CN116735387B - 复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于地下洞室冲击动力试验技术领域，具体涉及一种复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置及测试方法，本装置包括多自由度冲击机构、复杂应力模拟箱、可变形状洞室模型，冲击机构具有冲击锤和可调节支架，通过改变冲击锤冲击高度、冲击速度实现冲击荷载的变化，可通过调节冲击锤竖向与水平位置实现不同冲击位置的变化；箱体内设有两侧向可移动侧板和施压液压机构。本发明实现了复杂地应力调节下可变形洞室在冲击动力下的模型试验；通过复杂应力模拟箱实现了可变形状洞室模型的应力状态和洞室埋深调整，通过多自由度冲击机构实现了冲击位置、冲击高度及冲击力的变化，模拟了不同形状的地下洞室在复杂地应力条件下的冲击动力响应。

Description

复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置及测试方法
技术领域
本发明属于地下洞室冲击动力试验技术领域，具体涉及一种复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置及测试方法。
背景技术
目前，针对地下洞室冲击动力响应的研究方法主要包括理论方法、数值模拟、现场测试与模型试验等。由于动力问题自身的复杂性，采用理论方法进行研究时往往需要对实际问题进行一定程度的简化，如将地基视为弹性介质、将荷载简化为三角形、正余弦函数等，从而求得理论解答，显然这与实际问题存在一定出入。数值模拟虽然可以进行大规模的工程计算且实现问题的规律性研究，但计算结果准确性依赖于选取的材料本构模型及计算参数，同样与实际情况存在偏差。相比于前两种方法，试验方法更具直观性且可以更好地还原现场条件。其中，现场试验一般依托于实际工程展开，能够最为直观的反映实际情况，但由于现场试验存在不可重复性、试验成本高昂等缺点，且仅适用于特定的地质条件及确定的地下洞室形状与尺寸，因此取得的成果很难推广应用。而模型试验则克服了以上不足，可通过抓住实际工程问题的关键设计试验方法，不仅可以较好地还原现场情况，还可以拓展性的开展规律性研究。为此，学者们设计并开展了诸多模型试验，研究地下洞室冲击动力响应，为类似工程提供参考。
通过调研，现有的涉及地下洞室冲击动力响应的模型试验研究还存在以下不足：（1）同一模型试验中地下洞室的形状往往是固定不变的，无法考虑形状效应对地下动力响应的影响；（2）载荷的施加虽然考虑了荷载大小的变化，但无法考虑冲击点位置与地下洞室间的相对位置关系；（3）由于实际工程中地下洞室所处的深度位置是变化的，因此其周边的地应力条件是不同的，而现有模型试验中还未考虑地应力条件对地下洞室冲击动力响应的影响。
发明内容
本发明提供一种复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置及测试方法，能够根据现实土层地质情况和冲击荷载形式模拟实际工况。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置，包括复杂应力模拟箱、可变形状洞室模型、多自由度冲击机构，其中：
复杂应力模拟箱由第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板依次连接围合成上下为开口的长方体结构，在长方体结构底部设置底板；
在长方体结构内部设置第一侧向可移动板和第二侧向可移动板，将长方体结构内部空间划分为中部试验区和两侧施力区，第一侧向可移动板和第二侧向可移动板均能沿着第二侧板和第四侧板的较长边移动，改变中部试验区的空间大小；
可变形状洞室模型的两开口面均设置有洞室上部液压机构和洞室下部液压机构，洞室上部液压机构横置在可变形状洞室模型开口面上拱形结构与两侧壁的连接处，洞室下部液压机构平行洞室上部液压机构，且靠近可变形状洞室模型底部设置，洞室上部液压机构和洞室下部液压机构同步运行，能够改变可变形状洞室模型宽度、高度/>、顶部拱形结构的曲率半径/>；
可变形状洞室模型由可变形材料制成，其外表面布置有若干应变片，可变形状洞室模型设置在试验区内，在设置有可变形状洞室模型的试验区内填土；
多自由度冲击机构包括可调节支架、冲击锤、电磁控制器；
