CN106338409B - 一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，该装置由模型箱体、轴力组件、侧向约束组件、地层抗力组件组成。能够根据隧道底部结构的受力状态施加各种不同形式的实际力学边界条件，包括轴心受压、偏心受压、侧向约束和围岩压力等，以及模拟隧道底部围岩富水、不均匀软化、局部脱空等实际情况。链接静力或者动力加载***，可以方便的施加外荷载；同时，能够根据实际情况和需要对各组件进行方便地设置和调整。该试验装置解决了现有试验装置无法考虑隧道底部出现软化、空洞等不均匀情况时底部约束的施加难题，实现了对隧道底部结构受力状态的精确试验模拟。

Description

一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置

技术领域

本发明涉及隧道结构室内试验技术领域，特别涉及一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置。

背景技术

随着中国经济的发展以及隧道工程技术的进步，各种隧道工程结构日益增多。由于隧道所处岩土赋存条件复杂、周边环境敏感、使用条件苛刻，结构自身在多因素长期作用下性能不断劣化，部分隧道出现了底部结构破损，翻浆冒泥等现象，严重影响了隧道的运营安全。隧道底部结构试验作为研究隧道底部结构受力特点、性能演化规律以及破坏模式的一种主要手段，其重要性不言而喻。

近年来，针对隧道结构，国内外学者研发了一系列的试验装置。如中国发明公开号CN101131343A公开的隧道衬砌构件高温力学性能试验***，主要用于模拟隧道火灾特点、热边界特点及隧道衬砌结构体系受力特点，研究隧道衬砌结构体系的高温力学性能。中国发明公开号CN101042390A公开的模型二维三维可调的岩土工程物理模拟多功能试验装置，提供了一种即可从二维方向也可从三维方向对测试土壤施加压力以测试土壤力学性能的试验装置。总参工程兵研究三所开发的岩土工程多功能模拟试验装置，利用该装置可对硐室、洞群、边坡和基坑进行平面地质力学模型试验。然而这些试验装置都是从隧道整体结构角度对隧道的受力状态进行研究，无法得到隧道底部结构局部的受力特性及性能演化规律，目前国内外还没有针对隧道底部结构的专门试验装置。

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，对于隧道底部结构而言，当底部出现围岩局部软化或者出现空洞时，隧底结构的底面显而易见处于一种非均匀受力状态，现有的三轴试验***无法模拟隧道底部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整体试验装置以及构件试验装置均不能很好的模拟隧道底部结构的实际受力状态，因此，研制一种新型的能较为精确的模拟隧道底部结构受力状态的室内试验装置已为急需。

发明内容

为了解决目前既有的隧道整体试验装置以及构件试验装置均不能很好的模拟隧道底部结构的实际受力状态的技术问题，本发明提供一种可精确模拟隧道底部结构受力边界的隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，包括模型箱体、轴力组件、侧向约束组件和地层抗力组件，试验试件设置于模型箱体内，所述的轴力组件左右对称地布置在试验试件的轴向两侧并对试验试件施加轴向力，侧向约束组件前后对称地布置在试验试件的侧向两侧并对试验试件施加侧向力，地层抗力组件包括设置于试验试件底部的填充材料以及布置于填充材料上部两侧的千斤顶组件。

所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，所述的轴力组件包括两个相同的轴力子组件，所述的两个轴力子组件分别设置于试验试件轴向的两端，轴力子组件包括一个轴力顶进螺栓、一个轴力弹簧和两块轴力钢板，两块轴力钢板分别固定在弹簧两侧，轴力顶进螺栓旋于模型箱预留的轴力螺栓孔上并顶住其中一块轴力钢板，另一块轴力钢板顶住试验试件的端部。

所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，所述的侧向约束组件包括四个相同的侧向约束子组件，所述的四个侧向约束子组件以试验试件的轴线为对称轴，两两对称的设置于试验试件侧向的两侧，每个子组件包括一个侧向顶进螺栓和一个侧向钢板，侧向顶进螺栓通过模型箱预留的螺栓孔顶住侧向钢板作用在试验试件上。

所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，所述的千斤顶组件包括两个千斤顶子组件和一个盖板，每个千斤顶子组件包括两根反力杆、一根反力梁、一个千斤顶和一个支架，所述的两根反力杆对称固定于模型箱体的两侧，反力梁的两端分别固定于两根反力杆上，千斤顶的上端顶住反力梁中部，下端置于支架上，支架置于盖板上，盖板覆盖于填充材料上并将力传递给充材料。

