CN106959338A - 一种多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，包括试验箱、贯穿试验箱前后两个端面的隧道衬砌模拟结构体及其内置的试验荷载加载系统，安置在主体试验箱四个侧面可变位置的试验荷载加载系统、组成试验箱四个侧面的金属条，试验箱内部承装围岩模拟材料，衬砌模拟材料和隧道结构模拟材料之间安置检测装置。该装置能更好地模拟不同近接类型的多层次地下空间结构周边的动荷载干扰环境，包括单侧、多侧动荷载组合干扰环境；实现结构内外部不同形式、大小、频率、持续时间的动荷载组合作用的模拟，为多层次地下空间的设计、施工和运营期的长期稳定性提供更加可靠的试验依据，更好地保证多层次地下空间结构的安全性和经济性。
Description
技术领域
本发明属于地下空间设计与建造技术领域，特别应用于不同近接类型的多层次地下空间结构在运营期间受到不同形式的振动荷载作用下，自身结构以及周围岩土体动力响应及发展规律、振动波沿空间横向、纵向以及竖向传播规律的试验模拟研究。
背景技术
随着城市化进程的飞速发展，城市综合交通枢纽换乘向立体换乘方向发展，城市枢纽因条件限制，很多地段无法明挖或全明挖，以及为避免深大基坑，修建了地下立体结构体，结构交叉重叠层次多，开挖断面大、空间结构复杂、近接类型多样、相互影响敏感、隧道设计、施工难度极大。地下结构承受自身动荷载和邻近结构动荷载的多重动力作用，结构的受力性能和长期安全稳定性受到极大的影响，对动荷载作用下的多层次地下空间结构之间的相互影响作用的认知不足，会使地下空间结构产生严重的安全稳定性隐患和威胁。
目前，人们对这种邻近的地下空间结构相互作用的动力响应及其发展规律缺乏深入了解。通过建立多层次地下空间结构及围岩的动力响应试验装置，进行运营期间在不同形式动荷载作用下的多层次地下空间结构动力特性模拟试验，以分析得出不同近接类型的多层次地下空间结构在列车不同振动荷载作用下，自身结构以及周围岩土体动力响应及发展规律、振动波沿空间横向、纵向以及竖向传播规律，为多层次地下空间结构设计、施工和运营期间的长期稳定性的研究提供试验依据，对地下空间的发展具有十分重要的意义。
现有地下结构中动力响应测试模拟系统主要是单个地下空间结构或者两个地下空间结构间的动力响应测试系统，通过受信号发生器控制的激振器将动荷载施加在地下空间结构物上，模拟不同车速下，列车产生的振动荷载对结构的影响。其仅仅考虑下单个或者双个地下空间结构之间的动力响应现象。现有方法和系统通常用于单条或双条的城市地铁隧道、公路隧道和铁路隧道的动力响应测试中，无法考虑并模拟其它不同近接类型的条件下地下空间结构之间及围岩土体的动力响应现象，特别是无法模拟出多层次地下空间结构在自身内部承受不同形式、大小、不同频率、不同持续时间的动荷载作用同时又承受外部不同方位空间结构传来的不同形式、大小、频率、持续时间动荷载作用情况下的结构及围岩的动力响应现象。
目前，国内尚缺乏关于多层次地下空间结构相互之间动力作用的模拟装置，其设计与模拟的地下空间结构情形简单，使得多层次地下空间结构之间的动力响应现象的模拟受到极大的限制；于此同时，模拟的地下空间动荷载形式单一，其模拟过程中无法考虑对不同方位的外部动荷载对结构的动力作用，且忽略了不同动荷载同时作用产生的综合影响。
发明内容
本发明为解决现有技术中的不足之处，公开了一种多层次地下空间结构及围岩的动力响应测试装置，该装置能够更好地模拟不同近接类型的多层次地下空间结构周边的动载干扰环境，包括单侧动荷载干扰环境、多侧动荷载组合干扰环境；实现了多层次地下空间结构内外部不同形式、大小、频率、持续时间的动荷载组合作用的模拟，分析在不同的动荷载干扰环境下多层次地下空间结构及围岩的动力响应及发展规律、振动波沿空间横向、纵向以及竖向传播规律。为多层次地下空间的设计、施工和运营期的长期稳定性提供更加可靠的试验依据，更好地保证多层次地下空间结构的安全和经济。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，包括长方体结构的试验箱箱体；
所述试验箱包括长方体结构的金属骨架，试验箱前、后端面分别固定有机玻璃面板构成透明可视结构，上、下、左、右端面分别由多种宽度的可拆卸金属板固定构成；
所述试验箱前、后端面中心固定有贯穿试验箱的中空的隧道衬砌模拟结构体，试验箱内其它空间填充围岩模拟材料；
