模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法与流程

本发明属于岩体动力学大型物理模型试验领域，具体涉及一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法。

背景技术：

地下洞室主要包括围岩、衬砌和内部空间三部分，地下洞室的围岩稳定性问题是工程地质学和岩体力学领域的经典问题之一。荷载分为静荷载和动荷载，地下洞室所受的动荷载包括地震荷载、爆破荷载和机械振动荷载等；地下洞室在地震动荷载作用下的动力反应问题，即其在地震条件下的响应特征如变形、强度等相关数据的分析已成为工程地质学、岩土力学、地震工程学的热点问题之一。

目前，地下洞室的地震动力反应研究主要采用数值模拟手段，但由于缺乏地下洞室地震动力反应的实测数据，数值模拟结果的合理性有待商榷。振动台模型试验是研究工程地震动力响应及评价工程地震稳定性的有效手段，在岩质边坡地震动力响应研究、稳定性评价及地震防控等领域应用广泛，但该试验方法尚未在地下洞室地震动力反应研究方面得到推广，原因是现有技术无法实现对地下洞室进行地应力静负荷和地震动负荷统一加载的高仿真模拟，从而制约了地下洞室地震动力反应的研究进程。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决无法对地下洞室地震动力反应进行高仿真模拟的问题，本发明提供了一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法。

本发明实施例第一方面提供了一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置包括加载框架、地下洞室模型、静力加载装置、动力加载装置及测量装置；

所述地下洞室模型为相似材料模型，包括上覆模型、下伏模型；所述上覆模型设置于所述下伏模型上部，且与所述下伏模型构成凸体结构；

所述静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；所述法向加载装置设置于所述上覆模型的顶部，且所述法向加载装置的上端与所述加载框架的顶板连接；所述侧向加载装置设置于所述上覆模型的周侧，且所述侧向加载装置远离所述上覆模型的端部与所述加载框架的侧板连接；

所述动力加载装置包括模型箱，承载平台，及驱动所述模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；所述模型箱设置于所述承载平台，所述模型箱的内部设置有容纳所述下伏模型的腔室；

所述测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；所述负荷测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量所述上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；所述变形测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部变形值的法向变形测量装置、用于测量所述上覆模型周侧变形值的侧向变形测量装置。

在一些优选实例中，所述上覆模型的内部设置有用于模拟原位地下洞室的孔洞；所述孔洞为贯通型孔洞。

在一些优选实例中，所述上覆模型设置于所述下伏模型正上方，且所述上覆模型与所述下伏模型通过模型材料胶结连接。

在一些优选实例中，所述下伏模型与所述模型箱的高度一致，且所述下伏模型的周侧与所述模型箱通过硅胶连接。

在一些优选实例中，所述法向负荷测量装置为法向负荷传感器，所述侧向负荷测量装置为侧向负荷传感器；

所述法向加载装置包括法向驱动装置、法向垫板；所述法向垫板为钢制垫板；所述法向驱动装置设置于所述加载框架的顶板，所述法向驱动装置的加载端通过所述法向垫板施力作用于所述上覆模型的顶部；

所述侧向加载装置包括侧向驱动装置、侧向垫板；所述侧向垫板为钢制垫板；所述侧向驱动装置设置于所述加载框架的侧板，所述侧向驱动装置的加载端通过所述侧向垫板施力作用于所述上覆模型的侧壁。

在一些优选实例中，所述法向驱动装置为法向油缸，所述法向油缸固设于所述加载框架顶板的中心；

所述侧向驱动装置为侧向油缸，所述侧向油缸包括左侧油缸、右侧油缸、前侧油缸和后侧油缸，所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸分别固设于所述加载框架左、右、前、后侧板的中心。

在一些优选实例中，所述法向变形测量装置为法向变形传感器；所述法向变形传感器的一端固设于所述加载框架的顶部，另一端与所述法向垫板接触；

所述法向变形传感器为四个，四个所述法向变形传感器对称设置于所述法向油缸四周；

所述侧向变形测量装置为侧向变形传感器；所述侧向变形传感器的一端固设于所述加载框架的侧板，另一端与所述侧向垫板接触；

所述侧向变形传感器包括两个左侧变形传感器、两个右侧变形传感器、两个前侧变形传感器和两个后侧变形传感器；所述左侧变形传感器、所述右侧变形传感器、所述前侧变形传感器和所述后侧变形传感器分别对称设置于所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸的两侧，并分别用于测量所述上覆模型左侧、右侧、前侧、后侧的变形值。

