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產品介紹
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鐵道工程
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監測記錄信號強度,通過火車的最佳聲音和... |
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| 用戶要求:
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| 用戶需要對火車進行無線測量。確定信號轉發塔最佳的位置,來獲得可靠的無線通訊信號 |
| 設備: |
DT800
DeLogger?
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| 傳感器: |
GPS(Garmin eTREX Summit Global
Positioning System)
信號強度儀表
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| dataTaker解決方案: |
| 用戶在火車適當位置安裝UHF(超高頻)和中波段傳送器,用天線來進行無線控制。
DT800監測和記錄從無線電頻率(RF)死區點來的信號強度,同時也記錄從GPS傳來的位置信號。GPS單元傳輸位置信號經由DT800串行口進行接收。從DT800下載數據重複地域的地圖以顯示傳輸數據較弱的位置,信號中轉塔的最佳位置數據可決定無線電波數據通訊的可靠程度。
在遭遇惡劣天氣情況下,工程需要提高火車通訊的可靠性。如部分鐵軌被水沖走了,起重機需要把火車搬運到曾經有橋的溝壑另一邊,此工程才能成功完成。
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監測地鐵隧道的運動情況 |
| 用戶要求:
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| 挖掘一個新的地鐵隧道時監控地面運動,需提供實時及歷史的運動過載數據,並及時發佈報警。
通過已有的電話網絡系統,在隧道裡面進行個性化的報警並將數據傳輸到地面。
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| 設備: |
.dataTaker515連接在局域網中
.電話線與調製解調器連接
.發佈報警,傳輸到頁面
.振弦式應變計
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| dataTaker解決方案: |
| 許多DT515記錄儀安裝在隧道沿線,用嵌入dataTaker儀器網絡功能的特性把這些儀器連接在一起.同時在隧道的四周牆壁和頂部裝上一系列的振弦式應變計,每個dataTaker記錄儀可採集監控並記錄由這些應變計產生的地面運動情況數據。
地面上的計算機和地面下的dataTaker網絡系統通過dataTaker的調製解調器進行管理連接。儀器的實時數據,存儲在儀器內存的數據和報警狀態數據可通過這個連接進行傳輸。
調製解調器也直接將報警狀態數據傳輸到地面上和隧道中,工作人員可在數字顯示頁面上看到。
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實時監控210個應變計 |
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| 用戶要求:
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| 為了驗證一列新火車的數學建模,製造商單獨詢問工程師來證實結構的設計,對結構載荷進行試驗,確保設計符合標準要求。
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| 設備: |
7個DT800
1個網絡開關
一台計算機(Windows 2000系統)
14個應變計橋路補償單元
DeLogger? 4 Pro軟件
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| 傳感器: |
210個應變計
5個電阻式位移傳感器
1個負載單元
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| dataTaker解決方案: |
| 檢查了有限的要素分析模型之後,工程師選擇最佳的位置應用210個壓力應變計和5個電阻轉換傳感器以及一個負載單元。
Datataker提供DT800及相關DeLogger4
Pro的編程協議,為工程師提供站點培訓。7台DT800配置成TCP/IP網絡連接,連到本地的網絡與計算機一起運行。使用TCP/IP能夠自動地糾錯,確保數據完整及當通道增加時,擴大DT800的數目比例。
建築物是不流動的重量載入預先規定的載荷標準,用壓力應變計反應記錄。在測試過程中,可查看實時數據,用DeLogger?