所述试验箱上、下、左、右端面上分别设置位置可变的试验荷载加载系统，隧道衬砌模拟结构体内设置试验荷载加载系统，各试验荷载加载系统与控制系统控制连接；
所述试验箱内设置有监测装置，包括土压力计、动态应变采集仪、探伤仪、应力波无损检测仪，各监测装置与控制系统信号连接；
所述试验箱通过实验台固定于地基上。
上述构成上、下、左、右端面金属板的内表面涂覆有具有弹性的减震敷层。
上述监测装置分别安装于围岩模拟材料与隧道衬砌模拟材料之间。
进一步上述相邻两金属板的侧面接触面均以相对于金属板表面呈45度倾斜的斜面紧密衔接。
上述隧道衬砌模拟结构体横截面采用方形、圆形、连拱形或马蹄形结构。
上述围岩模拟材料是包括石膏、水、砂、重晶石粉的搅拌混合物；填装时每12cm一层，分别多次填装，每次填装完毕后层间刮毛，人工振捣使围岩模拟材料达到设计的容重要求。
本发明所述隧道衬砌模拟结构体选择石膏、水、砂、硅藻土，按照设计配合比拌合后浇入模具制成。
本发明所述隧道衬砌模拟结构体及其体内设置的试验荷载加载系统均通过固定于前、后端面之间的钢梁固定。
本发明所述试验箱上、下、左、右端面设置试验荷载加载装置由可调节的激振器组成，激振器包括马达电机和偏心轮。
本发明所述隧道衬砌模拟结构体内设置试验荷载加载系统是可伸缩形式的激振器。
本发明采用的监测装置中，土压力计监测装置的测试元器件设置在围岩模拟材料和隧道衬砌结构模拟材料之间，采集记录试验过程中结构和围岩之间的应力变化情况；用动态应变仪采集仪采集记录试验过程中结构应变的变化规律；探伤仪监测试验过程中结构的损伤情况；用应力波无损检测仪记录试验过程中振动波沿空间横向、纵向以及竖向传播规律。
本发明可以模拟不同近接类型条件下、不同内外部动荷载组合作用条件下多层次地下空间结构和围岩的动力响应现象。包括采用方形、马蹄形、连拱形的隧洞结构。
通过选择打开或关闭主体试验箱侧面的试验荷载加载装置，可以模拟出侧向无邻近地下空间结构、单侧有邻近地下空间结构、双侧有邻近地下空间结构、三侧有邻近地下空间结构、四个侧面有邻近地下空间结构的情况，通过调整试验箱上下左右侧面试验荷载加载装置的位置模拟出不同的地下空间结构近接类型，其中试验荷载加载装置位置的改变通过调整金属板条的位置实现。
四个侧面的试验荷载加载装置选用可调节的小型激振器进行模拟，小型激振器可以由马达电机和偏心轮组成。通过信号发生器控制四个侧面加载装置输出的不同形式、大小、频率、持续时间的动荷载，来模拟相对于隧道衬砌结构而言不同形式的的动荷载干扰环境。单侧的试验荷载加载装置可以根据需要设置多台。
隧道衬砌模拟结构体内的试验加载装置选用可伸缩形式的激振器进行模拟，所述可伸缩形式的激振器是由电机和伸缩机械装置构成，通过激振器将动荷载稳定、准确地传递到隧道衬砌结构上，通过信号发生器控制内部加载装置输出的不同形式、大小、频率、持续时间的动荷载作用在隧道衬砌结构上，并根据具体要求模拟出不同车速、不同等级列车荷载对隧道衬砌结构及其围岩的动力响应现象。内部加载装置可以根据需要设置多台。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
试验箱前后两个端面采用可视透明结构，能够清楚地看到结构和围岩在多种动荷载的组合作用下的动力响应现象，使得围岩土体的扰动、衬砌结构出现裂缝等一系列的损伤破坏过程更加直观；
通过调整试验箱中围岩和衬砌的相似配合比、改变衬砌结构的形状、赋予围岩和衬砌结构的缺陷性质(比如在衬砌模拟结构中留空洞模拟衬砌结构存在空洞缺陷时的动力响应现象)等可以模拟不同强度等级、不同型式、不同缺陷条件下的衬砌结构和围岩的动力响应现象；
通过选择打开或关闭主体试验箱侧面的试验荷载加载装置，模拟出隧道的侧向无邻近地下空间结构、单侧(上侧、下侧、左侧、右侧)有邻近地下空间结构、双侧(上下侧、上左或右侧、下左或右侧、左右侧)有邻近地下空间结构、三侧(上下左或右侧、左右下侧、左右上侧)有邻近地下空间结构、四个侧面(上下左右侧)有邻近地下空间结构的情况，与此同时，每一侧均能够通过改变不同宽度金属板的排列顺序，调整每一侧试验加载装置的位置，模拟出邻近地下空间的在单侧的不同相对位置，进而模拟不同近接类型的多层次地下空间衬砌结构和围岩的动力响应现象，分析当有动荷载作用下地下空间结构周边存在邻近地下空间结构时最不利的邻近地下空间结构相对位置分布形式；
