[发明专利]一种邻近高铁桥梁的隔离桩基及堆载施工模型试验系统

权利要求书

1.一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(1)、反力框架(2)、加载系统(3)，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试验；

所述的模型试验箱系统(1)由模型试验箱(101)、拟堆载土体材料(102)、拟施工隔离桩基(103)和高铁桥梁模型(104)组成；所述的模型试验箱(101)包括若干根立柱(1011)、底部框架(1012)、顶部圈梁(1013)、若干组X型筋肋(1014)、若干块侧板(1015)及底板(1016)；所述的若干根立柱(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；所述的若干块侧板(1015)采用刚度较大的材料制成，密封安装于模型试验箱(101)侧面；所述的若干组X型筋肋(1014)为刚性结构，设置在若干块侧板(1015)外侧并与若干根立柱(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；所述的底板(1016)采用刚度较大的材料制成，密封安装于模型试验箱(101)底面；模型试验箱(101)内可填筑土样材料用于后期试验；所述的拟堆载土体材料(102)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(103)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个桥梁桩基(1041)、若干个承台(1042)、若干个桥墩(1043)、桥面(1044)、若干个轨道扣件加载触点(1045)，用于精细化模拟实际高铁构造；所述的桥梁桩基(1041)、承台(1042)、桥墩(1043)、桥面(1044)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(1041)预埋于土样材料中，向上依次刚性连接承台(1042)和桥墩(1043)，最后再向上搭接桥面(1044)；所述的轨道扣件加载触点(1045)为短柱状刚性结构，设置在桥面(1044)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(1044)；

所述的反力框架(2)包括框架底座(201)、若干根立架(202)、若干根纵梁(203)、若干根横梁(204)、若干个传动块(205)、若干个连接肋(206)、若干根斜撑(207)、若干个X轴向导轨(208)、若干个Y轴向导轨(209)、若干个Z轴向导轨(210)；所述的框架底座(201)、若干根立架(202)、若干根纵梁(203)、若干根横梁(204)采用“工”字型截面刚性材料；所述的若干个连接肋(206)、若干根斜撑(207)设置在框架底座(201)与若干根立架(202)之间，并通过若干个连接板(2071)和若干颗螺栓(2072)固定连接，用于提高框架底座(201)与若干根立架(202)组成结构整体强度；所述的若干个Z轴向导轨(210)设置在若干根立架(202)侧面，并与若干根纵梁(203)滑动连接，可实现纵梁(203)沿立架(202)轴线方向移动；所述的若干个Y轴向导轨(209)设置在若干根纵梁(203)顶部，并与若干根横梁(204)滑动连接，可实现横梁(204)沿纵梁(203)轴线方向移动；所述的若干个X轴向导轨(208)位于若干根横梁(204)底部，并与若干个传动块(205)滑动连接，可实现若干个传动块(205)沿横梁(204)轴线方向移动；通过若干个X轴向导轨(208)、若干个Y轴向导轨(209)及若干个Z轴向导轨(210)，可实现若干个传动块(205)沿着X、Y、Z三轴自由移动；

所述的加载系统(3)包括若干台伺服作动器(301)、若干个伺服作动器底座(302)、若干个加载分配梁(304)及若干颗固定螺栓(303)，用于对拟施工隔离桩基(103)施加贯入荷载或对高铁桥面模型系统施加振动荷载；所述的若干台伺服作动器(301)中，每一台伺服作动器(301)配有一个伺服作动器底座(302)和一个加载分配梁(304)，伺服作动器(301)与伺服作动器底座(302)之间采用铰接，伺服作动器(301)与加载分配梁(304)之间采用固定连接；所述的若干个伺服作动器底座(302)与反力框架(2)的若干个传动块底板(1051)之间通过若干颗固定螺栓(303)连接；所述的若干个加载分配梁(304)为刚性梁结构，用于向拟施工隔离桩基(103)施加均匀贯入荷载，或向轨道扣件加载触点(1045)施加均匀振动荷载；

基于上述系统，实现工作方式：

实施一：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；或

实施二：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；或

实施三：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；或

实施四：排桩贯入和高铁运营振动双工况耦合试验

按照实施三所述方法，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；或

实施五：堆载施工和高铁运营振动双工况耦合试验

按照实施三所述方法，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；或

实施六：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，在完成标记堆载范围、伺服作动器（301）移动至首根拟施工隔离桩基（103）位置两个准备工作后，需要两组试验人员的配合分别按在实施一和实施二所述的具体步骤同步进行施工，以实现排桩贯入和堆载施工双工况耦合试验；或

实施七：排桩贯入、堆载施工和高铁运营振动三工况耦合试验

按照实施三所述方法，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一和实施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。