可调节支架包括竖向支杆和横向支杆，竖向支杆沿复杂应力模拟箱高度方向设置，横向支杆沿复杂应力模拟箱长度方向设置且能够沿着竖向支杆轴向移动；
冲击锤安装在横向支杆上，且冲击锤对试验区内的填土进行冲击；
电磁控制器与冲击锤连接，电磁控制器可以改变冲击锤初始速度。
作为本发明的进一步优选，还包括第一滑轨、第二滑轨、第三滑轨、第四滑轨，其中：
第一滑轨设置在第四侧板上方的较长边上，第二滑轨设置在第二侧板上方的较长边上；第三滑轨设置在第二侧板与底板连接处，第四滑轨设置在第四侧板与底板的连接处；
第一侧向可移动板上部的两个端部，一个端部与第一滑轨滑动连接，另一个端部与第二滑轨滑动连接，第一侧向可移动板下部的两个端部，一个端部与第三滑轨滑动连接，另一个端部与第四滑轨滑动连接，第一侧向可移动板可沿着第一滑轨、第二滑轨、第三滑轨、第四滑轨在长方体结构内来回滑动；
第二侧向可移动板上部的两个端部，一个端部与第一滑轨滑动连接，另一个端部与第二滑轨滑动连接，第二侧向可移动板下部的两个端部，一个端部与第三滑轨滑动连接，另一个端部与第四滑轨滑动连接，第二侧向可移动板可沿着第一滑轨、第二滑轨、第三滑轨、第四滑轨在长方体结构内来回滑动。
作为本发明的进一步优选，还包括第一液压机构和第二液压机构，其中：
第一液压机构设置在第一侧板内壁，第一液压机构的驱动端与第一侧向可移动板连接，第一液压机构带动第一侧向可移动板在长方体结构内来回滑动；
第二液压机构设置在第三侧板内壁，第二液压机构的驱动端与第二侧向可移动板连接，第二液压机构带动第二侧向可移动板在长方体结构内来回滑动。
作为本发明的进一步优选，还包括控制箱、第一压力传感器、第二压力传感器、处理器，其中：
控制箱控制第一液压机构和第二液压机构；
第一压力传感器设置在第一侧向可移动板上，第一压力传感器将检测的第一侧向可移动板施加至试验区内土体的力信号传递至处理器；
第二压力传感器设置在第二侧向可移动板上，第二压力传感器将检测的第二侧向可移动板施加至试验区内土体的力信号传递至处理器。
作为本发明的进一步优选，多自由度冲击机构还包括底座、竖向固定螺丝、滑动器、横向固定螺丝、电磁箱、磁力吸盘、冲击锤压力传感器，其中：
底座置于工作面，竖向支杆设置在底座上，竖向支杆上具有刻度；
横向支杆通过竖向固定螺丝可调节安装在竖向支杆上；
滑动器通过横向固定螺丝可调节安装在横向支杆上；
滑动器下方依次安装有电磁箱、磁力吸盘、冲击锤、冲击锤压力传感器。
还包括一种利用上述研究复杂地应力条件下可变洞室冲击动力响应的试验装置的测试方法，本方法包括以下步骤：
步骤1、确定试验基础信息：
根据实际工况，确定可变形状洞室模型试验几何相似比，确定可变形状洞室模型的初始尺寸为宽度/>、高度/>、顶部拱形结构的曲率半径/>，设定复杂应力模拟箱试验区中填土宽度为/>、覆土高度为/>；
步骤2、得到所需可变形状洞室模型：
步骤2-1、根据步骤1中确定的可变形状洞室模型试验几何相似比，确定可变形状洞室模型的实际尺寸为宽度/>、高度/>、顶部拱形结构的曲率半径/>；
步骤2-2、根据步骤2-1中确定的可变形状洞室模型的所需尺寸为宽度、高度、顶部拱形结构的曲率半径/>，洞室上部液压机构和洞室下部液压机构同步运行，调节可变形状洞室模型从初始尺寸至所需尺寸，得到所需可变形状洞室模型；
步骤3、填土：
步骤3-1、将步骤2-2中得到的所需可变形状洞室模型置于试验区中部；
步骤3-2、第一侧向可移动板和第二侧向可移动板同步向试验区方向滑动，直至第一侧向可移动板与第二侧向可移动板之间的间距为步骤1中设定的填土宽度；
步骤3-3、将土体填入试验区内，压实土体直至土体高度为步骤1中设定的覆土高度；
步骤4、获取土体的侧向应力系数：
根据步骤3填土完毕后，可得到第一侧向可移动板与第二侧向可移动板对土体的侧向应力为，依据步骤3-3中的土体填充高度/>，可确定模拟的地应力条件，即土体的侧向应力系数为/>，/>，/>为土的重度；
步骤5、建立冲击位置网格坐标系：
在步骤3填土完毕后的土体上表面建立冲击位置网格坐标系；
步骤6、选定冲击锤冲击位置：
选择步骤5中建立的冲击位置网格坐标系中任一坐标点作为冲击锤冲击位置，记冲击位置坐标点为（a，b）；
步骤7、进行冲击试验：
步骤7-1、记横向支杆在竖向支杆上的高度距离为，设定冲击锤的冲击速度为/>，冲击锤距离步骤3填土完毕后的土体上表面的间距为/>，/>，冲击锤与土体上表面接触时的冲击能为/>，/>，/>为冲击锤的质量；