所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，所述的模型箱体的外壁和顶部分别设有加劲条，所述的外壁的加劲条垂直于外壁表面向外延展设置，所述的顶部加劲条平行于模型箱体底面向外延展设置。

所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，所述的螺栓孔为长条状螺栓孔。

所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，所述的填充材料为模拟围岩材料或局部填充软化物质的模拟围岩材料。

本发明的技术效果在于：

(1)通过在模型箱设置“条形”孔位，可以方便地调整试件与所述的轴力组件作用点的相对位置，控制试件轴向受压的偏心大小，体现了隧道结构偏心受压的受力特点，解决了既有的隧道结构试验装置难以施加轴向偏心荷载的难题。

(2)既有的结构试验装置只能在不同方向上施加不均匀围压，而在某个单一方向上只能施加均匀围压；本发明建立的试验装置在试件底部方向上也能够施加不均匀围压，从而能够更为准确的模拟隧道底部在不同接触状态下的力学特性，特别是解决了现有试验装置不能对隧道基底富水、不均匀性软化和脱空条件进行试验的问题。

综上所述，本发明提供了一种能够施加各种隧道底部结构力学边界条件的试验装置，并且能够根据实际情况和需要对各组件进行方便地设置和调整，使得花费较小的经济代价即可研究绝大多数隧道底部结构的力学规律。

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步的说明。

附图说明

图1为为本发明试验装置立体图；

图2为本发明试验装置正视图；

图3为本发明试验装置侧视图；

图4为本发明试验装置俯视图；

图5为本发明试验装置内部设置图1；

图6为本发明试验装置内部设置图2；

图7为本发明试验装置分解图；

其中：1为反力梁；2为千斤顶；3为反力杆；4为支架；5为轴力顶进螺栓；6为轴力弹簧；7为轴力钢板；8为侧向顶进螺栓、9为模型箱体、10为长条状螺栓孔、11为钢盖板、12为填充围岩材料、13为试件、14为传感器、15为外荷载。

具体实施方式

本发明由模型箱体、轴力组件、侧向约束组件、地层抗力组件组成。轴力组件左右对称地布置在试验试件的轴向两侧；侧向约束组件前后对称地布置在试验试件的侧向两侧；通过轴力及侧向约束组件作用点位置的调整，可模拟试件轴心受压、偏心受压、侧向约束等不同受力状态。地层抗力组件由试件底部的填充材料以及布置于填充材料上部两侧的千斤顶组件组成；通过千斤顶不同压力的施加可模拟不同埋深围岩压力；通过在试件底部填充不同的材料，可以模拟隧道底部围岩富水、软化或局部脱空等实际情况。通过加载外部静力或者动力加载***，向下施以压力，可以方便施加外荷载，对隧道底部结构进行静动力特性试验。

模型箱体内壁光滑；外壁做加劲处理，保证箱体强度，在设计位置预留轴力螺栓和侧向约束螺栓“条形”孔位，以便于约束螺栓位置的调整，从而实现施加偏心受压荷载的施加；底板和顶部加劲条均匀分布于四周外延，预留通丝螺杆孔位。

轴力组件包括两个子组件，每个子组件由一个顶进螺栓、一个轴力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预留的螺栓孔顶住其中一侧，另一侧顶住试件进行施压。在试验中，通过调整已标定弹簧的压缩量控制轴力的大小以及调整试件与轴力组件作用点的相对位置控制试件轴向受压的偏心大小。两个子组件对称地布置在试件的轴向两侧。

侧向约束组件包括四个子组件，每个子组件由一个顶进螺栓和一个小钢板组成，顶进螺栓通过模型箱预留的螺栓孔顶住小钢板作用在试件上进行侧向约束。各组件对称地布置在试件的侧向两侧。

地层抗力组件包括千斤顶组件及围岩材料模拟组件，千斤顶组件包括两个子组件，每个子组件由两根反力杆、一根反力梁、一个数显千斤顶组成、一个支架组成。数显千斤顶上面顶住反力梁中部，下面置于支架上，支架置于盖板上，将力传递给围岩材料，进而作用在试件底部填充材料上，通过数显千斤顶显示的数值进行简单的面积换算可以控制围岩压力的大小。