在一些优选实例中，所述模型箱为无盖长方体钢盒结构；所述模型箱与所述承载平台通过螺栓固定连接。

在一些优选实例中，还包括数控装置，所述数控装置与所述静力加载装置、动力加载装置通信连接，并用于实时记录所述地下洞室模型的负荷值和变形值。

本发明实施例第二方面提供了一种方法，该方法基于上面所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，包括以下步骤：

步骤s100，预设法向负荷值、第一水平负荷值、第二水平负荷值、地震动负荷值、地震动加载时间值、法向变形阈值及侧向变形阈值；

步骤s200，控制所述法向油缸对所述上覆模型施加垂向负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实垂向地应力环境；

步骤s300，控制所述前侧油缸、后侧油缸对所述上覆模型分别施加相同的第一水平负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实较大水平地应力环境；

步骤s400，控制所述左侧油缸、右侧油缸对所述上覆模型分别施加相同的第二水平负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实较小水平地应力环境；

步骤s500，控制所述动载驱动装置对所述下伏模型施加地震动负荷，通过所述下伏模型作用于所述上覆模型，以模拟原位地下洞室的真实地震动情况；

步骤s600，基于所述法向负荷传感器、所述侧向负荷传感器、所述法向变形传感器和所述侧向变形传感器实时采集的试验过程中所述上覆模型的负荷值和变形值，所述数控装置对试验进行实时调控，当地震动加载时间达到预设值，或者，所述上覆模型的法向变形值或侧向变形值达到法向变形阈值或侧向变形阈值时，试验停止，导出负荷和变形试验数据。

本发明的有益效果为：

1)通过本发明提供的一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，结合相似理论，利用静力加载装置和动力加载装置对地下洞室相似材料模型施加垂向负荷、水平负荷和地震动负荷，可实现对原位地下洞室在真实垂向和水平地应力环境下的地震动模拟，并能准确反应原位情况。

2)通过本发明提供的一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，利用相似理论，对地下洞室相似材料模型中的材料进行不同质量的配比，可实现对不同地质环境的原位地下洞室地震动力反应的模拟，从而可满足不同的研究需求。

3)本发明结构简单、新颖、安全、成本低、模拟程度高，便于推广，对于评价地下洞室动态稳定性具有重要的理论和应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明中的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置的一种具体实施例的主视图；

图2是本发明中的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置的一种具体实施例的俯视图。

附图标记说明：1、加载框架；2、振动台；3、上覆模型；4、下伏模型；5、模型箱；61、左侧油缸，62、右侧油缸，63、前侧油缸，64、后侧油缸；71、左侧负荷传感器，72、右侧负荷传感器，73、前侧负荷传感器，74、后侧负荷传感器；81、左侧变形传感器，82、右侧变形传感器，83、前侧变形传感器，84、后侧变形传感器；9、法向变形传感器；10、法向油缸；11、法向负荷传感器；12、法向垫板；13、侧向垫板。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，包括加载框架、地下洞室模型、静力加载装置、动力加载装置及测量装置；其中，地下洞室模型包括上覆模型、下伏模型；上覆模型设置于下伏模型上部，且与下伏模型构成凸体结构；静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；法向加载装置设置于上覆模型的顶部，且法向加载装置的上端与加载框架的顶板连接；侧向加载装置设置于上覆模型的周侧，且侧向加载装置远离上覆模型的端部与加载框架的侧板连接；动力加载装置包括模型箱，承载平台，及驱动模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；模型箱设置于承载平台，模型箱的内部设置有容纳下伏模型的腔室；测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；负荷测量装置包括用于测量上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；变形测量装置包括用于测量上覆模型顶部变形值的法向变形测量装置、用于测量上覆模型周侧变形值的侧向变形测量装置。通过将地下洞室模型设置成凸体结构以及将下伏模型置于模型箱内，可同时对地下洞室模型进行静力加载和动力加载，即可实现对原位地下洞室在真实垂向和水平地应力环境下的地震动高仿真模拟试验，并获得高仿真模拟试验数据。