步骤7-2、设定当前冲击位置需进行次冲击，/>次冲击的冲击能分别为，得到以冲击能/>分别冲击后，可变形状洞室模型外表面上的若干应变片变形后对应的动力响应可变形状洞室模型上部拱形结构顶端的纵向应变/>、可变形状洞室模型上部拱形结构顶端的横向应变/>、可变形状洞室模型上部拱形结构腰部的纵向应变/>、可变形状洞室模型上部拱形结构腰部的横向应变/>、可变形状洞室模型上部拱形结构底部的纵向应变/>、可变形状洞室模型上部拱形结构底部的横向应变/>、可变形状洞室模型侧壁中部的纵向应变/>、可变形状洞室模型侧壁中部的横向应变/>；
步骤8、确定当前冲击位置可变形状洞室模型最不利的动力响应：
根据步骤7-2中得到的冲击能为时若干应变片变形后对应的动力响应，确定当前冲击位置冲击能为/>时可变形状洞室模型最不利的动力响应，即/>，同理确定当前冲击位置冲击能/>对应的可变形状洞室模型最不利的动力响应；
步骤9、重复步骤6重新选定冲击位置，然后参照步骤7和步骤8得到选定冲击位置不同冲击能下对应的可变形状洞室模型最不利的动力响应；直至网格坐标系内每个坐标点均进行了冲击试验，得到不同冲击能下对应的可变形状洞室模型最不利的动力响应。
作为本发明的进一步优选，冲击位置网格坐标系的中心点为坐标系原点（0，0），将横向支杆调节至原点（0，0）的正上方，再调节横向支杆上的冲击锤处于原点（0，0）的正上方，记此时横向支杆所在位置为初始位置；
步骤6中冲击位置坐标点为（a，b），其中，，/>，/>为当前位置横向支杆上冲击锤距离竖向支杆与横向支杆连接处的间距，/>为横向支杆当前位置与横向支杆初始位置时之间的夹角。
作为本发明的进一步优选，步骤7-2中为≧3的正整数。
作为本发明的进一步优选，步骤7-2中为设定值，且/>至/>逐渐增大，通过调节对应的冲击锤的冲击速度/>和/或冲击锤距离步骤3填土完毕后的土体上表面的间距/>，得到所需的冲击能/>。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过调整土体填置深度可以模拟地下洞室埋置深度；调整两侧向可移动侧板和液压机构伸缩可以模拟洞室的侧向压力；通过选取不同种类的填置土模拟不同地质条件的地下洞室；多自由度冲击装置可以根据研究需要调整冲击的下落的高度，同时配合调整冲击锤下落的位置模拟现实中建筑物塌落荷载、落石冲击荷载等冲击荷载作用下的地下洞室动力响应研究。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明复杂应力模拟箱整体结构示意图；
图3是本发明多自由度冲击机构整体结构示意图；
图4是本发明可变形状洞室模型整体结构示意图；
图5是本发明可变形状洞室模型开口面尺寸标记示意图；
图6是本发明可变形状洞室模型俯视图；
图7是本发明可变形状洞室模型左视图；
图8是本发明可变形状洞室模型右视图；
图9是本发明竖向支杆和横向支杆初始位置示意图；
图10是本发明横向支杆当前位置与初始位置之间夹角示意图；
图11是本发明建立的冲击位置网格坐标示意图。
图中：1、复杂应力模拟箱；2、多自由度冲击机构；3、可变形状洞室模型；4、第一侧板；5、第二侧板；6、第三侧板；7、第四侧板；8、电磁控制器；9、洞室上部液压机构；10、洞室下部液压机构；11、底板；12、第一滑轨；13、第二滑轨；14、第三滑轨；15、第四滑轨；16、第一侧向可移动板；17、第二侧向可移动板；18、第一液压机构；19、第二液压机构；20、第一压力传感器；21、第二压力传感器；22、控制箱；23、底座；24、竖向支杆；25横向支杆；26、竖向固定螺丝；27、横向固定螺丝；28、滑动器；29、电磁箱；30、磁力吸盘；31、冲击锤；32、冲击锤压力传感器；33、应变片；34、土体。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种优选实施方案，复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置，如图1-11所示，本装置包括复杂应力模拟箱1、可变形状洞室模型3、多自由度冲击机构2，其中：
上述复杂应力模拟箱1由第一侧板4、第二侧板5、第三侧板6、第四侧板7依次连接围合成上下为开口的长方体结构，在长方体结构底部设置底板11。在长方体结构内部设置第一侧向可移动板16和第二侧向可移动板17，将长方体结构内部空间划分为中部试验区和两侧施力区，第一侧向可移动板16和第二侧向可移动板17均能沿着第二侧板5和第四侧板7的较长边移动，改变中部试验区的空间大小。
