CN106053234B - 一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置及测试方法 - Google Patents

一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置及测试方法，包括基座、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置。本发明可以模拟仰拱结构静动荷载耦合作用，可以模拟基底围岩状况、结构既有损伤，能够真实地模拟隧道仰拱结构实际服役环境和受力特性，具有试验装置结构简单、操作简便等优点。

Description

一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置及测试方法
技术领域
本发明属于隧道模型试验领域，具体涉及一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置及测试方法。
背景技术
隧道底部结构是隧道支护体系的重要组成部分，也是隧道病害发生最为严重的部位之一。许多既有铁路隧道经过一段时间的运营之后，隧道底部结构出现不同程度的开裂、破损、下陷以及翻浆冒泥等现象。隧道底部病害不仅恶化了行车条件，直接危及行车安全，而且常年维修加固耗费巨大，干扰正常运营，严重影响运营效率。随着我国铁路朝着高速化和重载化发展，高速铁路列车运行速度高，对隧道结构冲击力加大，对轨道平顺性要求很高，对隧道结构变形敏感，重载铁路列车轴重大，隧道底部结构承受更大的荷载，会增加底部病害的发生率，高速铁路和重载铁路隧道底部结构病害问题将会越发突出。
在对隧道的现场调查和病害整治中发现，隧道基底围岩膨胀、软化和脱空等是隧道底部结构服役过程中普遍存在的问题，此外，由于施工质量、养护等因素，铁路隧道结构不可避免地存在质量缺陷及初始裂纹等损伤，隧道底部结构承受列车动载反复作用，对质量缺陷、初始损伤敏感。因此，亟需考虑基底状况和初始损伤对铁路隧道底部结构服役性能的影响，开展铁路隧道底部结构动力模型试验。目前，已有一些针对隧道底部结构的动力模型试验，但在现有的模型试验装置中，都是直接将底部结构置于围岩之上，没有考虑底部结构所受的静力作用，而且均从理想状态入手，忽略了底部结构实际赋存环境和服役状况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种受力明确、结构简单、操作方便，并且能考虑基底围岩状况、仰拱所受静力及缺陷损伤的隧道底部结构动力模型试验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案：一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置，包括基座1、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置；
所述围岩模拟结构包括弹簧16和橡胶粒20，所述弹簧16下端固定在基座1上，上端固定在仰拱10上，橡胶粒20分散在弹簧16之间；
所述隧道底部模拟结构包括仰拱10、填充层11及钢轨12，三者从下到上依次固定；
所述静力加载装置包括滑动支座3、U型传力架4、横向千斤顶5、竖向千斤顶6和轴向千斤顶9，所述滑动支座3位于围岩模拟结构两端且其底部固定在基座1上，滑动支座3的侧面设有横向千斤顶5并固定在基座1上；所述U型传力架4固定在滑动支座3上，U型传力架4内设有轴向千斤顶9并与仰拱10的两端相连， U型传力架4上端设有竖向千斤顶6并与基座1相连；
所述动力加载装置包括MTS作动器14和钢梁13，两者设置于钢轨12上。
所述基座1上设有导槽2，滑动支座3固定在导槽2中。
所述U型传力架4通过旋转轴承7固定在滑动支座3上。
所述U型传力架4通过螺栓8固定在仰拱10两端。
所述弹簧16沿模型宽度方向成排分布，下端固定在金属薄片18上，金属薄片18固定在基座1上的卡槽17中，弹簧16上端通过接触板19固定在仰拱10底部。
本发明还涉及根据铁路隧道底部结构动力模型试验装置所进行的测试的方法，包括如下步骤：
a仰拱试件安装：将滑动支座3安装在基座1上的导槽2中，通过旋转轴承7 将U型传力架4固定在滑动支座3上，然后将带有成排弹簧16的金属薄片18安装在基座1上的卡槽17中，并填充橡胶粒20于模型基座1内，然后调节滑动支座3和U型传力架4的位置，将仰拱10安装于U型传力架4内；
b仰拱试件静载施加：通过横向千斤顶5施加轴向力初步固定仰拱10，将轴向千斤顶9置于U型传力架4内，将竖向千斤顶6置于U型传力架4的外侧端和模型基座1之间，利用轴向千斤顶9和竖向千斤顶6分别施加轴向力，然后用螺栓8固定仰拱10；
