一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统

摘要

本申请涉及岩土工程、桥梁工程技术领域，提供一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统。本系统包括模型试验箱系统、反力框架、加载系统。其中，模型试验箱系统包括模型试验箱、拟堆载土体材料、拟施工隔离桩基、高铁桥梁模型，可实现隔离桩基施工工况、堆载施工工况以及高铁列车运营振动工况的独立及耦合作用；反力框架可实现加载系统沿着X、Y、Z三轴自由移动，并为加载系统提供支撑反力；加载系统用于向拟施工隔离桩基施加均匀贯入荷载，或向轨道扣件加载触点施加均匀振动荷载。本申请采用模块化设计，各功能模块均相对独立，试验系统利用率较高、工况适应性较强，可为相关工程问题及教学科研提供一体化的试验解决方案。

说明书

技术领域

本申请涉及岩土工程、桥梁工程技术领域，尤其涉及一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统。

背景技术

随着我国高铁线路的完善，在高铁桥梁穿越地带，列车运营所产生的振动荷载长期反复作用会对桥梁结构本身及周边环境造成影响。对于高铁车辆基础等大型施工项目，可能会涉及由于河道改道、场地堆填而产生施工设备及土体等大面积及反复堆积荷载，而建成后施工场地内的生产、办公、及附属建筑物等也会对邻近区域产生复合堆载效应。这种堆载会影响地层原始应力，其所产生的附加应力会引起周边土体压缩，从而产生竖向及水平变形，影响邻近桥梁及场地内其他建构筑物的安全。

在距离高铁桥梁等建构筑物较近的地方进行施工时，为防止施工过程中对邻近建筑及环境产生不利影响，通常在被建筑物与施工场地间布置隔离桩来满足保护要求。隔离桩作为施工阶段的地层加固及减少施工对周围环境扰动的主要方法之一，已经被广泛应用于基坑开挖、堆载施工等工程项目中，相关工程需求量较大。

在实际工程中，往往会面临上述多种工况叠加的复杂问题，这些问题往往很难通过理论分析和数值分析进行研究，因此需要借助室内模型试验对实际工程进行精细化模拟。然而，目前的物理模型试验系统多仅能考虑单一施工工况，而尚未有能考虑堆载施工、隔离桩施工和高铁振动耦合作用的模型试验系统。为了解决符合工况的问题，急需发明一种一体化的试验系统，以满足相关工程的科研需求。

发明内容

本申请的目的在于：弥补隔离桩基施工、堆载、高铁振动相关复合施工工况项目模型试验系统的不足，提供一种一体化的试验解决方案，使其能满足隔离桩基施工、堆载作用及高铁运营振动相关工程试验模拟的科研需求。

为实现上述目的，本申请提供了如下技术方案：

一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统，其特征在于：本系统包括模型试验箱系统、反力框架、加载系统。

所述的模型试验箱系统由模型试验箱、拟堆载土体材料、拟施工隔离桩基和高铁桥梁模型组成；

进一步，所述的模型试验箱包括若干根立柱、底部框架、顶部圈梁、若干组X型筋肋、若干块侧板及底板；所述的若干根立柱、底部框架、顶部圈梁共同组成模型试验箱主体刚性框架；所述的若干块侧板采用刚度较大的材料制成，密封安装于模型试验箱侧面；所述的若干组X型筋肋为刚性结构，设置在若干块侧板外侧并与若干根立柱、底部框架、顶部圈梁组成的刚性框架固定连接，用于对侧板进行加固，保证土样材料的边界约束固定以及强度和刚度要求；所述的底板采用刚度较大的材料制成，密封安装于模型试验箱底面；模型试验箱内可填筑土样材料用于后期试验；

所述的拟堆载土体材料可根据实际堆载材料的物理力学性质通过相似比换算配制，置于指定的堆载位置；

所述的拟施工隔离桩基可根据实际几何尺寸和物理力学性质通过相似比换算制作，根据不同的施工方法和施工参数要求贯入土体中；

所述的高铁桥面模型系统包括若干根桥梁桩基、若干个承台、若干个桥墩、桥面、若干个轨道扣件加载触点，用于精细化模拟实际高铁桥面构造；

所述的桥梁桩基、承台、桥墩、桥面根据实际几何尺寸和物理力学性质通过相似比换算制作，桥梁桩基预埋于土样材料中，向上依次刚性连接承台和桥墩，最后再向上搭接桥面；所述的轨道扣件加载触点为短柱状刚性结构，设置在桥面顶部，呈多排对称分布，用于将上部振动荷载均匀传递给桥面。

