CN110940571B - 一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，包括混凝土底座，所述混凝土底座上设置有模型箱框架，所述模型箱框架内置有围岩、沙子、路基，所述围岩、沙子之间设置有模拟超前棚架结构的棚架结构，所述路基上方设置有由作动器进行加载的传力杆，所述模型箱框架内还设置有采集用传感器。本发明首次在管棚土拱效应试验中引入加载设备，同时采用各种监测设备对试验过程中的变形及应力应变进行监测，更加真实的反映了实际工程中的动态土拱效应。基于本发明可进一步得到管棚参数与交通荷载幅值频率之间的相互关系，为管棚参数的设计优化提供建议，从而保证隧道开挖过程中的施工安全。
Description
技术领域
本发明属于隧道工程领域，具体涉及一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置。
背景技术
土拱效应是土木工程领域普遍存在的一种现象，广泛存在于岩土-结构相互作用中。土体在荷载或自重的作用下发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，进而在一定范围土层中产生“拱效应”。
当前采用超前棚架技术是一种常见的下穿既有交通线路的暗挖施工方法，而棚架结构由于钢管自身较大的抗弯刚度及较高的嵌固效应，其上部岩土体在自重及附加应力下降时产生一定程度的不均匀沉降变形，使得钢管上部呈现一定的“土拱效应”。棚架结构依靠自身刚度及超前嵌入段围岩或覆盖层岩土所提供的支撑抗力共同支承上部岩土体自重及附加应力，而由混凝土或水泥浆填充的钢管构件是结构的基本承载单元，其布置间距及钢管直径不仅影响工程投资，还直接影响施工期间上部岩土体覆盖层的变形控制效果，直接关系到上部铁路的运营安全。
针对棚架结构动态土拱效应的研究目前仍处于起步阶段，大多数研究仅局限于整体抗震及爆破振动领域，并未对其在列车激励荷载作用下的动态土拱效应给出更多的结论。然而在列车激励荷载作用下棚架结构钢管及钢管间岩土体会产生不均匀变形，使得管棚间产生一定的动态土拱效应，嵌入到前方掌子面内的部分钢管在列车循环荷载作用时与围岩反复作用，其嵌固支承的岩土抗力也将受到一定程度的累计损伤，继而影响棚架结构的整体承载特性。因此亟待探求超前棚架结构与岩土体之间的相互作用机理，对列车激励荷载作用下棚架结构的动态土拱效应开展深入研究。
若运用现场实测或足尺试验对其展开分析测试，有工期较长、造价较高、安全性较差、无法展开多工况分析等一系列问题，最终结论可控性较差。相对而言，室内模型试验可以控制主要试验参数而不受环境条件的限制与影响，减小试验规模，便于改变试验参数进行对比试验，从而对不同设计工况进行模拟，具有经济性好、针对性强、数据准确的特点。基于此针对性提出一种模拟棚架结构动态土拱效应的室内模型试验装置。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置。
本发明的技术方案是：一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，包括混凝土底座，所述混凝土底座上设置有模型箱框架，所述模型箱框架内置有围岩、沙子、路基，所述围岩、沙子之间设置有模拟超前棚架结构的棚架结构，所述路基上方设置有由作动器进行加载的传力杆，所述模型箱框架内还设置有采集用传感器。
更进一步的，所述作动器设置在横梁上，所述横梁固定在两根型钢框架立柱之间。
更进一步的，所述型钢框架立柱上部形成多排对横梁高度进行调节安装的装配孔，高强螺栓穿过装配孔拧入到横梁进行固定。
更进一步的，所述作动器的安装座与横梁滑动连接，从而避免填充干扰。
更进一步的，所述棚架结构包括固定在混凝土底座上的钢支撑，所述钢支撑上设置有管棚，所述管棚背部固定在定位挡板上，所述管棚包括固定在卡槽中的钢管。
更进一步的，所述定位挡板与模型箱框架之间设置有支撑用的钢管框架。
更进一步的，所述采集用传感器包括置于沙子中的土压力盒、加速度传感器，所述土压力盒采集所在位置的动土压力，所述加速度传感器采集测量所在位置的加速度。
