CN106289845B - 一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置及方法，该装置由模型箱体、侧向盖板、侧向约束组件、地层抗力组件、加力架、模型支架组成。在隧道纵向均匀布置侧向约束组件以模拟隧道“平面应变”力学状态；在隧道周围密布地层抗力组件以模拟隧道与围岩之间的相互作用；动力加载***通过加力架在轨道上施加循环荷载以模拟列车循环荷载；同时，通过对地层抗力组件的设置可以方便地将围岩和隧道结构之间脱空与软化接触状态进行定量化。该试验装置适用于各种形式的隧道结构，解决了现有试验装置无法定量化研究隧道围岩脱空与软化对结构安全性影响的难题。

Description

一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道结构室内试验技术领域，特别涉及一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置及方法。

背景技术

由于隧道技术、工法、地层条件等原因，几乎所有的隧道都存在不同程度脱空与围岩软化的问题。脱空与软化将严重影响衬砌与围岩间的相互作用，导致衬砌结构局部产生应力不均匀甚至应力集中现象，严重时会致使衬砌混凝土开裂，引起渗漏水、冻害和钢筋锈蚀等一系列危害，还可能诱发围岩松弛或失稳脱落，发生突发性崩塌事故，对交通质量和人员生命安全构成严重威胁。因此，对存在脱空与软化的隧道结构开展深入的试验研究具有重要意义。

目前，对于隧道结构与围岩存在脱空与软化的专利集中于隧道结构背后脱空的检测与整治，如中国发明公开号CN105044217A公开的隧道脱空探测头、隧道脱空检测仪及检测隧道脱空的方法，通过对隧道二衬砌表面进行锤击，激励隧道二衬混凝土产生声波，通过拾取振动波形的声学特征来判定隧道二衬是否脱空及脱空程度，并设计了相应的隧道脱空检测仪以及检测方法。中国发明公开号CN203488189U公开的用于脱空整治的隧道结构，通过背后注浆填充脱空空洞后，环向钢带与衬砌结合构成新的支护结构，提供隧道结构的安全储备、承受后期围岩压力。

而对于隧道结构与围岩存在脱空与软化的研究手段主要基于荷载-结构法和地层-结构法进行数值模拟，少数针对脱空的情况进行了试验研究，如李明等人进行的“隧道背后空洞健康判据试验研究”，基于研究衬砌背后空洞单项指标判据出发，结合实例采用室内大比例尺模型试验，采用人为预留空洞的方式，分析了衬砌背后存在不同尺寸空洞时结构的承载力大小变化、病害产生形式和变化规律。C.Leung和M.A.Meguid进行的“既有隧道衬砌背后脱空对围岩压力分布影响的试验研究”，设计了一种可调动的隧道模型装置，通过一个可伸缩的窗口设置不同的脱空位置与脱空范围，并安装了相应的传感器，测试了接触压力的变化。

针对构件试验，目前国内外一种主要的试验方法是采用三轴试验机。该试验机具有一个轴向应力σ₁施加***，两个水平方向的应力σ₂和σ₃的侧向应力施加***，分别由独立的液压***进行控制，可以实现三向不等压加载的功能。然而该试验***在某个单一方向上只能实现均匀加载，对于隧道结构而言，当出现围岩局部软化或者脱空时，隧底结构与围岩的接触面显而易见处于一种非均匀受力状态，现有的三轴试验***无法模拟隧道结构这种实际的受力状态。

总体来说，目前国内外既有的隧道结构试验装置以及构件试验装置均不能将脱空和软化的情况进行定量化，因此，研制一种能够定量化研究隧道结构与围岩之间脱空和软化实际情况的试验装置已为急需。

