一种越江地铁隧道动力特性离心模型试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及一种离心模型试验装置，具体地说是一种越江地铁隧道动力特性离心模型试验装置及其试验方法。

背景技术：

越江地铁隧道作为连接江河两岸的地下构筑物，保证其稳定性至关重要。然而，在地铁长期运营过程中，模拟隧道管片的疲劳损伤及周边土体的累积变形等问题严重影响着隧道的结构稳定性。目前针对地铁动荷载下越江隧道动力特性的研究较少，由于试验模型的密封条件、加载条件等限制，现有的试验主要集中于一定含水量条件下的周边土体-隧道动力特性研究。其中，大多数研究主要集中于用配比材料开展室内缩尺模型试验。离心模型试验作为一种能够精确解决室内缩尺模型试验中获取的物理力学参数误差较大问题的重要手段，被广泛应用于岩土工程问题中，目前在隧道工程领域应用较少，对于越江地铁隧道工程而言，隧道埋深大，其周边土体受地心引力和高水压作用，其应力较大，运用离心模型试验能更精确地分析地铁运营期间越江隧道的力学及变形特性问题，然而，该方面的研究十分罕见。因此，运用离心机开展越江隧道在地铁动荷载作用下的动力特性试验研究具有较大的研究价值，为越江地铁隧道动力特性研究丰富了一种可靠合理的试验手段。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述室内试验研究工作的不足，提供一种用于模拟越江地铁隧道动力特性响应的离心模型试验装置。该装置可以满足于不同水压条件和不同隧道埋深下模拟隧道管片与周边土体的动力特性研究，弥补越江地铁隧道动力特性试验的缺失。

本发明采用的技术方案是：一种越江地铁隧道动力特性离心模型试验装置，其特征在于：试验装置包括箱体组合、模拟隧道管片、外置高速相机和加载控制装置；所述箱体组合包括空心箱体、密封板及注水孔，所述空心箱体的前端面板设置有透明板，所述空心箱体的后端面从上到下设有多个用于不同隧道埋深的矩形孔，所述密封板恰可嵌入矩形孔并对矩形孔形成密封；所述加载控制装置包括安装在矩形孔上的安装板、悬臂钢梁、激振器及内置高速相机，所述悬臂钢梁固定设置于安装板的中部，激振器安装于悬臂钢梁前部的下端面，悬臂钢梁的上端面固定设有前端伸出悬臂钢梁的相机支杆，内置高速相机与相机支杆的前端相铰接；所述加载控制装置安装于模拟隧道管片内，模拟隧道管片的前后端和空心箱体的前后端面均密封连接；所述注水孔位于空心箱体底部；透明板和空心箱体的顶板均为可拆卸结构。

进一步的，所述空心箱体的顶面两侧上还设有起吊耳，所述起吊耳上开有起吊孔；所述空心箱体的顶板上开有吊耳插孔，当空心箱体的顶板安装在空心箱体顶面上时，起吊耳恰好嵌入吊耳插孔。

进一步的，所述空心箱体采用钢板制作，所述透明板采用亚克力板制作，所述亚克力板通过螺钉与钢板固定连接。

进一步的，所述密封板的背面、安装板的背面、空心箱体的顶面均设有把手。

进一步的，所述加载控制装置安装板的密封板上设有调节通孔，调节通孔和螺栓相配合可实现对加载控制装置高度位置的微调，从而调整调节激振器与模拟隧道管片的相对位置，保证两者接触良好。

进一步的，所述外置高速相机通过连接螺栓与离心机吊篮固定连接。

本发明的有益效果和特点是：

1、空心箱体设计采用钢箱与亚克力板的组合，在保证箱体强度的同时可以清晰的观察振动过程中隧道周边土体的变形；

2、实现不同隧道埋深的工况模拟：通过后侧钢板沿不同高度设置矩形孔以及加载控制装置中滑动槽的设计可以实现不同隧道埋深的工况模拟；通过在加载控制装置密封板上设置矩形通孔实现加载控制装置的上下微调；

3、通过钢箱底部的入水孔实现箱体内部土体的饱和以及不同水深；通过对钢箱加装顶板，对整个模型进行密封。

附图说明

图1是本发明较佳实施例试验箱室及加载装置整体透视图(为了便于表达图中模拟隧道管片内部装置的结构，所以模拟隧道管片进行了透视处理)；

图2是本发明较佳实施例箱体组合结构的前视图；

图3是本发明较佳实施例箱体组合结构的后视图；

图4是本发明较佳实施例箱体组合结构的左视图；

图5是本发明较佳实施例箱体组合结构的俯视图；

图6是本发明较佳实施例带把密封板示意图；

图7是本发明较佳实施例注水孔局部示意图；

图8是本发明较佳实施例空心箱体的顶面安装示意图(安装过程示意图)；

图9是本发明较佳实施例加载控制装置示意图；

图10是本发明较佳实施例试验箱室及监测装置安装在大型土工离心机上的效果图；

图11是本发明较佳实施例试验时隐去亚克力板后确定模拟隧道管片初始位置示意图；

图12是本发明较佳实施例试验时带把密封板拆除安装位置示意图；

图13是本发明较佳实施例试验时分层填装土样及安装模拟隧道管片模型内部结构拆分图；

图14是本发明较佳实施例试验时加载控制装置组装示意图；

图15是本发明较佳实施例试验时加载控制装置安装示意图；

图16是本发明较佳实施例试验时加载控制装置安装完成后模型示意图；

图17是本发明较佳实施例试验时安装空心箱体的顶面示意图；

图18是本发明较佳实施例试验时钢箱安装在离心机吊篮示意图

图中标号分别表示：1-箱体组合、1-1-空心箱体、1-2-密封板、1-3-注水孔、1-4-起吊耳、1-5-把手、1-6-吊耳插孔、2-模拟隧道管片、3-外置高速相机、4-加载控制装置、4-1-带槽密封板、4-2-悬臂钢梁、4-3-激振器、4-4-高速相机、5-土体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