更进一步的，所述采集用传感器包括贴在钢管外壁处的应变片，所述应变片测量所在位置棚架结构的应变。
更进一步的，所述采集用传感器包括设置在棚架结构掌子面处的激光位移传感器，所述激光位移传感器监测加载过程中地表沉降情况与掌子面的变形情况。
更进一步的，所述采集用传感器包括模型箱框架外的高速摄影机，所述高速摄影机对加载过程中管棚上方土体进行摄影。
本发明的有益效果：
本发明集试验箱、加载装置、模拟棚架结构、采集装置于一身，通过计算机控制实现自动化操作，并可以满足改变多种试验条件下，对试验结果进行监测。
本发明采用电磁控制的作动器，可以精确的控制动荷载的频率和幅值，更加真实的模拟列车荷载及其他动荷载。
本发明模拟的棚架结构，可以精准的调节管棚的直径和间距，模拟隧道开挖过程管棚的受力特性及参数优化。
本发明采用加速度采集系统、动土压力和动应变采集系统、激光位移传感器等设备，可以有效减少试验中所产生的误差，更为准确的得到试验数据。
本发明采用彩砂和高速摄影机和结合的方法，可以更加直观的观察到管棚之间形成土拱的动态变化过程。
附图说明
图1 是本发明的整体结构示意图；
图2 是本发明的主视图；
图3 是本发明的正面剖视图；
图4 是本发明的侧面剖视图；
其中：
1 作动器 2 型钢框架立柱
3 高强螺栓 4 路基
5 模型箱框架 6 聚苯乙烯泡沫板
7 钢管 8 卡槽
9 定位挡板 10 沙子
11 围岩 12 混凝土底座
13 掌子面 14 横梁
15 导向轮 16 传力杆
17 电机 18 钢管框架
19 管棚 20 钢支撑
21 土压力盒 22 加速度传感器
23 应变片 24 激光位移传感器
25 高速摄影机 26 Ⅰ号计算机
27 采集器 28 Ⅱ号计算机
29 加载控制器 30 Ⅲ号计算机。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1~4所示，一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，包括混凝土底座12，所述混凝土底座12上设置有模型箱框架5，所述模型箱框架5内置有围岩11、沙子10、路基4，所述围岩11、沙子10之间设置有模拟超前棚架结构的棚架结构，
所述路基4上方设置有由作动器1进行加载的传力杆16，所述模型箱框架5内还设置有采集用传感器。
所述作动器1设置在横梁14上，所述横梁14固定在两根型钢框架立柱2之间。
所述型钢框架立柱2上部形成多排对横梁14高度进行调节安装的装配孔，高强螺栓3穿过装配孔拧入到横梁14进行固定。
所述作动器1的安装座与横梁14滑动连接，从而避免填充干扰。
所述棚架结构包括固定在混凝土底座12上的钢支撑20，所述钢支撑20上设置有管棚19，所述管棚19背部固定在定位挡板9上，所述管棚19包括固定在卡槽8中的钢管7。
所述定位挡板9与模型箱框架5之间设置有支撑用的钢管框架18。
所述采集用传感器包括置于沙子10中的土压力盒21、加速度传感器22，所述土压力盒21采集所在位置的动土压力，所述加速度传感器22采集测量所在位置的加速度。
所述采集用传感器包括贴在钢管7外壁处的应变片23，所述应变片23测量所在位置棚架结构的应变。
所述采集用传感器包括设置在棚架结构掌子面13处的激光位移传感器24，所述激光位移传感器24监测加载过程中地表沉降情况与掌子面的变形情况。
所述采集用传感器包括模型箱框架5外的高速摄影机25，所述高速摄影机25对加载过程中管棚19上方土体进行摄影。
所述横梁14与作动器1的安装座为滑动连接或滚动连接。
所述横梁12的上端和/下端内置有导向轮15，所述导向轮15能够平滑的进行作动器1的横向移动。
所述作动器1的安装座形状可以但不限于为套在横梁14上的框状。
所述作动器1的横向位置调节为手动调节或通过置于型钢框架立柱2上的电机17进行调节。
采用型钢作为模型箱框架5，可有效保证整体刚度，模型箱型钢框架5底部通过高强螺栓3与底部混凝土底座12连接，保证了整体稳定性。四周采用20mm厚的有机钢化玻璃作为试验箱侧壁，一方面可减小侧壁摩擦力提高试验精度，另一方面利用有机钢化玻璃较好的透视性以便直接观察土体的变化情况及超前棚架结构的整体振动和变形特征。