围岩材料根据实际工程的围岩性质进行实验室制备或者直接填充工程围岩材料，在围岩材料中埋置土压力盒还可以更精确地控制围岩压力的数值大小。通过在试件底部局部填充软化物质(如泡沫等)，模拟隧道底部围岩局部脱空、软化或不均匀性等实际受力情况；通过加水可模拟隧道底部的富水状态；在围岩材料中埋置电阻应变式孔隙水压计还可以得到外加动荷载作用下的超孔隙水压。

地层抗力组件和轴力组件需要在试验前通过规范或者数值计算方法确定，其中数显千斤顶和轴力弹簧需要根据实际情况选择并标定。试验装置具体的实施流程为：

(1)试件13在试验前根据实际情况制作好并安装力学传感器(应变计、加速度计、压电传感器等)，放置于合适位置留待使用。

(2)围岩材料12根据工程实际在实验室中制备或者直接填充工程土体，在填充的围岩层中，可以埋设土压力盒以更精确地控制围岩压力；局部换填泡沫等材料以模拟隧道基底脱空、软化与不均匀性；埋设电阻应变式的孔隙水压计以研究静、动力外荷载作用下的超孔隙水压力。确定好围岩材料12，埋设好传感器后，将之置于模型箱体9，盖上钢盖板11(见图7)。

(3)参见附图1、5、6和7，在钢盖板11的孔位上安装试件13，并置于加载设备上，随后先安装轴力组件，然后放置千斤顶支架4，将数显千斤顶2放置于支架上，最后安装侧向约束组件。各组件安装就位后开始施加力学边界(围岩压力在数显千斤顶2上通过手动加力杆缓慢施加至设计数值；轴力通过压缩标定好的轴力弹簧6至设计压缩量，轴力偏心通过“条形孔10”调整试件与轴力组件作用点的相对位置进行设定)，模拟出和隧道结构尽可能相似的力学环境，实施过程见图7。

(4)根据课题研究内容的不同可以将装置置于静力加载***(如万能试验机等)研究隧道结构的静力力学性能演化规律；将装置置于动力加载***(如MTS液压伺服加载***等)研究隧道结构的动力力学性能演化规律；并可以通过力学边界的设置与调整，研究相应影响因素的影响规律以及敏感性。

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 (6)

1.一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，其特征在于，包括模型箱体、轴力组件、侧向约束组件和地层抗力组件，试验试件设置于模型箱体内，所述的轴力组件左右对称地布置在试验试件的轴向两侧并对试验试件施加轴向力，侧向约束组件前后对称地布置在试验试件的侧向两侧并对试验试件施加侧向力，地层抗力组件包括设置于试验试件底部的填充材料以及布置于填充材料上部两侧的千斤顶组件；

所述的千斤顶组件包括两个千斤顶子组件和一个盖板，每个千斤顶子组件包括两根反力杆、一根反力梁、一个千斤顶和一个支架，所述的两根反力杆对称固定于模型箱体的两侧，反力梁的两端分别固定于两根反力杆上，千斤顶的上端顶住反力梁中部，下端置于支架上，支架置于盖板上，盖板覆盖于填充材料上并将力传递给填充材料，盖板上设有用于安装试件的孔位。

2.根据权利要求1所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，其特征在于，所述的轴力组件包括两个相同的轴力子组件，所述的两个轴力子组件分别设置于试验试件轴向的两端，轴力子组件包括一个轴力顶进螺栓、一个轴力弹簧和两块轴力钢板，两块轴力钢板分别固定在轴力弹簧两侧，轴力顶进螺栓旋于模型箱预留的轴力螺栓孔上并顶住其中一块轴力钢板，另一块轴力钢板顶住试验试件的端部。

3.根据权利要求1所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，其特征在于，所述的侧向约束组件包括四个相同的侧向约束子组件，所述的四个侧向约束子组件以试验试件的轴线为对称轴，两两对称的设置于试验试件侧向的两侧，每个子组件包括一个侧向顶进螺栓和一个侧向钢板，侧向顶进螺栓通过模型箱预留的螺栓孔顶住侧向钢板作用在试验试件上。

4.根据权利要求1所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，其特征在于，所述的模型箱体的外壁和顶部分别设有加劲条，所述的外壁的加劲条垂直于外壁表面向外延展设置，所述的顶部加劲条平行于模型箱体底面向外延展设置。

5.根据权利要求2或3所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，其特征在于，所述的螺栓孔为长条状螺栓孔。

6.根据权利要求1所述的一种隧道底部结构受力状态精确模拟室内试验装置，其特征在于，所述的填充材料为模拟围岩材料或局部填充软化物质的模拟围岩材料。