以下参照附图结合具体实施例进一步说明本发明。

参照附图1和附图2，图示为本发明中的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置的一种具体实施例的主视图和俯视图；该试验装置包括加载框架1、由上覆模型3与下伏模型4组成的地下洞室模型、用于对模型进行垂向和水平地应力环境模拟的静力加载装置、用于对模型进行地震动加载模拟的动力加载装置及测量该模型在试验过程中的负荷量和变形量的测量装置；其中，静力加载装置设置于上覆模型的上方和周侧，进行该试验模型法向及周侧不同方向的静力加载；动力加载装置设置于下伏模型的下方，进行该试验模型的动力加载；同时通过与加载装置对应连接的测量装置对试验过程中不同加载条件下的负荷值及变形值的实时量测，从而获得可信度较高的地下洞室地震动力反应的模拟试验数据。

进一步地，上覆模型3设置于下伏模型4的正上方，且与下伏模型构成凸体结构，即上覆模型的尺寸小于下伏模型；上覆模型与下伏模型通过模型材料粘结固定；本发明通过设置在上覆模型上方和周侧的静力加载装置对模型进行静力加载时，可实现上覆模型能够受到均匀、仿真度较高的垂向和水平地应力静负荷，利用设置在下伏模型下方的动力加载装置对模型进行动力加载时，可确保下伏模型能够受到均匀、仿真度较高的地震动负荷并进而传递到上覆模型，从而可获得高仿真模拟试验数据。需要说明的是，现有技术以及本领域的技术人员将静力加载与动力加载进行分离式设置，从而分别获得相关模拟数据，该模拟方法不符合自然界中地下洞室的真实情况，其静力加载试验数据或动力加载试验数据均具有片面性，故无法用来作为本领域研究的参照数据；但是通过本发明提供的上覆模型与下伏模型构成的凸体结构地下洞室模型，可实现模型静力加载与动力加载的统一，即满足原位地下洞室在真实垂向和水平地应力环境下的地震动加载条件，符合自然界中地下洞室的真实受力状态；本发明突破了现有技术及本领域的研究瓶颈，可为本领域的研究人员提供高仿真模拟试验数据，对本领域研究具有重大意义。

进一步地，根据试验目的和原位地下洞室的几何、物理和力学参数，制作以铁精粉、重晶石粉和石英砂为骨料材料和以水泥、石膏为胶结材料的地下洞室相似材料模型。

进一步地，上覆模型3的内部设置有用于模拟原位地下洞室内部的孔洞；孔洞为贯通型孔洞，该孔洞的截面形状可为圆形、椭圆形、马蹄形、矩形等；贯通型预制孔洞的中心轴线与加载框架1的前后侧板中心轴线平行设置或小角度(不超过30度)相交设置；贯通型预制孔洞的边界与上覆模型的上边界、左边界和右边界的距离大于孔洞半径的6倍或以上；上覆模型也可预制多个不同尺寸、不同形状和不同空间分布的孔洞群以模拟原位地下洞室群；孔洞群的边界与上覆模型的上边界、左边界和右边界的距离大于孔洞群中最大孔洞半径的6倍或以上，本实施例中提供的一种具体实施例并不限定其设置。

进一步地，动力加载装置包括模型箱5，承载平台，及驱动模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；模型箱设置于承载平台，模型箱的内部设置有容纳下伏模型4的腔室；在本实施例中，承载平台以及动载驱动装置优选为振动台2。

优选地，模型箱5、加载框架1与振动台2均通过螺栓固定连接。

优选地，模型箱5为无盖长方体钢盒结构；模型箱包括左右竖板、前后竖板和底板。

优选地，下伏模型4与模型箱5的高度一致，且下伏模型的周侧与模型箱通过硅胶连接，在本实施例中，下伏模型设置于模型箱的中心位置，下伏模型的左右前后四个面与模型箱之间填充厚度为下伏模型尺寸1％至1.5％的硅胶，以降低刚性模型箱对下伏模型的边界效应。

需要说明的是，现有技术及本领域研究和技术人员为了减弱大型物理模型试验的边界效应，通常在模型与模型箱之间填充泡沫，但泡沫无法在模型与模型箱发生相向运动时发挥作用，而硅胶能够在模型与模型箱发生相对运动和相向运动时均产生塑性流动从而起到缓冲作用并有效降低边界效应。

