一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置的制作方法

本发明涉及一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置。

背景技术：

我国既有铁路隧道经过一段时间的运营之后，部分隧道出现了底部结构破损，翻浆冒泥等现象，严重影响了隧道的运营安全。隧道底部结构的耐久性和稳定性对铁路隧道(特别是高速铁路和重载铁路隧道)的长期运营安全意义重大。因此有必要对列车循环荷载作用下隧道底部结构的累积损伤及长期动力特性进行深入的试验研究。

目前国内外对循环荷载下试件累积损伤的试验方法主要有单轴拉伸试验，单轴压缩试验，纯弯条件下的试验等，采用这些试验方法试件所处的受力状态和边界条件和隧道底部结构实际受力状态差别明显，无法反映列车荷载下隧道底部结构的长期动力特性。

近年来，真三轴试验机开始应用于结构累积损伤和动力性能的试验中，该试验机具有一个轴向应力σ₁施加系统，两个水平方向的应力σ₂和σ₃的侧向应力施加系统，分别由独立的液压系统进行控制，可以实现三向不等压加载的功能。然而该试验系统在某个单一方向上只能实现均匀加载，对于隧道底部结构而言，当底部出现围岩局部软化或者出现空洞时，隧底结构的底面显而易见处于一种非均匀受力状态，现有的真三轴试验系统无法模拟隧道底部结构这种实际的受力状态。而且该试验系统通过加载系统给试件施加一定的围压，但所加围压的大小和试件周边实际的围岩条件之间无法建立一一对应的关系。

总体来说，目前国内外既有的循环荷载作用下试件累积损伤的试验方法以动三轴试验为主，该方法能提供三向的不均匀围压，但无法建立隧道围岩等级和所加围压大小的一一对应关系，也无法对试件底部单一方向上施加不均匀约束压力，更无法定量化的考虑隧道底部这种局部不均匀的影响，所得试验结果难以真实反映列车荷载下隧道底部结构的累积损伤特性。

因此，研制一种新型的能定量化的施加单向不均匀约束压力的循环荷载下累积损伤的试验方法和装置已为急需。

技术实现要素：

为了解决目前列车荷载下隧道底部结构的累积损伤特性无法在试验中得到真实反映的技术问题，本发明提供一种能够在单一方向上也能定量化的施加不均匀约束压力的循环荷载下累积损伤的试验装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，包括试验箱体，侧向加载组件，顶部加载系统、底部约束组件以及测试系统，所述的试验箱体上端开口且内设有试验试件，所述的侧向加载组件环绕试验试件的侧壁设置并对试验试件施加压力，所述的顶部加载系统设置于试验试件的顶部并对试验试件施加向下的压力，所述的底部约束组件设置于试验时间的底部并为试验试件提供支撑，所述的测试系统设置于试验箱体上以监测试验试件。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的侧向加载组件包括多个相同的侧向子组件，试验试件的四面侧壁上每面至少设置一个侧向子组件，所述的侧向子组件包括一个千斤顶，所述的千斤顶两端分别抵紧在试验箱体的内壁和试验试件的侧壁上。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的侧向子组件还包括一块用于分散压力的侧向垫板，所述的侧向垫板设置于千斤顶与试验试件的侧壁之间，所述的千斤顶为数显式液压千斤顶。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的顶部加载系统包括反力部件、加载头和支撑件，所述的反力部件固定于试验箱体上方，加载头设置于反力部件与试验试件的顶部之间，支撑件固定于试验箱体的底部并支撑起整个试验箱体。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的反力部件包括反力杆和反力板，所述的反力板通过设置于试验箱体外的反力杆固定于试验箱体的上方并连接加载头。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的底部约束组件包括多个平行设置的弹簧，所述的弹簧设置于试验试件与试验箱体的底面之间。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的底部约束组件还包括上约束垫板和下约束垫板，所述的上约束垫板设置于弹簧顶部和试验试件之间，所述的下约束垫板设置于弹簧底部和试验箱体之间。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的弹簧刚度系数与围岩抗力系数的换算关系为：

C＝K·S

其中C为弹簧的刚度系数，K为围岩的抗力系数，S为单根弹簧的作用面积。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的弹簧的刚度系数为相同或不同，弹簧分布为均匀分布或间隙留空分布。

所述的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验装置，所述的测试系统包括应变感应片和陶瓷压电片，所述的应变感应片和陶瓷压电片分别设置于试验试件外壁上。

本发明的技术效果在于，本发明不仅能在试件底部方向上也能够施加不均匀约束压力，还能定量化的确定这种不均匀约束压力，从而能够更为准确的模拟隧道底部在不同接触状态下的累积损伤特性，特别是解决了现有试验方法和装置不能对隧道基底有破损条件下的累积损伤进行试验的问题。同时本发明采用不同刚度系数的弹簧对隧道基底不同的围岩条件进行模拟，通过弹簧刚度系数和围岩抗力系数的换算，实现了试件底部弹簧与围岩条件的定量化对应关系，解决了现有试验方法在试验中约束压力大小和围岩条件不对应的难题。综上所述，本发明提供的一种循环荷载下隧道底部结构累积损伤的试验方法与装置，可更为准确的对隧道底部结构的累积损伤特性进行试验模拟，从而为隧道底部结构的设计计算提供依据。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明装置的总体设计图；

