一种渗流作用下衬砌结构及围岩的动力响应测试系统

本实用新型涉及土木工程岩土类试验技术领域，特别是一种渗流作用下衬砌结构及围岩的动力响应测试系统。

背景技术：

在城市地铁建设过程中不可避免穿越富水地层，地铁在试运营阶段时会出现列车振动荷载引起的翻浆、冒水等现象。此外在特殊地层中列车振动还会引起地基液化及振陷问题，地下结构将面临振后不均匀沉陷、因地基液化时的上浮以及隧道衬砌因地基液化引起的额外内力而发生破坏等风险。因此,掌握隧道结构的动力响应特性及其对周围土层的影响机理和地层孔隙水的变化规律具有重要意义。采用隧道工程中考虑渗流作用的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与衰减特性进行研究，对地层中孔隙水压变化进行动态分析。

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，研究也主要集中在国外，国内还少有这方面的研究；且对考虑渗流时隧道结构在列车振动作用下的动力特性和地层孔隙水压动态时变特征影响的研究也甚少。

2013年学者w.yang在文献《centrifugeandnumericalmodellingofground-bornevibrationfromanundergroundtunnel》采用了一种隧道衬砌及周围岩土体动力响应特性测试系统,对土体的非均质性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，尺寸大小为490mm×500mm(直径×高)。加载系统主体为电磁激振器,通常由带有线圈的电磁铁铁芯和衔铁组成，将周期变化的电流输入电磁铁线圈，从而在被激件与电磁铁之间产生周期变化的激励力，实现对模型加载。该模型试验系统,还存在以下不足之处:

1、在试验中模拟工况较为单一，不能有效地对不同断面形状、断面大小以及多个隧道等情况进行模拟。

2、在实验中加入的荷载为周期不断变化的正弦扫频荷载，不能真实客观的模拟隧道列车荷载振动时程曲线。

3、在试验中施加的荷载为单点振动荷载，不能够真实有效地反应地铁列车的移动效应。

4、大部分岩土工程的破坏都与水有关，试验却并没有考虑水渗流作用的影响。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要克服上述技术的不足，提供一种能够方便、真实地模拟考虑水的渗流作用时列车振动荷载作用下隧道衬砌结构及其周围地层动力响应特性与振动波沿隧道横向、纵向以及地层深度方向衰减规律以及监测列车振动荷载作用下地层孔隙水压的动态时变特性的渗流作用下衬砌结构及围岩的动力响应测试系统。

为达到上述目的，本实用新型是按照以下技术方案实施的：

一种渗流作用下衬砌结构及围岩的动力响应测试系统，包括模型箱、试验水箱、试验荷载加载系统和动力响应测试系统，所述模型箱为顶部设有开口的立方体结构且模型箱内填充有试验土，模型箱的左右两侧外壁分别固定连接有试验水箱，所述模型箱的内壁设有吸振敷层，贯穿模型箱与试验水箱的侧壁以及模型箱内壁的吸振油基材料开设有若干渗流孔；模型箱的前后两侧内壁之间固定有一个或一个以上的位于试验土内的隧道衬砌模型；所述试验荷载加载系统包括激振器，隧道衬砌模型内固定有一个或一个以上的激振器，所述激振器施加在隧道衬砌模型底部的上端面，激振器顶端固定连接有钢梁；钢梁位于隧道衬砌模型内且钢梁两端贯穿顶端贯穿模型箱的前后两侧壁，通过螺栓与模型箱的前后两侧壁上的钢条固定连接；所述激振器依次与信号放大器、信号发生器、计算机进行连接，所述动力响应测试系统包括与计算机相连的动态力传感器、加速度传感器、孔隙水压力计，所述动态力传感器、加速度传感器、孔隙水压力计埋设于试验土内。

进一步地，所述吸振敷层内表面固定有纱网。

进一步地，所述试验水箱上设有刻度。

进一步地，所述孔隙水压计设置为多个且分布在试验土不同深度内。

进一步地，所述隧道衬砌模型设置为一个以上时其在空间上相互平行分布。

优选地，所述模型箱的内部空间长×宽×高为1500mm×900mm×1350mm。

优选地，所述试验水箱的内部空间长×宽×高为500mm×900mm×1350mm。

本实用新型的工作原理：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电磁激振器，可模拟列车的移动效应，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电磁激振器可以对荷载大小、荷载形式及荷载持续时间进行操控；同时可以根据具体需求，将不同车速列车荷载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，通过激振器将列车荷载加载到隧道结构上,模拟不同车速下的振动荷载对结构的影响。通过调节模型箱左右两侧水箱内的水头差高度保持一致，可分析同一渗流速度下土体土体在不同车速的列车振动荷载下隧道衬砌和土体的动力响应特性和土体中孔隙水压力的变化规律；通过改变模型箱左右两侧水箱内的水头差高度，可以分析不同渗流速度下列车振动荷载对土体中孔隙水压力的变化规律。