发明内容

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能够将脱空、软化的实际情况进行定量化以研究隧道结构与围岩在不同接触状态下的动力学特性及其对隧道结构安全性的影响的试验装置，能适应各种隧道结构形式及各种脱空与软化接触条件(包括其位置、范围、形状和各种组合形式)，结构明了，操作简单。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，包括中空的模型箱体和多个地层抗力组件，所述的模型箱体内设有筒状的隧道模型，所述的地层抗力组件环绕模型箱体设置，地层抗力组件包括一个顶进螺栓、一个弹簧和两块垫板，所述的顶进螺栓通过模型箱体侧壁上的螺孔旋入至模型箱体内，所述的两块垫板分别接触隧道模型和顶进螺栓，且弹簧设置于两块垫板之间。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，还包括侧向盖板，所述的侧向盖板设置于模型箱体上沿隧道模型轴向方向的两端，并通过合页设置于模型箱体上。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，所述的侧向盖板上设有多个环绕隧道模型设置的侧向约束组件，所述的侧向约束组件包括一个调整螺栓、一块定位板和两个螺母，侧向盖板上沿隧道模型径向方向设有与侧向约束组件数量相同的长条孔，调整螺栓旋入长条孔内并顶住定位板于隧道模型的侧面上，所述的两个螺母分别从侧向盖板内外两侧旋在调整螺栓上以固定调整螺栓。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，还包括加力架、轨道板和模拟地基，所述的加力架包括竖直设置的传力件和水平设置的加压件，所述的模拟地基设置于隧道模型下部，所述的传力件一端伸出至模型箱体外并连接外部压力装置，另一端连接加压件，所述的加压件底部接触模拟地基。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，所述的模拟地基上设有模拟轨道，所述的加压件通过模拟轨道对模拟地基进行加压。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，所述的传力件为π字型支架，上端水平部分连接外部压力装置，下端竖直部分连接加压件，所述的加压件为水平设置的矩形支架，其中相对的两边分别连接传力件的竖直部分，另两边接触模拟轨道。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，还包括安装隧道模型时使用的隧道模型支撑架，所述的隧道模型支撑架包括多个支撑杆、通丝螺杆、两个支撑螺母和两组伸缩杆，所述的两组伸缩杆沿隧道模型轴向分别固定于隧道模型两端，通丝螺杆两端分别连接两组伸缩杆的顶端并处于隧道模型内，所述的支撑螺母旋在通丝螺杆上，所述的支撑杆每两个为一组，一端通过铰接头连接并支撑在隧道模型内壁上，另一端分别铰接在两个支撑螺母上。

一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验方法，采用上述装置，包括以下步骤：

步骤1：制作隧道模型，并在隧道模型上安装力学传感器；

步骤2：安装隧道模型并加载地层抗力组件和侧向约束组件，通过压缩地层抗力组件中的弹簧至指定压缩量进行施加模拟的围岩压力，然后根据隧道模型的形状和大小，通过长条孔调整侧向约束组件的位置，对隧道模型施加侧向约束，以满足隧道结构平面应变力学状态；

步骤3：设置加力架、轨道板和模拟地基，并通过外部压力装置对隧道模型施加循环动荷载以模拟列车循环荷载；

步骤4：通过力学传感器监控隧道模型状态并进行记录以进行相应试验计算。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验方法，所述的步骤2中，在加载地层抗力组件和侧向约束组件之前，首先通过隧道模型支撑架定位隧道模型在装置中的相对位置。

所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验方法，步骤2中，根据需要来去除相应位置的地层抗力组件以模拟不同的围岩脱空范围与形状情况，通过调整相应位置弹簧刚度以模拟围岩软化的范围与形状情况。

本发明的技术效果在于，(1)通过在模型箱侧面设置长条孔，可以方便地调整侧向约束组件的位置以适应不同隧道模型的形状和大小，对各种形式的隧道结构均有良好的适用性。

(2)通过调整和设置地层抗力组件，能够方便地将隧道与围岩之间脱空与软化的实际情况进行定量化，从而更为准确地模拟隧道结构与围岩在不同接触状态下的力学特性，特别是对于探究脱空与软化对隧道结构安全性影响规律方面具有显著的优越性。

综上所述，本发明提供了一种能够施加各种隧道结构形式力学边界条件的试验装置，并且能够根据实际情况和研究需要将脱空和软化进行定量化，继而研究隧道结构与围岩在不同接触状态下的动力学特性及其对结构安全性的影响。

附图说明

图1为为本发明试验装置三维立体示意图；

图2为本发明试验装置正视图；

图3为本发明试验装置模型支撑架示意图；

图4为本发明试验装置加力架示意图；

其中1为外部压力装置；2为加力架；3为模型箱体；4为侧向盖板；5为条形孔；6为合页；7为模拟地基；8为侧向约束组件；9为地层抗力组件；10为隧道模型；11为循环动荷载；12为模拟轨道；13为支撑杆；14为通丝螺杆；15为伸缩杆；16为铰接头；17为支撑螺母。

具体实施方式

本实施例包括中空的模型箱体和多个地层抗力组件，模型箱体内设有筒状的隧道模型，地层抗力组件环绕模型箱体设置，地层抗力组件包括一个顶进螺栓、一个弹簧和两块垫板，顶进螺栓通过模型箱体侧壁上的螺孔旋入至模型箱体内，两块垫板分别接触隧道模型和顶进螺栓，且弹簧设置于两块垫板之间。

