用于富水砂土地层中隧道结构及围岩的动力响应测试系统的制作方法

本发明涉及土木工程试验领域岩土类试验技术领域，具体是一种用于富水砂土地层中隧道衬砌结构及围岩的动力响应测试系统。

背景技术：

地铁列车在运行时，列车荷载会导致隧道结构-土层以及地面振动问题。隧道结构及其上覆土层在列车振动荷载作用下的动力响应复杂多变。在长期振动荷载作用下，隧道衬砌结构可能出现支护开裂产生纵横向裂缝、洞顶混凝土的剥落甚至底部隆起变形等问题。尤其在富水砂土地层中，除隧道结构外，周围土体在长期列车荷载作用下也会有砂土液化、不均匀沉降和地面塌陷等问题发生。因此，掌握隧道结构的动力响应特性及其对周围砂土地层的影响机理和变化规律具有重要意义。采用隧道工程中衬砌结构及围岩动力响应测试系统，可对隧道衬砌结构以及周围岩体在列车运行诱发振动荷载下的动力响应进行测试，对振动波的传播规律进行研究，对土体孔隙水压力及位移场的变化规律进行分析。

由于采用模型试验对列车荷载作用下隧道结构动力响应特性进行研究试验较为复杂，难度较大。目前研究主要集中在国外，国内还少有这方面的研究。

（1）2003年剑桥学者Thusyanthan和Madabhushi在文献《Experimental study of vibrations in underground structures》中采用了一种隧道衬砌及围岩动力响应特性测试系统，对不同材料的隧道衬砌结构对振动波的吸收与传递情况进行了相关研究。该系统模型箱为圆柱形模型箱，尺寸为850mm×260mm（直径×高）。加载系统主体为振动马达，通过马达转动，产生偏心力从而实现对模型的加载。该模型试验系统，还存在以下不足之处：

1、对施加荷载的控制不够精确，对加入荷载的形式，大小以及频率未能测试。

2、在模型试验中对模型箱边界的处理不够完善，边界可能出现振动波的反射问题。

3、对加入荷载的振幅的大小以及频率控制不够精确，不能真实客观的模拟隧道列车荷载。

4、在隧道结构中，重力作用决定了其应力变形特性，试验模型却没有真实地模拟原型土的重力场。

5、大部分岩土工程的破坏都与水有关，对岩土体强度最具影响的是孔隙和裂隙中的水压力，试验却没有对此进行监测。

技术实现要素：

本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种用于富水砂土地层中隧道结构及围岩的动力响应测试系统，能够方便、准确、真实地模拟在原型重力场中列车运行诱发的振动荷载，并对衬砌结构以及富水砂土体动力响应进行测试，也能观察与记录土体孔隙水压力和位移场的变化规律。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种用于富水砂土地层中隧道结构及围岩的动力响应测试系统，包括土工离心机，在土工离心机的吊斗中固定有试验模型箱，试验模型箱为顶盖可拆卸的防水立方体结构，所述试验模型箱其中一个侧壁为透明探测玻璃，所述试验模型箱内设置有一个或一个以上的隧道衬砌模型，隧道衬砌模型的其中一个开口端与透明探测玻璃相抵，所述隧道衬砌模型的另一个开口端与透明探测玻璃对称的隧道衬砌模型的侧壁相抵，隧道衬砌模型的外部填充有含水率可调的富水砂土体；还包括加载装置和动力响应测试装置，所述加载装置为按照轨道扣件位置在隧道衬砌模型内底部设置的多个大小以及频率可调的并行预应力压电致动器，所述动力响应测试装置包括动态力传感器、加速度传感器、孔隙水压力计以及摄像装置，每个所述的并行预应力压电致动器底部固定一个动态力传感器，动态力传感器下端面固定在隧道衬砌模型内的底部衬砌结构的上端面，所述加速度传感器为多个且布置在隧道衬砌模型的衬砌结构以及富水砂土体内部，孔隙水压力计为多个且孔隙水压计以不同深度间隔地埋设在富水砂土体内部，所述摄像装置固定在透明探测玻璃的外侧；所述并行预应力压电致动器依次与信号放大器、信号发生器、以及计算机进行连接，所述动态力传感器、加速度传感器、孔隙水压力计以及摄像装置均与计算机连接。