与现有技术相比，本实用新型能实现渗流作用下单个隧道或者空间平行的双洞隧道动力响应特性的模拟，适用范围更广，可对隧道结构以及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特性以及衰减规律；多个电磁激振器并行布置可模拟列车振动荷载的移动效应，且加载系统能够对所施加动力荷载的形式、大小准确控制,同时可以根据具体需求，将实测的不同车速列车荷载数据编辑成荷载时程曲线文件，通过软件将列车荷载时程曲线输入,通过激振器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，研究不同车速下列车产生的振动荷载对结构的影响；可调节两水箱的水头差，研究不同渗流速度下列车振动荷载作用下地层孔隙水的变化规律；模型箱的内表面设有减振材料，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、孔隙水压力进行观察测试，深入了解渗流作用下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为本实用新型结构的主视图。

图2为图1的a-a剖面图。

图3为图1的b部局部放大图。

图4为本实用新型隧道衬砌模型的一种结构示意图。

图5为本实用新型隧道衬砌模型的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定实用新型。

实施例1

如图1所示，本实施例的一种渗流作用下衬砌结构及围岩的动力响应测试系统，包括模型箱6、试验水箱7、试验荷载加载系统和动力响应测试系统，所述模型箱6为顶部设有开口的立方体结构且模型箱6内填充有试验土，本实施例中模型箱6的内部空间长×宽×高为1500mm×900mm×1350mm；模型箱6的左右两侧外壁分别固定连接有试验水箱7，本实施例中试验水箱7的内部空间长×宽×高为500mm×900mm×1350mm；所述模型箱6的内壁设有吸振敷层5以克服了边界会出现的振动波反射问题，本实施例中吸振敷层5选用油基材料duxsea；贯穿模型箱6与试验水箱7的侧壁以及模型箱6内壁的吸振油基材料5开设有若干渗流孔11；模型箱6的前后两侧内壁之间固定有一个位于试验土内的隧道衬砌模型1；所述试验荷载加载系统包括激振器2，隧道衬砌模型1内固定有一至三个激振器2，所述激振器2施加在隧道衬砌模型1底部的上端面，激振器2顶端固定连接有钢梁8；钢梁8位于隧道衬砌模型1内且钢梁8两端贯穿顶端贯穿模型箱6的前后两侧壁，通过螺栓9与模型箱6的前后两侧壁上的钢条10固定连接；所述激振器依次与信号放大器、信号发生器、计算机进行连接，激振器可对荷载的形式，大小以及频率进行控制，准确模拟列车振动荷载；所述动力响应测试系统包括与计算机相连的动态力传感器、加速度传感器、孔隙水压力计，所述动态力传感器、加速度传感器、孔隙水压力计埋设于试验土内，孔隙水压计设置为多个且分布在试验土不同深度内。

在一些实施例中，所述吸振敷层5内表面固定有纱网4，用于过滤渗流作用所携带的细土颗粒进入模型箱6内。

在一些实施例中，所述试验水箱7上设有刻度。方便控制试验所需水头的大小，试验可实现对考虑渗流作用下隧道衬砌模型1及其周围地层动力响应特性进行监测。另外，在土体的不同深度埋设孔隙水压计，在振动荷载作用下对土体中孔隙水压力的变化规律进行监测并发送至计算机。

通过激振器2施加在隧道衬砌模型1底部，该激振器2与钢梁8通过螺栓9连接；同时，将该钢梁8通过螺栓9固定在模型箱1外部的钢条10上，从而可以将荷载稳定的传递到隧道衬砌模型1上。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，将不同车速列车荷载的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，经由信号发生器，将数字信号转换为电信号，在经过功率放大器将电信号放大，然后引起激振器2发生激振，作用于隧道模型1底部，动态力传感器、加速度传感器将采集到的信号传递至信号采集仪进行采集，在传回计算器对信号进行处理，对土在渗流作用下的动力响应进行测试分析。

实施例2

实施例1不同的是：试验模型箱6内可以设置一个以上的隧道衬砌模型1，如图4所示为在试验模型箱6内设置了左右平行的两个隧道衬砌模型1；如图5所示为在试验模型箱6内设置了上下平行的两个隧道衬砌模型1；根据几何相似比按照轨道扣件位置在隧道结构底部并行布置多个电磁激振器2，将荷载准确、稳定地传递到隧道结构上，可模拟列车振动荷载的移动效应。

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