yàn)過程中水壓力和土壓力的變化規(guī)律。

兩側(cè)蓄水槽可以是由有機(jī)玻璃板制作的全密閉蓄水槽，固結(jié)在主體試驗(yàn)箱左右兩側(cè)，用來為主體試驗(yàn)箱中的所述圍巖模擬材料和基底結(jié)構(gòu)模擬材料提供模擬地下水。

在兩側(cè)蓄水槽與主體試驗(yàn)箱連接的側(cè)壁上、在圍巖模擬材料和基底結(jié)構(gòu)模擬材料之間的縫隙位置左右兩側(cè)均設(shè)置有一個(gè)缺口作為水和圍巖模擬材料土顆粒通道。

圍巖模擬材料土顆粒通道采用喇叭形擴(kuò)口結(jié)構(gòu)，可使蓄水槽側(cè)的水壓力略大于主體試驗(yàn)箱側(cè)防止所述圍巖相似材料土顆?；亓鳌?/p>

兩側(cè)蓄水槽，選用右側(cè)或者左側(cè)蓄水槽通過水管連接高水壓模擬裝置即高位水槽。水管連接處的開口同樣可以選用喇叭形擴(kuò)口使水管側(cè)水壓高于蓄水槽，所述圍巖相似材料土顆粒不進(jìn)入水管。

高水壓模擬采用包括高位水槽、連接水管和定滑輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過滑輪升降高位水槽實(shí)現(xiàn)不同的注水壓力。

本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)模擬高壓、含水、無水條件下實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。高壓水模擬裝置即高位水槽在對基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行含水地層和無水地層模擬研究時(shí)，可拆卸不用，此時(shí)，對兩側(cè)蓄水槽內(nèi)注水，利用連通器原理模擬含水地層，或者保持所述兩側(cè)蓄水槽干燥模擬無水地層。

列車荷載模擬裝置選用可調(diào)節(jié)的小型激振器進(jìn)行模擬，小型激振器可以由馬達(dá)電機(jī)和偏心輪組成，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以模擬輸出不同軸重的重載列車動(dòng)荷載對基底結(jié)構(gòu)相似材料形成動(dòng)力作用，進(jìn)而使模擬地下水沖刷圍巖相似材料形成泵吸作用。

列車荷載模擬裝置固定在主體試驗(yàn)箱上頂面。列車荷載模擬裝置可以根據(jù)需要設(shè)置多臺。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)試驗(yàn)裝置采用有可視透明結(jié)構(gòu)，能夠清楚的看到圍巖顆粒隨地下水的流動(dòng)和底部圍巖在地下水沖刷作用下缺陷的發(fā)展規(guī)律。模擬的重載列車動(dòng)荷載對基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用和底部圍巖顆粒流失的現(xiàn)象更加直觀，

(2)在模擬富水地層條件時(shí)，密封水槽并連接高水壓力模擬裝置，調(diào)整水頭高度能夠?qū)崿F(xiàn)富水地層條件下的環(huán)境模擬。在模擬含水地層條件時(shí)，斷開高水壓力模擬裝置，在雙側(cè)蓄水槽中注入部分水利用連通器原理保證含水地層條件下的地下水供給；在模擬無水地層條件時(shí)，可保持雙側(cè)蓄水槽和試驗(yàn)箱干燥模擬無水地層條件下的列車動(dòng)荷載對基底結(jié)構(gòu)的影響。

(3)通過修改試驗(yàn)箱內(nèi)基底結(jié)構(gòu)的形狀和相似材料配比可以模擬不同強(qiáng)度、不同型式的基底結(jié)構(gòu)泵吸作用。

(4)通過基底結(jié)構(gòu)相似材料表面固定安裝多臺，如在安裝2臺列車荷載模擬裝置條件下可以模擬隧道運(yùn)營期不同軸重和時(shí)速下重載列車的動(dòng)荷載，也可以體現(xiàn)重載列車對隧道基底結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用；還可以分析運(yùn)營隧道基底結(jié)構(gòu)的受力性態(tài)、安全性和耐久性，包括結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生、底部圍巖缺陷的發(fā)展，從而更好地保證重載鐵路隧道的安全和經(jīng)濟(jì)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模擬裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖；

