CN115762314B - 一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，为特殊设计加载原理的大尺寸模型装置，结合断层错动模型以及隧道模型，根据不同工况条件下模拟跨断层强震作用下对隧道装配式管片结构破坏机理研究。它由土体箱、隔板、底座、作动器、支撑杆和隧道模型组成。土体箱固定在底座上，土体箱的底板分为活动钢板和固定钢板两部分；作动器通过支撑杆控制角度，伸缩装置插入活动钢板底部凹槽，底部与反力钢板连接，支撑杆插入反力钢板上角度凹槽。四个作动器同步顶升，在反力钢板和角度支座支撑下推动可活动钢板一定角度抬升上部土体箱中的土体，以此模拟地震中断层错动上盘土体的抬升产生的近断层地震动。

Description

一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置

技术领域

本发明属于地震工程试验技术领域，具体涉及一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置。

背景技术

中国已是隧道大国，隧道工程数量、长度等都已是世界首位，随着隧道越修越长，建设的难度也逐渐增大，建设过程中无法避免的穿越活动断层，强震作用下活断层错动对隧道结构的稳定影响巨大，对人们的出行安全构成威胁，造成经济损失，因此对跨断层强震作用下隧道结构破坏的研究意义重大。目前对于隧道抗断措施的研究主要为：超挖设计、分段式设计、柔性接头、减震缝和减震层等设计思路，分别进行了振动台试验、离心机试验和自主研制实验装置分析研究，也均产生了不错的抗断裂效果。这些抗断裂措施主要是采用“抗”和“减”的设计，断层错动时破裂带区域隧道结构还是会产生破坏，所以本发明提出一种基于“保险丝”的设计思路，在穿越破裂带区域隧道采用装配式管片结构，当断层错动时，使其发生坍塌或破坏，从而减小周围土体对于隧道主体结构的挤压破坏。

因此，本发明设计了一种断层模拟装置，来模拟断层错动时破裂带区域装配式管片结构隧道的受力特征和破坏模式，分析研究这种“舍小保大”的“保险丝”设计思路对应的抗断裂效果。

目前试验装置多存在以下问题：(1)模型上方土体不能很好的夯实，无法更好达到真实的挤压效果；(2)常规的抗断裂措施大多采用“抗”、“减”的设计思路，断层错动时还是会对隧道结构造成一些破坏；(3)无法便捷的改变断层角度进行多个不同工况下的试验，以实现不同条件下的试验分析。

发明内容

本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，较好地解决了现有试验装置存在的上述缺陷。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，包括：土箱体和底座，所述土箱体和底座固定连接；所述土箱体的底部包括：固定钢板和L型截面活动钢板，所述固定钢板和活动钢板之间通过软帆布连接，所述活动钢板L型截面的长端两侧通过软帆布连接土箱体前后侧壁的下端，所述L型截面的短端两侧通过软帆布连接土箱体前后侧壁的右端；所述土箱体的内部沿水平方向设置有隔板，所述隔板滑动连接土箱体的内壁且可拆卸，在所述隔板与土箱体底部之间设置有多个分段式隧道模型和装配式管道模型，所述装配式管道模型的两侧卡接分段式隧道模型；所述活动钢板底部焊接有井字型梁，所述底座的底部设置有反力钢板，所述井字型梁与反力钢板之间设置有多个作动器，作动器通过支撑杆插入反力钢板的角度凹槽内，通过控制作动器的加载方向，模拟不同倾斜角度断层错动下隧道结构破坏。