为了起到稳定隧道模型的作用，本实施例还包括侧向盖板，侧向盖板设置于模型箱体上沿隧道模型轴向方向的两端，并通过合页设置于模型箱体上。

为了对隧道模型施以轴向力，侧向盖板上设有多个环绕隧道模型设置的侧向约束组件，侧向约束组件包括一个调整螺栓、一块定位板和两个螺母，侧向盖板上沿隧道模型径向方向设有与侧向约束组件数量相同的长条孔，调整螺栓旋入长条孔内并顶住定位板于隧道模型的侧面上，两个螺母分别从侧向盖板内外两侧旋在调整螺栓上以固定调整螺栓。

为了模拟隧道内车辆通过所产生的压力，本实施例还包括加力架、轨道板和模拟地基，加力架包括竖直设置的传力件和水平设置的加压件，模拟地基设置于隧道模型下部，传力件一端伸出至模型箱体外并连接外部压力装置，另一端连接加压件，加压件底部接触模拟地基。

其中模拟地基上设有模拟轨道，加压件通过模拟轨道对模拟地基进行加压。

为了便于设置使用，本实施例的传力件为π字型支架，上端水平部分连接外部压力装置，下端竖直部分连接加压件，加压件为水平设置的矩形支架，其中相对的两边分别连接传力件的竖直部分，另两边接触模拟轨道。

为了便于将隧道模型安装至模型箱体内，本实施例还包括安装隧道模型时使用的隧道模型支撑架，隧道模型支撑架包括多个支撑杆、通丝螺杆、两个支撑螺母和两组伸缩杆，两组伸缩杆沿隧道模型轴向分别固定于隧道模型两端，通丝螺杆两端分别连接两组伸缩杆的顶端并处于隧道模型内，支撑螺母旋在通丝螺杆上，支撑杆每两个为一组，一端通过铰接头连接并支撑在隧道模型内壁上，另一端分别铰接在两个支撑螺母上，在安装完毕后，即可撤走隧道模型支撑架。

参见图1、图2，本实施例由模型箱体、侧向盖板、侧向约束组件、地层抗力组件、加力架、模型支架组成。在隧道纵向均匀布置侧向约束组件以模拟隧道“平面应变”力学状态；在隧道周围密布地层抗力组件以模拟隧道与围岩之间的相互作用；动力加载***通过加力架在轨道上施加循环荷载以模拟列车循环荷载；同时，通过对地层抗力组件的设置将围岩和隧道结构之间的脱空与软化接触状态定量化。

模型箱体在相应位置预留螺栓孔位，以安装地层抗力组件；根据实际需要设置箱体钢板厚度，保证箱体强度，控制加载时的变形。

侧向盖板预留长条孔，以灵活安装侧向约束组件；根据实际需要设置侧盖钢板厚度，保证强度，控制加侧向约束时的变形；通过合页安装在模型箱体上，做成翻盖式的结构，方便隧道模型的安装与侧向约束的施加。

地层抗力组件由多个子组件构成，密布在模型箱体周围，每个子组件由一个顶进螺栓、一个标定的弹簧和两块小钢板组成，两块小钢板分别固定在弹簧两侧，顶进螺栓通过模型箱体预留的螺栓孔顶住其中一侧，另一侧顶住隧道模型，压缩弹簧至指定压缩量后用螺帽进行锚固。

侧向约束组件由多个子组件构成，均匀地布置在隧道模型纵向方向，每个子组件由一个顶进螺栓和一个小钢板组成，顶进螺栓通过侧向盖板预留的长条孔顶住小钢板作用在隧道模型上，并用两个螺帽进行锚固。

参见图3，支撑架由支撑杆、通丝螺杆和伸缩杆组成，支撑杆与支撑杆之间设置铰接头，通丝螺杆与支撑杆之间设置活动接头，结构形式类似于“雨伞骨架”，能够灵活地收放。将隧道模型支撑好后同样利用螺帽对支撑架活动接头进行锚固。

参见图4，加力架由实心钢棒焊接而成，放置在钢轨上，动力试验***通过加力架对隧道模型施加循环动荷载以模拟列车循环荷载。

在实际使用时，本实施例的实施流程为：

在试验前根据实际情况制作好隧道模型并安装力学传感器，力学传感器包括应变计、加速度计、压电传感器等。

在装置中安装隧道模型并置于外部压力装置上，利用模型支撑架固定隧道模型的空间位置。

将隧道模型固定后方可施加力学边界，模拟出和隧道结构尽可能相似的力学环境。围岩压力在地层抗力组件上通过压缩标定好的抗力弹簧至指定压缩量进行施加；进而，根据隧道模型的形状和大小，通过“条形孔”调整侧向约束组件的位置施加模型侧向约束，以满足隧道结构“平面应变”力学状态。

