CN115165282B - 模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法，该装置包括：土‑结构相互作用机构，包括围绕隧道的外周侧设置且能够向隧道的外周侧施加外部静荷载的多个相互作用子单元；地层变形加载机构，包括两组加载单元，每组加载单元包括多个加载子单元，每一加载子单元连接至一个相互作用子单元上，能够推动土‑结构相互作用机构在第二方向上往复运动；反力机构，包括位于地层变形加载机构相对两侧的两组反力单元，每一反力单元连接至一组加载单元上；位移限制机构，包括分别位于隧道相对两端的两组限位单元。本公开提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法，能够有效模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形。

Description

模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法

技术领域

本发明涉及隧道模型试验装置领域，尤其是涉及一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置。

背景技术

相关技术中隧道在地震作用下会产生严重破坏。地震引起的管片错台、接头拼缝拉开渗水、接头混凝土挤压破坏、连接螺栓拉断脱落等问题，严重影响整条地铁线路的安全运营。

目前，隧道等地下结构地震破坏规律研究方法主要有以下两种：第一种是数值模拟，第二种是物理模型试验。其中，数值模拟的方法在描述结构和材料破坏过程和极限破坏形态、以及土-结构相互作用等现象存在很大的不确定性，很难再现地震过程中结构及围岩土的破坏过程；物理试验的方法可直接通过数据测试再现实际破坏过程、有助于推断结构破坏机理，具有独特的优势。

但是，目前物理试验的方法中，通常采用振动台试验或离心振动台开展隧道抗震性能试验。大多数模型试验均为单台振动试验，地震为一致地震输入，无法反应行波效应造成的隧道纵向空间非一致激励效应。而隧道作为一种长线型地下结构，其纵向非一致地震响应往往更为关键。

发明内容

本公开实施例提供了一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法，能够有效模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形，且能够模拟隧道所受到的外部静载荷。

本公开实施例所提供的技术方案如下：

本公开一方面提供了一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置，包括：

用于模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用的土-结构相互作用机构，所述土-结构相互作用机构包括沿第一方向依次排列的多个相互作用子单元，所述第一方向为所述隧道的轴线方向，每一所述相互作用子单元围绕所述隧道的外周侧设置且能够向所述隧道的外周侧施加外部静荷载；

用于模拟隧道纵向因行波效应引起的相对地层变形的地层变形加载机构，所述地层变形加载机构包括在第二方向上分别设置在所述土-结构相互作用机构相对两侧的两组加载单元，所述第二方向为与所述第一方向垂直的水平方向，每组所述加载单元包括沿所述第一方向依次排列的多个加载子单元，每一所述加载子单元连接至对应的一个所述相互作用子单元上，所述两组加载单元能够推动所述土-结构相互作用机构在所述第二方向上往复运动；

用于为所述地层变形加载机构提供反力的反力机构，所述反力机构包括在所述第二方向上分别位于所述地层变形加载机构相对两侧的两组反力单元，每一组所述反力单元对应地连接至一组所述加载单元上；及

用于限制所述隧道在所述第一方向上位移的位移限制机构，所述位移限制机构包括在所述第一方向上分别位于所述隧道相对两端的两组限位单元。

示例性的，每一所述相互作用子单元包括：

反力钢架，包括矩形的外环架体和圆形的内环架体，所述内环架体用于环绕所述隧道的外周侧设置且所述内环架体的轴线方向为所述第一方向；及

多组外部静荷加载模块，均匀分布于所述内环架体的内周侧壁上；

其中，

每组所述外部静荷加载模块包括：

弧形传力板，呈弧形板状且与所述隧道的外周面曲面匹配以与所述隧道的外周面贴合连接；

第一千斤顶，包括相对的第一连接端和第一顶起端，所述第一连接端连接至所述内环架体的内周侧壁上；

连接板，连接至所述第一千斤顶的所述第一顶起端上；及

压缩弹簧，抵顶于所述连接板与所述弧形传力板之间，用于模拟所述围岩土与隧道结构之间的相互作用。

示例性的，在所述第一方向上，相邻两组所述相互作用子单元之间的间距为1～3m；在所述内环架体的圆周方向上，相邻两组所述外部静荷加载模块之间的圆心夹角为22.5°～36°。