进一步，所述隔板与固定钢板、活动钢板和土箱体前后侧内壁、土箱体左侧内壁形成密闭空间。

进一步，所述活动钢板与土箱体的右侧之间形成间隙，活动钢板与土箱体的右侧紧紧挨着，没有固定连接，下部通过作动器支撑。

进一步，所述装配式管道模型分布于固定钢板和活动钢板之间的上侧。

进一步，所述井字型梁的四个“十字型”位置处开设有凹槽，所述凹槽沿水平方向延伸用于固定作动器的顶部。

进一步，所述作动器的数量为四，所述反力钢板上与井字型梁的凹槽对应位置处开设有多个角度凹槽，所述作动器底部连接装置分布在多个角度凹槽的中部；所述作动器的下端通过作动器底部连接装置与底板与反力钢板上作动器连接装置铰接。

进一步，前后分布的作动器之间设置有作动器X形连接装置，通过作动器X形连接装置固定连接前后分布的作动器，所述作动器的左右两侧安装有作动器与支撑杆连接装置，所述支撑杆连接装置与支撑杆铰接后插入两侧的角度凹槽内。

进一步，所述土箱体右侧上开设有条形通孔，用于隔板的插入，所述隔板滑动连接土箱体前后两侧内壁的导轨槽。

进一步，在实施时：活动钢板为承接土体及推动土体的作用，四个作动器同步顶升，在反力钢板和支撑杆支撑下推动活动钢板一定角度抬升上部土体箱中的土体，以此来模拟地震中正断层作用下下盘土体的抬升，所述土体抬升侧为下盘，上盘保持不动；抬升过程中右侧分段式隧道模型向右移动，使其从装配式管片段抽出，装配式管片段右侧失去支撑，在周围土体挤压作用下造成坍塌，模拟真实强震下装配式管片结构坍塌后对隧道主要结构造成的影响。

进一步，在土体箱中装入土质，按照所需要的密度夯实一定高度，放入隧道模型，隧道模型周围土层夯实以后插入隔板，在隔板上方填土至试验所需厚度并夯实，然后抽出隔板，使上方土体下落至于下方土体之间没有缝隙。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)自行研制大尺寸模型，用隔板承担模型上土体夯实时所受重力，夯实完成后抽出隔板，更好的模拟真实情况下的围岩情况，试验可重复性强；(2)穿越破裂带区域的隧道结构采用装配式管片结构，当断层错动时，管片区域发生破坏，隧道结构分为两段，从而避免隧道结构主体破坏；(3)结合分段式隧道模型和断层错动模型，通过控制作动器的加载方向，模拟不同倾角断层错动下隧道结构破坏，根据隧道的埋深、位置可以制定不同的试验方案，进行不同工况强震作用下装配式管片模型严重破坏后，对隧道主要结构破坏机理影响的研究。

附图说明

图1是本发明实施例试验装置的结构总体剖面图；

图2是本发明实施例土体箱底板的俯视图；

图3是本发明实施例反力钢板的示意图；

图4是本发明实施例试验装置左视图；

图5是本发明实施例作动器和连接装置示意图；

图6是本发明实施例模型箱立体图；

图7是本发明实施例隧道模型的示意图。

附图标记：

1为土体箱，2为底座，3为作动器，4为支撑杆，5为活动钢板，6为固定钢板，7为隔板，8为分段式隧道模型，9为装配式管片模型，10为活动钢板底部井字形梁，11为底板与作动器连接装置，①-为角度凹槽，12为作动器 X形连接装置，13为反力钢板，14为作动器底部连接装置，15为作动器与支撑杆连接装置。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，包括：土箱体1 和底座2，所述土箱体1和底座2固定连接；所述土箱体1的底部包括：固定钢板6 和L型截面活动钢板5，所述固定钢板6和活动钢板5之间通过软帆布连接，所述活动钢板5L型截面的长端两侧通过软帆布连接土箱体1前后侧壁的下端，所述L型截面的短端两侧通过软帆布连接土箱体1前后侧壁的右端；所述土箱体1的内部沿水平方向设置有隔板7，所述隔板7滑动连接土箱体1的内壁且可拆卸，在所述隔板 7与土箱体1底部之间设置有多个分段式隧道模型8和装配式管道模型9，所述装配式管道模型9的两侧卡接分段式隧道模型8；所述活动钢板5底部焊接有井字型梁 10，所述底座2的底部设置有反力钢板13，所述井字型梁10与反力钢板13之间设置有多个作动器3，作动器3通过支撑杆4插入反力钢板13的角度凹槽内，通过控制作动器3的加载方向，模拟不同倾斜角度断层错动下隧道结构破坏。活动钢板 5下侧也通过底座2的架体进行支撑