通过改变试验箱侧面和隧道衬砌模拟结构体内的激振器的安置台数，控制激振器输出的最大强度，且通过信号发生器控制四个侧面加载装置和隧道内部的试验荷载加载装置输出不同形式、大小、频率、持续时间的动荷载，来模拟不同外部动荷载和内部动荷载组合作用情况下的衬砌结构和围岩的动力响应现象，分析运营隧道衬砌结构的稳定性、安全性和耐久性，包括结构裂缝的产生、围岩缺陷的发展，振动波沿空间横向、纵向以及竖向传播规律，分析当有动荷载作用下地下空间结构周边存在邻近地下空间结构时最不利的动荷载组合作用形式，从而更好地保证多层次地下空间结构的安全性和经济性。
附图说明
图1是本发明模拟装置的正视示意图；
图2是本发明模拟装置的俯视示意图；
图3是本发明模拟装置的横断面示意图；
图4是图1中A部结构放大示意图；
图5是本发明模拟装置试验荷载加载装置一种位置设置俯视示例图；
图6是本发明模拟装置试验荷载加载装置一种位置设置正视示例图；
图7是本发明模拟装置试验荷载加载装置一种位置设置正视示例图。
图中，1是试验箱，2、3、4、5是上、下、左、右四个侧面的试验荷载加载装置(其中，2是试验箱上表面安置的试验荷载加载装置，3是试验箱下表面安置的试验荷载加载装置，4是试验箱左侧面安置的试验荷载加载装置，5是试验箱右侧面安置的试验荷载加载装置)，6是隧道衬砌模拟结构体内的试验荷载加载装置，7是围岩模拟材料，8是试验台，9是隧道衬砌模拟结构体，10是金属板，101是金属板接触面，11是钢梁一，12是钢梁二。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。
结合图1至图7。
如图1所示，多层次地下空间中结构及围岩的动力响应测试装置，包括主体试验箱1、上、下、左、右四个侧面的试验荷载加载装置2、3、4、5、隧道衬砌模拟结构体内的试验荷载装置6、围岩模拟材料7、试验台8、隧道衬砌模拟结构体9，侧面拼装金属板10、固定隧道衬砌模拟结构体内试验荷载加载装置的两条钢梁一11，固定钢梁一11的钢梁二12，金属板10通常采用钢板条等材料制成。
主体试验箱1的立体框架可以由金属钢条焊接而成的，前后两个断面为有机玻璃材料制成的透明可视结构，在试验箱1中安置了贯通前后两个端面的隧道衬砌模拟结构体9，在试验箱1前后两个端面的框架上用螺栓固定横向钢梁二12，钢梁一11穿过横向钢梁二12并通过螺栓加以固定，隧道衬砌模拟结构体内试验荷载加载装置6固定在两根钢梁一11上。四个侧面是由不同宽度的金属板10拼装并通过螺栓孔加以固定而成，上、下、左、右四个侧面的试验荷载加载装置2、3、4、5安置在侧面与其等宽度的金属板10上。试验箱1内部承装围岩模拟材料7，固定于试验台8上，试验台8固定于地面。
围岩模拟材料7可选择不同的材料和配合比模拟不同的围岩级别，材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉；填装时每12cm一层，分作至少3次进行填装，每次填装完毕后层间刮毛，避免分层，然后人工振捣25次使围岩模拟材料达到需求的容重要求。
隧道衬砌模拟结构体9的材料可以选用不同配合比的材料模拟不同标号的混凝土，材料包括石膏、水、砂、硅藻土，按照一定配合比拌合后浇入模具制成所需的形状。
如图2所示，试验箱1的上表面是由不同宽度的金属板10拼装并通过螺栓孔加以固定而成，金属板10的内侧涂覆有具有弹性的减震敷层，减震敷层为胶质敷层，使围岩材料对试验箱1边界面的振动反射减小,改善了试验箱1的边界效应现象。结合图5可知，上表面的试验荷载加载装置2安置在与其等宽度的金属板10上，不同宽度的金属板10又通过不同的排列组合顺序控制试验荷载装置2在上表面一侧的固定位置，最窄的金属板10控制了试验荷载装置2移动的最小距离。下、左、右侧面的构造形式和上表面一致。结合图5、图6、图7可知，主体试验箱1的上、下、左、右四个侧面的试验加载装置2、3、4、5可以通过不同宽度金属板10的不同排列组合顺序固定在所在侧面的任意位置，从而模拟出不同近接类型的多层次地下空间结构周边的动荷载干扰环境。结合图4可知，金属板10之间衔接端部即金属板接触面101呈现45°角度，使得金属板10衔接得更加紧密。试验荷载加载装置选用可调节的小型激振器进行模拟，可由直流电机和小型偏心块进行制作。