c仰拱试件动载施加：在仰拱10 上依次安装填充层11、钢轨12、钢梁13和MTS作动器14，启动MTS加载设备即可完成动荷载施加；
d测试：通过设置相应的应变、动位移测试仪器对仰拱10的力学性能进行测试分析或采用声发射仪进行实时测试，待加载一定次数后对仰拱10进行观察裂纹扩展情况与声发射数之间的关系，再继续加载直至破坏或作用次数达到设定循环次数，切片进行电镜扫描，观察其破坏特征。
采用上述技术方案的隧道底部结构动力试验装置及方法，根据相似理论和模型试验需要确定模型基座和底部结构尺寸，制作模型基座和混凝土仰拱试件，通过预制不同分布形态及尺寸的裂缝来模拟仰拱的初始缺陷损伤，基底围岩由弹簧和具有橡胶粒来模拟，弹簧数目及橡胶粒密度按试验要求设定，通过改变弹簧刚度、移去部分弹簧以及改变部分弹簧刚度可模拟不同基底围岩状况。在仰拱端部设置千斤顶来施加仰拱结构静载，在底部结构钢轨上方连接动载分配钢梁和MTS作动器来施加底部结构动载。试验时，采用声发射仪进行实时测试，待加载一定次数后将构件拆下进行观察测量，明确裂纹扩展情况与声发射数之间的关系，再继续加载直至破坏或作用次数达到设定循环次数，切片进行电镜扫描，观察其破坏特征。本发明采用以上的技术方案后，具有的有益效果主要表现在：试验装置结构简单、操作方便，可适用于多种尺寸的模型试验，可以有效模拟隧道底部结构初始裂缝、基底局部空洞及基底围岩软化等基底状况、仰拱所受静力和动力耦合作用，使得隧道底部结构模型试验更加符合实际服役环境和受力状况。试验成果可应用于隧道底部结构服役性能和耐久性研究领域。
本发明的有益效果：本发明结构简单、操作方便，可适用于多种尺寸的模型试验，可以有效模拟隧道底部结构初始裂缝、基底局部空洞及基底围岩软化等基底状况、仰拱所受静力和动力耦合作用，使得隧道底部结构模型试验更加符合实际服役环境和受力状况。
附图说明
图1为本发明的模型试验装置主视图；
图2为滑动支座与模型基座的连接示意图；
图3为弹簧下端结构图；
图4为弹簧两端结构图；
图中各标号：1—基座；2—导槽；3—滑动支座；4—U型传力架；5—横向千斤顶；6—竖向千斤顶；7—旋转轴承；8—螺栓；9—轴向千斤顶；10—仰拱；11—填充层；12—钢轨；13—钢梁；14—MTS作动器；15—预制裂缝；16—弹簧；17—卡槽；18—金属薄片；19—接触板；20—橡胶粒。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示：一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置，包括基座1、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置；
所述围岩模拟结构包括弹簧16和橡胶粒20，用以模拟围岩弹性性能和模拟围岩阻尼性能，所述弹簧16下端固定在基座1上，上端固定在仰拱10上，橡胶粒20分散在弹簧16之间；
所述隧道底部模拟结构包括仰拱10、填充层11及钢轨12，三者从下到上依次固定；
所述静力加载装置包括滑动支座3、U型传力架4、横向千斤顶5、竖向千斤顶6和轴向千斤顶9，所述滑动支座3位于围岩模拟结构两端且其底部固定在基座1上，滑动支座3的侧面设有横向千斤顶5并固定在基座1上；所述U型传力架4固定在滑动支座3上，U型传力架4内设有轴向千斤顶9并与仰拱10的两端相连，U型传力架4上端设有竖向千斤顶6并与基座1相连；本设计的静力加载装置具有水平、竖向和轴向加载功能，可很方便对仰拱10施加不同组合下的静荷载。
所述动力加载装置包括MTS作动器14和钢梁13，两者设置于钢轨12上，MTS作动器14用于对隧道底部模拟结构施加竖向动载，钢梁13用于分配动荷载，以模拟列车反复振动作用。
所述U型传力架4通过旋转轴承7固定在滑动支座3上。
所述U型传力架4通过螺栓8固定在仰拱10两端。
如图2所示：所述基座1上设有导槽2，滑动支座3固定在导槽2中，与基座实现滑动连接。
如图3-4所示所述弹簧16沿模型宽度方向成排分布，下端固定在金属薄片18上，金属薄片18固定在基座1上的卡槽17中，弹簧16上端通过接触板19固定在仰拱10底部。进行试验时金属薄片18整块插入卡槽17内，移除更换弹簧16时，将金属薄片18抽出，更换为具有不同刚度弹簧16或个别弹簧16缺失的金属薄片18以模拟不同基底围岩状况。
根据铁路隧道底部结构动力模型试验装置所进行的测试的方法包括如下步骤：
a仰拱试件安装：将滑动支座3安装在基座1上的导槽2中，通过旋转轴承7 将U型传力架4固定在滑动支座3上，然后将带有成排弹簧16的金属薄片18安装在基座1上的卡槽17中，并填充橡胶粒20于模型基座1内，然后调节滑动支座3和U型传力架4的位置，将仰拱10安装于U型传力架4内；
