一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统及方法与流程

本发明涉及一种隧道结构室内试验技术领域，特别涉及一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统及方法。

背景技术：

近年来随着我国城市规模的不断扩张，城市人口急剧膨胀，为缓解城市拥堵的交通，全国各地都掀起了地铁建设热潮。然而由于我国地铁建设经验相对薄弱，在大规模的建设浪潮下，诸多问题及隐患也凸显出来。例如受地表建筑，地下管线以及社会政治因素的制约各种近阶施工的工程不断涌现；迫于运输功能的需求，部分地铁线路还必须穿越地震断层，而我国到目前为止尚未形成一套较为完善的地下结构抗震规范。针对上述突出矛盾，目前解决途径多依赖于数值计算，但商业数值软件在建模的过程中对各种边界条件，接触关系以及材料参数确定往往进行了简化处理，对特殊复杂的工程的计算结果，常常缺乏验证导致其计算结果缺乏说服力。随着国家重点试验室的建设以及设备加工工艺的进步，隧道结构室内模型试验作为另一个种重要研究手段在解决隧道工程科学难题的优质成果不断增加。相对于现场测试而言，室内模型试验具有成本低，安全性高，可控性强等优点；相比于数值分析，室内结构试验更能如实的反应工程实际情况。

针对隧道结构，国内外学者研发了一系列的试验装置。如中国发明公开号CN104748993A公开的一种隧道衬砌结构力学性状模拟试验装置的加载设备，以外围挡板提供支撑反力，通过均布于衬砌结构外周的液压千斤顶，弹簧，垫片加载组件向衬砌结构施加荷载，进行隧道结构的受力性能研究。中国发明公开号CN103996348A公开的一种上下交叠盾构隧道施工对既有运营隧道影响的室内模型试验装置，将既有双线隧道结构置于模型箱中部，上下布置新建正交隧道结构，上下新建隧道结构表面布置乳胶膜形成封闭腔，通过向乳胶膜内灌入腔液，以地层损失率为控制指标来模拟上下新建隧道开挖。通过位移计及应变片观测地层损失率及既有隧道的受力情况。上述试验装置针对具体特殊的工程情况具有一定的适用性，但也存在下述问题。

发明公开号CN104748993A直接采用千斤顶对隧道衬砌进行加载不能够考虑围岩结构本身的承载作用；以垫片作为传力结构所施加的荷载为局部面荷载不能够很好的模拟围岩压力，且容易造成应力集中；所采用的千斤顶加载设备并没有相应的数显设备，难以定量的衡量所施加的力的大小。

发明公开号CN103996348A直接以铝合金空心管模拟隧道结构不能够反应盾构隧道结构几何特性与材料特性；不能够根据工程实际相应地调整箱体内的土体应力，难以模拟偏压以及深埋情况下的土体应力状态；同时没有采取相应措施，降低由钢箱体刚度较大所造成的边界效应的影响。

此外上述室内试验装置均只能施加静力荷载，不能反映动力荷载特别是地震荷载对隧道结构所造成的影响。

总体来说，目前国内外既有的隧道结构试验装置不能很好的模拟不同埋深条件下隧道结构同围岩的相互作用状态，同时均不能考虑地震荷载作用对隧道结构所造成的影响。因此，研制一种新型的能较为精确的模拟隧道同围岩结构相互作用状态，同时能考虑地震荷载作用效应的室内试验装置已为急需。

技术实现要素：

针对现有试验技术的不足，本发明所要解决的主要技术问题是提供一种可以较精确模拟不同埋深，不同偏压状态下隧道结构同围岩的相互作用状态，能够加载地震荷载，并可以根据需要方便地设置和调整边界参数的试验系统。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统，包括箱体和静力加载系统，所述的静力加载系统包括至少一对反力杆，反力杆栓，反力梁，千斤顶，传力板及箱底螺栓，所述的箱体的相对两侧的内壁上分别布置有至少一个反力杆栓，所述的反力杆通过反力杆栓固定在内壁上并伸出至箱体顶部外，所述的反力梁的两端分别固定在一对反力杆上，箱体内填充土体，所述的千斤顶一端接触反力梁，另一端接触设置于土体顶部的传力板。

所述的一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统，还包括动力加载系统，所述的动力加载系统包括底板、底板螺孔、振动台和底板螺栓，所述的底板固定于箱体底部，底板上开有多个底板螺孔，所述的底板螺栓旋入底板螺孔并将底板固定于振动台上。