示例性的，所述压缩弹簧以可拆卸方式连接在所述连接板与所述弧形传力板之间、或者所述压缩弹簧的刚度可调。

示例性的，每一所述加载子单元包括矩形传力板和第二千斤顶，所述矩形传力板与所述外环架体的外周侧壁连接，所述第二千斤顶包括相对的第二连接端和第二顶起端，所述第二连接端连接至所述反力单元上，所述第二顶起端连接至所述矩形传力板上。

示例性的，每一所述反力单元包括一龙门式框架，所述龙门式框架包括在所述第一方向上间隔设置的两个竖柱、及沿所述第一方向延伸且连接至两个所述竖柱之间的横梁，其中所述竖柱固定于地面上，同一所述加载子单元的各所述第二千斤顶的第二连接端连接至同一根所述横梁上。

示例性的，所述拟静力往复推覆试验装置还包括用于支撑所述土-结构相互作用机构的支撑机构，所述支撑机构包括沿所述第一方向依次排布的多个支撑单元，每一所述支撑单元对应一个所述相互作用子单元，每一所述支撑单元包括沿所述第二方向依次排列的槽型轨道，每一所述槽型轨道沿所述第二方向延伸，且在所述第二方向上的长度大于所述相互作用子单元的长度，所述槽型轨道内部设滚珠，所述槽型轨道固定于地面上，所述相互作用子单元设置于所述滚珠上且在所述第二方向上能够相对所述槽型轨道水平位移。

示例性的，所述限位单元包括钢构箱型柱，两组所述限位单元的所述钢构箱型柱分别设置于所述隧道的轴线方向上相对的两端，且所述钢构箱型柱固定于地面上。

本公开另一方面提供了一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验方法，应用于本公开实施例中的装置，所述方法包括：

通过调节所述地层变形加载机构，以模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形，且通过所述两组加载单元配合工作以模拟隧道结构在所述第二方向上的往复运动；

通过调节所述土-结构相互作用机构中各个所述相互作用子单元向隧道上所施加外部静荷载的大小，以模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，且通过调节各个所述相互作用子单元以模拟不同土层条件。

示例性的，所述方法中，

通过调节所述第二千斤顶的伸缩量，以调节所述地层变形加载机构而模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形；

通过调节所述第一千斤顶的伸缩量，以调节各个所述相互作用子单元向隧道上所施加外部静荷载的大小而模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，且通过调节所述压缩弹簧的刚度以模拟不同土层条件。

本公开实施例所带来的有益效果如下：

上述方案中，在进行隧道纵向地震响应模拟时，隧道可置于所述土-结构相互作用机构的中心，可通过调节所述土-结构相互作用机构向隧道外周侧所施加的外部静荷载的大小，以模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，由于所述土-结构相互作用机构包括沿隧道轴线方向上依次排布的多个相互作用子单元，每个所述相互作用子单元可向隧道施加外部静荷载，因此，所述隧道轴线方向(纵向)上不同位置上外部静荷载的大小可调节；所述地层变形加载机构可置于所述土-结构相互作用机构的在第二方向Y上的相对两侧，且两侧的所述地层变形加载机构可相互配合以推动所述土-结构相互作用机构在所述第二方向Y上往复运动，可通过调节所述地层变形加载机构，模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形；所述反力机构与所述地层变形加载机构相连，为地层变形加载机构提供反力；所述位移限制机构沿隧道轴线两端布置，用于限制隧道沿轴线平行方向的水平位移。由此可见，本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置能够有效模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形，且能够模拟隧道所受到的外部静载荷。

