CN114486140A - 一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，包括振动台、衬砌模型和质量块，所述质量块位于所述衬砌模型内部，所述质量块与所述衬砌模型之间通过钢丝连接，所述质量块通过硬弹簧与所述振动台连接，所述钢丝施以预应力。本发明为无土箱试验，因此免于配比模型土，也不用考虑土箱的边界条件，但动态土的质量和刚度可以精确保证；试验可视性好，便于观测和布置测量仪器，也方便拆卸；并且通过调整钢丝布置、初始预拉力和质量块大小，可以模拟土层和静动荷载的变化，并能模拟隧道与土之间的摩擦力。因此，本试验装置能重现隧道结构的三维静力和动力受力状态，进行丰富的参数试验研究，为实际工程提供科学可靠的决策依据。

Description

一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置
技术领域
本发明涉及隧道试验技术领域，尤其是涉及一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置。
背景技术
传统的隧道室内模型振动台试验，除了隧道结构的模型外，还需要增加一个能够传递土层振动作用到隧道结构的装置－模型箱。然而，实际的土层是无界可自由变形的，有限的模型箱模拟无限的土，“模型箱效应”会给试验结果带来一定的误差，静动边界无法得到完全的模拟。而且，对超长隧道的大尺度试验来说，模型土制作费用高，参数和测试都存在很多不可控因素，试验只有定性价值，难以为工程实际提供科学依据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，可适应隧道的条件变化，易操作，便于观测。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，包括振动台、衬砌模型和质量块，所述质量块位于所述衬砌模型内部，所述质量块与所述衬砌模型之间通过钢丝连接，所述质量块或所述衬砌模型通过硬弹簧与所述振动台连接。
进一步地，所述硬弹簧的一端与所述质量块的底部固定连接，所述硬弹簧的另一端穿过所述衬砌模型与所述振动台固定连接。
进一步地，所述质量块与所述振动台之间设有两条所述硬弹簧，两条所述硬弹簧并排设置。
进一步地，所述钢丝与所述衬砌模型之间设有预应力装置。
进一步地，所述质量块与所述衬砌模型之间通过多个所述钢丝连接，多个所述钢丝成轮辐式结构排布。
进一步地，所述钢丝与所述衬砌模型的轴线呈倾斜设置。
进一步地，所述衬砌模型的数量为多个，多个所述衬砌模型之间依次首尾相连。
进一步地，所述衬砌模型的端头部设有一圈凸起环，所述凸起环上设有若干通孔。
进一步地，相邻的所述质量块之间通过中间弹簧连接。
进一步地，所述衬砌模型的外侧设有纵梁或环梁，通过所述纵梁或所述环梁固定多个所述钢丝。
本发明的技术方案把地震下在隧道外面对隧道施加地震动荷载的土，用具有同样惯性效应的质量块代替，土的刚度则用钢丝代替，振动台驱动质量块拉动钢丝在内部对隧道衬砌加载。免于制作土箱，也不用配比模型土，不用考虑土箱的边界条件，但动态土的质量和刚度可以精确保证；试验可视性好，便于观测和布置测量仪器，也方便拆卸；并且通过调整钢丝布置、初始预拉力和质量块大小，可以模拟土层和静动荷载的变化，并能模拟隧道和土之间的摩擦力。因此，本试验装置能重现隧道结构的三维静力和动力受力状态，进行丰富的参数试验研究，为实际工程提供科学可靠的决策依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例1的另一结构示意图；
图3为本发明实施例1的内部结构示意图；
图4为本发明实施例1的立体结构示意图；
图5为本发明实施例2的结构示意图；
图中，1、振动台；2、衬砌模型；3、质量块；4、钢丝；5、硬弹簧；6、凸起环；7、中间弹簧；8、质量环。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示，一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，包括振动台1、衬砌模型2和质量块3，质量块3位于衬砌模型2内部，质量块3与衬砌模型2之间通过钢丝4连接，钢丝4与衬砌模型2之间设有预应力装置。质量块3与衬砌模型2之间通过多个钢丝4连接，形成轮辐式结构，轮辐式结构包括轮轴(质量块)、辐条(钢丝)和轮圈(衬砌模型)。质量块3相当于轮轴，钢丝4位于质量块3与衬砌模型2之间。钢丝4的刚度等于隧道周围土的拉压刚度，即钢丝4相当于土弹簧。钢丝4与衬砌模型2的轴线呈倾斜设置，倾斜的钢丝4可同时模拟土的径向和切向刚度。钢丝4需预拉，锚固在隧道结构(衬砌)上，衬砌因此受到压力。此初始预应力用来模拟隧道静态下的水、土压力，即围压。通过钢丝固有的刚度，再加上预应力功能，完善了隧道的静力边界。
