CN107907286A - 一种新型偏压隧道振动台模拟系统 - Google Patents

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李林
朱虹杰
倪婉昱
郭子红
朱占元
邹祖银
莫忧
曾立家
刘成亮
吴建翰
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M7/02Vibration-testing by means of a shake table

Abstract

本发明公开了一种新型偏压隧道振动台模拟系统,包括振动试验台、模型试验外箱、模型试验内箱,模型试验内箱中填满试验土体;模型试验外箱由多层第一矩形铝合金框架堆叠而成,两层第一矩形铝合金框架的长边之间各设置多个第一轴承,模型试验外箱长边方向外侧壁各设置多根立柱,立柱下部固定于振动试验台上,立柱上部由横梁连接,第一轴承用轴垂直固定在立柱的内侧壁;模型试验内箱由多层第二矩形铝合金框架堆叠而成;在每层第一矩形铝合金框架的内侧壁垂直设有多个作用在第二矩形铝合金框架的水平放置的千斤顶;每根横梁下端面固定设置竖向千斤顶,竖向千斤顶的顶杆末端连接有钢板,钢板的下端面与模型试验内箱中的试验土体的上部接触。

Description

一种新型偏压隧道振动台模拟系统
技术领域
[0001]本发明涉及模拟隧道工程在不同应力条件下的地震动力响应模型试验模拟系统 领域,特别是一种新型偏压隧道振动台模拟系统。
背景技术
[0002]我国在建或拟建大量的隧道属于高烈度地震多发区,考虑高地震烈度区隧道的动 力响应,特别是过断层破碎带、地层条件有较大变化及偏压洞口段等隧道的动力响应是当 前工程建设必须面对的问题。实践证明,跨断层破碎带和地层条件有较大变化段常常伴有 深埋或者构造应力场影响,隧道偏压的洞口段是在地形变化或者应力环境影响下的结果, 应力分布不均匀。采用不同隧道应力条件下的地震动力响应设备能对隧道围岩及隧道支护 结构在不同的应力环境(深埋、偏压等)进行动力模型试验,分析出隧道围岩及围岩结构的 地震动响应结果,对易于产生地震破坏的类型给出响应的抗震设防方案,对隧道实际工程 设计和施工的抗震设防提供宝贵的基础资料,具有十分重要的意义。
[0003]现有的隧道振动模型模拟系统主要是模拟浅埋均布荷载作用及无构造应力下,隧 道结构及围岩的动力响应,通常用于无构造应力场、无偏压等条件下隧道的,不能模拟出隧 道在有构造应力情况下的动力响应,不能模拟深埋以及有偏压等不均匀荷载情况下的隧道 动力响应,更不能模拟出隧道围岩土体在振动过程中土体的剪切变形。
发明内容
[0004]本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足,提供一种新型偏压隧道振动台模 拟系统,该系统能更好地实现不同偏压状态下并且有初始构造应力情况下的地震动力响应 特性,更好地模拟土体在地震作用下振动过程中的剪切变形。同时实现在不同应力场条件 采用不同的支护措施、不同抗减震措施等环境下的地震动等动力响应结果,分析不同条件 下隧道围岩及结构的抗震性能,为实际的隧道抗震设防提供可靠的基础数据,保证地震过 程中隧道的稳定,从而更好地保证生命财产安全和经济。
[0005]为达到上述目的,本发明是按照以下技术方案实施的: 一种新型偏压隧道振动台模拟系统,包括振动试验台和固定在振动试验台上的模型试 验外箱,以及设置在模型试验外箱内的模型试验内箱,模型试验内箱中填满试验土体; 所述模型试验外箱与模型试验内箱的高度相同,所述模型试验外箱由多层第一矩形铝 合金框架堆叠而成,相邻的两层第一矩形铝合金框架的长边之间各设置多个第一轴承,模 型试验外箱长边方向外侧壁各设置多根与多个轴承相对应的立柱,立柱下部固定于振动试 验台上端面,所述模型试验外箱的最底层第一矩形铝合金框架固定在振动试验台上端面, 立柱上部延伸至最上层的第一矩形铝合金框架的上方且由横梁将模型试验外箱两侧的立 柱固定连接,多个第一轴承分别通过轴垂直固定在立柱的内侧壁; 所述模型试验内箱由与第一矩形铝合金框架层数相同的多层第二矩形铝合金框架堆 叠而成,所述模型试验内箱的最底层第二矩形铝合金框架也固定在振动试验台上端面,模 型试验内箱的相邻的两层第二矩形错合金框架之间设置一层2mm厚的橡胶衬,相邻的两层 第二矩形招合金框架的长边之间各设置多个第二轴承,第二轴承通过连杆与第一轴承连 接,所述第二矩形铝合金框架的长边内侧设置滑轨,第二矩形铝合金框架的短边的两端与 滑轨滑动配合; 在每层第一矩形铝合金框架的内侧壁垂直设有多个水平放置的千斤顶,水平放置的千 斤顶的顶杆作用在第二矩形铝合金框架的外侧壁;每根横梁下端面固定设置一个竖向千斤 顶,竖向千斤顶的顶杆末端连接有钢板,钢板的下端面与模型试验内箱中的试验土体的上 部接触。