为了实现第一侧向可移动板16和第二侧向可移动板17均能沿着第二侧板5和第四侧板7的较长边移动，本实施方案设置了第一滑轨12、第二滑轨13、第三滑轨14、第四滑轨15。第一滑轨12设置在第四侧板7上方的较长边上，第二滑轨13设置在第二侧板5上方的较长边上；第三滑轨14设置在第二侧板5与底板11连接处，第四滑轨15设置在第四侧板7与底板11的连接处。
第一侧向可移动板16上部的两个端部，一个端部与第一滑轨12滑动连接，另一个端部与第二滑轨13滑动连接，第一侧向可移动板16下部的两个端部，一个端部与第三滑轨14滑动连接，另一个端部与第四滑轨15滑动连接，第一侧向可移动板16可沿着第一滑轨12、第二滑轨13、第三滑轨14、第四滑轨15在长方体结构内来回滑动。
第二侧向可移动板17上部的两个端部，一个端部与第一滑轨12滑动连接，另一个端部与第二滑轨13滑动连接，第二侧向可移动板17下部的两个端部，一个端部与第三滑轨14滑动连接，另一个端部与第四滑轨15滑动连接，第二侧向可移动板17可沿着第一滑轨12、第二滑轨13、第三滑轨14、第四滑轨15在长方体结构内来回滑动。
关于第一侧向可移动板16和第二侧向可移动板17移动的驱动，本实施方案设置了第一液压机构18和第二液压机构19。第一液压机构18设置在第一侧板4内壁，第一液压机构18的驱动端与第一侧向可移动板16连接，第一液压机构18带动第一侧向可移动板16沿着第一滑轨12、第二滑轨13、第三滑轨14、第四滑轨15在长方体结构内来回滑动。第二液压机构19设置在第三侧板6内壁，第二液压机构19的驱动端与第二侧向可移动板17连接，第二液压机构19带动第二侧向可移动板17沿着第一滑轨12、第二滑轨13、第三滑轨14、第四滑轨15在长方体结构内来回滑动。
为了检测侧向压力，本实施方案还设置了控制箱22、第一压力传感器20、第二压力传感器21、处理器。控制箱22控制第一液压机构18和第二液压机构19（本实施方案中不限第一液压机构18和第二液压机构19的具体结构，能实现对第一侧向可移动板16和第二侧向可移动板17的推动即可）。第一压力传感器20设置在第一侧向可移动板16上，第一压力传感器20将检测的第一侧向可移动板16施加至试验区内土体34的力信号传递至处理器。第二压力传感器21设置在第二侧向可移动板17上，第二压力传感器21将检测的第二侧向可移动板17施加至试验区内土体34的力信号传递至处理器。
上述可变形状洞室模型3的两开口面均设置有洞室上部液压机构9和洞室下部液压机构10，洞室上部液压机构9横置在可变形状洞室模型3开口面上拱形结构与两侧壁的连接处，洞室下部液压机构10平行洞室上部液压机构9，且靠近可变形状洞室模型3底部设置，洞室上部液压机构9和洞室下部液压机构10同步运行，能够改变可变形状洞室模型3宽度、高度/>、顶部拱形结构的曲率半径/>。上述可变形状洞室模型3由可变形材料制成，其外表面布置有若干应变片33，可变形状洞室模型3设置在试验区内，在设置有可变形状洞室模型3的试验区内填土（土体34的选择可结合具体工程的地质勘察资料或拟研究的地质条件指定土体34类别）。本实施方案中不限洞室上部液压机构9和洞室下部液压机构10的具体结构，能实现可变形状洞室模型3形状的改变即可。
上述多自由度冲击机构2包括可调节支架、冲击锤31、电磁控制器8。可调节支架包括竖向支杆24和横向支杆25，竖向支杆24沿复杂应力模拟箱1高度方向设置，横向支杆25沿复杂应力模拟箱1长度方向设置且能够沿着竖向支杆24轴向移动。冲击锤31安装在横向支杆25上，且冲击锤31对试验区内的填土进行冲击。电磁控制器8与冲击锤31连接，电磁控制器8可以改变冲击锤31初始速度。
多自由度冲击机构还包括底座23、竖向固定螺丝26、滑动器28、横向固定螺丝27、电磁箱29、磁力吸盘30、冲击锤压力传感器32。底座23置于工作面，竖向支杆24设置在底座23上，竖向支杆24上具有刻度；横向支杆25通过竖向固定螺丝26可调节安装在竖向支杆24上；滑动器28通过横向固定螺丝27可调节安装在横向支杆25上；滑动器28下方依次安装有电磁箱29、磁力吸盘30、冲击锤31、冲击锤压力传感器32。
本实施方案还提供了一种利用上述研究复杂地应力条件下可变洞室冲击动力响应的试验装置的测试方法，本方法包括以下步骤：
步骤1、确定试验基础信息：