所述作动器1为电磁作动器，所述横梁14与型钢框架立柱2组成反力架，型钢框架立柱2分别立在模型箱两侧，型钢框架立柱2底部通过高强螺栓3与混凝土底座12连接，型钢框架立柱2上部预留有不同高度的装配孔，横梁14可通过固定在不同高度的装配孔以调节横梁14的高度。
所述电磁的作动器1通过下部传力杆16与路基4连接，可将荷载施加到路基4表面，以模拟上部路基运行条件。电磁作动器1与加载控制器29和Ⅲ号计算机30相连，从而可准确调节试验过程中施加荷载的幅值、频率及荷载的作用形式，从而可以更加真实的模拟不同列车的振动荷载，以研究不同荷载条件下棚架结构的动态土拱效应。
棚架结构由钢管7、卡槽8、定位挡板9、钢管框架18、钢支撑20组成。钢管7固定在卡槽8上，钢管7内部浇筑混凝土，定位挡板9预留圆孔用于固定钢管7位置。定位挡板9与模型箱侧壁中间放置钢管框架18用以保持上部结构的稳定。钢管7下部通过钢支撑18与模型箱底部连接，以保持下部稳定。可改变卡槽8间距与圆孔位置以模拟不同间距、不同钢管直径下棚架结构的动态土拱效应。
采集装置主要由加速度采集系统、动土压力和动应变采集系统、激光位移传感器及三维动态应变测试系统构成。
加速度采集系统通过将加速度传感器22埋置在相应位置以测量该位置的加速度；动土压力和动应变采集系统通过将土压力盒21埋置在相应位置，将应变片23贴在钢管7上，以测量相应位置的土压力与棚架结构的应变；激光位移传感器24布置在地表与掌子面13，用于监测加载过程中地表沉降情况与掌子面的变形情况；三维动态应变测试系统通过高速摄影机25对加载过程中管棚上方土体进行摄影，并采用图像处理软件，研究动荷载作用下管棚上方土体的流动情况，以更好的分析动荷载作用下的土拱效应。
所述加速度传感器22、应变片23、土压力盒21、激光位移传感器24均接入到采集器27中，所述采集器27与Ⅱ号计算机28相连。
所述高速摄影机25与Ⅰ号计算机26相连。
本发明的使用过程如下：
首先按照试验目的和条件，根据相似定理选取容重、弹性模量、泊松比、粘聚力及内摩擦角作为模型材料的控制参数，严格控制相似材料的相似比，并经物理力学实验最终确定各相似材料的力学参数，根据相似材料的力学参数配制相似材料。在将相似材料填筑在模型箱内之前，在模型箱底部铺设聚苯乙烯泡沫板6，之后将相似材料填筑在模型箱下部以模拟围岩11。
围岩11填筑完成后，将钢管7、卡槽8、定位挡板9、钢管框架18、钢支撑20安置在相应位置以模拟超前管棚支护体系。将下部围岩开挖至掌子面13，并在掌子面布置激光位移传感器13，在钢管7表面贴应变片23。
采用彩砂作为模型土，用红蓝染料进行上色将细沙烘干，分层填筑，每填筑5cm压实后换另一种彩砂铺设，并在铺设彩砂过程中布置相应的土压力盒21与加速度传感器22。当彩砂达到预设位置时，将路基4的相似材料填筑在相应位置以模拟上部路基。
将电磁作动器1移动到相应位置，并连接合适长度的传力杆16，使传力杆16与路基4接触。
静置24小时后，打开管棚周围的挡板，让彩砂流出，形成稳态的土拱。此时，使用Ⅲ号计算机30将列车荷载数据按照加速度、频率比尺进行预处理，采用LabVIEW软件内置的相位差振源输入模块进行编码，经NI-myDAQ转换卡、功率放大器等加载控制器29接入电磁作动器1，从而实现不同相位差或不同频率的同步加载，以更接近列车实际运行期间产生的激励荷载。
在试验期间，通过采集器27将试验中土压力盒21、加速度传感器22、应变片23以及激光位移传感器24监测到的数据传递至Ⅱ号计算机28，并对数据进行分析。采用高速摄影机25对试验过程全程记录，分析其静载和动载情况下上方土拱的变化。
本发明首次在管棚土拱效应试验中引入加载设备，同时采用各种监测设备对试验过程中的变形及应力应变进行监测，更加真实的反映了实际工程中的动态土拱效应。基于本发明可进一步得到管棚参数与交通荷载幅值频率之间的相互关系，为管棚参数的设计优化提供建议，从而保证隧道开挖过程中的施工安全。
Claims (7)