[0006] 进一步,所述第一轴承和第二轴承的外径为2cm。
[0007]优选地,所述第一矩形铝合金框架的长边的内侧壁各设置三个水平放置的千斤 顶,短边的内侧壁设置一个水平放置的千斤顶。
[0008] 优选地,所述第一轴承和第二轴承均设置为3个。
[0009]优选地,所述第一矩形铝合金框架和第二矩形铝合金框架均设置为10层,其中第 一矩形铝合金框架外部尺寸为2 • 0m X 1 • 0m,截面尺寸为100mm X 100mm。
[0010] 本发明的工作过程和原理是: 根据试验需求分别测得试验过程应施加的初始应力状态,包括土体顶部的偏压应力和 水平方向的构造应力,根据实际工作得出隧道的断面形状、支护结构类型、是否有断层带影 响等。预先根据试验条件确定试验基础相似比,根据基础相似比导出其他相似比,同时配出 模型试验材料,制作出隧道结构模型,将试验用围岩的相似材料和隧道模型置入模型试验 内箱中,并将需要的加速度传感器、位移传感器、应变片、土压力盒等设置于隧道围岩及结 构相应部位,完成隧道围岩及支护结构模型,其次,将模型试验外箱固定于振动试验台,将 需要的隧道围岩应力场通过模型内的千斤顶施加,最后通过振动试验台输入需要的地震 动,得出相应工况条件下的地震数据值,通过试验数据的分析得出其地震响应结果。
[0011]与现有技术相比,本发明的有益效果为: 一、顶部各个千斤顶的出力大小、速度可以单独控制,通过顶部千斤顶不同出力配合, 通过振动台输入需要的地震动,可以模拟出偏压荷载情况下的地震响应。
[0012]二、通过水平放置的千斤顶以及上部竖向千斤顶配合,通过千斤顶的加载,不仅可 以模拟出所需要模拟的初始应力场,还能模拟出深埋有断层破碎带以及构造应力场影响下 的动力响应情况,模拟的围岩应力条件更加丰富。
[0013]三、模型试验内箱的第二矩形铝合金框架的长边内侧壁设置滑槽,保证了内部第 二矩形铝合金框架的短边能在两侧的水平放置的千斤顶行程范围内水平自由滑动,使水平 放置的千斤顶的推力能够准确加载于试验箱内的岩土体上,同时设置橡胶膜可以使得岩土 体不会从模型试验内箱的连接缝隙挤出; 四、采用不同的加载方式和开挖顺序模拟,可以得出指定条件下隧道工程的开挖、支护 等施工过程对围岩的扰动影响,并判断其稳定性;也可分析营运隧道结构的受力性态、安全 性和耐久性,从而更好地保证隧道的安全和经济。
附图说明
[0014]图1为本发明的主视图。
[0015]图2为本发明的俯视图。
具体实施方式
[0016]下面结合具体实施例对本发明作进一步描述,在此发明的示意性实施例以及说明 用来解释本发明,但并不作为对本发明的限定。
[0017]如图1、图2所示,本实施例的一种新型偏压隧道振动台模拟系统,包括振动试验台 9和固定在振动试验台9上的模型试验外箱,以及设置在模型试验外箱内的模型试验内箱, 模型试验内箱中填满试验土体1 〇; 所述模型试验外箱与模型试验内箱的高度相同,所述模型试验外箱由十层第一矩形铝 合金框架1堆叠而成,第一矩形错合金框架1外部尺寸为2.0mX 1 .Om,截面尺寸为lOOmmX 100mm,相邻的两层第一矩形铝合金框架丨的长边之间各设置三个外径为2cm的第一轴承2, 也就是保证了层与层间距2cm,模型试验外箱长边方向外侧壁各设置三根立柱3,立柱3下部 固定于振动试验台9上端面,所述模型试验外箱的最底层第一矩形铝合金框架1固定在振动 试验台9上端面,立柱3上部延伸至最上层的第一矩形铝合金框架1的上方且由3根横梁4将 模型试验外箱两侧的立柱3固定连接,第一轴承2分别通过轴垂直固定在立柱3的内侧壁以 实现模型试验外箱的第一矩形铝合金框架1长度方向的水平移动; 所述模型试验内箱由十层第二矩形铝合金框架7堆叠而成,所述模型试验内箱的最底 层第二矩形铝合金框架7也固定在振动试验台9上端面,模型试验内箱的相邻的两层第二矩 形招合金框架7之间设置一层2圓厚的橡胶衬(图中未画出),以防止模型试验内箱的试验土 体漏出,相邻的两层第二矩形铝合金框架7的长边之间各设置三个外径为2cm的第二轴承8, 也就是保证了层与层间距2cm,第二轴承8通过连杆与第一轴承2连接以实现第二矩形铝合 