4 Pro軟件數據庫存儲數據。從數據庫恢復數據到Microsoft Excel數據表用於分析。這就大大的簡化了數據的歸檔、處理和分析,提供了必要的信息來驗證設計和試驗結構負載,從而確保了設計符合了標準。
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青藏鐵路通風路堤室內模型試驗... |
| 青藏鐵路通風路堤室內模型試驗研究
牛富俊, 程國棟, 賴遠明
(中國科學院寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室 , 甘肅 蘭州 730000)
[摘要] 正在建設中的青藏鐵路即將穿越 550 km 的多年凍土區 , 凍土問題是青藏鐵路面臨的首要工程問題。出於鐵路建設中保護凍土的原則
,對通風路堤這一新的、主動保護凍土的路堤結構形式進行了幾何相似比為 1︰4 的大型室內試驗 ,試驗所得的路堤土體溫度場分佈及土體溫度的變化結果表明
,通風
路堤能夠有效地降低路堤土體的溫度 ,從而達到保護天然地基凍土的目的。但是 ,溫度場的分佈在通風路堤內並不對稱
,及沿路堤中軸線的兩側左右不對稱 ,這樣可能會影響到下伏凍土溫度的差異 , 從而引起不均勻凍脹、沉降變形。另一方面
,暖季較高的氣溫條件下 ,通風管兩端的進出口需要堵塞或關閉 ,以免造成土體吸熱量較多而引起較大的沉降 ,但由於青藏高原很短的融化期
,這一影響還有待現場試驗工程的驗證。
[關鍵詞] 鐵路;通風路堤;青藏高原
[中圖分類號] U456 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007 - 9955(2002)
03 - 0001 - 06
[作者簡介] 牛富俊(1970 - ) ,男 ,博士後 ,現從事青藏鐵路路基工程及凍土區斜坡穩定性方面的研究工作
青藏鐵路格爾木 —拉薩段將穿越的連續多年凍土區達 550 k m ,在此範圍內 , 影響路基穩定性的最大問題是凍土問題。由於全球氣候變暖和鐵路工程對凍土的雙重影響
, 使得路基的設計和施工面臨著很大的難度。多年凍土天然熱狀況和地下冰是影響路基穩定性的最為重要的因素 ,選用何種路基結構,以保護凍土不致退化是工程設計的主導原則[1
,2 ]。
青藏高原年平均氣溫 - 4. 0∼6. 9 ℃, 凍土、地下冰發育 ,在這樣的地區建築鐵路屬世界首次。面對氣候變暖和工程作用下的凍土退化[3
], 為保證路基的穩定性 ,路基工程結構的選取、設計是十分重要的。
就目前青藏高原的氣候環境和工程地質條件而言 ,最具危害性的問題應是凍土退化、路基融沉問題。實際上 ,已發生的大多數凍土區鐵路病害是由於凍退化(無論全球氣候變暖或工程作用影響)
所引起。例如 ,俄羅斯貝加爾湖至阿穆爾河 (黑龍江) 鐵路路基變形中 ,約 70 %是由於凍土退化所引起.
目前 ,出於保護凍土的原則 ,鐵路建設中設計和科研人員提出並採用的方法包括拋片石 (碎石) 護坡、埋設保溫材料、加寬、加高路堤及通風路堤等
,在這些方法中 ,通風路堤是一種主動的方法。採用主動保護凍土的設計思路進行鐵路路基建設 , 在工程完工後的維護階段
,可以有效地降低維護費用 ,從而
提高鐵路的運營效益; 而被動方法的出發點在於克服或延緩由於凍土退化造成的路基破壞 , 在長期的凍土退化背景下