如图3所示，试验箱1中安置了贯通前后两个端面的隧道衬砌模拟结构体9，在试验箱1前后两个端面的框架上用可拆卸式螺栓固定横向钢梁二12，钢梁一11穿过横向钢梁二12并通过螺栓加以固定，隧道内部的试验荷载加载装置6固定在两根钢梁一11上。
本发明采用的监测装置包括土压力计、动态应变采集仪、探伤仪、应力波无损检测仪。土压力计监测装置的测试元器件设置在围岩模拟材料和隧道衬砌结构模拟材料之间，采集记录试验过程中结构和围岩之间的应力变化情况；用动态应变仪采集仪采集记录试验过程中结构应变的变化规律；探伤仪监测试验过程中结构的损伤情况；用应力波无损检测仪记录试验过程中振动波沿空间横向、纵向以及竖向传播规律。
按照试验需求将主体试验箱1、围岩模拟材料7、隧道衬砌模拟结构体9和各试验荷载加载装置安置完毕后，通过信号控制器开启各个试验荷载加载装置，输出与试验要求(包括形式、大小、频率、持续时间)一致的动荷载。观察在不同隧道外部动荷载和隧道内部动荷载循环反复组合作用情况下，围岩模拟材料7产生的扰动现象和隧道衬砌模拟结构体9发生变形、应力重分布、产生裂缝、结构破坏等一系列动力响应现象，并用监测装置采集所需的数据。
Claims (10)
1.一种多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，包括长方体结构的试验箱箱体，其特征在于：
所述试验箱包括长方体结构的金属骨架，试验箱前、后端面分别固定有机玻璃面板构成透明可视结构，上、下、左、右端面分别由多种宽度的可拆卸金属板固定构成；
所述试验箱前、后端面中心固定有贯穿试验箱的中空的隧道衬砌模拟结构体，试验箱内其它空间填充围岩模拟材料；
所述试验箱上、下、左、右端面上分别设置位置可变的试验荷载加载系统，隧道衬砌模拟结构体内设置试验荷载加载系统，各试验荷载加载系统与控制系统控制连接；
所述试验箱内设置有监测装置，包括土压力计、动态应变采集仪、探伤仪、应力波无损检测仪，各监测装置与控制系统信号连接；
所述试验箱通过实验台固定于地基上。
2.根据权利要求1所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述构成上、下、左、右端面金属板的内表面涂覆有具有弹性的减震敷层。
3.根据权利要求2所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述监测装置分别安装于围岩模拟材料与隧道衬砌模拟材料之间。
4.根据权利要求1或2或3所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述相邻两金属板的接触面均以相对于金属板表面呈45度倾斜的斜面紧密衔接。
5.根据权利要求4所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：隧道衬砌模拟结构体横截面采用方形、圆形、连拱形或马蹄形结构。
6.根据权利要求4所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述围岩模拟材料是包括石膏、水、砂、重晶石粉的搅拌混合物；填装时每12cm一层，分别多次填装，每次填装完毕后层间刮毛，人工振捣使围岩模拟材料达到设计的容重要求。
7.根据权利要求4所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述隧道衬砌模拟结构体选择石膏、水、砂、硅藻土，按照设计配合比拌合后浇入模具制成。
8.根据权利要求4所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述隧道衬砌模拟结构体及其体内设置的试验荷载加载系统均通过固定于前、后端面之间的钢梁固定。
9.根据权利要求4所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述试验箱上、下、左、右端面设置试验荷载加载装置由可调节的激振器组成，激振器包括马达电机和偏心轮。
10.根据权利要求4所述的多层次地下空间结构及围岩的动力响应模拟装置，其特征在于：所述隧道衬砌模拟结构体内设置试验荷载加载系统是可伸缩形式的激振器。
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