附图说明

并入本文中并且构成说明书的部分的附图示出了本公开的实施例，并且与说明书一起进一步用来对本公开的原理进行解释，并且使相关领域技术人员能够实施和使用本公开。

图1为本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置组装后的斜视图；

图2为本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置组装后的俯视图；

图3为本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置组装后的后视图；

图4为本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置中土-结构相互作用机构所包含相互作用子单元斜视图；

图5为本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置中地层变形加载机构所包含加载单元的斜视图。

[附图标记]

10、土-结构相互作用机构；11、相互作用子单元；111、反力钢架；1111、外环架体；1112、内环架体；1113、加强筋；1121、弧形传力板；1122、压缩弹簧；1123、连接板；1124、第一千斤顶；112、外部静荷加载模块；20、地层变形加载机构；21、加载单元；211、加载子单元；2111、矩形传力板；2112、第二千斤顶；30、反力机构；31、反力单元；311、竖柱；312、横梁；40、位移限制机构；41、限位单元；50、支撑机构；51、支撑单元；511、槽型轨道。

如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法进行详细描述。同时在这里做以说明的是，为了使实施例更加详尽，下面的实施例为最佳、优选实施例，对于一些公知技术本领域技术人员也可采用其他替代方式而进行实施；而且附图部分仅是为了更具体的描述实施例，而并不旨在对本发明进行具体的限定。

需要指出的是，在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。

通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。

如本文使用的，术语“标称/标称地”是指在生产或制造过程的设计阶段期间设置的针对部件或过程操作的特性或参数的期望或目标值，以及高于和/或低于期望值的值的范围。值的范围可能是由于制造过程或容限中的轻微变化导致的。如本文使用的，术语“大约”指示可以基于与主题半导体器件相关联的特定技术节点而变化的给定量的值。基于特定技术节点，术语“大约”可以指示给定量的值，其例如在值的5％-15％(例如，值的±5％、±10％或±15％)内变化。

可以理解的是，本公开中的“在……上”、“在……之上”和“在……上方”的含义应当以最宽方式被解读，以使得“在……上”不仅表示“直接在”某物“上”而且还包括在某物“上”且其间有居间特征或层的含义，并且“在……之上”或“在……上方”不仅表示“在”某物“之上”或“上方”的含义，而且还可以包括其“在”某物“之上”或“上方”且其间没有居间特征或层的含义。

此外，诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等空间相关术语在本文中为了描述方便可以用于描述一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系，如在附图中示出的。空间相关术语旨在涵盖除了在附图所描绘的取向之外的在设备使用或操作中的不同取向。设备可以以另外的方式被定向，并且本文中使用的空间相关描述词可以类似地被相应解释。

在对本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法进行详细说明之前，有必要对于相关技术进行以下说明：

在相关技术中，为了近似模拟地震行波效应，采用多台振动台试验开展盾构隧道纵向地震响应规律研究。但是，采用多台振动台试验模拟隧道纵向非一致地震响应时，通过控制振动台子台间的振动差异实现真实行波效应的技术难度较大，且时间与资金成本较大。而动力试验往往缩尺比较小，很难反映结构细部构造。因此设计出一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置十分必要。

为了解决上述问题，本公开实施例提供了一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置及方法，能够有效模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形且能够模拟隧道所受到的外部静载荷。

如图1所示，本公开实施例所提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置，包括：土-结构相互作用机构10、地层变形加载机构20、反力机构30及位移限制机构40。

其中，所述土-结构相互作用机构10用于模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，所述土-结构相互作用机构10包括沿第一方向X依次排列的多个相互作用子单元11，所述第一方向X为所述隧道的轴线方向，每一所述相互作用子单元11围绕所述隧道的外周侧设置(也就是说，隧道可置于所述相互作用子单元11的中心)且能够向所述隧道的外周侧施加外部静荷载。