所述的反力框架包括框架底座、若干根立架、若干根纵梁、若干根横梁、若干个传动块、若干个连接肋、若干根斜撑、若干个X轴向导轨、若干个Y轴向导轨、若干个Z轴向导轨；

进一步，所述的框架底座、若干根立架、若干根纵梁、若干根横梁采用“工”字型截面刚性材料；所述的若干个连接肋、若干根斜撑设置在框架底座与若干根立架之间，并通过若干个连接板和若干颗螺栓固定连接，用于提高框架底座与若干根立架组成结构整体强度；所述的若干个Z轴向导轨设置在若干根立架侧面，并与若干根纵梁滑动连接，可实现纵梁沿立架轴线方向移动；所述的若干个Y轴向导轨设置在若干根纵梁顶部，并与若干根横梁滑动连接，可实现横梁沿纵梁轴线方向移动；所述的若干个X轴向导轨位于若干根横梁底部，并与若干个传动块滑动连接，可实现若干个传动块沿横梁轴线方向移动；通过若干个X轴向导轨、若干个Y轴向导轨及若干个Z轴向导轨，可实现若干个传动块沿着X、Y、Z三轴自由移动。

所述的加载系统包括若干台伺服作动器、若干个伺服作动器底座、若干个加载分配梁及若干颗固定螺栓，用于对拟施工隔离桩基施加贯入荷载或对高铁桥面模型系统施加振动荷载；

进一步，所述的若干台伺服作动器中，每一台伺服作动器配有一个伺服作动器底座和一个加载分配梁，伺服作动器与伺服作动器底座之间采用铰接，伺服作动器与加载分配梁之间采用固定连接；所述的若干个伺服作动器底座与反力框架的若干个传动块底板之间通过若干颗固定螺栓连接；所述的若干个加载分配梁为刚性梁结构，用于向拟施工隔离桩基施加均匀贯入荷载，或向轨道扣件加载触点施加均匀振动荷载。

与现有的技术相比，本申请涉及一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统，将模型试验箱内部划分为三块区域，可分别实现排桩施工、堆载施工、高铁运营振动三种工况的试验。其中，排桩施工工况中的拟施工隔离桩基可采用不同桩型，在伺服作动器贯入荷载作用下依次实现贯入施工；堆载施工工况通过在预定位置分级堆放施工土样材料实现；高铁列车运营振动工况涉及在土样材料中埋设预制高铁桥梁模型，通过加载系统在桥面施加振动荷载模拟高铁列车运营产生的振动。根据本系统所划分的试验区域，可同步进行多工况耦合试验，包括排桩施工和高铁运营振动双工况耦合试验、堆载施工和高铁运营振动双工况耦合试验、排桩施工和堆载施工双工况耦合试验以及排桩施工、堆载施工和高铁运营振动三工况耦合试验。

根据上述技术方案，本申请具有以下优点：

1.本申请可实现隔离桩排桩施工、堆载施工以及高铁列车运营振动工况的试验，为复合施工工况提供了一体化解决方案，试验系统利用率较高；

2.提出的反力框架能够控制调节加载位置，隔离桩及堆载荷载可根据工程实际选择不同材料，且可通过横梁上的传动块更换连接其他加载装置，试验系统的工况适应性较强；

3.采用模块化设计，各功能模块均相对独立，方便日后的维护保养及功能拓展。

附图说明

图1为本申请实施例提供的模型试验系统总体方案结构示意图；

图2为本申请实施例提供的模型试验系统中模型试验箱系统结构示意图；

图3为本申请实施例提供的模型试验系统中模型试验箱系统内部结构平面布置示意图；

图4为本申请实施例提供的模型试验系统中桥梁模型结构示意图，其中(a)正视图，(b)为俯视图；

图5为本申请实施例提供的模型试验系统中反力框架结构示意图；

图6为本申请实施例提供的模型试验系统中斜撑及连接肋连接结构示意图；

图7为本申请实施例提供的模型试验系统中加载系统结构示意图；

图8为本申请实施例提供的模型试验系统中X轴向导轨截面连接结构示意图；

图9为本申请实施例提供的模型试验系统中Y轴向导轨截面连接结构示意图；

图10为本申请实施例提供的模型试验系统中Z轴向导轨截面连接结构示意图。

1为模型试验箱系统；

101为模型试验箱、102为拟堆载土体材料、103为拟施工隔离桩基、104为高铁桥梁模型；

1011为立柱、1012为底部框架、1013为顶部圈梁、1014为X型筋肋、1015为侧板、1016为底板；

1041为桥梁桩基、1042为承台、1043为桥墩、1044为桥面、1045为轨道扣件加载触点；

2为反力框架；

201为框架底座、202为立架、203为纵梁、204为横梁、205为传动块、206为连接肋、207为斜撑、208为X轴向导轨、209为Y轴向导轨、210为Z轴向导轨；