进一步的技术方案为：所述摄像装置固定在土工离心机的吊斗一侧的L形钢支架上，摄像装置的镜头朝向透明探测玻璃。

进一步的技术方案为：所述试验模型箱的内部空间长×宽×高为800mm×600mm×800mm，试验加载装置极大地减少了隧道的断面尺寸，因此试验模型箱内能有效地设置一个或一个以上的隧道衬砌模型。

进一步的技术方案为：所述试验模型箱的内表面设有减震敷层，在试验模型箱的内表面设有减震敷层使围岩材料对试验模型箱界面的振动反射减小，完善了模型试验中对试验模型箱边界的处理，克服了边界会出现的振动波反射问题。

进一步的技术方案为：所述土工离心机采用TLJ-2型土工离心机，土工离心机通过离心力加大试验模型箱内的富水砂土体的自重，补偿因模型缩尺带来的富水砂土体的自重损失，还原真实重力场。

进一步的技术方案为：所述摄像装置为摄像机。

本发明的工作原理：在土工离心机上，模拟原型土真实重力场，并根据几何相似比按照轨道扣件位置在隧道结构底部布置多个并行预应力压电致动器，可模拟列车的移动效应，真实反映列车振动荷载，将荷载准确、稳定地传递到隧道结构上，受信号发生器控制的并行预应力压电致动器可以对荷载大小、荷载形式、荷载频率以及荷载持续时间进行操控；同时可以根据具体需求，将不同车速、不同等级列车荷载的模拟或者实测数据编辑成荷载时程曲线文件，通过软件将该荷载时程曲线输入，通过并行预应力压电致动器将列车荷载加载到隧道结构上，模拟不同车速下，分析列车产生的振动荷载对隧道结构及富水砂土体的加速度动力响应特性。可通过放入不同含水率地层土体，分析土体在不同孔隙水压力下对列车振动荷载的响应特征；也可监测在不同车速，不同等级列车振动荷载下砂土体中孔隙水压力的变化规律。离心机吊斗上的摄像装置可对周围砂土地层位移场的变化规律进行观察与记录；通过GeoPIV图像处理技术，对砂土受列车振动荷载作用的全场位移进行测试分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明试验装置能模拟原型土的真实重力场，加载装置有效地减小了隧道的尺寸，并通过可拆卸隧道模板设置，可实现对单个隧道或者交叉隧道动力响应特性的模拟的转换，适用范围更广，可对隧道结构-土层的动力响应进行测试，能用于研究振动波沿不同方向的传播以及衰减规律；多个并行预应力压电致动器可模拟列车的移动效应，对所施加动力荷载的形式、大小以及频率准确控制，可模拟不同车速下列车产生的振动荷载；在模型箱的内表面设有减震敷层使围岩材料对模型箱界面的振动反射减小，完善了模型试验中对模型箱边界的处理，克服了边界会出现的振动波反射问题；通过动力响应测试系统，可对模型的加速度响应、孔隙水压力以及位移场进行观察测试，深入了解列车移动荷载作用下隧道结构及围岩的动力响应问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的试验模型箱的主视图。