所述的一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统，还包括观测记录系统，所述的观测记录系统包括至少一个观察口、摄像装置、至少一个出线孔和感应装置，所述的观察口设置于箱体的侧壁上并固定有透明观察板，所述的摄像装置设置于箱体外并通过观察口对箱体内土体及隧道结构情况进行拍摄，所述的出线孔设置于箱体的侧壁上，所述的感应装置布置于箱体内土体中及隧道结构内外壁，且信号线由出线孔导出至箱体外。

所述的一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统，还包括法兰组件，所述的法兰组件包括设有法兰孔的法兰环和法兰盲板，所述的法兰盲板在箱体装载土体之前固定到法兰环上以形成封闭的箱体，并在卸载土体时拆下。

所述的一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统，还包括柔性边界组件，所述的柔性边界组件包括设置于箱体内的四个侧壁以及底部上的柔性垫板。

所述的一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验系统，还包括箱体加强系统，所述的箱体加强系统包括水平加强件，竖直加强件和内壁角加强件，所述的水平加强件和竖直加强件均为钢结构梁，并分别环绕箱体外壁设置且互相垂直，所述的内壁角加强件为钢板，并竖直设置于箱体内侧四角。

一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验方法，采用如权利要求1-6任一所述的系统，对单条缩尺隧道模型进行试验，包括以下步骤：

步骤一，安装好箱体及相应的箱体加强系统、柔性边界组件；

步骤二，在模型箱底先铺设一层碎石并固定，然后向箱内填筑围岩并进行反复压实，直至第一预定厚度，对围岩进行找平后安装隧道缩尺模型并定位，再安装传感器，并进一步填筑围岩且反复压实，直至隧道缩尺模型覆土厚度达到第二预设厚度，最后对围岩进行找平；

步骤三，加装静力加载系统和动力加载系统，安装摄像装置；

步骤四，启动动力加载系统，并通过观测记录系统对试验过程进行记录。

所述的方法，所述的碎石的粒径为5至10公分，第一预定厚度为50-300公分，第二预设厚度为20-120公分。

一种多功能缩尺隧道结构静动力响应特性室内试验方法，采用如权利要求1-6任一所述的系统，对交叉缩尺隧道模型进行试验，包括以下步骤：

步骤1，安装好箱体及相应的箱体加强系统、柔性边界组件；

步骤2，在模型箱底先铺设一层碎石并固定，然后向箱内填筑围岩并进行反复压实，直至第三预定厚度，对围岩进行找平后安装下穿隧道缩尺模型并定位，再安装传感器，并进一步填筑围岩且反复压实，直至下穿隧道缩尺模型覆土厚度达到第四预设厚度，再对围岩进行找平后，安装上跨隧道缩尺模型并定位，再安装传感器，并进一步填筑围岩且反复压实，直至上跨隧道缩尺模型覆土厚度达到第五预设厚度，最后对围岩进行找平；

步骤3，加装静力加载系统和动力加载系统，安装摄像装置；

步骤4，启动动力加载系统，并通过观测记录系统对试验过程进行记录。

所述的方法，所述的碎石的粒径为5至10公分，第三预定厚度为10-100公分，第四预设厚度为10-100公分，第五预定厚度为15-120公分。

本发明的技术效果在于，静力加载系统可方便地根据工程实际情况，通过调节数显千斤顶定量精确地模拟不同埋深，不同偏压状态下的地应力。通过连接振动台，可方便的加载地震荷载。通过设置柔性边界大大降低了边界效应引起的结果偏差。不仅可模拟单条隧道的静动力响应特性，还可以模拟交叉隧道的静动力响应特性。综上所述，本发明提供了一种能够施加各种隧道结构力学边界条件的试验系统，并且能够根据实际情况和需要对各组件进行方便地设置和调整，使得花费较小的经济代价即可研究不同边界条件下单条隧道结构及交叉隧道结构的静动力响应规律。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为为本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明试验装置俯视示意图；

图3为本发明试验装置侧面示意图；

图4为本发明试验装置另一侧面示意图；

图5为本发明试验装置内部结构示意图；

其中，1为反力梁，2为数显千斤顶，3为反力杆，4为传力板，5为加强件，6为出线孔，7为法兰环，8为法兰盲板，9为柔性边界组件，10为内壁角加强件，11为透明观察板，12为螺栓，13为底板，14为反力杆栓。

具体实施方式

参见图1-5，本实施例由静动力加载子系统，观测记录子系统，法兰组件及柔性边界组件构成。静动力加载系统包括钢箱体，反力杆，反力杆栓，反力梁，数显千斤顶，传力板及钢箱底螺栓；观测记录子系统，包括钢化玻璃板，出线孔，红外摄像仪设备。