所述地层变形加载机构20用于模拟所述隧道纵向因行波效应引起的相对地层变形，所述地层变形加载机构20包括在第二方向Y上分别设置在所述土-结构相互作用机构10相对两侧的两组加载单元21，所述第二方向Y为与所述第一方向X垂直的水平方向，每组所述加载单元21包括沿所述第一方向X依次排列的多个加载子单元，每一所述加载子单元连接至对应的一个所述相互作用子单元11上，且所述两组加载单元21能够相互配合以推动所述土-结构相互作用机构10在所述第二方向Y上往复运动。

所述反力机构30用于为所述地层变形加载机构20提供反力，所述反力机构30包括在所述第二方向Y上分别位于所述地层变形加载机构20相对两侧的两组反力单元31，每一组所述反力单元31对应地连接至一组所述加载单元21上。

所述位移限制机构40用于限制所述隧道在所述第一方向X上位移，所述位移限制机构40包括在所述第一方向X上分别位于所述隧道相对两端的两组限位单元41。

上述方案中，在进行隧道纵向地震响应模拟时，隧道可置于所述土-结构相互作用机构10的中心，可通过调节所述土-结构相互作用机构10向隧道外周侧所施加的外部静荷载的大小，以模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，由于所述土-结构相互作用机构10包括沿隧道轴线方向上依次排布的多个相互作用子单元11，每个所述相互作用子单元11可向隧道施加外部静荷载，因此，所述隧道轴线方向(纵向)上不同位置上外部静荷载的大小可调节；所述地层变形加载机构20可置于所述土-结构相互作用机构10的在第二方向Y上的相对两侧(即图1中隧道的左右两侧)，且两侧的所述地层变形加载机构20可相互配合以推动所述土-结构相互作用机构10在所述第二方向Y上往复运动，可通过调节所述地层变形加载机构20，模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形；所述反力机构30与所述地层变形加载机构20相连，为地层变形加载机构20提供反力；所述位移限制机构40沿隧道轴线两端布置，用于限制隧道沿轴线平行方向的水平位移。

由此可见，本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置能够有效模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形，且能够模拟隧道所受到的外部静载荷。

此外，这里需要说明的是，围岩土与隧道结构之间的相互作用包括但不限于地层压力作用、水压力作用等。

以下对本公开实施例提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置进行更为详细的说明。

在一些示例性的实施例中，如图1至图4所示，每一所述相互作用子单元11包括：反力钢架111及多组外部静荷加载模块112。所述反力钢架111可以包括矩形的外环架体1111和圆形的内环架体1112，所述外环架体1111与所述内环架体1112之间可有多组加强筋1113连接。所述内环架体1112用于环绕所述隧道的外周侧设置，也就是说，隧道可置于所述内环架体1112的中线，所述内环架体1112的轴线方向为所述隧道的轴线方向，即所述第一方向X。多组外部静荷加载模块112沿该内环架体1112的周向均匀分布于所述内环架体1112的内周侧壁上，用于向隧道的圆周侧施加外部静载荷。

示例性的，每组所述外部静荷加载模块112包括由内至外依次连接的：弧形传力板1121、压缩弹簧1122、连接板1123和第一千斤顶1124。所述弧形传力板1121呈弧形板状且其与所述隧道的外周面曲面匹配以与所述隧道的外周面贴合连接。

示例性的，所述弧形传力板1121可与所述隧道的外周面通过黏贴方式连接，以保证弧形传力板1121与隧道连接界面不会发生分离现象，且弧形传力板1121的弧度与隧道的弧度一致，以有效保证隧道受力的均匀性和连续性。

所述第一千斤顶1124包括相对的第一连接端和第一顶起端，所述第一连接端连接至所述内环架体1112的内周侧壁上，所述第一顶起端连接所述连接板1123。所述压缩弹簧1122抵顶于所述连接板1123与所述弧形传力板1121之间，用于模拟所述围岩土与隧道结构之间的相互作用。

