CN106706266A - 一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，包括模型箱、隧道及支撑系统和量测系统。模型箱包括模型箱底板、角钢、模型箱右侧板、模型箱左侧转动板、模型箱背面板、钢化玻璃和有机玻璃板。支撑系统包括支撑叉子、支撑管和支撑底座。量测系统包括应变片、涌水量箱以及孔压计；应变片粘贴在隧道外表面，用于测量隧道变形；涌水量箱用于测量隧道涌水量；孔压计固定在传感器固定支架上，用于测量海床孔隙水压。本发明可模拟在不同隧道埋深、开挖半径以及衬砌厚度等条件下，海底隧道周围海床孔隙水压力响应。本发明能为波浪荷载作用下海底隧道动态响应问题研究提供有效的试验数据支持，并对理论分析提供帮助。

Description

一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置

技术领域

本发明涉及一种海底隧道工程中孔隙水压力、隧道应变和隧道涌水量测量的试验装置，特别是涉及波浪要素变化的海底隧道周围海床土压力以及孔隙水压力响应的模型试验装置，可用于量测不同隧道埋置深度、隧道开挖半径、衬砌厚度等情况下海底隧道周围海床孔隙水压力值。

背景技术

随着沿海城市发展，城市内以及不同城市间的联系越来越频繁，原有的陆路交通已经远远无法满足社会需求。相对于跨海大桥，海底隧道的建设对于航运、海洋环境等方面的影响小很多，而且不受天气条件的影响。在我国已经建成通车的海底隧道有位于厦门的翔安海底隧道，位于青岛的胶州湾海底隧道，以及正处在建设当中的港珠澳大桥海底隧道段。在可预见的未来内还包括琼州海峡海底隧道，渤海湾海底隧道，甚至台湾海峡海底隧道。随着越来越多的海底隊道工程投入建设,相关的研究工作受到了科研人员的高度重视。与陆地水下隧道相比，海底盾构隧道位于复杂的海洋环境中，其水深可从几米到上百米之间变化，而且经受长期循环的小波浪或短期强风暴潮等动水作用，已有研究认为，波浪、潮波循环作用下海床土体的主应力轴发生连续旋转，并可能伴随孔隙水压力累积现象。对于高水压条件下的隧道工程，作用于衬砌支护结构上的水压力占总压力的很大部分，是影响隧道衬砌结构受力与稳定的主要因素。海底隧道在长期运营过程中，更需经受高水头、长期小波浪或短期强风暴潮等循环作用，实际工程中为释放高水压力，通常允许海底隧道具有一定的涌水量，在涌水渗透力的作用下又将改变海底隧道周边土体的应力场和渗流场，故强透水地层中的海底隧道周围的渗流场和土体应力场极为复杂。但是我国现有的临海工程设计中,为设计方便，仅考虑了波浪直接传递给海床及建(构)筑物的荷载,而未考虑波浪作用下海床内的孔隙水压力对工程受力和变形的影响。这使得海底隧道设计与实际情况相比可能趋于保守而使得项目建设费用高昂，也可能因为忽略了孔压累积的作用而使得工程存在安全隐患。