钢箱体外壁以钢结构梁作为加强件，并分别环绕箱体外壁设置且互相垂直，内壁角加强件为钢板，并竖直设置于箱体内侧四角。在后侧及左侧预留圆角矩形观测带，圆角设计位置预留螺栓孔洞，以配合观测记录子系统。前侧与右侧设计位置各布置有出线孔，为测量元件数据线提供通道；前侧设计位置安放有法兰环，作为出土与装土通道。箱体内左右两侧设计位置安放有反力杆栓，为静力加载系统的组成部分。箱体底板设有同振动台对应的螺栓孔，为动力加载系统的组成部分。

所述静力加载系统包括反力杆，反力杆栓，反力梁，数显千斤顶，传力板及螺母。钢箱体内左右两侧相应位置个布置4个反力杆栓，沿垂直方向每两个反力杆栓固定一根反力杆，通过反力梁连接左右对应反力杆。数显千斤顶位于反力梁与传力板之间，传力板覆盖在土体表面，通过调整数显千斤顶对土体所施加的压力值可以模拟不同埋深，不同偏压状态下的地应力状态。

所述动力加载系统，包括钢箱体底板，振动台及连接螺栓。底板上开有多个底板螺孔，所述的底板螺栓旋入底板螺孔并将底板固定于振动台上。向振动台输入地震波频以模拟地震荷载。

所述观测记录子系统，包括钢化玻璃板，出线孔，红外摄像仪设备。红外摄像仪通过圆角矩形观测带及钢化玻璃板观测记录箱体内土体及隧道结构宏观变形状态，应变片及加速度计等测量原件数据线从出线口伸出，记录隧道结构及土体应力应变状态。

所述圆角矩形观测带同钢化玻璃板用螺栓与柔性垫片进行连接。

所述的法兰组件包括设有法兰孔的法兰环和法兰盲板，法兰组件作为出土通道，装土前用螺栓固定法兰盲板形成封闭边界，出土时卸下。

所述柔性边界组件由模型内侧四周及底部五块柔性垫板构成，在施加静力荷载以及地震荷载时，柔性垫板可减小由于钢板刚度过大引起的边界效应。

在实施时，首先根据中国实用新型授权公告号CN205112065U所述的模具，完成隧道缩尺结构模型的制作，并根据隧道受力及变形特征，沿隧道模型环向分别在拱顶、拱腰、墙脚及仰拱四个测点布置应变片，加速度计等传感器。根据相似比理论配置相应强度的围岩。

针对单条隧道的室内模型试验操作步骤为：在模型箱底先铺设一层粒径为5至10公分的碎石，并用环氧树脂进行粘贴固定。继续向模型箱内填筑围岩并用25kg铁墩进行反复压实，直至厚度达到100公分。采用气泡水准尺对围岩进行找平，分段吊装隧道缩尺模型并定位，采用工程强力胶对隧道缩尺模型进行拼接形成整体。整理传感器数据线，通过出线孔6伸出模型箱体，连接数据采集系统进行测试记录。进一步填筑围岩并反复压实，直至隧道覆土厚度达到40公分。采用气泡水准尺对围岩进行找平，方便施加静力荷载。

针对交叉隧道的室内模型试验操作步骤为：在模型箱底先铺设一层粒径为5至10公分的碎石，并用环氧树脂进行粘贴固定。继续向模型箱内填筑围岩并用25kg铁墩进行反复压实，直至厚度达到30公分。采用气泡水准尺对围岩进行找平，分段吊装下穿隧道缩尺模型并定位，采用工程强力胶对隧道缩尺模型进行拼接形成整体。整理传感器数据线，通过出线孔6伸出模型箱体，连接数据采集系统进行测试记录。进一步填筑围岩并反复压实，直至下穿隧道覆土厚度达30公分，继续采用气泡水准尺对围岩进行找平。分段吊装上跨隧道缩尺模型并定位，采用工程强力胶对隧道缩尺模型进行拼接形成整体。整理传感器数据线，通过出线孔6伸出模型箱体，连接数据采集系统进行测试记录。进一步填筑围岩并反复压实，直至隧道覆土厚度达到40公分。采用气泡水准尺对围岩进行找平，方便施加静力荷载。

在围岩表面铺设传力板4，对传力板上下表面进行打毛处理，以增大摩擦力，防止加载时发生错位滑动。传力板上表面安放数显千斤顶3，数显千斤顶3上部为通过反力杆1及螺母固定的反力梁2。数显千斤顶3通过反力梁2所提供的抗力对围岩进行静力荷载的施加，通过调节相应压力的大小模拟不同的埋深以及偏压状态。

在观测带处架设红外摄像仪，透过钢化玻璃板11，观测记录隧道结构及土体变形状态。将模型吊装至振动台，通过连接螺栓12及底板13将模型与振动台连接。通过向振动台输入特定频率的地震波，向模型施加地震荷载。