所述压缩弹簧1122可以可拆卸的方式连接在所述连接板1123与所述弧形传力板1121之间、或者所述压缩弹簧1122的刚度可调。这样，可通过更换不同刚度的所述压缩弹簧1122或者调节所述压缩弹簧1122的刚度，以模拟不同土层条件。

所述连接板1123与所述弧形连接板1123可通过焊接方式连接，所述第一千斤顶1124与所述连接板1123之间、以及所述第一千斤顶1124与所述反力钢架111之间可采用法兰盘连接。

在上述方案中，多组外部静荷加载模块112均匀分布于所述内环架体1112的内周侧壁上，隧道置于内环架体1112中心时，多组外部静荷加载模块112可沿隧道外周面均匀分布，各外部静荷加载模块112之间可互不干扰，通过控制不同位置上第一千斤顶1124的伸缩量，可实现模拟不同荷载形式的目的。

示例性的，在所述内环架体1112的圆周方向上，相邻两组所述外部静荷加载模块112之间的圆心夹角为22.5°～36°，优选地，相邻两组所述外部静荷加载模块112之间的圆心夹角为22.5°，此时，所述外部静荷加载模块112的数量为16个。

这里需要指出的是，相邻两组所述外部静荷加载模块112之间的圆心夹角是指，相邻两个所述第一千斤顶1124的第一连接端的位置与所述内环架体1112的圆心之间的连线夹角。

示例性的，在所述第一方向X上，相邻两组所述相互作用子单元11之间的间距为1～3m，即所述相互作用子单元11沿隧道轴线方向等间距布设一个，这样可以尽可能模拟隧道受力的连续性。

当然可以理解的是，以上仅是本公开提供的模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置的具体实施例，在实际应用中，对于相邻两组所述外部静荷加载模块112之间的圆心夹角、及相邻两组所述相互作用子单元11之间的间距等参数，可根据实际应用场景进行合理调整。

此外，示例性的，如图5所示，每一所述加载子单元211包括矩形传力板2111和第二千斤顶2112，所述矩形传力板2111与所述外环架体1111的外周侧壁连接，所述第二千斤顶2112包括相对的第二连接端和第二顶起端，所述第二连接端连接至所述反力单元31上，所述第二顶起端连接至所述矩形传力板2111上。

采用上述方案，所述地层变形加载机构20中两组所述加载单元21分布在土-结构相互作用机构10在所述第二方向Y上的相对两侧，每组所述加载单元21包括沿所述第一方向X依次排列的多个所述加载子单元211，每一所述加载子单元211与一个所述相互作用子单元11连接，用于在所述第二方向Y上推动对应的所述相互作用子单元11，以推动所述相互作用子单元11在所述第二方向Y上往复运动，从而模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形。由于两组所述加载单元21分布于所述相互作用子单元11相对两侧，如图所示，所述加载子单元211的数量即为所述相互作用子单元11的2倍，即每个所述相互作用子单元11在所述第二方向Y上的相对两侧分别连接一个所述加载子单元211。所述加载子单元211之间相互独立，互不干扰，可通过调节不同位置上所述加载子单元211中第二千斤顶2112的伸缩量，实现模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形。且由于每个所述相互作用子单元11在所述第二方向Y上的相对两侧分别连接一个所述加载子单元211，还可通过调节所述第二千斤顶2112的伸缩量，来实现隧道结构在所述第二方向Y上的往复运动(即图所示方向上的左右往复运动)。

在一些示例性的实施例中，所述第二千斤顶2112与所述反力单元31之间可通过法兰盘连接，所述第二千斤顶2112与所述矩形反力板之间可通过焊接方式连接。所述矩形反力板与所述外环架体1111之间可通过焊接方式连接。

此外，示例性的，如图1至图2所示，每一所述反力单元31包括一龙门式框架，所述龙门式框架包括在所述第一方向X上间隔设置的两个竖柱311、及沿所述第一方向X延伸且连接至两个所述竖柱311之间的横梁312，其中所述竖柱311固定于地面上，同一所述加载子单元211的各所述第二千斤顶2112的第二连接端连接至同一根所述横梁312上。