本发明中，钢丝包含了动静耦合设计：一方面钢丝的初始预应力可以施加隧道受到的静压力；另一方面，钢丝的伸缩可以模拟土体的变形；刚度和预应力相互独立，实现了一丝二用的功能。另外，钢丝倾斜放置获得水平分量，可以模拟土-隧道之间的纵向摩擦。调整初始预应力可以适应埋深和静载的变化，调整钢丝的粗细和疏密程度可以适应土体刚度的变化。
质量块3通过硬弹簧5与振动台1连接，质量块3与振动台1之间设有两根硬弹簧5，两根硬弹簧5并排设置。硬弹簧5的一端与质量块3的底部固定连接，硬弹簧5的另一端穿过衬砌模型2与振动台1固定连接。
本实施例质量块3透过衬砌模型2与振动台1用硬弹簧5支撑连接，一方面支承(平衡)动土质量块的重量，另一方面传递振动台1的振动加速度(若考虑动土外部土体对动土变形折算的弹性压力，则为硬弹簧。不考虑，则支撑为刚性)。这样，隧道周围土在振动台(地震)的振动下获得惯性力，然后通过两侧土弹簧转化为弹性力，产生相对位移带动隧道变形，在衬砌边缘的位移就是隧道结构的输入，符合“响应位移法”的原理，模拟了隧道的动态边界和部分静态边界，达到了模型土箱振动台试验相同的原理效果。
试验系统横断面的振动方程如下：
Figure BDA0003498467640000051
KcUc＝Ks(xc-xs)(衬砌) (2)
这两个方程是凝聚后的合力方程。其中，M代表质量，y代表相对振动台的位移，下标c代表隧道衬砌，下标s代表土，K代表刚度，
Figure BDA0003498467640000052
代表振动台输入加速度。方程(2)是关于衬砌的弹性地基梁的静力方程，代表衬砌在土的弹性力下，自身的变形。方程(试验)中没有考虑阻尼。
由于质量块3不是变形体，其弹性刚度由钢丝和硬弹簧实现，模拟了位移边界；动态土提供惯性力，模拟了动力边界；但自重由钢丝的预应力实现，完善了静力边界。因此，本发明装置通过“三分离”：动态土与静态土分离，质量和刚度分离，静压力与弹簧刚度分离，把集自重-弹性-惯性于一体的土，离散成等效的物理元件，重现了隧道结构的受力状态。
衬砌模型2可为多个管段或管片依次首尾相连。本实施例中，衬砌模型2的端头部设有一圈凸起环6，凸起环6上设有若干通孔。通孔中也通过预应力钢丝或预紧螺栓拉结，模拟把衬砌管片或管段压在一起的初始净水压力、止水带压力等。在衬砌模型2外侧附加纵梁(或环梁)，既能锚固径向钢丝，也方便安装，隧道的受力也更均匀。
试验模型高度较小，而周围土的质量较大，质量块3可做成实体，上可设置贯通孔或凹槽，以便固定钢丝。每段衬砌内部均设一个质量块，模拟该段特定的土性。每个质量块3都要与振动台1连接，才有惯性力。相邻的质量块3之间通过中间弹簧7连接，模拟不同土层之间的水平刚度，弹簧纵向可滑动，代表土层之间无剪力。
本实施例中，不同的振动台1可以输入一致地震动，也可以输入非一致地震动，进行抗断、抗震研究。地震输入方式可以通过改变结构和支撑增加多样化，如：质量块3可以交叉支撑在相邻的振动台1上，以模拟不同的地震动非一致性、地层错动、地基沉降方式；内部钢丝的刚度可以接近零，以模拟地震下砂土液化造成的承载力丧失。
试验系统纵断面是多个动态土质量块串联的糖葫芦串(集中质量)模型。为了考虑地震动的时空差异，多台通过多点激励的方式对不同的质量块施加不同的加速度或位移，来模拟行波效应、断层错动等。纵向振动方程的各系数矩阵均为耦合式。
实施例2
如图5所示，本实施例与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于，本实施例质量块3与振动台1之间不通过硬弹簧5连接，而是衬砌模型2通过支撑弹簧5与振动台1连接。
本实施例适用于沉管隧道直接放在海床上，围压主要是水压，只是被少量填土和回淤掩埋，则周围动土的惯性力很有限的情况。隧道周围土只提供静压和土弹簧刚度，而隧道本身的惯性则比较突出。此种情况，隧道结构退化为弹性地基梁。此时，可以将质量块做成环状，不再传递惯性力，只起到锚固预应力钢丝的作用；质量环8也不必与振动台1连接，相反，衬砌应该与振动台用弹簧连接，此弹簧代表地基竖向弹簧。水平摩擦力也可以忽略。
需要说明的是：与实施例1不同，本实施例的弹性地基梁试验本质上是静力试验，虽然由振动台驱动，但不具动力试验价值。
实施例3
试验模型的参数需通过模型相似律计算。模型衬砌用的混凝土和钢筋与真实隧道相同，则弹性模量E和材料密度ρ的相似比是1，而长度比即为缩尺比。其它设计参数都可从这三个基础参数的比例推导出来。一般公式见表1：
表1相似比
Figure BDA0003498467640000071
本实施例以某沉管隧道为例，取第23-25管节做试验(1个管节＝8个管段)，缩尺比例为1/15，设计计算如下：
表2管段尺寸和质量计算
管段长(m) 断面宽(m) 断面高(m) 壁厚(m) 管节质量(kg) 管段质量(kg)
实际尺寸 22.5 40 12 1.5 7.60E+07 9.50E+06
模型尺寸 1.5 2.67 0.8 0.1 337778 42222