, 路基仍然可能會出現一系列的問題 ,並需要不斷地投入維護費用[5 ]。通風基礎曾被廣泛地應用於車庫、倉、儲油罐及房屋等建築物[6
], 其原理是通過低溫空氣在通風空間中的運移 ,將周邊建築物及土體中的熱量帶走 ,從而達到保護原天然凍土或使其上限略有上升的目的。工程建設和研究資料介紹的通風基礎包括兩種類型
:其一是將兩端開口的直管平行鋪設於基礎土體中[7 ],其二是基於「煙囪效應」而將通風管兩端延長不同的豎向段[8
], 在室內試驗研究中 , 考慮到高原大風天氣為主的特點 ,採用了第一種鋪設方法 ,即通風管平行埋設於主導風向的方向上。
通風基礎的應用在國內凍土地區已經十分普遍 ,對其研究已有較多的資 ,在青藏高原地區也曾進行過試驗研究,
但通風路堤的研究目前卻十分少見, 這也是與高原凍土地區落後的基礎工程狀況有關。目前,對高原公路研究涉及到路基和隧道[9∼11
],但高原凍土區鐵路路基研究相對十分薄弱,隨著青藏鐵路的建設,對於鐵路面臨的凍土問題,設計和科研人員都試圖採取一些新的工程措施,但在沒有先例的情況下,其工程效果如何將是一關鍵性問題。針對這種狀況,在現場試驗路段施工之前,筆者開展了通風路堤大型室內模型試驗研究,並主要針對路堤土體內的溫度發展和分佈狀況開展工作。
1 試驗模型裝置
針對通風路堤試驗新建的模型試驗裝置由五部分組成 , 包括 :模型試驗箱、冷凍系統、通風系統、試驗土體和監測系統。
模型試驗箱即試驗土體載體 ,為一內尺寸為8. 0m ×2. 7 m ×1. 84 m 的保溫箱體 ,
箱體採用 10 cm冷庫保溫庫板。為增加箱體在碾壓土體時的承受豎
向和側向壓力 ,箱體外圍用槽鋼進行了加固;冷凍系統由 7. 5 kW 的 S A N YO 雙頭壓縮機組、電腦溫控箱、冷卻液管及加熱器組成
,冷卻液經過壓縮機製冷後經由管道直接傳送到箱體中的蒸發器 , 以降低箱體中的空氣溫度。控溫過程在設定後可由電腦溫控箱自動完成。該系統控溫範圍為
( - 30∼40) ±℃。試驗中降溫期的箱體內空氣溫度為 - 5∼ - 7℃,升溫期為 18∼20 ℃,
鑒於此次試驗的目的在於考察通風路堤土體內溫度分佈及發展狀況 , 尤其是路堤土體下邊界的溫度狀況 , 已完成的試驗中對於氣溫的波動情況暫時沒有考慮。
通風系統由冷卻風扇、加速風機、阻流隔斷、風向調節柵和回流風道組 ,通過組合這些構件 ,箱體內風速可任意調節。試驗中風速為
3 m/ s , 風向平
行於箱體長度方向 ,且與通風管的布設方向一致。
由於實體工程還未建設 , 試驗土體採用了蘭州黃土 ,其物理參數列於表 1 中。試驗中設計了兩種不同的模型構造
, 其一為鋪設了單一通風管的通風
路堤 ,其二為作為對比的無任何附加材料的鐵路路堤。每種試驗路堤模型為 1. 5 m 高 , 頂寬 2.
2 m 、底寬 5. 8 m 、長為 1. 84 m 的土體和 0. 5 m 厚的道碴組合體 ,其規模接近於實體工程的
1/ 4 。
表 1 試驗土體的物理參數
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試驗中 ,箱體內部氣溫、模型土體溫度、土體變形及風速都由自動監測系統完成
, 該系統由各項監測探頭(包括熱敏電阻溫度傳感器、位移傳感器和風
杯) 、 DATATAKER 500 100數據採集儀和計算機組成
,數據採集頻率為 20 mi n 採集一次。
2
試驗結果及對比分析
2.