采用上述方案，所述反力单元31用于为所述地层变形加载机构20提供反力，由于所述地层变形加载机构20布设在所述隧道在所述第二方向Y上的相对两侧，因此，所述反力单元31可包括所述第二方向Y上分别位于所述地层变形加载机构20相对两侧的两组反力单元31。且每组所述反力单元31可以由龙门式框架构成，如图1和图2所示，同一组所述加载子单元211中各所述第二千斤顶2112可连接至该龙门式框架的同一根横梁312上。

示例性的，所述第二千斤顶2112可与所述龙门式框架的横梁312之间可通过法兰盘连接。该龙门式框架的竖柱311则可通过螺栓固定于地面。

在一些示例性的实施例中，所述拟静力往复推覆试验装置还包括用于支撑所述土-结构相互作用机构10的支撑机构50，所述支撑机构50包括沿所述第一方向X依次排布的多个支撑单元51，每一所述支撑单元51对应一个所述相互作用子单元11，每一所述支撑单元51包括沿所述第二方向Y依次排列的槽型轨道511，每一所述槽型轨道511沿所述第二方向Y延伸，且在所述第二方向Y上的长度大于所述相互作用子单元11的长度，所述槽型轨道511内部设滚珠，所述槽型轨道511固定于地面上，所述相互作用子单元11设置于所述滚珠上且在所述第二方向Y上能够相对所述槽型轨道511水平位移。

采用上述方案，所述相互作用单元可相对于所述支撑单元51在第二方向Y向水平移动，也就是，允许所述土-结构相互作用机构10产生一定垂直于隧道轴线的水平位移，用于模拟由地震引起的隧道纵向变形。

示例性的，所述限位单元41包括钢构箱型柱，两组所述限位单元41的所述钢构箱型柱分别设置于所述隧道的轴线方向上相对的两端，且所述钢构箱型柱固定于地面上。

需要说明的是，所述限位单元41用于限制所述隧道在轴线方向上的位移，所述钢构箱型柱可与所述隧道紧密贴合，但是并不对隧道施加任何预应力。

本公开另一方面提供了一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验方法，应用于本公开实施例中的装置，所述方法包括：

通过调节所述地层变形加载机构20，以模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形，且通过所述两组加载单元21配合工作以模拟隧道结构在所述第二方向Y上的往复运动；

通过调节所述土-结构相互作用机构10中各个所述相互作用子单元11向隧道上所施加外部静荷载的大小，以模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，且通过调节各个所述相互作用子单元11以模拟不同土层条件。

示例性的，所述方法中，通过调节所述第二千斤顶2112的伸缩量，以调节所述地层变形加载机构20而模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形；

通过调节所述第一千斤顶1124的伸缩量，以调节各个所述相互作用子单元11向隧道上所施加外部静荷载的大小而模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，且通过调节所述压缩弹簧1122的刚度以模拟不同土层条件。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验装置，其特征在于，包括：

用于模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用的土-结构相互作用机构，所述土-结构相互作用机构包括沿第一方向依次排列的多个相互作用子单元，所述第一方向为所述隧道的轴线方向，每一所述相互作用子单元围绕所述隧道的外周侧设置且能够向所述隧道的外周侧施加外部静荷载；

用于模拟隧道纵向因行波效应引起的相对地层变形的地层变形加载机构，所述地层变形加载机构包括在第二方向上分别设置在所述土-结构相互作用机构相对两侧的两组加载单元，所述第二方向为与所述第一方向垂直的水平方向，每组所述加载单元包括沿所述第一方向依次排列的多个加载子单元，每一所述加载子单元连接至对应的一个所述相互作用子单元上，所述两组加载单元能够推动所述土-结构相互作用机构在所述第二方向上往复运动；