圖2是圖1中A部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明模擬裝置結(jié)構(gòu)俯視示意圖；

圖4是圖3中B部發(fā)大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1是主體試驗(yàn)箱，2是左側(cè)蓄水槽，3是右側(cè)蓄水槽，4是列車荷載模擬裝置，5是圍巖模擬材料，6是基底結(jié)構(gòu)模擬材料，7是水，8是連接水管，9是高位水槽，10是水箱，11是滑輪，12是實(shí)驗(yàn)臺，13是連通通道，14是高位水口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明，具體實(shí)施方式是對本發(fā)明原理的進(jìn)一步說明，不以任何方式限制本發(fā)明，與本發(fā)明相同或類似技術(shù)均沒有超出本發(fā)明保護(hù)的范圍。

結(jié)合圖1至圖4。

如圖所示，隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用模擬裝置，包括主體試驗(yàn)箱1、左側(cè)蓄水槽2、右側(cè)蓄水槽3、列車荷載模擬裝置4、高位水槽9和試驗(yàn)臺12；

主體試驗(yàn)箱1兩側(cè)分別固定設(shè)置左側(cè)蓄水槽2和右側(cè)蓄水槽3，主體試驗(yàn)箱1固定于試驗(yàn)臺12上，試驗(yàn)臺12固結(jié)于地面，列車荷載模擬裝置4固定于主體試驗(yàn)箱1上，高位水槽9由滑輪11懸掛并與左側(cè)蓄水槽2可拆卸水聯(lián)通；

左側(cè)蓄水槽2與主體試驗(yàn)箱1共用壁上、右側(cè)蓄水槽3與主體試驗(yàn)箱1共用壁上分別均有沿壁設(shè)置的縱向縫作為連通通道13；

主體試驗(yàn)箱1下部承裝圍巖模擬材料5，上部承裝基底結(jié)構(gòu)模擬材料6，圍巖模擬材料5與基底結(jié)構(gòu)模擬材料6結(jié)合縫位于連通通道13出口，結(jié)合縫中可埋設(shè)檢測裝置的檢測端元器件。

圍巖模擬材料5可選擇不同的材料和配合比模擬不同的圍巖級別，材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉；填裝時(shí)每13cm一層，分作至少2次進(jìn)行填裝，每次填裝完畢后層間刮毛，避免分層，然后人工振搗20次使圍巖模擬材料達(dá)到需求的容重要求。

基底結(jié)構(gòu)模擬材料6可選擇不同的材料和配合比模擬不同的標(biāo)號的混凝土，材料包括：石膏、水、砂、硅藻土；按照一定配合比拌合后澆入模具制成需求的形狀。

連通通道13為喇叭形擴(kuò)口結(jié)構(gòu)，主體試驗(yàn)箱1端開口大于水槽入口。

列車荷載模擬裝置4是可調(diào)節(jié)激振器。

主體試驗(yàn)箱1、左側(cè)蓄水槽2、右側(cè)蓄水槽3和高位水槽9均為透明材 料制成的內(nèi)部可視結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明檢測裝置包括土壓力計(jì)、水壓力計(jì)、靜態(tài)應(yīng)變采集儀和動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀。

主體試驗(yàn)箱1、左側(cè)蓄水槽2、右側(cè)蓄水槽3和高位水槽9為全密閉結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，隧道基底結(jié)構(gòu)泵吸作用模擬裝置，包括主體試驗(yàn)箱1、左側(cè)蓄水槽2、右側(cè)蓄水槽3、列車荷載模擬裝置4、高位水槽9和試驗(yàn)臺12；

主體試驗(yàn)箱1兩側(cè)分別固定設(shè)置左側(cè)蓄水槽2和右側(cè)蓄水槽3，主體試驗(yàn)箱1固定于試驗(yàn)臺上12，試驗(yàn)臺固結(jié)于地面，列車荷載模擬裝置4固定于主體試驗(yàn)箱1上，高位水槽9由滑輪11懸掛并與左側(cè)蓄水槽2可拆卸與水連通；