1.一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，包括混凝土底座（12），其特征在于：所述混凝土底座（12）上设置有模型箱框架（5），所述模型箱框架（5）内置有围岩（11）、沙子（10）、路基（4），所述围岩（11）、沙子（10）之间设置有模拟超前棚架结构的棚架结构，所述路基（4）上方设置有由作动器（1）进行加载的传力杆（16），所述模型箱框架（5）内还设置有采集用传感器；
棚架结构由钢管（7）、卡槽（8）、定位挡板（9）、钢管框架（18）、钢支撑（20）组成，钢管（7）固定在卡槽（8）上，钢管（7）内部浇筑混凝土，定位挡板（9）预留圆孔用于固定钢管（7）位置，定位挡板（9）与模型箱侧壁中间放置钢管框架（18）用以保持上部结构的稳定，钢管（7）下部通过钢支撑（20）与模型箱底部连接，以保持下部稳定；
改变卡槽(8)间距与圆孔位置以模拟不同间距、不同钢管直径下棚架结构的动态土拱效应；
所述作动器(1)为电磁作动器，横梁(14)与型钢框架立柱(2)组成反力架，型钢框架立柱(2)分别立在模型箱两侧，型钢框架立柱(2)底部通过高强螺栓(3)与混凝土底座(12)连接，型钢框架立柱(2)上部预留有不同高度的装配孔，横梁(14)通过固定在不同高度的装配孔以调节横梁(14)的高度；
所述作动器（1）通过下部的传力杆(16)与路基(4)连接，将荷载施加到路基(4)表面，以模拟上部路基运行条件，作动器(1)与加载控制器(29)和Ⅲ号计算机(30)相连，从而准确调节试验过程中施加荷载的幅值、频率及荷载的作用形式，从而更加真实的模拟不同列车的振动荷载，以研究不同荷载条件下棚架结构的动态土拱效应；
所述作动器（1）设置在横梁（14）上，所述横梁（14）固定在两根型钢框架立柱（2）之间；
所述棚架结构包括固定在混凝土底座（12）上的钢支撑（20），所述钢支撑（20）上设置有管棚（19），所述管棚（19）背部固定在定位挡板（9）上，所述管棚（19）包括固定在卡槽（8）中的钢管（7）；
所述定位挡板（9）与模型箱框架（5）之间设置有支撑用的钢管框架（18）。
2.根据权利要求1所述的一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，其特征在于：所述型钢框架立柱（2）上部形成多排对横梁（14）高度进行调节安装的装配孔，高强螺栓（3）穿过装配孔拧入到横梁（14）进行固定。
3.根据权利要求2所述的一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，其特征在于：所述作动器（1）的安装座与横梁（14）滑动连接，从而避免填充干扰。
4.根据权利要求1所述的一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，其特征在于：所述采集用传感器包括置于沙子（10）中的土压力盒（21）、加速度传感器（22），所述土压力盒（21）采集所在位置的动土压力，所述加速度传感器（22）采集测量所在位置的加速度。
5.根据权利要求1所述的一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，其特征在于：所述采集用传感器包括贴在钢管（7）外壁处的应变片（23），所述应变片（23）测量所在位置棚架结构的应变。
6.根据权利要求1所述的一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，其特征在于：所述采集用传感器包括设置在棚架结构掌子面（13）处的激光位移传感器（24），所述激光位移传感器（24）监测加载过程中地表沉降情况与掌子面的变形情况。
7.根据权利要求1所述的一种模拟棚架结构动态土拱效应的试验装置，其特征在于：所述采集用传感器包括模型箱框架（5）外的高速摄影机（25），所述高速摄影机（25）对加载过程中管棚（19）上方土体进行摄影。
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