图2为本发明装置底部弹簧设置图；

图3为本发明装置的细部构造图；

图4为本发明装置的剖面图；

图5为本发明试验方法和装置的俯视图；

其中，1为试验箱体，2为试验试件，3为顶部加载系统，4为加载头，5为千斤顶，6为侧向垫板，7为弹簧；8为约束垫板，9为应变计，10为陶瓷压电片。

具体实施方式

本发明通过对隧道底部结构所处受力状态进行深入分析，确定采用底部弹簧来模拟隧道底部围岩对底部结构的约束作用，通过一组密布的相同刚度的弹簧来模拟隧道底部的均匀围压状态；针对实际施工中隧道底部可能存在局部脱空、软化、施工缺陷等实际情况，试验中可通过减少试件底部弹簧的个数或调整弹簧的布置位置来定量化的模拟底部围岩的脱空状态，通过减小部分弹簧的刚度来模拟隧道底部围岩的局部损伤和软化现象；通过不同刚度和个数的弹簧组合即可实现试件底部不均匀约束压力的定量化施加问题，达到对隧道底部结构实际受力状态的准确模拟。

在隧道荷载—结构模式的分析计算中，采用弹性抗力系数来体现隧道承载过程中围岩对隧道结构的约束作用，而弹性抗力系数和弹簧的刚度系数之间存在换算关系。因此本发明提供的试验方法，通过改变底部弹簧自身的刚度系数来模拟不同级别围岩的影响，根据既有隧道设计规范确定的不同级别围岩的抗力系数，即可确定弹簧的刚度系数，实现试验条件与实际围岩条件的定量化对应。弹簧刚度系数与围岩抗力系数的换算关系如下：

C＝K·S

其中C为弹簧的刚度系数，K为围岩的抗力系数，S为单根弹簧的作用面积。

试件前后左右的约束压力通过数显式液压千斤顶进行精确控制，以模拟隧道底部结构前后左右所处的实际受力状态。上部循环荷载的施加则通过MTS系统进行精确控制，以模拟列车运营荷载对隧道底部结构的长期作用。通过MTS加载系统，液压千斤顶及弹簧，实现试件三向不均匀约束的施加，从而准确模拟隧道底部结构在长期列车荷载作用下的累积损伤特性。

试验过程中通过动态应变测试系统以及陶瓷压电测试系统两套测试系统，对循环荷载下试件的累积损伤特性进行测试，两套测试系统的测试结果可相互对比验证，从而更好的保证测试结果的可靠性。

参见图1，首先采用钢板制作一个长方体的试验箱，其长、宽、高可根据试件的大小进行调整，试验箱钢板厚度为10mm以上，以保证试验箱具有足够的刚度。试验箱底部密布弹簧以模拟隧道底部的围岩条件，弹簧顶部为对应于该弹簧作用面积的钢板，试验试件置于弹簧顶部的钢板上，采用一组相同刚度系数的弹簧模拟均匀围压状态，不同刚度系数的弹簧模拟非均匀围压状态，采用减少部分弹簧来模拟隧道底部结构的脱空状态。试验箱的前后左右布置了数显式液压千斤顶，通过千斤顶和可以给试件的前后左右施加足够的约束压力，以模拟隧道底部结构前后左右所处的实际受力状态。试验箱上部为开口，将整个试验箱置于MTS液压加载系统上，通过MTS的加载作动头，即可对试件施加循环荷载，以模拟列车运营荷载对隧道底部结构的长期作用，列车的运营轴重、速度等的影响可通过调整MTS加载系统的作用力大小和频率来实现。试验前在试件的测试位置布置好相应的应变片及陶瓷压电片，通过动态应变测试系统以及陶瓷压电测试系统，即可对循环荷载下试件的累积损伤特性进行测试。

具体实施时，包括以下步骤：

(1)参见图1-5，首先采用钢板制作一个上部开口的长方体试验箱1，其长、宽、高根据试件的大小确定，试验箱钢板厚度为10mm以上，以保证试验箱具有足够的刚度。

(2)试验箱底部密布弹簧7以模拟隧道底部的围岩条件，弹簧顶、底部为对应于该弹簧作用面积的钢板8，试验试件2置于弹簧顶部的钢板上，采用一组相同刚度系数的弹簧模拟均匀约束状态，不同刚度系数的弹簧模拟非均匀约束状态，采用减少部分弹簧来模拟隧道底部结构的脱空状态。

(3)试验箱的前后左右布置了数显式液压千斤顶5，千斤顶通过钢板6将围压均匀的施加于试件的前后侧，钢板的尺寸和试件该方向的断面尺寸一致，通过千斤顶和弹簧可以根据实际情况给试件的前后施加足够的约束压力。

(4)将整个试验箱置于MTS液压加载系统3上，通过MTS的加载头4，即可对试件施加循环荷载，以模拟列车运营荷载对隧道底部结构的长期作用，列车的运营轴重、速度等的影响可通过调整MTS加载系统的作用力大小和频率来实现。

(5)试验前在试件的测试位置布置好相应的应变计9及陶瓷压电片10，通过动态应变测试系统以及陶瓷压电测试系统，即可对循环荷载下试件的累积损伤特性进行测试。