CN114114387A - 模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置、系统及方法，属于模型试验技术领域，包括底座和模型试验平台，模型试验平台滑动连接于底座，且模型试验平台一侧连接有用于施加横向压力的第一加载杆；模型试验平台底部连接第二加载杆，第二加载杆连接偏心轮机构以产生振动并传递至第一加载杆，第一加载杆推动模型试验平台水平移动。本发明能够有效模拟地震横波模拟动力加载过程，根据检测数据能够为深埋隧道孕灾模式与致灾机理提供依据。

Description

模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及模型试验技术领域，尤其涉及模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置、系统及方法。

背景技术

由于地震等因素对隧道使用寿命、安全性均有显著影响，因此，需要考虑隧道的抗震效果。利用室内模型试验装置对地震波动力加载方式进行模拟，可以有效研究隧道结构在地震作用下的破坏形式，进而设计科学合理的抗震结构，提升隧道建设的安全性，延长隧道服务寿命。

发明人发现，现有技术公开了深埋隧道动力灾害试验系统，其箱体内填充有断裂相似材料，箱体顶部设置应力加载单元，内部设有断裂错动单元，底部设有地震振动加载单元，可模拟水-力耦合条件下速到穿越活动断裂突水突泥灾害；其仅考虑了地震纵波的影响，只能研究隧道结构在上下振动时的破坏模式，并未考虑地震横波作用，而地震纵波和地震横波并非仅仅方向上旋转了90度，二者对隧道的作用机理完全不同。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置、系统及方法，能够有效模拟地震横波模拟动力加载过程，根据检测数据能够为深埋隧道孕灾模式与致灾机理提供依据。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，包括底座和模型试验平台，模型试验平台滑动连接于底座，且模型试验平台一侧连接有用于施加横向压力的第一加载杆；

模型试验平台底部连接第二加载杆，第二加载杆连接偏心轮机构以产生振动并传递至第一加载杆，第一加载杆推动模型试验平台水平移动。

作为进一步的实现方式，所述底座包括支撑架、安装于支撑架一端的反力板，第一加载杆与反力板连接且二者相互垂直。

作为进一步的实现方式，所述支撑架顶部安装导轨，导轨与模型试验平台构成滑动副。

作为进一步的实现方式，所述导轨间隔设置两个，导轨长度方向与第一加载杆加载方向平行；

导轨彼此远离的一侧设有与支撑架固定的加固板。

作为进一步的实现方式，所述第一加载杆和第二加载杆为液压杆，二者分别通过导油管连接液压阀组。

作为进一步的实现方式，所述偏心轮机构包括偏心轮、与偏心轮连接的驱动机构，偏心轮与连杆一端铰接，连杆另一端与第二加载杆固定连接。

作为进一步的实现方式，所述驱动机构包括伺服电机和同步带机构，伺服电机通过同步带机构连接偏心轮。

第二方面，本发明的实施例还提供了模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验系统，包括所述的模型试验装置，还包括模型箱，模型箱固定于模型试验平台上表面。

作为进一步的实现方式，所述模型箱内设有加速度传感器、土压力盒和渗压计。

第三方面，本发明的实施例还提供了模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验方法，采用所述的模型试验系统，在模型箱内装填相似材料，并埋设加速度传感器、土压力盒和渗压计；

设定第一加载杆加载的加速度、加载时间和第二加载杆的振动频率；

启动第一加载杆、第二加载杆，采集传感器数据。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的第一加载杆和第二加载杆均为液压杆，且二者连接液压阀组，第二加载杆连接偏心轮机构，通过偏心轮控制底部液压杆(第二加载杆)水平振动，可以控制精确地频率与振幅，其连接的液压阀组将底部液压杆的振动信号实时传递给上部液压杆(第一加载杆)，保证频率和振幅的一致性，同时提供更大的动力以保证模型箱在满载时也可以正常水平振动。

(2)本发明偏心轮机构采用伺服电机—液压控制形式，可以实现加速度0～0.8g，振动频率1～10Hz的地震横波模拟动力加载；第一加载杆和第二加载杆均连接液压阀组，能够实现二者的同步控制。

(3)本发明的模型箱中埋设多种传感器，通过采集和分析传感器数据可以揭示地震作用下深埋隧道孕灾模式与致灾机理，为隧道工程防灾减灾提供理论依据。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的底座结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的偏心轮机构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的液压阀组示意图；

其中，1、模型试验平台，2、模型箱，3、底座，4、液压阀组，5、第一加载杆，6、反力板，7、加固板，8、支撑架，9、导轨，10、偏心轮机构，11、第二加载杆，12、连杆，13、偏心轮，14、伺服电机，15、安装座，16、溢流阀，17、压力表，18、单向阀，19、电磁阀，20、比例阀。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，如图1和图2所示，包括底座3、模型试验平台1、第一加载杆5、第二加载杆11，模型试验平台1用于放置模型箱2，其滑动连接于底座3上侧；第一加载杆5用于对模型试验平台1施加横向载荷，第二加载杆11用于产生振动。

底座3顶部安装两个间隔设置的导轨9，模型试验平台1底部设有与导轨9相适配的滑槽，从而使模型试验平台1与底座3构成滑动副。导轨9与滑槽之间施加润滑，减小滑动摩擦阻力。