进一步，所述隔板7与固定钢板6、活动钢板5和土箱体1前后侧内壁、土箱体 1左侧内壁形成密闭空间。

进一步，所述活动钢板5与土箱体1的右侧之间形成间隙。

进一步，所述装配式管道模型9分布于固定钢板6和活动钢板5之间的上侧。

进一步，所述井字型梁10的四个“十字型”位置处开设有凹槽，所述凹槽沿水平方向延伸用于固定作动器3的顶部。

进一步，所述作动器3的数量为四，所述反力钢板13上与井字型梁10的凹槽对应位置处开设有多个角度凹槽，所述作动器底部连接装置14分布在多个角度凹槽的中部；所述作动器3的下端通过作动器底部连接装置14与底板与反力钢板上作动器连接装置11铰接。

进一步，前后分布的作动器3之间设置有作动器X形连接装置12，通过作动器 X形连接装置12固定连接前后分布的作动器3，所述作动器3的左右两侧安装有作动器与支撑杆连接装置15，所述支撑杆连接装置15与支撑杆4铰接后插入两侧的角度凹槽内。

进一步，所述土箱体1右侧上开设有条形通孔，用于隔板7的插入，所述隔板 7滑动连接土箱体1前后两侧内壁的导轨槽。

实施例2：

如图1-7所示，一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，它包括：断层错动模型(土体箱、隔板、底座、作动器、支撑杆)和隧道模型(分段式隧道模型、装配式管片模型)。

土体箱为矩形筒体，用于装土，四周均为钢板，底部由两块钢板组成，一块为固定钢板，另一块为活动钢板，由下方作动器同步伸缩来控制它的移动，螺栓将土体箱固定在底座上。箱体内放入隧道模型后，模型上方插入隔板，隔板上方继续加入土体并夯实，避免夯实过程中模型挤压变形。

底座是由钢焊接而成的框架，底座的上方为固定钢板和活动钢板：活动钢板与土箱体四周存在一定的缝隙，为避免加载过程中土体的掉落，钢板与箱体四周用软帆布连接。

作动器顶部插入活动钢板底部的角度凹槽内，共有四个作动器，每排两个作动器通过X形钢板焊接在一起，每个作动器两侧的支撑杆用于调整作动器的角度，作动器底部与反力钢板上的连接装置铰接。

土体箱底部先装入一定厚度的土体并压实，然后放入隧道模型，隧道模型周围放入土体夯实后，上方插入隔板，再在隔板上方继续加土体，并夯实，完全夯实后抽出隔板，使上面土体落下。隧道模型示例分段式隧道模型(不局限于三段式)，其中中间段为装配式(但不局限于)三管片模型。

如图1、4所示，一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，由：土体箱1、底座2、作动器3、支撑杆4、活动钢板5、固定钢板6、隔板7 以及隧道模型8 9组成。

如图1、2所示，土体箱底板由固定钢板6(1505×1600mm)和活动钢板5组成，厚度均为20mm；活动钢板5为L形(3500×1720mm)，四周均是活动的，为避免加载过程中土的掉落，与四周侧间隙用帆布软连接。活动钢板侧壁与土体箱侧壁有一定距离，避免了土体挤压土体箱1侧壁而对试验造成影响。活动钢板5 底部焊接井字梁钢板10(厚度30mm)，防止加载过程中钢板变形过大，并在井字梁特定位置挖有凹槽，凹槽大小均为50×55×30mm，保证作动器变换角度后，作动器的顶部能插入凹槽中，底板四个角分别有四个作动器。