实施例1：

请参照图1、图2，一种越江地铁隧道动力特性离心模型试验装置，试验装置包括箱体组合1、模拟隧道管片2、外置高速相机3和加载控制装置4；所述箱体组合1包括空心箱体1-1、密封板1-2及注水孔1-3，所述空心箱体1-1的前端面板设置有透明板1-11，所述空心箱体1-1采用钢板制作，所述透明板1-11采用亚克力板制作，所述亚克力板通过螺钉与钢板固定连接。

请参照图3～图9，一所述空心箱体1-1的后端面从上到下设有多个用于不同隧道埋深的矩形孔1-12，所述密封板1-2恰可嵌入矩形孔1-12并对矩形孔形成密封；所述加载控制装置4包括安装在矩形孔1-12上的安装板4-1、悬臂钢梁4-2、激振器4-3及内置高速相机4-4，所述悬臂钢梁4-2固定设置于安装板4-1的中部，激振器4-3安装于悬臂钢梁4-2前部的下端面，悬臂钢梁4-2的上端面固定设有前端伸出悬臂钢梁的相机支杆4-5，内置高速相机4-4与相机支杆4-5的前端相铰接(可通过旋转监测不同位置处的模拟隧道管片损伤)；所述加载控制装置安装于模拟隧道管片2内，模拟隧道管片2的前后端和空心箱体1-1的前后端面均密封连接例如通过抹玻璃胶的方式密封；所述注水孔1-3位于空心箱体1-1底部(通过从底部注水控制土体饱和以及不同的水深)；透明板1-11和空心箱体1-1的顶板均为可拆卸结构。

实施例2：

与实施例1不同在于：为方便箱体拖运，所述空心箱体1-1采用钢板制作，所述透明板1-11采用亚克力板制作，所述亚克力板通过连接螺栓与钢板固定连接；所述密封板1-2的背面、安装板4-1的背面、空心箱体1-1的顶面均设有把手，把手用于操作人员把持，以利于安装。

实施例3：

与实施例1不同在于：所述加载控制装置安装板4-1的密封板上设有调节通孔4-11，调节通孔4-11和螺栓相配合可实现对加载控制装置高度位置的微调，从而调整调节激振器与模拟隧道管片的相对位置，保证两者接触良好。

所述外置高速相机3通过连接螺栓与离心机吊篮固定连接。图10为离心模型试验装置安装在大型土工离心机上的装配效果图，箱体底部和外置相机底座与吊篮通过螺钉连接固定牢靠，即可开展离心模型试验。

所述的越江地铁隧道动力特性离心模型试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，如图11，确定隧道埋深，确定模拟隧道管片2放置初始位置；

步骤2，如图12，根据模拟隧道管片2放置初始位置，将模拟隧道管片2安装在和初始位置最接近的后端面矩形孔1-12位置处，其他矩形孔1-12用密封板1-2密封；

步骤3，如图13，在箱体里分层填装土样并压实，填装高度至模拟隧道管片2底部；

步骤4，如图13，将预先做好的模拟隧道管片安放在土层中部，确保模拟隧道管片中线与箱体底板的中线重合；模拟隧道管片一侧开口被亚克力板密封，另一侧为箱体后侧钢板预留口，以便后续安装加载控制装置；

步骤5，继续分层填装土样并压实，土样填装高度与隧道埋深保持一致；

步骤6，如图14，组装加载控制装置；激振器通过螺钉固定在悬臂钢梁上，悬臂梁与带槽密封板焊接，高速相机通过螺钉安装在悬臂梁顶部，高速相机对准激振器激振点；

步骤7，如图15，安装加载控制装置；将组装好的加载控制装置通过箱体后侧钢板预留口穿入模拟隧道管片内，通过螺钉将带槽密封板与箱体后侧钢板固定，通过槽口可以调节激振器与模拟隧道管片的相对位置，保证激振器激振点碰触模拟隧道管片内壁，实现微调；

步骤8，如图17，确定加载控制装置安装完好后，安装空心箱体1-1的顶面，空心箱体1-1的顶面与箱体顶部沿壁通过螺钉连接；空心箱体1-1的顶面安装完成后，利用玻璃胶对箱体后侧钢板上密封板、带槽密封板、亚克力板以及空心箱体1-1的顶面四周缝隙进行打胶密封，待胶体干燥；

步骤9，如图18，将离心机模型箱吊起，安放在离心机一侧吊篮上，用螺钉将箱体底部钢板与离心机吊篮固定；

步骤10，土样饱和与水压设定；在离心机模型箱底部注水口套上水管进行注水，水流流速不要太快；当水面超过土层顶面时，以设计水压控制水面高度，静置饱和23-25小时；此时整套设备设置完成，可进行离心试验。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。