根据实际工况，确定可变形状洞室模型3试验几何相似比，确定可变形状洞室模型3的初始尺寸为宽度/>、高度/>、顶部拱形结构的曲率半径/>，设定复杂应力模拟箱1试验区中填土宽度为/>、覆土高度为/>。
步骤2、得到所需可变形状洞室模型3：
步骤2-1、根据步骤1中确定的可变形状洞室模型3试验几何相似比，确定可变形状洞室模型3的实际尺寸为宽度/>、高度/>、顶部拱形结构的曲率半径/>；
步骤2-2、根据步骤2-1中确定的可变形状洞室模型3的所需尺寸为宽度、高度、顶部拱形结构的曲率半径/>，洞室上部液压机构9和洞室下部液压机构10同步运行，调节可变形状洞室模型3从初始尺寸至所需尺寸，得到所需可变形状洞室模型3。
在可变形状洞室模型3上的指定位置布设应变片33，用于测定冲击荷载作用下的地下洞室动力响应，具体布设位置如图6所示，即在可变形状洞室模型3上部拱形结构顶端纵向的三分之一处贴纵向应变片，纵向的三分之二处贴横向应变片，在可变形状洞室模型3上部拱形结构腰部纵向的三分之一处贴纵向应变片，纵向的三分之二处贴横向应变片，在可变形状洞室模型3上部拱形结构底部纵向的三分之一处贴纵向应变片，纵向的三分之二处贴横向应变片，在可变形状洞室模型3侧壁中部纵向的三分之一处贴纵向应变片，纵向的三分之二处贴横向应变片。
步骤3、填土：
步骤3-1、将步骤2-2中得到的所需可变形状洞室模型3置于试验区中部；
步骤3-2、第一侧向可移动板16和第二侧向可移动板17同步向试验区方向滑动，直至第一侧向可移动板16与第二侧向可移动板17之间的间距为步骤1中设定的填土宽度；
步骤3-3、将土体34填入试验区内，压实土体34直至土体34高度为步骤1中设定的覆土高度。
步骤4、获取土体34的侧向应力系数：
根据步骤3填土完毕后，可得到第一侧向可移动板16与第二侧向可移动板17对土体34的侧向应力为，依据步骤3-3中的土体34填充高度/>，可确定模拟的地应力条件，即土体34的侧向应力系数为/>，/>，/>为土的重度。
具体地，采用黏性土，土体34基本物理力学参数可通过室内土工试验进行确定。将确定后的土填入模型箱中至设计高度，采用分层填筑压实的方法，即分5层填充压实，每次填土高度为/>，每填充一层压实一次，依次填充至设计高度。
步骤5、建立冲击位置网格坐标系：
在步骤3填土完毕后的土体34上表面建立冲击位置网格坐标系，记冲击位置网格坐标系的中心点为坐标系原点（0，0），将横向支杆25调节至原点（0，0）的正上方，再调节横向支杆25上的冲击锤31处于原点（0，0）的正上方，记此时横向支杆25所在位置为初始位置。
步骤6、选定冲击锤31冲击位置：
选择步骤5中建立的冲击位置网格坐标系中任一坐标点作为冲击锤31冲击位置，记冲击位置坐标点为（a，b）其中，，/>，/>为当前位置横向支杆25上冲击锤31距离竖向支杆24与横向支杆25连接处的间距，/>为横向支杆25当前位置与横向支杆25初始位置时之间的夹角。
步骤7、进行冲击试验：
步骤7-1、记横向支杆25在竖向支杆24上的高度距离为，设定冲击锤31的冲击速度为/>，冲击锤31距离步骤3填土完毕后的土体34上表面的间距为/>，/>，冲击锤31与土体34上表面接触时的冲击能为/>，/>，/>为冲击锤31的质量；
步骤7-2、设定当前冲击位置需进行次冲击，/>为≧3的正整数（以冲击位置为变量的试验次数根据试验需要自行确定）；/>次冲击的冲击能分别为，/>为设定值，且/>至/>逐渐增大，通过调节对应的冲击锤31的冲击速度/>和/或冲击锤31距离步骤3填土完毕后的土体34上表面的间距/>，得到所需的冲击能/>。以冲击能/>分别冲击后，得到可变形状洞室模型3外表面上的若干应变片33变形后对应的动力响应可变形状洞室模型3上部拱形结构顶端的纵向应变/>、可变形状洞室模型3上部拱形结构顶端的横向应变/>、可变形状洞室模型3上部拱形结构腰部的纵向应变/>、可变形状洞室模型3上部拱形结构腰部的横向应变/>、可变形状洞室模型3上部拱形结构底部的纵向应变/>、可变形状洞室模型3上部拱形结构底部的横向应变/>、可变形状洞室模型3侧壁中部的纵向应变/>、可变形状洞室模型3侧壁中部的横向应变/>。
步骤8、确定当前冲击位置可变形状洞室模型3最不利的动力响应：
根据步骤7-2中得到的冲击能为时若干应变片33变形后对应的动力响应，确定当前冲击位置冲击能为/>时可变形状洞室模型3最不利的动力响应，即/>，同理确定当前冲击位置冲击能/>对应的可变形状洞室模型3最不利的动力响应；