如图3、5所示，作动器底部连接装置14(厚20mm钢片)与反力钢板13上的连接装置11(厚70mm钢片)铰接，井字梁钢板10在作动器两侧分别挖有角度凹槽，使作动器连接的支撑杆插入其中来控制作动器顶升角度，角度凹槽① -分别代表：45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、 130°、135°；①、/>大小为35×30×20mm，其余凹槽均为30×30×20mm。两个作动器通过X形连接装置12和支撑杆4使其在调节角度后能固定，避免在加载过程中角度出现误差，X形连接装置12由两根长1000mm，半径为10mm的钢筋组成，且两段焊接有半径为10mm的圆环；支撑杆4由长为480mm，半径为10mm 的钢筋，顶端焊接半径10mm的圆环，通过连接装置15(厚20mm钢片)与作动器连接。反力钢板13为顶升时提供反力支持。

结合上述平面图，土体箱1(5230×1630×1610mm)由四根50×50mm的钢梁和厚15mm钢板焊接而成的矩形筒体，前后两面的钢板在距土体箱底面800mm 处各有一条宽5mm，长4960mm的凹槽，用于插入隔板7；土体箱1以螺栓固定在底座2上，隔板为5060×1620×5mm的钢板。土体箱左侧有一条距底面800mm处有一条缝隙用于插入和抽出隔板。底座2尺寸为5230×1630×870mm，其中底部为40×40mmL形钢片、顶部为15×20mmL形钢片，厚度均为5mm，四个角为50× 50mm钢柱，中间四个钢柱为40×40mm。

实施例3：

本发明实施例隧道模型为曲墙衬砌分段式结构，左边模型8长度为800mm，中间段模型9为300mm，右边模型8为2800mm，半径均为250mm，厚度为20mm；且中间段采用装配式管片结构9，中间段模型均分为3个管片，管片结构与分段式模型连接方式如图7，上面为隧道模型立体图；下面为8、9之间连接方式剖面图，隧道模型整体埋深于土层中。根据之前的试验，装配式管片段大致放置于固定钢板6和活动钢板5连接处，后期可根据不同的研究目的，对分段式隧道模型长度、数量和装配式管片尺寸、位置等均可做出相应的调整，进行不同的工况研究。

本发明实施例的运作方式为：活动钢板5为承接土体及推动土体的作用，四个作动器3同步顶升，在反力钢板13和支撑杆4支撑下推动活动钢板5一定角度抬升上部土体箱中的土体，以此来模拟地震中正断层作用下下盘土体的抬升 (土体抬升侧为下盘，上盘保持不动)，抬升过程中右侧分段式隧道模型向右移动，使其从装配式管片段抽出，装配式管片段右侧失去支撑，在周围土体挤压作用下造成坍塌，模拟真实强震下装配式管片结构坍塌后对隧道主要结构造成的影响。通过模拟产生的近断层地震动对隧道模型的影响，使其更加接近真实隧道结构损伤破坏机理。

实施例4：

试验模拟方法流程：

先将作动器以设定角度将支撑杆卡入特定凹槽，然后开始在土体箱中装入砂土或者其他土质，按照所需要的密度夯实一定高度，放入隧道模型，隧道模型周围土层夯实以后插入隔板，在隔板上方填土至试验所需厚度并夯实，然后抽出隔板，使上方土体下落至于下方土体之间没有缝隙，根据试验方案所需在土中不同位置放入土压力计、加速度计等位移传感器。隧道模型周围关键处粘贴应变片，顶部布置位移计，上方布置土压力计。试验开始时控制作动器设定顶升速率，推动活动形钢板以及土层抬升，断层错动右侧隧道模型向右移动，引发装配式管片模型坍塌。用信息采集系统收集并记录破裂过程中各个传感器的数据，并对试验现象观察分析以及摄像记录。这个过程为一次完整的试验工况，还可以根据改变加载角度，分段式隧道模型长度、数量和装配式管片大小、数量、位置等，进行不同的试验工况分析研究。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (8)