用于为所述地层变形加载机构提供反力的反力机构，所述反力机构包括在所述第二方向上分别位于所述地层变形加载机构相对两侧的两组反力单元，每一组所述反力单元对应地连接至一组所述加载单元上；及

用于限制所述隧道在所述第一方向上位移的位移限制机构，所述位移限制机构包括在所述第一方向上分别位于所述隧道相对两端的两组限位单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每一所述相互作用子单元包括：

反力钢架，包括矩形的外环架体和圆形的内环架体，所述内环架体用于环绕所述隧道的外周侧设置且所述内环架体的轴线方向为所述第一方向；及

多组外部静荷加载模块，均匀分布于所述内环架体的内周侧壁上；

其中，每组所述外部静荷加载模块包括：

弧形传力板，呈弧形板状且与所述隧道的外周面曲面匹配以与所述隧道的外周面贴合连接；

第一千斤顶，包括相对的第一连接端和第一顶起端，所述第一连接端连接至所述内环架体的内周侧壁上；

连接板，连接至所述第一千斤顶的所述第一顶起端上；及

压缩弹簧，抵顶于所述连接板与所述弧形传力板之间，用于模拟所述围岩土与隧道结构之间的相互作用。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述第一方向上，相邻两组所述相互作用子单元之间的间距为1～3m；在所述内环架体的圆周方向上，相邻两组所述外部静荷加载模块之间的圆心夹角为22.5°～36°。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压缩弹簧以可拆卸方式连接在所述连接板与所述弧形传力板之间、或者所述压缩弹簧的刚度可调。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每一所述加载子单元包括矩形传力板和第二千斤顶，所述矩形传力板与所述外环架体的外周侧壁连接，所述第二千斤顶包括相对的第二连接端和第二顶起端，所述第二连接端连接至所述反力单元上，所述第二顶起端连接至所述矩形传力板上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，每一所述反力单元包括一龙门式框架，所述龙门式框架包括在所述第一方向上间隔设置的两个竖柱、及沿所述第一方向延伸且连接至两个所述竖柱之间的横梁，其中所述竖柱固定于地面上，同一所述加载子单元的各所述第二千斤顶的第二连接端连接至同一根所述横梁上。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拟静力往复推覆试验装置还包括用于支撑所述土-结构相互作用机构的支撑机构，所述支撑机构包括沿所述第一方向依次排布的多个支撑单元，每一所述支撑单元对应一个所述相互作用子单元，每一所述支撑单元包括沿所述第二方向依次排列的槽型轨道，每一所述槽型轨道沿所述第二方向延伸，且在所述第二方向上的长度大于所述相互作用子单元的长度，所述槽型轨道内部设滚珠，所述槽型轨道固定于地面上，所述相互作用子单元设置于所述滚珠上且在所述第二方向上能够相对所述槽型轨道水平位移。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述限位单元包括钢构箱型柱，两组所述限位单元的所述钢构箱型柱分别设置于所述隧道的轴线方向上相对的两端，且所述钢构箱型柱固定于地面上。

9.一种模拟隧道纵向地震响应的拟静力往复推覆试验方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8任一项所述的装置，所述方法包括：

通过调节所述地层变形加载机构，以模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形，且通过所述两组加载单元配合工作以模拟隧道结构在所述第二方向上的往复运动；

通过调节所述土-结构相互作用机构中各个所述相互作用子单元向隧道上所施加外部静荷载的大小，以模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，应用于如权利要求5所述的装置，所述方法中，

通过调节所述第二千斤顶的伸缩量，以调节所述地层变形加载机构而模拟隧道纵向因行波效应引起的相对土层变形；

通过调节所述第一千斤顶的伸缩量，以调节各个所述相互作用子单元向隧道上所施加外部静荷载的大小而模拟围岩土与隧道结构之间的相互作用，且通过调节所述压缩弹簧的刚度以模拟不同土层条件。

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