1 模型試驗 No. 1( 無通風管路堤模型)
試驗 1 中 ,模型路堤由上述規格的土體和道碴組成
, 土體在裝樣時進行了分層碾壓 ,試驗前取樣進行的干密度和含水量測定 ,其值分別為 : 干密度
1. 50 g/ cm3,含水量 12. 90 %。土體模型及各探頭埋設完畢後 ,試驗前在模型箱內常溫恆溫
48 h ,然後在- 5∼ - 7 ℃下凍結 20 d ,凍結期後在氣溫為 18∼20℃條件下融化 10
d 。試驗中設置了兩個監測斷面 ,其一為模型路堤中心線所在縱向斷面 (A) ,其二為距中心斷面即 A 斷面
0. 5 m 處縱向斷面) 。
2. 2 模型試驗 No. 2( 通風管路堤模型)
試驗 No. 2 與試驗 No. 1 在模型尺寸上相同
,不同之處在於土體中 0. 5 m 高度處埋設了一根長4. 80m 、內徑 0. 28 m 的通風鋼管。此次試驗土樣裝置完畢後取樣所測的干密度為
1. 46 g/ cm3,含水量為13. 58 %。為對比兩試驗在相同斷面位置溫度發展和分佈的差異 ,監測斷面的布設同於試驗No.1
。試驗中凍結期與融化期與前者相同。此外 ,試驗中在土體表面的不同位置布設了位移傳感器 ,但所測結果表明在如此的試驗條件下
,尤其是無地下水補給的情況下 ,土體的凍脹和融沉量很小 ,最大值僅 3mm ,故試驗結果分析中未做考慮。兩次試驗都在土體表面設置了風速儀
,以動態監測風速的變化。
2.
3 試驗結果對比分析
2.
3. 1 溫度變化過程
試驗中共布設了 60 個溫度探頭 ,在考察溫度變化過程時選取了土體中B
斷面的 4 個代表點進行分析 ,點位如圖 1 所示。圖 2 中 ,點 P1 和 P2 指示路堤土體對於原天然地面的影響
,點 P3 指示土體中心部位處溫度的變化過 ,P4位土體表面 ,指示土體表面溫度的變化。這 4 個點在兩次試驗中不同時間的溫度值列於表
2 中 ,其與時間的關係曲線如圖2 ,圖 2a 為試驗 No. 1 的土溫變化過程 ,圖 2b 為試驗No.
2 的土溫變化過程。


表 2 和圖 2 表明 ,在 P1 和 P2 點 ,經過
5 d 凍結後 ,試驗 No. 1 溫度分別由 12. 44 ℃和 12. 11 ℃變化為 12. 36
℃和 12. 31 ℃,而在試驗No. 2 中 ,此兩點的溫度則分別由 15. 48 ℃和 15. 56
℃降到了10. 62 ℃和11. 29 ℃,由對比可以看出 ,兩個試驗中模型路堤底部的溫度變幅達 3 ℃;另一個變化趨勢為
,兩個試驗中 P1 和 P2 點的溫度變化幅度差值 ,在凍結的初期前 10 d) 內是逐漸增加的 , P1
、P2 點分別為 3. 13 ℃和 2. 54 ℃,但隨著時間的推移逐漸減小 ,20 d 後分別為 2.
41 ℃和 2. 07 ℃,這一現象表明 ,雖然兩種路堤結構形式在持續冷凍條件下其底部溫度的發展最終是趨同的
,但發展的速度不同 ,這點對於保護原天然凍土是十分有意義的。
在 P3 點 ,兩個試驗中的溫度差異更為顯著 ,經過 5 d 凍結後 ,溫度試驗 No. 2 中的土溫要比試驗No.