图3为图2的剖面图。

图4为本发明的试验模型箱内隧道衬砌模型的一种结构示意图。

图5为本发明的试验模型箱内隧道衬砌模型的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-5所示，本实施例的一种用于富水砂土地层中隧道结构及围岩的动力响应测试系统，包括土工离心机10，土工离心机10采用TLJ-2型土工离心机，土工离心机通过离心力加大试验模型箱内的富水砂土体的自重，补偿因模型缩尺带来的富水砂土体的自重损失，还原真实重力场，在土工离心机10的吊斗11中固定有试验模型箱5，试验模型箱5为顶盖可拆卸的防水立方体结构，所述试验模型箱5其中一个侧壁为透明探测玻璃7，所述试验模型箱5内设置有一个或一个以上的隧道衬砌模型3，隧道衬砌模型3的其中一个开口端与透明探测玻璃7相抵，所述隧道衬砌模型3的另一个开口端与透明探测玻璃对称的隧道衬砌模型5的侧壁相抵，隧道衬砌模型3的外部填充有含水率可调的富水砂土体14；还包括加载装置和动力响应测试装置，所述加载装置为按照轨道扣件位置在隧道衬砌模型3内底部设置的多个大小以及频率可调的并行预应力压电致动器1，所述动力响应测试装置包括动态力传感器2、加速度传感器12、孔隙水压力计13以及摄像装置8，每个所述的并行预应力压电致动器1底部固定一个动态力传感器2，动态力传感器2下端面固定在隧道衬砌模型3内的底部衬砌结构4的上端面，所述加速度传感器12为多个且布置在隧道衬砌模型3的衬砌结构4以及富水砂土体14内部，孔隙水压力计13为多个且布置在富水砂土体14内部，所述摄像装置8固定在透明探测玻璃7的外侧，摄像装置8为摄像机；所述并行预应力压电致动器1依次与信号放大器、信号发生器、以及计算机进行连接，所述动态力传感器2、加速度传感器12、孔隙水压力计13以及摄像装置8均与计算机连接，通过计算机设定参数，可以对荷载大小、荷载形式、荷载频率以及荷载持续时间进行操控，同时可以根据具体需求，将不同车速、不同等级列车荷载的模拟或者实测数据编辑成荷载时程曲线文件，通过软件将该荷载时程曲线输入，通过并行预应力压电致动器1将列车荷载加载到隧道结构上，模拟不同车速下，列车产生的振动荷载对结构的影响。

作为本实施例的改进，所述试验模型箱5的内表面设有减震敷层6，在试验模型箱5的内表面设有减震敷层6使围岩材料对试验模型箱界面的振动反射减小，完善了模型试验中对试验模型箱边界的处理，克服了边界会出现的振动波反射问题，在本实施例减震敷层6为胶泥敷层。

另外，本实施例中，所述试验模型箱5的内部空间长×宽×高为800mm×600mm×800mm，试验加载装置极大地减少了隧道的断面尺寸，因此试验模型箱5内能有效地设置一个或一个以上的隧道衬砌模型3，如图4所示为在试验模型箱5内设置了一个隧道衬砌模型3，如图5所示为在试验模型箱5内设置了两个隧道衬砌模型3；土木工程领域相似模型试验的几何相似比一般介于20-50的范围内，因此，该试验模型箱5可以用于模拟16m×12m×16m至40m×30m×40m的介质空间。

另外，在本实施中，在富水砂土体14的不同深度埋设孔隙水压计13，在振动荷载作用下对富水砂土体14中孔隙水压力13的变化规律进行监测并发送至计算机。

再者，在本实施例中，在隧道衬砌模型3的衬砌结构4的不同位置，富水砂土体14的不同深度埋设加速度传感器12，在振动荷载作用下对衬砌结构4及富水砂土体14的加速度动力响应进行测试并发送至计算机。

如图1所示，在本实施例中，摄像装置8固定在土工离心机10的吊斗11一侧的L形钢支架9上，摄像装置8的镜头朝向透明探测玻璃7，通过摄像装置8可对列车振动荷载下富水砂土体14的位移场的变化规律进行观察与记录并发送至计算机。

本发明的工作原理：在土工离心机上，模拟原型土真实重力场，并根据几何相似比按照轨道扣件位置在隧道结构底部布置多个并行预应力压电致动器，可模拟列车的移动效应，真实反映列车振动荷载，将荷载准确、稳定地传递到隧道结构上，受信号发生器控制的并行预应力压电致动器可以对荷载大小、荷载形式、荷载频率以及荷载持续时间进行操控；同时可以根据具体需求，将不同车速、不同等级列车荷载的模拟或者实测数据编辑成荷载时程曲线文件，通过软件将该荷载时程曲线输入，通过并行预应力压电致动器将列车荷载加载到隧道结构上，模拟不同车速下，分析列车产生的振动荷载对隧道结构及富水砂土体的加速度响应特性。可通过放入不同含水率地层土体，分析土体在不同孔隙水压力下对列车振动荷载的响应特征；也可监测在不同车速，不同等级列车振动荷载下砂土体中孔隙水压力的变化规律。离心机吊斗上的摄像装置可对周围砂土地层位移场的变化规律进行观察与记录；通过GeoPIV图像处理技术，对砂土受列车振动荷载作用的全场位移进行测试分析。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。