2041为I号横梁、2042为II号横梁；

2051为传动块底板；

2071为连接板、2072为螺栓；

3为加载系统；

301为伺服作动器、302为伺服作动器底座、303为固定螺栓、304为加载分配梁。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述的技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1所示，一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统，包括：模型试验箱系统1、反力框架2以及加载系统3。

如图2、3所示，模型试验箱系统1由模型试验箱101、拟堆载土体材料102、拟施工隔离桩基103、高铁桥梁模型104组成；

其中，模型试验箱101由四根立柱1011、底部框架1012、顶部圈梁1013共同组成模型试验箱101主体刚性框架，并在侧面密封安装四块侧板1015、底部密封安装底板1016；四组X型筋肋1014设置在四块侧板1015外侧并与四根立柱1011、底部框架1012、顶部圈梁1013组成的刚性框架固定连接，用于对侧板1015进行加固，保证土样材料的边界约束固定以及强度和刚度要求；模型试验箱101内可填筑土样材料用于后期试验。

如图4所示，高铁桥梁模型104包括二十四根桥梁桩基1041、三个承台1042、三个桥墩1043、桥面1044、三十个轨道扣件加载触点1045，用于精细化模拟实际高铁构造；二十四根桥梁桩基1041预埋于土样材料中，三个承台1042分别与二十四根桥梁桩基1041刚性连接，三个桥墩1043与三个承台1042刚性连接，桥面1044搭接在三个桥墩1043上；三十个轨道扣件加载触点1045分两排对称分布设置在桥面1044顶部，用于将上部振动荷载均匀传递给桥面1044。

如图5、6所示，反力框架2包括框架底座201、四根立架202、两根纵梁203、两根横梁204、两个传动块205、四个连接肋206、四根斜撑207、两个X轴向导轨208、两个Y轴向导轨209、两个Z轴向导轨210；

四个连接肋206、四根斜撑207设置在框架底座201与四根立架202之间，并通过十六个连接板2071和六十四颗螺栓2072固定连接，用于提高框架底座201与四根立架202组成结构整体强度；两个Z轴向导轨210设置在四根立架202侧面，并与两根纵梁203滑动连接(见图10)，可实现纵梁203沿立架202轴线方向移动；两个Y轴向导轨209设置在两根纵梁203顶部，并与两根横梁204滑动连接(见图9)，可实现横梁204沿纵梁203轴线方向移动；两个X轴向导轨208位于两根横梁204底部，并与两个传动块205滑动连接(见图8)，可实现两个传动块205沿横梁204轴线方向移动；通过两个X轴向导轨208、两个Y轴向导轨209及两个Z轴向导轨210，可实现两个传动块205沿着X、Y、Z三轴自由移动；传动块底板2051位于传动块205底部，可用来连接加载系统3。

如图7所示，加载系统3包括两个伺服作动器301、两个伺服作动器底座302、八个固定螺栓303、两个加载分配梁304；每个伺服作动器底座302与传动块底板2051的之间通过四颗固定螺栓303连接；通过将加载分配梁304置于伺服作动器301与桥面1044轨道扣件加载触点1045间。

在优选的实施方式中，可以在纵梁203、横梁204、传动块205、伺服作动器底座302中开设贯通的穿线孔，用于穿设电缆，通过所述的电缆连接X轴向导轨208、Y轴向导轨209、Z轴向导轨210、伺服作动器301及外接电源，通过控制外接电源的开关为上述构件通电或断电。

本申请提供的一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统，其工作方式如下：

实施例一：排桩贯入施工试验

控制反力框架2的纵梁203沿Z轴向导轨210移动、I号横梁2041沿Y轴向导轨209移动、传动块205沿X轴向导轨208移动，将与I号横梁2041连接的伺服作动器301移动至拟施工隔离桩基103桩位；将伺服作动器301上升至一定高度，直立首根拟施工隔离桩基103，确定管桩垂直，防止偏心受压；随后通过加载系统3进行加压，伺服作动器301缓慢匀速下降，推动首根拟施工隔离桩基103下压入土；若伺服作动器301行程不足可分多次压入，完成首根拟施工隔离桩基103的贯入后，再依次完成后续拟施工隔离桩基103的贯入施工。