在本实施例中，导轨9的横截面为圆弧形，滑槽内径略大于导轨9直径，以避免发生垂直于滑动方向的位移。

进一步的，所述底座3包括支撑架8、反力板6和加固板7，支撑架8为任意框架结构，使用时底座3通过膨胀螺钉固定于地面，防止因振动、加速度等动力加载而发生位移。

反力板6安装于支撑架8一端，且反力板6竖直设置，通过反力板6支撑第一加载杆5，以使第一加载杆5仅能沿导轨9长度方向运动。反力板6侧面设置若干肋板，以降低动力加载过程中的结构形变。

在本实施例中，第一加载杆5为液压杆，液压杆的固定端贯穿反力板6并与反力板6固定，液压杆的活塞端连接模型试验平台1一侧，通过液压杆动作实现对模型试验平台1的横向加载。

反力板6两侧对称安装有加固板7，加固板7支撑架8固定，且位于导轨9外侧。

进一步的，模型试验平台1底部连接第二加载杆11，第二加载杆11连接偏心轮机构10，偏心轮机构10与支撑架8固定且位于模型试验平台1下方。

如图3所示，偏心轮机构10包括偏心轮13、伺服电机14和同步带机构，伺服电机14安装于安装座15一侧，同步带机构设有安装座15内，伺服电机14通过同步带机构连接偏心轮13；偏心轮13与连杆12的一端铰接，连杆12另一端与第二加载杆11固定连接。

偏心轮13旋转使连杆12按照设定幅度振动，通过铰接将振动传递给第二加载杆11，而第二加载杆11只能水平运动，从而将偏心轮13的旋转运动转化为第二加载杆11的水平运动。

在本实施例中，第二加载杆11为液压杆，其与第一加载杆5均通过导油管连接液压阀组4，通过液压阀组4实现对第二加载杆11的频率和加速度控制。通过偏心轮机构10控制第二加载杆11水平振动，可以控制精确地频率与振幅，第二加载杆11连接的液压阀组4将其振动信号实时传递给第一加载杆5，保证二者频率和振幅的一致性，同时提供更大的动力以保证模型箱2在满载时也可以正常水平振动，即液压阀组4和上部液压杆将底部液压杆的振动无损失放大。

如图4所示，液压阀组4包括溢流阀16、单向阀18、电磁阀19、比例阀20和压力表17，溢流阀16、电磁阀19、比例阀20和压力表17均与单向阀18固定。溢流阀16为直动型溢流阀，具有定压溢流、稳压作用；比例阀20和电磁阀19用于控制液压杆的运动方向及速度，单向阀18能够避免液压油回流，压力表17用于显示第一加载杆5的实时压力值。

优选地，第二加载杆11的频率范围为1～10Hz，加速度范围为0～0.8g；采用伺服电机-液压机构，可以实现加速度0～0.8g，振动频率1～10Hz的地震横波模拟动力加载。

实施例二：

本实施例提供了一种模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验系统，包括实施例一所述的模型试验装置，还包括模型箱2，模型箱2固定于模型试验平台1上表面，用于装填相似材料。

所述模型箱1内设有加速度传感器、土压力盒和渗压计，以检测横波动力加载模拟过程中的数据信息。

实施例三：

本实施例提供了一种模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验方法，采用实施例二所述的模型试验系统，包括以下步骤：

A、调配相似材料，将相似材料装填于模型箱2内，并埋设加速度传感器、土压力盒、渗压计等。

B、将模型箱3与模型试验平台1固定，吊装模型箱3，使导轨9与模型试验平台1的滑槽配合。

C、将模型试验平台1与第一加载杆5的活塞端通过螺栓连接。

D、设定第一加载杆5加载的加速度、加载时间和第二加载杆11的振动频率。

E、启动第一加载杆5、第二加载杆11，采集加速度传感器、土压力盒、渗压计数据。

F、重复步骤D、E即可实现不同动力加载模式的循环叠加和数据采集。

G、加载完成后解除第一加载杆5与模型试验平台1的连接，通过吊装拆下模型箱2，拆除各传感器，清空相似材料。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，包括底座和模型试验平台，模型试验平台滑动连接于底座，且模型试验平台一侧连接有用于施加横向压力的第一加载杆；

模型试验平台底部连接第二加载杆，第二加载杆连接偏心轮机构以产生振动并传递至第一加载杆，第一加载杆推动模型试验平台水平移动。

2.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，所述底座包括支撑架、安装于支撑架一端的反力板，第一加载杆与反力板连接且二者相互垂直。

3.根据权利要求2所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，所述支撑架顶部安装导轨，导轨与模型试验平台构成滑动副。

4.根据权利要求3所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，所述导轨间隔设置两个，导轨长度方向与第一加载杆加载方向平行；

导轨彼此远离的一侧设有与支撑架固定的加固板。

5.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，所述第一加载杆和第二加载杆为液压杆，二者分别通过导油管连接液压阀组。

6.根据权利要求1所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，所述偏心轮机构包括偏心轮、与偏心轮连接的驱动机构，偏心轮与连杆一端铰接，连杆另一端与第二加载杆固定连接。

7.根据权利要求6所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验装置，其特征在于，所述驱动机构包括伺服电机和同步带机构，伺服电机通过同步带机构连接偏心轮。

8.模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的试验装置，还包括模型箱，模型箱固定于模型试验平台上表面。

9.根据权利要求8所述的模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验系统，其特征在于，所述模型箱内设有加速度传感器、土压力盒和渗压计。

10.模拟深埋隧道地震横波动力加载的试验方法，其特征在于，采用如权利要求9所述的试验系统，在模型箱内装填相似材料，并埋设加速度传感器、土压力盒和渗压计；

设定第一加载杆加载的加速度、加载时间和第二加载杆的振动频率；

启动第一加载杆、第二加载杆，采集传感器数据。

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