发明内容

为了克服已有海底隧道设计上的不足，本发明提供了可以模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，实现了在不同波浪要素作用下，通过控制不同隧道埋置深度、不同开挖半径、不同衬砌厚度，研究海底隧道周围海床孔隙水压力响应规律。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，该装置置于波浪槽中进行试验，该装置包括模型箱、隧道及其支撑系统、量测系统三个部分；所述模型箱由模型箱底板、四条角钢、模型箱左侧转动板、钢化玻璃、模型箱背面板、模型箱右侧板和有机玻璃板组成；所述模型箱底板和四条角钢焊接形成模型箱框架；所述模型箱右侧板和模型箱背面板均由铁板制成并焊接到模型箱框架上；所述模型箱右侧板底部开有出水口，用以加快土体固结；所述模型箱背面板中间位置有矩形开口，用于放置有机玻璃板；所述有机玻璃板中央开有圆形孔洞，孔洞半径和隧道外半径一致，用于安放隧道；所述钢化玻璃位于模型箱正面，并和模型箱框架通过结构胶粘接；所述模型箱左侧转动板由铁板制成，通过位于模型箱左侧转动板右侧的转子A和位于模型箱框架的角钢上的转子B连接，从而达到可以自由转动的目的，通过位于模型箱左侧转动板左侧的插销A和位于模型箱框架的角钢上的插销B以及插条固定；所述隧道由石膏、硅藻土以及水浇筑养护而成，安放在支撑系统上；所述支撑系统由支撑叉子、支撑管以及支撑底座组成；所述量测系统包括第一孔压传感装置、两个第二孔压传感装置、应变片、涌水量箱和浪高仪；所述第一孔压传感装置由第一传感器固定支架和固定在第一传感器固定支架上的第一孔压传感器组成；所述第二孔压传感装置由第二传感器固定支架和固定在第二传感器固定支架上的第二孔压传感器组成；所述第一孔压传感装置位于模型箱中央的隧道下方，两个第二孔压传感器装置分别位于模型箱内的隧道两侧；所述应变片两两一组，共四组，每组的两个应变片呈T字形排布，四组沿隧道外表面环向等间距排布，用于测量隧道应变；所述涌水量箱由涌水量箱主体、第三孔压传感器和连接口组成；所述涌水量箱主体由五块塑料板构成，利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板上；所述涌水量箱底部开有连接口，用于连接水管，底部放置第三孔压传感器，用于测量水位高度；所述浪高仪悬挂在模型箱上方的水域内，用于量测波浪高度。

进一步地，所述第一传感器固定支架和第二传感器固定支架由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央，所述第一传感器固定支架和第二传感器固定支架上车有用于安装孔压传感器的凹槽。

进一步地，所述转子A为一圆柱形钢条焊接在模型箱左侧转动板上，转子B焊接在模型箱框架的角钢上，为一棱柱体钢块，内部车出一圆柱体孔洞，圆柱体孔洞大于转子A，用于安放转子A。

进一步地，所述插销A和插销B均为一钢块，内部车去相同大小的孔洞后分别焊接在模型箱左侧转动板和模型箱框架的角钢上。

进一步地，所述支撑叉子插入支撑管内，并且支撑管上每隔厘米钻有一个孔洞，通过转紧螺丝用于调节支撑叉子的高度。

进一步地，所述模型箱左侧转动板和模型箱框架之间、有机玻璃板和模型箱背面板之间以及涌水量箱和模型箱背面板之间的缝隙利用玻璃胶密封，防止水通过缝隙进出模型箱。

进一步地，所述第一孔压传感器外径曲率与第一传感器固定支架上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在第一传感器固定支架上；所述第二孔压传感器外径曲率与第二传感器固定支架上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在第一传感器固定支架上；所述第一孔压传感器的信号传输线沿着第一传感器固定支架、模型箱底板、钢化玻璃的顺序连接到数据采集仪和第一孔压传感器供电装置上；所述第二孔压传感器的信号传输线沿着第二传感器固定支架、模型箱底板、钢化玻璃的顺序连接到数据采集仪和第二孔压传感器供电装置上。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以通过调整海底隧道不同埋置深度、不同开挖半径以及不同衬砌厚度研究波浪作用下海底隧道合理的参数取值。

2、本发明通过转动位于支撑管子上的螺丝调节支撑叉子的高度，并且通过更换相对应的有机玻璃板来调节隧道的埋置深度，有机玻璃板成本较低，这样的设计能够大大降低实验的费用。

3、本发明涌水量箱通过水管连通到外部大气，从而实现隧道内部保持一个大气压的边界条件，利用内置的孔压传感器可以用于量测隧道涌水量。这一设计克服了涌水量箱随模型箱一同放置在沉砂池内而难于观察的问题。

4、本发明通过引入转动板的设计，使得在卸土的时候可以从侧面进行，降低了劳动强度，方便实验实施。

5、本发明在模型箱底板上放置一系列传感器固定支架，支架上放置数量不等的孔压传感器，用来量测任意时刻下海底隧道附近海床孔隙水压力值，进而描绘渗流场内等水头线以及流线并研究其变化规律。