进一步地，加载框架1包括顶板、框架侧板；顶板和框架侧板均为钢制材料；框架侧板包括左框架侧板、右框架侧板、前框架侧板和后框架侧板，且左框架侧板、右框架侧板、前框架侧板和后框架侧板的上端与顶板固定连接，下端与振动台2通过螺栓连接；左框架侧板、右框架侧板、前框架侧板和后框架侧板均与振动台垂直设置；加载框架左右侧板分别与模型箱5左右竖板平行，加载框架顶板与模型箱底板竖直相对，且加载框架顶板尺寸大于模型箱底板尺寸。

进一步地，测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；其中，负荷测量装置包括用于测量上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；优选地，法向负荷测量装置为法向负荷传感器11；侧向负荷测量装置为左侧负荷传感器71、右侧负荷传感器72、前侧负荷传感器73和后侧负荷传感器74。

进一步地，变形测量装置包括用于测量上覆模型顶部变形值的法向变形测量装置、用于测量上覆模型周侧变形值的侧向变形测量装置；优选地，法向变形测量装置包括四个均布设置的法向变形传感器9；侧向变形测量装置包括两个左侧变形传感器81、两个右侧变形传感器82、两个前侧变形传感器83和两个后侧变形传感器84。

进一步地，静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；其中，法向加载装置设置于上覆模型的顶部，且法向加载装置的上端与加载框架的顶板连接；法向加载装置包括法向油缸10、法向垫板12，法向垫板为钢制垫板；法向油缸通过法向垫板施力作用于上覆模型的顶部，并通过设置在法向垫板与法向油缸之间的法向负荷传感器11实时测量垂向负荷。

优选地，法向油缸10设置于加载框架1顶板的中心位置。

进一步地，侧向加载装置设置于上覆模型的周侧，且侧向加载装置远离上覆模型的端部与加载框架的侧板连接；侧向加载装置包括侧向油缸、侧向垫板13，侧向垫板为钢制垫板；侧向油缸通过侧向垫板施力作用于上覆模型的四周侧壁，并通过设置在侧向垫板与侧向油缸之间的侧向负荷传感器实时测量水平负荷。

优选地，侧向油缸包括左侧油缸61、右侧油缸62、前侧油缸63和后侧油缸64，且左侧油缸、右侧油缸、前侧油缸和后侧油缸分别固设于加载框架1左、右、前、后侧板的中心。

优选地，四个法向变形传感器9对称分布在法向油缸10的四周；法向变形传感器的一端通过螺栓装置与加载框架1顶板固定连接，另一端与法向垫板12接触，用于实时测量上覆模型在法向加载作用下的垂向变形。在本发明中，法向垫板与加载框架的相对位移值即为上覆模型的垂向变形值，即法向变形传感器实时记录的是试验过程中法向垫板的相对位移值。

优选地，两个左侧变形传感器81、两个右侧变形传感器82、两个前侧变形传感器83和两个后侧变形传感器84分别对称分布在左侧油缸61、右侧油缸62、前侧油缸63和后侧油缸64的两侧；两个左侧变形传感器、两个右侧变形传感器、两个前侧变形传感器和两个后侧变形传感器的一端分别通过螺栓装置固定连接于加载框架1的左、右、前、后侧板，另一端分别与四个侧向垫板13接触，用于实时测量上覆模型3在侧向加载作用下的水平变形。在本发明中，侧向垫板与加载框架的相对位移值即为上覆模型的水平变形值，即侧向变形传感器实时记录的是试验过程中侧向垫板的相对位移值。

优选地，法向垫板12、侧向垫板13的尺寸相同且均小于上覆模型3；法向垫板的中心与上覆模型的中心竖直相对，且侧向垫板的中心与上覆模型的中心水平相对。在本发明中，通过法向垫板、侧向垫板的设置，可实现上覆模型能够均匀受力。

进一步地，该试验装置还包括数控装置，其通过线缆与法向油缸、法向负荷传感器、法向变形传感器、侧向油缸、侧向负荷传感器、侧向变形传感器、振动台连接，实时收集法向负荷传感器、侧向负荷传感器、法向变形传感器、侧向变形传感器检测的试验过程中上覆模型的负荷值和变形值。