金框架7长度方向的水平移动,所述第二矩形铝合金框架7的长边内侧设置滑轨71,第二矩 形铝合金框架7的短边的两端与滑轨71滑动配合,这样第二矩形铝合金框架7的短边就能够 沿着长边滑动; 在每层第一矩形铝合金框架1的长边的内侧壁各设置三个水平放置的千斤顶5,短边的 内侧壁设置一个水平放置的千斤顶5,水平放置的千斤顶5的顶杆作用在第二矩形铝合金框 架7的外侧壁,用于对放置于模型试验内箱中的试验土体施加水平压力;每根横梁4下端面 固定设置一个竖向千斤顶6,竖向千斤顶6的顶杆末端连接有钢板(图中未画出),钢板的下 端面与模型试验内箱中的试验土体10的上部接触用于对试验土体10施加竖向压力。
[0018]使用本发明的新型偏压隧道振动台模拟系统进行模拟试验时,首先根据试验需求 分别测得试验过程应施加的初始应力状态,包括土体顶部的偏压应力和水平方向的构造应 力,根据实际工作得出隧道的断面形状、支护结构类型、是否有断层带影响等。预先根据试 验条件确定试验基础相似比,根据基础相似比导出其他相似比,同时配出模型试验材料,制 作出隧道结构模型,将试验用围岩的相似材料和隧道模型置入模型试验内箱中,并将需要 的加速度传感器、位移传感器、应变片、土压力盒等设置于隧道围岩及结构相应部位,完成 隧道围岩及支护结构模型,其次,将模型试验外箱固定于振动试验台,将需要的隧道围岩应 力场通过模型内的千斤顶施加,最后通过振动试验台输入需要的地震动,得出相应工况条 件下的地震数据值,通过试验数据的分析得出其地震响应结果。 '
[0019]本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制,凡是根据本发明的技术方案做 出的技术变形,均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1. 一种新型偏压隧道振动台模拟系统,包括振动试验台和固定在振动试验台上的模型 试验外箱,以及设置在模型试验外箱内的模型试验内箱,模型试验内箱中填满试验土体,其 特征在于: 所述模型试验外箱与模型试验内箱的高度相同,所述模型试验外箱由多层第一矩形铝 合金框架堆叠而成,相邻的两层第一矩形铝合金框架的长边之间各设置多个第一轴承,模 型试验外箱长边方向外侧壁各设置多根与多个轴承相对应的立柱,立柱下部固定于振动试 验台上端面,所述模型试验外箱的最底层第一矩形铝合金框架固定在振动试验台上端面, 立柱上部延伸至最上层的第一矩形铝合金框架的上方且由横梁将模型试验外箱两侧的立 柱固定连接,多个第一轴承分别通过轴垂直固定在立柱的内侧壁; 所述模型试验内箱由与第一矩形铝合金框架层数相同的多层第二矩形铝合金框架堆 叠而成,所述模型试验内箱的最底层第二矩形铝合金框架也固定在振动试验台上端面,模 型试验内箱的相邻的两层第二矩形铝合金框架之间设置一层2mm厚的橡胶衬,相邻的两层 第二矩形铝合金框架的长边之间各设置多个第二轴承,第二轴承通过连杆与第一轴承连 接,所述第二矩形铝合金框架的长边内侧设置滑轨,第二矩形铝合金框架的短边的两端与 滑轨滑动配合; 在每层第一矩形铝合金框架的内侧壁垂直设有多个水平放置的千斤顶,水平放置的千 斤顶的顶杆作用在第二矩形铝合金框架的外侧壁;每根横梁下端面固定设置一个竖向千斤 顶,竖向千斤顶的顶杆末端连接有钢板,钢板的下端面与模型试验内箱中的试验土体的上 部接触。
2. 根据权利要求1所述的新型偏压隧道振动台模拟系统,其特征在于:所述第一轴承和 第二轴承的外径为2cm。
3. 根据权利要求1所述的新型偏压隧道振动台模拟系统,其特征在于:所述第一矩形铝 合金框架的长边的内侧壁各设置三个水平放置的千斤顶,短边的内侧壁设置一个水平放置 的千斤顶。
4. 根据权利要求1所述的新型偏压隧道振动台模拟系统,其特征在于:所述第一轴承和 第二轴承均设置为3个。
5. 根据权利要求1所述的新型偏压隧道振动台模拟系统,其特征在于:所述第一矩形铝 合金框架和第二矩形铝合金框架均设置为10层,其中第一矩形铝合金框架外部尺寸为2.〇m X 1 .〇m,截面尺寸为 100mm X 100mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113587978A (zh) * 2021-07-05 2021-11-02 山东大学 一种穿越断裂带隧道的抗震与抗剪试验模拟系统及方法

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