附图说明

图1为模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置正视图；

图2为模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置左视图；

图3为模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置俯视图；

图4为隧道及支撑系统示意图；

图5为传感器固定支架；

图6为转子示意图；

图7为插销示意图；

图8为模型装置效果图。

图中：模型箱底板1；角钢2；转子B2-1；插销B2-2；模型箱左侧转动板3；转子A3-1；插销A3-2；出水口4；钢化玻璃5；模型箱背面板6；模型箱右侧板7；有机玻璃板8；隧道9；支撑叉子10-1；支撑管10-2；支撑底座10-3；第一孔压传感装置11；第一传感器固定支架11-1；第一孔压传感器11-2；第二孔压传感装置12；第二传感器固定支架12-1；第二孔压传感器12-2；涌水量箱13；涌水量箱主体13-1；第三孔压传感器13-2；连接口13-3；应变片14。

具体实施方式

下面结合附图和实施例子对本发明进一步说明。

如图8所示，本发明模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，包括模型箱、隧道9及其支撑系统10以及量测系统三个部分。

如图1、2和3所示，所述模型箱由模型箱底板1、角钢2、转子B2-1、插销B2-2、模型箱左侧转动板3、转子A3-1、插销A3-2、钢化玻璃5、模型箱背面板6、模型箱右侧板7和有机玻璃板8组成；所述模型箱底板1为1厘米厚钢板，和4根半厘米厚的角钢2点焊在一起形成整个模型箱的框架；所述模型箱右侧板7和模型箱背面板6均由1厘米厚铁板制成并焊接到模型箱框架上；所述模型箱右侧板7底部开有出水口4，用以加快土体固结；所述模型箱背面板6中间位置有矩形开口，用于放置有机玻璃板8，模型箱背面板6和有机玻璃板8之间的缝隙用玻璃胶填充；所述有机玻璃板8中央开有圆形孔洞，孔洞半径和隧道9外半径一致，用于安放隧道9；所述钢化玻璃5位于模型箱正面，并和模型箱框架通过结构胶粘接；所述模型箱左侧转动板3由铁板制成，通过位于转动板3右侧的转子A3-1和位于模型箱框架角钢2上的转子B2-1连接，从而达到可以自由转动的目的，通过位于模型箱转动板3左侧的插销A3-2和位于模型箱框架的角钢2上的插销B2-2以及插条固定；如图6所示，所述转子A3-1为一圆柱形钢条焊接在模型箱左侧转动板3上；所述转子B2-1焊接在模型箱框架的角钢2上，为一棱柱体钢块，内部车出一圆柱体孔洞，孔洞大于转子A3-1，用于安放转子A3-1；转子A3-1和转子B2-1组合使用，在模型箱左侧转动板3和角钢2交接处共有两处；如图7所示，插销A3-2和插销B2-2均为一钢块，内部车去相同大小的孔洞后分别焊接在模型箱左侧转动板3和模型箱框架的角钢2上。

如图4所示，所述隧道9由石膏、硅藻土以及水按照一定比例浇筑养护而成，安放在支撑系统10上；所述支撑系统10由支撑叉子10-1、支撑管10-2以及支撑底座10-3组成；所述支撑叉子10-1插入支撑管10-2内，支撑管10-2上每隔10厘米钻有一个孔洞，通过转紧螺丝用于调节支撑叉子10-1的高度，支撑管10-2焊接在支撑底座10-3上。

所述量测系统包括第一孔压传感装置11、第二孔压传感装置12、应变片14、涌水量箱13-1和浪高仪；如图5所示，所述第一孔压传感装置11由第一传感器固定支架11-1和固定在第一传感器固定支架11-1上的第一孔压传感器11-2组成；所述第二孔压传感装置12由第二传感器固定支架12-1和固定在第二传感器固定支架12-1上的第二孔压传感器12-2组成；所述第一孔压传感装置11位于模型箱中央的隧道9下方，两个第二孔压传感器装置12分别位于模型箱内的隧道9两侧；所述第一传感器固定支架11-1和第二传感器固定支架12-1由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央形成，铁杆上车有凹槽，凹槽的曲率和第一孔压传感器11-2和第二孔压传感器12-2的曲率一致，以方便安置第一孔压传感器11-2和第二孔压传感器12-2；如图4所示，所述应变片14两两一组，共四组，每组的两个应变片14呈T字形排布，四组沿隧道9外表面环向等间距排布，用于测量隧道9应变；如图3所示，所述涌水量箱13由涌水量箱主体13-1、第三孔压传感器13-2和连接口13-3组成；所述涌水量箱主体13-1由五块塑料板构成，利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板6上；所述涌水量箱主体13-1底部开有连接口13-3，用于连接水管和外部大气相通，从而实现隧道9内部保持一个大气压的边界条件；所述涌水量箱主体13-1底部放置第三孔压传感器13-2，用于测量水位高度；所述浪高仪悬挂在模型箱上方的水域内，用于量测波浪高度。