b仰拱试件静载施加：通过横向千斤顶5施加轴向力初步固定仰拱10，将轴向千斤顶9置于U型传力架4内，将竖向千斤顶6置于U型传力架4的外侧端和模型基座1之间，利用轴向千斤顶9和竖向千斤顶6分别施加轴向力，然后用螺栓8固定仰拱10；
c仰拱试件动载施加：在仰拱10 上依次安装填充层11、钢轨12、钢梁13和MTS作动器14，启动MTS加载设备即可完成动荷载施加；
d测试：通过设置相应的应变、动位移测试仪器对仰拱10的力学性能进行测试分析或采用声发射仪进行实时测试，待加载一定次数后对仰拱10进行观察裂纹扩展情况与声发射数之间的关系，再继续加载直至破坏或作用次数达到设定循环次数，切片进行电镜扫描，观察其破坏特征。
所述仰拱试件静载施加通过调节横向千斤顶5、竖向千斤顶6、轴向千斤顶9实现水平、竖向、轴向静荷载的不同组合。
所述仰拱10通过预制不同方向、尺寸及位置的裂缝15模拟仰拱结构的初始损伤。
所述弹簧16数目及橡胶粒20密度均可根据需要进行调节以模实现不同围岩的弹性性能和阻尼性能。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种铁路隧道底部结构动力模型试验装置，包括基座（1）、基底围岩模拟结构、隧道底部模拟结构、静力加载装置及动力加载装置，其特征在于：
所述围岩模拟结构包括弹簧（16）和橡胶粒（20），所述弹簧（16）下端固定在基座（1）上，上端固定在仰拱（10）上，橡胶粒（20）分散在弹簧（16）之间；
所述隧道底部模拟结构包括仰拱（10）、填充层（11）及钢轨（12），三者从下到上依次固定；
所述静力加载装置包括滑动支座（3）、U型传力架（4）、横向千斤顶（5）、竖向千斤顶（6）和轴向千斤顶（9），所述滑动支座（3）位于围岩模拟结构两端且其底部固定在基座（1）上，所述基座（1）上设有导槽（2），滑动支座（3）固定在导槽（2）中，滑动支座（3）的侧面设有横向千斤顶（5）并固定在基座（1）上；所述U型传力架（4）通过旋转轴承（7）固定在滑动支座（3）上，U型传力架（4）内设有轴向千斤顶（9）并与仰拱（10）的两端相连， U型传力架（4）通过螺栓（8）固定在仰拱（10）两端，U型传力架（4）上端设有竖向千斤顶（6）并与基座（1）相连；
所述动力加载装置包括MTS作动器（14）和钢梁（13），两者设置于钢轨（12）上；
所述弹簧（16）沿模型宽度方向成排分布，下端固定在金属薄片（18）上，金属薄片（18）固定在基座（1）上的卡槽（17）中，弹簧（16）上端通过接触板（19）固定在仰拱（10）底部。
2.根据权利要求1所述的铁路隧道底部结构动力模型试验装置所进行的测试的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（a）仰拱试件安装：将滑动支座（3）安装在基座（1）上的导槽（2）中，通过旋转轴承（7）将U型传力架（4）固定在滑动支座（3）上，然后将带有成排弹簧（16）的金属薄片（18）安装在基座（1）上的卡槽（17）中，并填充橡胶粒（20）于模型基座（1）内，然后调节滑动支座（3）和U型传力架（4）的位置，将仰拱（10）安装于U型传力架（4）内；
（b）仰拱试件静载施加：通过横向千斤顶（5）施加水平力初步固定仰拱（10），将轴向千斤顶（9）置于U型传力架（4）内，将竖向千斤顶（6）置于U型传力架（4）的外侧端和模型基座（1）之间，利用轴向千斤顶（9）和竖向千斤顶（6）分别施加轴向力和竖向力，然后用螺栓（8）固定仰拱（10）；
（c）仰拱试件动载施加：在仰拱（10） 上依次安装填充层（11）、钢轨（12）、钢梁（13）和MTS作动器（14），启动MTS加载设备即可完成动荷载施加；
（d）测试：通过设置相应的应变、动位移测试仪器对仰拱（10）的力学性能进行测试分析或采用声发射仪进行实时测试，待加载一定次数后对仰拱（10）进行观察裂纹扩展情况与声发射数之间的关系，再继续加载直至破坏或作用次数达到设定循环次数，切片进行电镜扫描，观察其破坏特征。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述仰拱试件静载施加通过调节横向千斤顶（5）、竖向千斤顶（6）、轴向千斤顶（9）实现水平、竖向、轴向静荷载的不同组合。
4.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述仰拱（10）通过预制不同方向、尺寸及位置的裂缝（15）模拟仰拱结构的初始损伤。
5.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于：所述弹簧（16）数目及橡胶粒（20）密度均可根据需要进行调节以模拟不同围岩的弹性性能和阻尼性能。
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