步骤9、重复步骤6重新选定冲击位置，然后参照步骤7和步骤8得到选定冲击位置不同冲击能下对应的可变形状洞室模型3最不利的动力响应；直至网格坐标系内每个坐标点均进行了冲击试验，得到不同冲击能下对应的可变形状洞室模型3最不利的动力响应。
实施例2
本实施例为地下洞室冲击动力响应的影响参数敏感性分析，根据上述试验装置和实施例1，可进一步开展地下洞室冲击动力响应的影响参数敏感性试验研究，试验包含四类影响参数为洞室形状A1、地应力条件A2、冲击位置A3和冲击能量A4。通过控制变量法开展正交试验，即改变某一影响参数，控制其余三个影响参数不变，重复以上实施例1中的试验步骤，研究某一特性参数对地下洞室冲击动力响应的影响。具体过程如下：
（1）洞室形状A1的影响
为研究洞室形状对地下洞室冲击动力响应的影响，可在实施例1中的步骤2环节进行可变形状洞室模型3尺寸的调节，即通过洞室上部液压机构9和洞室下部液压机构10对地下洞室形状进行调整，调整后的可变形状洞室模型3尺寸参数分别为；
保证每次调整均在冲击位置网格坐标系中心点位置进行冲击，侧向压力为，冲击能为/>，冲击锤31距离填土完毕后的土体34上表面的距离为/>；
每调整一次可变形状洞室模型3参数，即可得到不同地下洞室形状参数下的最不利动力响应指标；至此，可分析洞室形状对地下洞室冲击动力响应的影响。
（2）地应力条件A2的影响
为研究地应力条件对地下洞室冲击动力响应的影响，可在实例1中的步骤4环节进行土体34的地应力条件调节，即通过图2中的复杂应力模拟箱1中的第一液压机构18和第二液压机构19对土体34侧向应力进行调整，调整后的地应力条件参数分别为；
保证每次调整侧向压力时均在网格坐标系中心点位置进行冲击，可变形状洞室模型3的尺寸不变，冲击能为，冲击锤31距离填土完毕后的土体34上表面的距离为/>；
每调整一次地应力条件参数，即可得到不同地应力条件参数下的最不利动力响应指标；至此，可分析地应力条件对地下洞室冲击动力响应的影响。
（3）冲击位置的影响
为研究冲击位置对地下洞室冲击动力响应的影响，可在实例1中的步骤6环节进行冲击位置调节，即通过图3中的多自由度冲击机构对冲击位置进行调整，调整后的冲击位置参数分别为；
保证每次调整冲击位置时，均侧向压力为，可变形状洞室模型3的尺寸不变，冲击能为/>，冲击锤31距离填土完毕后的土体34上表面的距离为/>；
每调整一次冲击位置参数，即可得到不同冲击位置参数下的最不利动力响应指标；至此，可分析冲击位置对地下洞室冲击动力响应的影响。
（4）冲击能量的影响
为研究冲击能量对地下洞室冲击动力响应的影响，可在实例1中的步骤7环节进行冲击速度调节，即通过图3中的电磁控制装置对冲击能量进行调整，调整后的地应力条件参数分别为；
保证每次冲击能时，均在网格坐标系中心点位置进行冲击，侧向压力为，可变形状洞室模型3的尺寸不变，冲击锤31距离填土完毕后的土体34上表面的距离为/>；
每调整一次冲击能，即可得到不同冲击能量参数下的最不利动力响应指标；至此，可分析冲击能量对地下洞室冲击动力响应的影响。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置，其特征在于：包括复杂应力模拟箱(1)、可变形状洞室模型(3)、多自由度冲击机构(2)，其中：
复杂应力模拟箱(1)由第一侧板(4)、第二侧板(5)、第三侧板(6)、第四侧板(7)依次连接围合成上下为开口的长方体结构，在长方体结构底部设置底板(11)；
在长方体结构内部设置第一侧向可移动板(16)和第二侧向可移动板(17)，将长方体结构内部空间划分为中部试验区和两侧施力区，第一侧向可移动板(16)和第二侧向可移动板(17)均能沿着第二侧板(5)和第四侧板(7)的较长边移动，改变中部试验区的空间大小；
可变形状洞室模型(3)的两开口面均设置有洞室上部液压机构(9)和洞室下部液压机构(10)，洞室上部液压机构(9)横置在可变形状洞室模型(3)开口面上拱形结构与两侧壁的连接处，洞室下部液压机构(10)平行洞室上部液压机构(9)，且靠近可变形状洞室模型(3)底部设置，洞室上部液压机构(9)和洞室下部液压机构(10)同步运行，能够改变可变形状洞室模型(3)宽度d、高度h、顶部拱形结构的曲率半径r；
可变形状洞室模型(3)由可变形材料制成，其外表面布置有若干应变片(33)，可变形状洞室模型(3)设置在试验区内，在设置有可变形状洞室模型(3)的试验区内填土；
多自由度冲击机构(2)包括可调节支架、冲击锤(31)、电磁控制器(8)；