实施例二：堆载施工试验

在模型试验箱101中目标试验区域的土样材料表面划分并标记拟堆载范围，将拟堆载土体材料102堆放至预定位置，完成一级堆载荷载的施加；随后继续堆放土样材料荷载，直至到达预定高度，完成二级、三级堆载。

实施例三：高铁运营振动试验

模型试验箱101填筑土样材料前，在侧板1015内壁标记高铁桥梁模型104埋设位置，当填土至标记区域附近时，放入高铁桥梁模型104，在保证模型竖直的状态下填土至预定标高，覆盖高铁桥梁承台1042，在填埋至桥梁桩基1041位置时，注意将桥梁桩基1041附近土样材料捣实；将加载分配梁304置于桥面1044的轨道扣件加载触点1045并固定，控制反力框架2的纵梁203沿Z轴向导轨210移动、II号横梁2042沿Y轴向导轨209移动、传动块205沿X轴向导轨208移动，将与II号横梁2042连接的伺服作动器301移动至加载分配梁304之上，从各方向确定加载位置准确；通过加载系统3使伺服作动器301下压与加载分配梁304接触，施加振动荷载。

实施例四：排桩贯入和高铁运营振动双工况耦合试验

按照实施例三所述的具体方法，首先将高铁桥梁模型104埋设至预定位置，并完成模型试验箱101的土样材料填筑工作，初步确定并划分拟施工隔离桩基103的试验区域；根据施工设计图，在所划分的试验区域标记各排桩施工桩位，并控制伺服作动器301移动至首根拟施工隔离桩基103位置等待后续施工使用；其次，按照实施例三所述的具体步骤，将加载分配梁304固定于桥面1044的轨道扣件加载触点1045，使用II号横梁2042的伺服作动器301施加振动荷载，并保持荷载持续加载的状态，即保持高铁列车运营振动工况；再按照实施例一所述的步骤，通过对I号横梁2041的伺服作动器301进行加压，在拟施工隔离桩基103施工区域的预定桩位开始排桩的贯入施工，实现排桩贯入和高铁运营振动双工况耦合试验。

实施例五：堆载施工和高铁运营振动双工况耦合试验

按照实施例三所述的方法，首先将高铁桥梁模型104埋设至预定位置，完成模型试验箱101的土样材料填筑工作，并在土样材料表面划分并标记拟堆载土体材料102的堆载范围；其次，按照实施例三所述的具体步骤，将加载分配梁304固定于轨道扣件加载触点1045，使用II号横梁2042连接的伺服作动器301加载振动荷载，保持荷载持续施加状态，即保持高铁运营振动的工况；随后，将拟堆载土体材料102逐级堆放至目标范围内，开始分级堆载施工，实现堆载施工和高铁运营振动双工况耦合试验。

实施例六：排桩贯入和堆载施工双工况耦合试验

首先在模型试验箱101填筑土样材料至预定高度，并在土样材料表面划分并标记拟堆载土体材料102的堆载范围以及拟施工隔离桩基103的试验区域和各排桩施工桩位；控制I号横梁2041连接的伺服作动器301移动至首根拟施工隔离桩基103位置等待后续施工使用；由于两种工况均需要人工持续操作，所以在此双工况试验过程中，在完成上述准备工作，需要两组试验人员的配合分别按在实施例一和实施例二所述的具体步骤同步进行施工，已实现排桩贯入和堆载施工双工况耦合试验。

实施例七：排桩贯入、堆载施工和高铁运营振动三工况耦合试验

按照实施例三所述的方法，首先将高铁桥梁模型104埋设至预定位置，并完成模型试验箱101的土样材料填筑工作；在土样材料表面划分并标记拟堆载土体材料102的堆载范围以及拟施工隔离桩基103的试验区域和各排桩施工桩位；控制I号横梁2041连接的伺服作动器301移动至首根拟施工隔离桩基103位置等待后续施工使用；其次，按照实施例三所述的具体步骤，将加载分配梁304固定于轨道扣件加载触点1045，使用II号横梁2042的伺服作动器301施加振动荷载，并保持荷载持续加载的状态，即保持高铁列车运营振动工况；随后，通过两组试验人员的配合分别按在实施例一和实施例二所述的具体步骤同步进行排桩贯入和堆载施工两种工况的施工，总体实现排桩贯入、堆载施工和高铁运营振动三工况耦合试验。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。