进一步地，根据试验目的和原位地下洞室的几何、物理和力学参数，制作以铁精粉、重晶石粉和石英砂为骨料材料和以水泥、石膏为胶结材料的地下洞室相似材料模型，利用相似理论计算地下洞室模型的几何、物理和力学参数；具体地，原位地下洞室与模型的尺寸、埋深、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、应力、位移等物理力学参数的相似关系均为n，原位地下洞室与模型的密度、加速度、泊松比、内摩擦角、应变、重力加速度等参数的相似关系为1，原位地下洞室与模型的速度、时间等参数的相似关系为n^0.5，原位地下洞室与模型的频率等参数的相似关系为n^-0.5。

优选地，地下洞室相似材料模型中作为骨料材料的铁精粉含量范围为0至40％、重晶石粉含量范围为30％至70％、石英砂含量范围为0至45％，作为胶结材料的水泥含量范围为0至3.5％、石膏含量范围为0至20％；在上述相似材料的含量范围内；当模拟围岩密度较大的原位地下洞室时，可以提高地下洞室模型中的铁精粉和重晶石粉含量并降低石膏含量；当模拟围岩弹性模量和抗压强度较大的原位地下洞室时，可以提高地下洞室模型中的石膏和铁精粉含量并降低重晶石粉含量；当模拟围岩抗剪强度较大的原位地下洞室时，可以提高石膏和水泥含量以增加黏聚力并降低铁精粉和重晶石粉含量以增加内摩擦角。

一种方法，该方法基于模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，包括以下步骤：

步骤s100，通过数控装置预设法向负荷值、第一水平负荷值、第二水平负荷值、地震动负荷值、地震动加载时间值、法向变形阈值及侧向变形阈值；施加地震动负荷时可采用地震动加速度——加载时间、地震动速度——加载时间或地震动位移——加载时间等任一加载控制方式。

步骤s200，通过数控装置控制法向油缸对上覆模型施加垂向负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实垂向地应力环境；

步骤s300，通过数控装置控制前侧油缸、后侧油缸对上覆模型分别施加相同的第一水平负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实较大水平地应力环境；

步骤s400，通过数控装置控制左侧油缸、右侧油缸对上覆模型分别施加相同的第二水平负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实较小水平地应力环境；

步骤s500，通过数控装置控制动载驱动装置对下伏模型施加地震动负荷，通过下伏模型作用于上覆模型，以模拟原位地下洞室的真实地震动情况；

步骤s600，基于法向负荷传感器、侧向负荷传感器、法向变形传感器、侧向变形传感器实时采集的试验过程中上覆模型的负荷值和变形值，数控装置对试验进行实时调控；当地震动加载时间达到预设值、或地下洞室模型的上覆模型的法向变形值达到侧向垫板与上覆模型尺寸之差的二分之一、或上覆模型的单侧变形值达到法向垫板与上覆模型尺寸之差的二分之一时试验停止，导出负荷和变形数据进行分析。

需要说明的是，在上述试验装置的结构设计基础上，根据原位地下洞室的地应力环境和地震动情况，本方法利用相似理论计算地下洞室模型所受的垂向负荷、水平负荷和地震动负荷，获得地下洞室地震动力反应的高仿真模拟试验数据。

进一步地，在本实施例中，步骤s300与步骤s400的前后顺序可根据实际情况灵活设置；根据原位地下洞室轴线与最大主应力宜平行或小角度相交的原则，第一水平负荷为较大水平负荷，以模拟原位地下洞室的真实较大水平地应力环境，第二水平负荷为较小水平负荷，以模拟原位地下洞室的真实较小水平地应力环境。需要说明的是，一般情况下，第一水平负荷值和第二水平负荷值约为1.0～1.5倍的垂向负荷值，如果较大水平负荷值为1.5倍的垂向负荷值，那么较小水平负荷值就约为1.0～1.5倍的垂向负荷值；原位情况下，垂向负荷值一般为地下洞室埋深的0.0278，例如，对于1000m埋深的地下洞室，其垂向负荷值约27.8mpa。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来；本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语均是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位进行构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。