1 中的低 3. 88 ℃,10 d 後達 4. 03 ℃。 P1 點、P2 點相同的是 ,10 d 以後兩試驗中的溫度差異逐漸減小
,至凍結期(20 d) 結束時 ,溫差為 2. 68 ℃。兩試驗中 P1、P2 、P3 點的溫度發展差異表明
,在凍結期通風管路堤能夠快速有效地降低路堤土體的溫度 ,從而達到保護下伏天然凍土的目的。
在 P4 點 ,兩試驗中土體表面溫度的初始差為 2℃,但在凍結開始後 ,兩溫度迅速趨於相同 ,20
d 試驗凍結期結束時僅為 0. 11 ℃,表明土體表面溫度是
受空氣溫度影響的 ,與通風管的有無無關 ,即與路堤結構形式無關。
綜觀上述 4 點在兩個試驗中的溫度變化差異 ,表明了通風管可以在很大程度上有效降低路堤土體內部的溫度
,將這一結論結合青藏高原長凍結期 (9) 、多大風的天氣(最大風速達 45 m/ s) ,在有效耗散路堤土體內儲熱的情況下
,通風路堤能夠起到保護原天然凍土或進一步發展凍土的目的 ,其工程意義是明顯的。實際上 , 已有針對青藏公路高達60
%的凍土區路段遭受沉降破壞的研究結果指出[11 ],路基面每年的淨輻射量中 ,75 %∼77 %的熱量為劇烈熱交換(空氣對流換熱)
所佔據 ,為增加此部分的作用 ,建議在將來的路基重建或修復中 ,採用通風路堤新結構是一可行的工程方案。
在融化期 ,10 d 後兩試驗中 4 點的溫度基本相同(表面溫度有較大差異 ,但表面溫度的升溫幅度基本一致)
。這一現象表明如果要良好地保持通風路堤的工程效果 ,在實際工程應用用中 ,融化季節最好能將通風管兩端口堵塞或關閉
,以減少可能的較大量融沉的產生 ,但這種可能性還需現場試驗工程的驗證 ,因高原多年凍土地區的融化期僅 4
個 ,與 9 個月的凍結期相比 ,其時間段要短得多。
2. 3. 2 監測斷面溫度分佈特徵
試驗 No. 1 中 A 、B 兩斷面的性質和溫度分佈形式類似 ,因此 ,這裡只取其中一個 B 斷面進行與試驗
No. 2 的兩個斷面進行對比分析。
圖 3 為兩個模型土體的初始溫度場的分佈。從中可以看出 , 儘管土體中的溫度分佈不均勻 (12∼17
℃) , 但是其基本分佈特徵相似 , 可以將兩個試
驗的初始溫度條件試驗看作是相近的 , 需要指出的是 , 試驗 No. 1 土體底部的溫度為 12. 11∼12.
44 ℃(以 P1、P2 點為準 , 以下同) , 而試驗 No. 2 土體底部溫度比較高 , 為 5.
48∼15. 56 ℃。由於注重土體底部溫度的變化 , 並將依此分析路堤土體對於原天然凍土的影 響 ,
故此部位的溫度狀況是比較重要的。
圖 4 顯示的是凍結 10 d 後兩模型土體兩斷面的溫度分佈狀況 ,圖 4a 表明試驗 No. 1
斷面 B 由正溫發展出深度為 0. 63 m 的 0 ℃線 , 而相同位置的斷面在相同時間條件下 ,試驗
No. 2 的 0 ℃線則深達 0. 76 m(圖 4b) ;在試驗 No. 2 的 A 斷面 ,通風管上部土體及管下近
2/ 3 的土體已處於負溫狀態 (圖4c) 。凍結 10 d 後試驗 No. 1 土體底部的溫度降至9.