本发明工作过程如下：首先，将支撑系统10放置在模型箱中央，按照设计要求，调节支撑叉子10-1的高度，拧紧螺丝固定支撑叉子10-1和支撑管10-2；在隧道9外侧中央部位按照编号依次粘贴应变片14，将隧道9安放在支撑叉子10-1上；接着将有机玻璃板8利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板6的矩形孔洞上；将水管连接在连接口13-3上，将第三孔压传感器13-2放置在涌水量箱主体13-1内，将第三孔压传感器13-2数据线穿过连接口13-3以及水管，再利用玻璃胶将涌水量箱主体13-1粘贴在模型箱背面板上；将应变片14的数据线按照隧道9—有机玻璃板8的顺序引导到模型箱外；接着，按照编号，将第一孔压传感器11-2和第二孔压传感器12-2固定在第一传感器固定支架11-1和第二传感器固定支架12-1上，安装完成的第一传感器固定支架11-1和第二传感器固定支架12-1按照对应纵断面位置布设在模型箱底板1上，将第一孔压传感器11-2和第二孔压传感器12-2按照第一传感器固定支架11-1和第二传感器固定支架12-1—模型箱底板1—模型箱背面板6的顺序引导到模型箱外；关上模型箱左侧转动板3，在模型箱左侧转动板3和模型箱框架之间的空隙利用结构胶填充完成密封的工作；采用水下抛填法制备海床，抛填土体之前保证模型箱内水深约5厘米，土体的抛洒应均匀缓慢，用扫帚沿着模型箱轴线对每层抛洒完成的土体均匀退扫2-3遍，减少土体内部的封闭气泡，每填筑20厘米土体时，静置两个小时，填土的过程中，注意对孔压计的保护；当土体填筑到隧道底部时，暂停填土，打开模型箱出水口4加快土体固结，待土体固结完毕之后继续填土到设计高度。

吊装模型箱放置到波浪槽沉砂池内，悬挂浪高仪到指定位置；将第一孔压传感器11-2、第二孔压传感器12-2、第三孔压传感器13-2，应变片14和浪高仪数据线连接到对应的数据采集仪上以及供电装置上；最后打开波浪槽开关让波浪槽开始造波，采集在每个造波时间段内第一孔压传感器11-2、第二孔压传感器12-2、第三孔压传感器13-2、应变片14和浪高仪传出的数据。

这样，一组实验完成，更改支撑叉子的高度或者不同外半径及衬砌厚度的隧道重复以上步骤完成所有实验。

Claims (7)