表3中间质量块(动态土)计算
动态土 实际 模型 钢绞线 实际 模型
左两侧(kN/m) 5181 345.5 标准强度Mpa 1860 1860
右两侧(kN/m) 5181 345.5 初始张拉应力 1209 1209
下部(kN/m) 31086 2072 每孔截面积mm<sup>2</sup> 4536 20.16
上部(kN/m) 31086 2072 截面正压力MN 200 0.89
每延米总重(kN/m) 82896 5526 每孔直径mm 5.067
质量块截面积(m<sup>2</sup>) 0.3521
*壁内设纵向预应力钢绞线：每个孔道25束，直径15.2mm.
表4隧道上覆水土(初始压力—径向预应力--切向预应力)计算
Figure BDA0003498467640000081
表5内部预应力钢筋面积计算：上下面：纵向3，横向4，共12个
总的 总的 面积/根 面积/根 直径max 直径min
23节，mm<sup>2</sup> 880 667 73.3 55.6 9.663 8.410
24-25节，mm<sup>2</sup> 720 320 60.0 26.7 8.740 5.827
质量块及钢丝参数：
隧道周围惯性土宽度取隧道断面直径的1倍每个预应力孔道为25束15.2mm的钢绞线，约36孔
惯性土重量 实际 模型 标准强度Mpa 1860 σ<sub>r</sub>＝E<sub>r</sub> 1860
左右两侧(kN/m)： 10362 691 初始张拉应力 1209 σ<sub>r</sub>＝E<sub>r</sub> 1209
下部(kN/m)： 31086 2072 每孔截面积mm<sup>2</sup> 4536 L<sub>r</sub><sup>2</sup> 20.16
上部(kN/m)： 31086 2072 截面正压力MN 200 F<sub>r</sub>＝E<sub>r</sub>L<sub>r</sub><sup>2</sup> 0.89
每延米动土重量(kN)： 82896 5526 每孔直径mm 5.067
模型质量块截面积m<sup>2</sup> 0.3521 质量块尺寸 0.2mx1.760m
每延米静土重量(kN)： 16314 1088 每孔距离mm 144
所需钢筋预应力(kN)： 163 每根(kN) 40.8 应力(Mpa) 209
这样，根据实施例1的原理和方法及模型相似律，可以得出质量块、衬砌模型尺寸、钢丝的大小和数量、预应力等，即可进行模型加工和安装，准备试验。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：包括振动台、衬砌模型和质量块，所述质量块位于所述衬砌模型内部，所述质量块与所述衬砌模型之间通过钢丝连接，所述质量块通过硬弹簧与所述振动台连接。
2.根据权利要求1所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述硬弹簧的一端与所述质量块的底部固定连接，所述硬弹簧的另一端穿过所述衬砌模型与所述振动台固定连接。
3.根据权利要求2所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述质量块与所述振动台之间设有两条所述硬弹簧，两条所述硬弹簧并排设置。
4.根据权利要求1所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述钢丝与所述衬砌模型之间设有预应力装置。
5.根据权利要求1所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述质量块与所述衬砌模型之间通过多个所述钢丝连接，多个所述钢丝成轮辐式结构排布。
6.根据权利要求5所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述钢丝与所述衬砌模型的轴线呈倾斜设置。
7.根据权利要求1所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述衬砌模型的数量为多个，多个所述衬砌模型之间依次首尾相连。
8.根据权利要求7所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述衬砌模型的端头部设有一圈凸起环，所述凸起环上设有若干通孔。
9.根据权利要求7所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：相邻的所述质量块之间通过中间弹簧连接。
10.根据权利要求7所述的可模拟静动边界的无土箱隧道振动台试验装置，其特征在于：所述衬砌模型的外侧设有纵梁或环梁，通过所述纵梁或所述环梁固定多个所述钢丝。
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