1.一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，包括：土箱体(1)和底座(2)，所述土箱体(1)和底座(2)固定连接；所述土箱体(1)的底部包括：固定钢板(6)和L型截面活动钢板(5)，所述固定钢板(6)和活动钢板(5)之间通过软帆布连接，所述活动钢板(5)L型截面的长端两侧通过软帆布连接土箱体(1)前后侧壁的下端，所述L型截面的短端两侧通过软帆布连接土箱体(1)前后侧壁的右端；所述土箱体(1)的内部沿水平方向设置有隔板(7)，所述隔板(7)滑动连接土箱体(1)的内壁且可拆卸，在所述隔板(7)与土箱体(1)底部之间设置有多个分段式隧道模型(8)和装配式管道模型(9)，所述装配式管道模型(9)的两侧卡接分段式隧道模型(8)；所述活动钢板(5)底部焊接有井字型梁(10)，所述底座(2)的底部设置有反力钢板(13)，所述井字型梁(10)与反力钢板(13)之间设置有多个作动器(3)，作动器(3)通过支撑杆(4)插入反力钢板(13)的角度凹槽内，通过控制作动器(3)的加载方向，模拟不同倾斜角度断层错动下隧道结构破坏；

在实施时：活动钢板为承接土体及推动土体的作用，四个作动器同步顶升，在反力钢板和支撑杆支撑下推动活动钢板一定角度抬升上部土体箱中的土体，以此来模拟地震中正断层作用下下盘土体的抬升，所述土体抬升侧为下盘，上盘保持不动；抬升过程中右侧分段式隧道模型向右移动，使其从装配式管片段抽出，装配式管片段右侧失去支撑，在周围土体挤压作用下造成坍塌，模拟真实强震下装配式管片结构坍塌后对隧道主要结构造成的影响；

在土体箱中装入土质，按照所需要的密度夯实一定高度，放入隧道模型，隧道模型周围土层夯实以后插入隔板，在隔板上方填土至试验所需厚度并夯实，然后抽出隔板，使上方土体下落至于下方土体之间没有缝隙。

2.根据权利要求1所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，所述隔板(7)与固定钢板(6)、活动钢板(5)和土箱体(1)前后侧内壁、土箱体(1)左侧内壁形成密闭空间。

3.根据权利要求1所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，所述活动钢板(5)与土箱体(1)的右侧之间形成间隙。

4.根据权利要求1所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，所述装配式管道模型(9)分布于固定钢板(6)和活动钢板(5)之间的上侧。

5.根据权利要求1所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，所述井字型梁(10)的四个“十字型”位置处开设有凹槽，所述凹槽沿水平方向延伸用于固定作动器(3)的顶部。

6.根据权利要求5所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，所述作动器(3)的数量为四，所述反力钢板(13)上与井字型梁(10)的凹槽对应位置处开设有多个角度凹槽，所述作动器底部连接装置(14)分布在多个角度凹槽的中部；所述作动器(3)的下端通过作动器底部连接装置(14)与底板与反力钢板上作动器连接装置(11)铰接。

7.根据权利要求6所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，前后分布的作动器(3)之间设置有作动器X形连接装置(12)，通过作动器X形连接装置(12)固定连接前后分布的作动器(3)，所述作动器(3)的左右两侧安装有作动器与支撑杆连接装置(15)，所述支撑杆连接装置(15)与支撑杆(4)铰接后插入两侧的角度凹槽内。

8.根据权利要求1所述的一种模拟跨断层强震作用下装配式管片隧道结构破坏装置，其特征在于，所述土箱体(1)右侧上开设有条形通孔，用于隔板(7)的插入，所述隔板(7)滑动连接土箱体(1)前后两侧内壁的导轨槽。