根据工程的检测结果或者研究角度，去除相应位置的地层抗力组件以模拟脱空的情况，去除个数与去除位置可以模拟出脱空的范围与形状；通过调整相应位置弹簧刚度可以模拟围岩软化的情况，调整的弹簧刚度范围与位置可以模拟出围岩软化的范围与形状，甚至可以同时模拟多种软化的情况。脱空与软化可以同时存在，并可以方便地进行定量分析。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质和原理下所做的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，包含在本发明的法律保护范畴内。

Claims (8)

1.一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，其特征在于：包括中空的模型箱体和多个地层抗力组件，所述的模型箱体内设有筒状的隧道模型，所述的地层抗力组件环绕模型箱体设置，地层抗力组件包括一个顶进螺栓、一个弹簧和两块垫板，所述的顶进螺栓通过模型箱体侧壁上的螺孔旋入至模型箱体内，所述的两块垫板分别接触隧道模型和顶进螺栓，且弹簧设置于两块垫板之间；

还包括侧向盖板，所述的侧向盖板设置于模型箱体上沿隧道模型轴向方向的两端，并通过合页设置于模型箱体上；

还包括加力架、轨道板和模拟地基，所述的加力架包括竖直设置的传力件和水平设置的加压件，所述的模拟地基设置于隧道模型下部，所述的传力件一端伸出至模型箱体外并连接外部压力装置，另一端连接加压件，所述的加压件底部接触模拟地基。

2.根据权利要求1所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，其特征在于：所述的侧向盖板上设有多个环绕隧道模型设置的侧向约束组件，所述的侧向约束组件包括一个调整螺栓、一块定位板和两个螺母，侧向盖板上沿隧道模型径向方向设有与侧向约束组件数量相同的长条孔，调整螺栓旋入长条孔内并顶住定位板于隧道模型的侧面上，所述的两个螺母分别从侧向盖板内外两侧旋在调整螺栓上以固定调整螺栓。

3.根据权利要求1所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，其特征在于：所述的模拟地基上设有模拟轨道，所述的加压件通过模拟轨道对模拟地基进行加压。

4.根据权利要求3所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，其特征在于：所述的传力件为π字型支架，上端水平部分连接外部压力装置，下端竖直部分连接加压件，所述的加压件为水平设置的矩形支架，其中相对的两边分别连接传力件的竖直部分，另两边接触模拟轨道。

5.根据权利要求1所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验装置，其特征在于：还包括安装隧道模型时使用的隧道模型支撑架，所述的隧道模型支撑架包括多个支撑杆、通丝螺杆、两个支撑螺母和两组伸缩杆，所述的两组伸缩杆沿隧道模型轴向分别固定于隧道模型两端，通丝螺杆两端分别连接两组伸缩杆的顶端并处于隧道模型内，所述的支撑螺母旋在通丝螺杆上，所述的支撑杆每两个为一组，一端通过铰接头连接并支撑在隧道模型内壁上，另一端分别铰接在两个支撑螺母上。

6.一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的装置，包括以下步骤：

步骤1：制作隧道模型，并在隧道模型上安装力学传感器；

步骤2：安装隧道模型并加载地层抗力组件和侧向约束组件，通过压缩地层抗力组件中的弹簧至指定压缩量进行施加模拟的围岩压力，然后根据隧道模型的形状和大小，通过长条孔调整侧向约束组件的位置，对隧道模型施加侧向约束，以满足隧道结构平面应变力学状态；

步骤3：设置加力架、轨道板和模拟地基，并通过外部压力装置对隧道模型施加循环动荷载以模拟列车循环荷载；

步骤4：通过力学传感器监控隧道模型状态并进行记录以进行相应试验计算。

7.根据权利要求6所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验方法，其特征在于：所述的步骤2中，在加载地层抗力组件和侧向约束组件之前，首先通过隧道模型支撑架定位隧道模型在装置中的相对位置。

8.根据权利要求6所述的一种定量化研究隧道围岩脱空与软化的动力试验方法，其特征在于：步骤2中，根据需要来去除相应位置的地层抗力组件以模拟不同的围岩脱空范围与形状情况，通过调整相应位置弹簧刚度以模拟围岩软化的范围与形状情况。