主體試驗(yàn)箱下部承裝圍巖模擬材料，上部承裝基底結(jié)構(gòu)模擬材料，圍巖模擬材料與基底結(jié)構(gòu)模擬材料結(jié)合縫位于連通通道出口，結(jié)合縫中可埋設(shè)檢測裝置的檢測端元器件。

圍巖模擬材料可選擇不同的材料和配合比模擬不同的圍巖級別，圍巖模擬材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉等。填裝時(shí)每13cm一層分作2次進(jìn)行填裝，每次填裝完畢后層間刮毛，避免分層，然后人工振搗20次使圍巖模擬材料達(dá)到需求的容重要求。

基底結(jié)構(gòu)模擬材料可選擇不同的材料和配合比模擬不同的標(biāo)號的混凝土，基底結(jié)構(gòu)模擬材料包括：石膏、水、砂、硅藻土等。按照一定配合比 拌合后澆入模具制成需求的形狀。

測試元器件可以是試驗(yàn)用微型土壓力計(jì)，或者試驗(yàn)用微型水壓力計(jì)，或者兩者同時(shí)使用；所述測試元器件設(shè)置在所述圍巖相似材料和基底結(jié)構(gòu)相似材料之間，用靜態(tài)應(yīng)變采集儀或者動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀采集記錄試驗(yàn)過程中水壓力和土壓力的變化規(guī)律。

如圖2所示，左側(cè)蓄水槽2與主體試驗(yàn)箱1共用壁上、右側(cè)蓄水槽與主體試驗(yàn)箱共用壁上均有沿壁設(shè)置的縱向縫作為水和圍巖相似材料土顆粒通道A；

水和圍巖相似材料土顆粒通道A為喇叭形擴(kuò)口結(jié)構(gòu)，主體試驗(yàn)箱端開口大于水槽入口。可使左側(cè)蓄水槽2側(cè)的水壓力略大于主體試驗(yàn)箱1側(cè)防止所述圍巖相似材料5土顆?；亓?。

高位水槽9包括水箱10、水管8和定滑輪11。高位水槽9與左側(cè)蓄水槽2通過水管8采用可拆卸的方式連接。所述水管8連接處的開口B選用喇叭形使水管8側(cè)水壓高于左側(cè)蓄水槽2，圍巖相似材料5土顆粒不進(jìn)入水管8。定滑輪11用來調(diào)整所述水箱10的高度，可在0～3米之間調(diào)節(jié)使所述高位水槽9能夠模擬不同水壓力。

如圖4所示，進(jìn)一步的，高壓水模擬裝置在對基底結(jié)構(gòu)6進(jìn)行含水地層和無水地層模擬研究時(shí)，可取消掉所述高壓水模擬裝置，僅在左側(cè)蓄水槽2內(nèi)注水利用連通器原理模擬含水地層，或者保持所述左側(cè)蓄水槽2和右側(cè)蓄水槽3干燥模擬無水地層。

如圖3所示，列車荷載模擬裝置4選用可調(diào)節(jié)的小型激振器進(jìn)行模擬， 所述的小型激振器由馬達(dá)電機(jī)和偏心輪組成，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以模擬輸出不同軸重的列車動(dòng)荷載；列車荷載模擬裝置4固定在所述基底結(jié)構(gòu)相似材料6的頂面，安裝2臺進(jìn)行不同通車參數(shù)下對所述基底結(jié)構(gòu)相似材料6的模擬?；蛘咚鲂⌒图ふ衿饕部捎芍绷麟姍C(jī)和小型偏心塊進(jìn)行制作。

按照需求將主體試驗(yàn)箱1、圍巖模擬材料5、基底結(jié)構(gòu)模擬材料6和高位水槽9設(shè)置完畢后，開啟列車荷載模擬裝置4，條件轉(zhuǎn)速輸出需求的列車動(dòng)荷載。進(jìn)而基底結(jié)構(gòu)模擬材料6在動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生振動(dòng)從而對圍巖模擬材料5進(jìn)行沖擊，在動(dòng)力循環(huán)反復(fù)作用下，基底結(jié)構(gòu)模擬材料6和圍巖模擬材料5之間的水會形成較高的水壓力流向左側(cè)水槽2和右側(cè)水槽3會帶走圍巖模擬材料5的土顆粒形成泵吸作用。