可调节支架包括竖向支杆(24)和横向支杆(25)，竖向支杆(24)沿复杂应力模拟箱(1)高度方向设置，横向支杆(25)沿复杂应力模拟箱(1)长度方向设置且能够沿着竖向支杆(24)轴向移动；
冲击锤(31)安装在横向支杆(25)上，且冲击锤(31)对试验区内的填土进行冲击；
电磁控制器(8)与冲击锤(31)连接，电磁控制器(8)可以改变冲击锤(31)初始速度；还包括第一滑轨(12)、第二滑轨(13)、第三滑轨(14)、第四滑轨(15)，其中：
第一滑轨(12)设置在第四侧板(7)上方的较长边上，第二滑轨(13)设置在第二侧板(5)上方的较长边上；第三滑轨(14)设置在第二侧板(5)与底板(11)连接处，第四滑轨(15)设置在第四侧板(7)与底板(11)的连接处；
第一侧向可移动板(16)上部的两个端部，一个端部与第一滑轨(12)滑动连接，另一个端部与第二滑轨(13)滑动连接，第一侧向可移动板(16)下部的两个端部，一个端部与第三滑轨(14)滑动连接，另一个端部与第四滑轨(15)滑动连接，第一侧向可移动板(16)可沿着第一滑轨(12)、第二滑轨(13)、第三滑轨(14)、第四滑轨(15)在长方体结构内来回滑动；
第二侧向可移动板(17)上部的两个端部，一个端部与第一滑轨(12)滑动连接，另一个端部与第二滑轨(13)滑动连接，第二侧向可移动板(17)下部的两个端部，一个端部与第三滑轨(14)滑动连接，另一个端部与第四滑轨(15)滑动连接，第二侧向可移动板(17)可沿着第一滑轨(12)、第二滑轨(13)、第三滑轨(14)、第四滑轨(15)在长方体结构内来回滑动；
还包括第一液压机构(18)和第二液压机构(19)，其中：
第一液压机构(18)设置在第一侧板(4)内壁，第一液压机构(18)的驱动端与第一侧向可移动板(16)连接，第一液压机构(18)带动第一侧向可移动板(16)在长方体结构内来回滑动；
第二液压机构(19)设置在第三侧板(6)内壁，第二液压机构(19)的驱动端与第二侧向可移动板(17)连接，第二液压机构(19)带动第二侧向可移动板(17)在长方体结构内来回滑动。
2.根据权利要求1所述的复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置，其特征在于：还包括控制箱(22)、第一压力传感器(20)、第二压力传感器(21)、处理器，其中：
控制箱(22)控制第一液压机构(18)和第二液压机构(19)；
第一压力传感器(20)设置在第一侧向可移动板(16)上，第一压力传感器(20)将检测的第一侧向可移动板(16)施加至试验区内土体(34)的力信号传递至处理器；
第二压力传感器(21)设置在第二侧向可移动板(17)上，第二压力传感器(21)将检测的第二侧向可移动板(17)施加至试验区内土体(34)的力信号传递至处理器。
3.根据权利要求1所述的复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置，其特征在于：多自由度冲击机构还包括底座(23)、竖向固定螺丝(26)、滑动器(28)、横向固定螺丝(27)、电磁箱(29)、磁力吸盘(30)、冲击锤压力传感器(32)，其中：
底座(23)置于工作面，竖向支杆(24)设置在底座(23)上，竖向支杆(24)上具有刻度；横向支杆(25)通过竖向固定螺丝(26)可调节安装在竖向支杆(24)上；
滑动器(28)通过横向固定螺丝(27)可调节安装在横向支杆(25)上；
滑动器(28)下方依次安装有电磁箱(29)、磁力吸盘(30)、冲击锤(31)、冲击锤压力传感器(32)。
4.利用权利要求1至3任一所述的复杂条件下洞室冲击动力响应试验装置的测试方法，其特征在于，本方法包括以下步骤：
步骤1、确定试验基础信息：
根据实际工况，确定可变形状洞室模型(3)试验几何相似比CL，确定可变形状洞室模型(3)的初始尺寸为宽度d初、高度h初、顶部拱形结构的曲率半径r初，设定复杂应力模拟箱(1)试验区中填土宽度为D0、覆土高度为H0；
步骤2、得到所需可变形状洞室模型(3)：
步骤2-1、根据步骤1中确定的可变形状洞室模型(3)试验几何相似比CL，确定可变形状洞室模型(3)的实际尺寸为宽度d实、高度h实、顶部拱形结构的曲率半径r实；