1.一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，该装置置于波浪槽中进行试验，其特征在于，该装置包括模型箱、隧道(9)及其支撑系统(10)、量测系统三个部分；所述模型箱由模型箱底板(1)、四条角钢(2)、模型箱左侧转动板(3)、钢化玻璃(5)、模型箱背面板(6)、模型箱右侧板(7)和有机玻璃板(8)组成；所述模型箱底板(1)和四条角钢(2)焊接形成模型箱框架；所述模型箱右侧板(7)和模型箱背面板(6)均由铁板制成并焊接到模型箱框架上；所述模型箱右侧板(7)底部开有出水口(4)，用以加快土体固结；所述模型箱背面板(6)中间位置有矩形开口，用于放置有机玻璃板(8)；所述有机玻璃板(8)中央开有圆形孔洞，孔洞半径和隧道(9)外半径一致，用于安放隧道(9)；所述钢化玻璃(5)位于模型箱正面，并和模型箱框架通过结构胶粘接；所述模型箱左侧转动板(3)由铁板制成，通过位于模型箱左侧转动板(3)右侧的转子A(3-1)和位于模型箱框架的角钢(2)上的转子B(2-1)连接，从而达到可以自由转动的目的，通过位于模型箱左侧转动板(3)左侧的插销A(3-2)和位于模型箱框架的角钢(2)上的插销B(2-2)以及插条固定；所述隧道(9)由石膏、硅藻土以及水浇筑养护而成，安放在支撑系统(10)上；所述支撑系统(10)由支撑叉子(10-1)、支撑管(10-2)以及支撑底座(10-3)组成；所述量测系统包括第一孔压传感装置(11)、两个第二孔压传感装置(12)、应变片(14)、涌水量箱(13)和浪高仪；所述第一孔压传感装置(11)由第一传感器固定支架(11-1)和固定在第一传感器固定支架(11-1)上的第一孔压传感器(11-2)组成；所述第二孔压传感装置(12)由第二传感器固定支架(12-1)和固定在第二传感器固定支架(12-1)上的第二孔压传感器(12-2)组成；所述第一孔压传感装置(11)位于模型箱中央的隧道(9)下方，两个第二孔压传感器装置(12)分别位于模型箱内的隧道(9)两侧；所述应变片(14)两两一组，共四组，每组的两个应变片(14)呈T字形排布，四组沿隧道(9)外表面环向等间距排布，用于测量隧道(9)应变；所述涌水量箱(13)由涌水量箱主体(13-1)、第三孔压传感器(13-2)和连接口(13-3)组成；所述涌水量箱主体(13-1)由五块塑料板构成，利用玻璃胶粘贴在模型箱背面板(6)上；所述涌水量箱主体(13-1)底部开有连接口(13-3)，用于连接水管，底部放置第三孔压传感器(13-2)，用于测量水位高度；所述浪高仪悬挂在模型箱上方的水域内，用于量测波浪高度。

2.根据权利要求1所述的一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，其特征在于，所述第一传感器固定支架(11-1)和第二传感器固定支架(12-1)由圆柱形细长铁杆点焊于正方形薄铁板中央，所述第一传感器固定支架(11-1)和第二传感器固定支架(12-1)上车有用于安装孔压传感器的凹槽。

3.根据权利要求1所述的一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，其特征在于，所述转子A(3-1)为一圆柱形钢条焊接在模型箱左侧转动板(3)上，转子B(2-1)焊接在模型箱框架的角钢(2)上，为一棱柱体钢块，内部车出一圆柱体孔洞，圆柱体孔洞大于转子A(3-1)，用于安放转子A(3-1)。

4.根据权利要求1所述的一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，其特征在于，所述插销A(3-2)和插销B(2-2)均为一钢块，内部车去相同大小的孔洞后分别焊接在模型箱左侧转动板(3)和模型箱框架的角钢(2)上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，其特征在于，所述支撑叉子(10-1)插入支撑管(10-2)内，并且支撑管(10-2)上每隔10厘米钻有一个孔洞，通过转紧螺丝用于调节支撑叉子(10-1)的高度。

6.根据权利要求1所述的一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，其特征在于，所述模型箱左侧转动板(3)和模型箱框架之间、有机玻璃板(8)和模型箱背面板(6)之间以及涌水量箱(13)和模型箱背面板(6)之间的缝隙利用玻璃胶密封，防止水通过缝隙进出模型箱。

7.根据权利要求1所述的一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，其特征在于，所述第一孔压传感器(11-2)外径曲率与第一传感器固定支架(11-1)上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在第一传感器固定支架(11-1)上；所述第二孔压传感器(12-2)外径曲率与第二传感器固定支架(12-1)上的凹槽曲率一致，通过绑扎带固定在第一传感器固定支架(12-1)上；所述第一孔压传感器(11-2)的信号传输线沿着第一传感器固定支架(11-1)、模型箱底板(1)、钢化玻璃(5)的顺序连接到数据采集仪和第一孔压传感器(11-2)供电装置上；所述第二孔压传感器(12-2)的信号传输线沿着第二传感器固定支架(12-1)、模型箱底板(1)、钢化玻璃(5)的顺序连接到数据采集仪和第二孔压传感器(12-2)供电装置上。