60∼9. 70 ℃,而試驗 No. 2 相同部位土溫則降至6. 47∼7. 16 ℃, 二者的差異是顯而易見的
,即對於原天然凍土的影響將是不同的。此外 ,圖 4 也顯示出在路堤兩側溫度分佈呈不對稱狀 , 尤其是在圖4b、c
中顯示的尤為明顯 ,這種不對稱性是由風向和通風管內風向和通風管沿長度方向溫度不同所引起。路堤兩側溫度分佈不對稱性可引起路堤土體的變形不對稱及下伏凍土上限的差異
,可能會導致路
堤面的傾斜 ,這一不良影響在實際工程中應當加以考慮。
圖 5 顯示了兩試驗土體在凍結結束時(20 d) 各斷面溫度分佈狀況。試驗 No. 1 的 A 斷面中
,土體中 0 ℃線深度下移至 0. 76 m 深度處 (圖 5a) ,而試驗 No. 2 相同部位的 0
℃線則深至 0. 92 m (圖 5b) 。
此間 ,試驗 No. 1 土體底部溫度為 6. 12∼6. 27 ℃,而試驗 No. 2 的土體底部溫度為
3. 71∼4. 23 ℃,二者之差超過 2 ℃。兩模型土體溫度的差異在圖 5c中顯示得更為明顯 ,試驗
No. 2 中土體在 A 斷面上已基本凍結。圖 5 顯示的不利之處在於 ,隨著時間的推移 ,雖然通風管在有效降低土體溫度方面具有十分積極的作用
,但由於通風管引起的路堤土體兩側溫度的分佈不對稱性更為顯著 ,這種不對稱性如果聯繫到工程實體 ,在常年主導風向情況下
,若通風管出風口位於陽坡 ,將更加劇溫度不對稱導致的路堤面傾斜。目前 ,青藏鐵路北麓河試驗段的通風路堤研究初步結果表明
,路基兩側通風管下的土溫已
經表現出不對稱性。
圖 6 為兩試驗土體在 10 d 的融化期後的溫度分佈狀況。在 B 斷面 (圖 6a 、b) ,試驗
No. 2 土體的整體溫度低於試驗 No. 1 土體的溫度 ,這是由兩試驗在融化期初始溫度場較大的差異導致的。但在試驗
No. 2 的 A 斷面 ,整體溫度要比兩試驗中的 B 斷面溫度高 (圖 6c) ,這一結果表明在融化期
,通風管兩端口最好能夠封閉 ,或在端口處設計其他有效結構形式 ,以減小其負面影響。

3 試驗小結
綜合本次試驗結果 ,在單一通風管作用下 ,20 d的凍結期後試驗土體基本上全部處於凍結狀態 ,而未加通風管的路堤模型土體凍結深度僅達
0. 5 m ,
即通風管對於降低土體溫度 ,防止其下凍土的融化具有十分積極的作用 ,通風路堤是一種可行的適用於凍土地區的路堤新結構形式。通風路堤也存在著
不利的一面 ,即在路堤陰、陽坡向造成的溫度在橫斷面上分佈不對稱狀基礎上 ,風向的影響將加劇其不對稱差異。但是考慮到青藏高原每年長達
8 個月(9
∼4 月)的凍結期 ,且通風管能夠較快地降低土體溫度而使路堤土體達到全凍結狀態 ,甚至可以使得原凍土上限抬高
,從而降低或消除由於溫度不對稱分佈造成的路基差異沉降。
基於本次試驗所得到的通風路堤正面和負面工程效應 ,在青藏鐵路北麓河試驗段 400 m 的通風路堤現場試驗研究中
,設計時已充分考慮了對路基不
同部位、深度處溫度、凍脹和沉降變形監測。
4 結論
(1) 模型試驗對比研究表明 ,通風路堤是一種可行的適用於凍土地區的路堤新結構形式。
(2) 模型試驗土體中溫度分佈和發展過程表明 ,經過 20 d 的凍結 , 通風路堤底部溫度降低了11.
33∼11. 77 ℃,而未加通風管的常規路堤僅降低了 5. 84∼6. 32 ℃,即通風管結構路堤有助於保護路堤下天然凍土的熱穩定性或可以進一步發展凍土。
(3) 通風路堤在單一風向的影響下 ,在通風管軸向方向上的溫度分佈不對稱要比常規路堤中的情況嚴重 ,這種溫度分佈會導致路堤變形的不對稱
,即
路堤面的傾斜 ,但實體工程的情況需要進一步結合具體條件加以驗證。
(4) 融化期通風管的負面影響已經有所表現 ,根據初步的研究結果 ,為防止較大融沉的產生 ,融化期通風管兩端口需要堵塞或關閉
,或在端口處設計
其他結構形式。
註:本網頁引用文獻主要注重其試驗方法、DATATAKER產品及相關儀器的應用情況以及課題研究成果的展現,文中所示數據、公式、或插圖由於受篇幅所限,這裡僅供參考。詳細資料可與作者本人或本公司聯繫。
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