步骤2-2、根据步骤1中确定的可变形状洞室模型(3)试验几何相似比CL和步骤2-1中确定的可变形状洞室模型(3)的实际尺寸，确定可变形状洞室模型(3)的所需尺寸为宽度d需、高度h需、顶部拱形结构的曲率半径r需，洞室上部液压机构(9)和洞室下部液压机构(10)同步运行，调节可变形状洞室模型(3)从初始尺寸至所需尺寸，得到所需可变形状洞室模型(3)；
步骤3、填土：
步骤3-1、将步骤2-2中得到的所需可变形状洞室模型(3)置于试验区中部；
步骤3-2、第一侧向可移动板(16)和第二侧向可移动板(17)同步向试验区方向滑动，直至第一侧向可移动板(16)与第二侧向可移动板(17)之间的间距为步骤1中设定的填土宽度D0；
步骤3-3、将土体(34)填入试验区内，压实土体(34)直至土体(34)高度为步骤1中设定的覆土高度H0；
步骤4、获取土体(34)的侧向应力系数λ0：
步骤3填土完毕后，可得到第一侧向可移动板(16)与第二侧向可移动板(17)对土体(34)的侧向应力为P，依据步骤3-3中的土体(34)填充高度H0，可确定模拟的地应力条件，即土体(34)的侧向应力系数为λ0，λ0＝P/γH0，γ为土的重度；
步骤5、建立冲击位置网格坐标系：
在步骤3填土完毕后的土体(34)上表面建立冲击位置网格坐标系；
步骤6、选定冲击锤(31)冲击位置：
选择步骤5中建立的冲击位置网格坐标系中任一坐标点作为冲击锤(31)冲击位置，记冲击位置坐标点为(a，b)；
步骤7、进行冲击试验：
步骤7-1、记横向支杆(25)在竖向支杆(24)上的高度距离为l高，设定冲击锤(31)的冲击速度为v，冲击锤(31)距离步骤3填土完毕后的土体(34)上表面的间距为l，l＝l高-H0，冲击锤(31)与土体(34)上表面接触时的冲击能为E，E＝mgl+0.5m[2gl+v2]，m为冲击锤(31)的质量；
步骤7-2、设定当前冲击位置需进行n次冲击，n次冲击的冲击能分别为E1、E2.......En，得到以冲击能E1、E2.......En分别冲击后，对应的可变形状洞室模型(3)外表面上的若干应变片(33)变形后对应的动力响应可变形状洞室模型(3)上部拱形结构顶端的纵向应变可变形状洞室模型(3)上部拱形结构顶端的横向应变/>可变形状洞室模型(3)上部拱形结构腰部的纵向应变/>可变形状洞室模型(3)上部拱形结构腰部的横向应变/>可变形状洞室模型(3)上部拱形结构底部的纵向应变/>可变形状洞室模型(3)上部拱形结构底部的横向应变/>可变形状洞室模型(3)侧壁中部的纵向应变/>可变形状洞室模型(3)侧壁中部的横向应变/>
步骤8、确定当前冲击位置可变形状洞室模型(3)最不利的动力响应：
根据步骤7-2中得到的冲击能为E1时若干应变片(33)变形后对应的动力响应 确定当前冲击位置冲击能为E1时可变形状洞室模型(3)最不利的动力响应，即/>同理确定当前冲击位置冲击能E2.......En对应的可变形状洞室模型(3)最不利的动力响应/>
步骤9、重复步骤6重新选定冲击位置，然后参照步骤7和步骤8得到选定冲击位置不同冲击能下对应的可变形状洞室模型(3)最不利的动力响应；直至网格坐标系内每个坐标点均进行了冲击试验，得到每个冲击位置在不同冲击能下对应的可变形状洞室模型(3)最不利的动力响应。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤5中，记冲击位置网格坐标系的中心点为坐标系原点(0，0)，将横向支杆(25)调节至原点(0，0)的正上方，再调节横向支杆(25)上的冲击锤(31)处于原点(0，0)的正上方，记此时横向支杆(25)所在位置为初始位置；
步骤6中冲击位置坐标点为(a，b)，其中，a＝ccosθ，b＝csinθ，c为当前位置横向支杆(25)上冲击锤(31)距离竖向支杆(24)与横向支杆(25)连接处的间距，θ为横向支杆(25)当前位置与横向支杆(25)初始位置时之间的夹角。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤7-2中n为≧3的正整数。
7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于：步骤7-2中E1、E2.......En为设定值，且E1至En逐渐增大，通过调节对应的冲击锤(31)的冲击速度v和/或冲击锤(31)距离步骤3填土完毕后的土体(34)上表面的间距l，得到所需的冲击能E1、E2.......En。
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