CN216051199U - 一种流固耦合疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及疲劳试验设备技术领域，具体涉及一种流固耦合疲劳试验装置。该试验装置包括水压室、稳压泵以及加载装置。水压室的内筒被置于外筒内。外筒和内筒之间具有储水腔。储水腔内设置有内支撑架。外筒的护壁的外侧设置有外支撑架。内筒的内部具有容纳试验件的放置腔。内筒的筒壁上设置有透水孔。透水孔连通储水腔和放置腔。水压室的顶部设置有密封盖。密封盖的内胆嵌入在内筒中。密封盖的外沿嵌套在外筒的护壁上。外筒的护壁上设置有进水阀和出水阀。稳压泵的输出端通过水管与进水阀相连。该试验装置模拟了隧道底部结构所处的富水工况，实现了对试验件的疲劳性能的检测，直观地展现了试验件在流固耦合环境下形成缺陷的过程。

Description

一种流固耦合疲劳试验装置

技术领域

本实用新型涉及疲劳试验设备技术领域，具体涉及一种流固耦合疲劳试验装置。

背景技术

隧道在运营一段时间后通常会产生不同程度的基底缺陷。并且基底缺陷会随着时间和运量的增长而不断加剧。尤其在富水区域，不仅在软岩中的隧道底部结构会出现沉降、翻浆冒泥等基底缺陷，还在富水硬岩隧道中出现基底缺陷。例如，在湘黔、贵昆线上，这类基底缺陷已经占到了隧道总长度的25%，后期的维修养护费用甚至已经超过了建设费用，严重制约了隧道的行车安全和营业线的经济效益。

虽然，本领域技术人员已经意识到地下水对隧道底部结构疲劳性能的不利影响，但是，富水隧道底部结构的致损机理和破坏模式仍难以明确。因此，富水隧道在流固耦合环境下的疲劳性能需要进一步的试验研究。

现有技术中工程技术人员往往通过在隧道现场调查测绘，结合数值模拟计算，进而分析隧道底部的结构特性，从而得出隧道底部结构产生缺陷的机理。如此一来，需要在大量的工程实际案例来验证分析，难以在实验室层面直观的展现隧道底部结构的产生缺陷变化的过程。

综上所述，在研究隧道底部结构形成缺陷的过程中，如何设计一种试验装置，用以模拟隧道底部结构所处的富水工况，检测试验件的疲劳性能，从而直观地展现试验件在流固耦合环境下形成缺陷的过程，进而为富水隧道的工程设计提供指导建议，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本实用新型的目的在于，为研究隧道底部结构形成缺陷的过程中，提供一种试验装置，用以模拟隧道底部结构所处的富水工况，检测试验件的疲劳性能，从而直观地展现试验件在流固耦合环境下形成缺陷的过程，进而为富水隧道的工程设计提供指导建议，有利于提升富水隧道在列车循环荷载作用下的长期服役性能。

为实现上述目的，本实用新型采用如下方案：提出一种流固耦合疲劳试验装置，包括水压室、向水压室提供稳定水压的稳压泵以及向试验件提供循环载荷的加载装置；

所述水压室包括内筒和外筒，所述内筒被置于外筒内，所述外筒和内筒之间具有储水腔，所述储水腔内设置有向内筒提供径向支撑的内支撑架，所述外筒的护壁的外侧设置有外支撑架，所述内筒的内部具有容纳试验件的放置腔，所述内筒的筒壁上设置有透水孔，所述透水孔连通储水腔和放置腔；

所述水压室的顶部设置有密封盖，所述密封盖的内胆嵌入在内筒中，所述密封盖的外沿嵌套在外筒的护壁上；

所述外筒的护壁上设置有进水阀和出水阀，所述进水阀和出水阀均与储水腔相连，所述稳压泵的输出端通过水管与进水阀相连。

作为优选，内支撑架包括第一支撑环和第二支撑环，第一支撑环的轴线与第二支撑环的轴线相重合，第一支撑环通过水平定位杆与第二支撑环相连构成双环结构，三层双环结构沿轴向排布，相邻双环结构之间通过竖向定位杆相连。如此设置，第一支撑环贴合内筒的筒壁的外侧，第二支撑环贴合外筒的护壁的内侧，进一步提升了内筒在循环加载的过程中的稳定性。

作为优选，外支撑架包括第三支撑环，三层第三支撑环沿轴向排布，相邻第三支撑环之间通过立杆相连，外筒的护壁的外侧设置有与顶层的第三支撑环相匹配的定位槽。如此设置，有利于提升水压室的承载能力，扩大了模拟富水工况的水压范围，顶层的第三支撑环便于对嵌套在外筒外侧的外沿施加径向锁紧力，有利于进一步提升水压室的密封性能。

作为优选，内筒的筒壁的内侧设置有卡槽，卡槽内设置有密封环。如此设置，密封环位于内胆与内筒之间，有利于提升密封盖与内筒连接处的密封性。

作为优选，密封盖的内胆的侧壁上设置有波纹状伸缩结构，内胆与外沿之间设置有环状楔块。如此设置，加载装置在向试验件施加循环载荷时，内胆的底部随加载装置沿轴向往复伸缩，有利于保持储水腔和放置腔中水压的恒定。

作为优选，内筒被置于外筒的底护板上，试验件被置于内筒的底板上，试验件的顶部与内胆的底部相贴合。

作为优选，内筒和外筒均为透明塑料筒。如此设置，整个水压室呈透明筒体，便于模拟疲劳试验的过程中，试验人员从侧面观察水压室内土试验件的变化以及形成缺陷的过程，进一步提升了试验的直观感受。

作为优选，水管与进水阀之间设置有防水接头。如此设置，提高了稳压泵与水压室之间管路连接的安装效率，进一步保持了水压室中水压的稳定性。

本实用新型提供的一种流固耦合疲劳试验装置与现有技术相比，具有如下实质性特点和进步：

1、该流固耦合疲劳试验装置利用稳压泵通过水管向水压室中提供稳定的水压环境，模拟了流固耦合作用下隧道底部结构所处的富水工况，通过加载装置向内筒中的试验件施加循环载荷，实现了对试验件疲劳性能的检测；

2、该流固耦合疲劳试验装置中水压室的顶部设置的密封盖，在为水压室提供密闭水压空间的同时，便于加载装置向内筒中的试验件施加循环动载或者静载，透明的内筒和外筒便于近距离观查流固耦合环境下试验件形成缺陷的过程及发展情况，进而为富水隧道的工程设计提供了指导建议，有利于提升富水隧道在列车循环荷载作用下的长期服役性能。

附图说明

图1是本实用新型实施例中一种流固耦合疲劳试验装置的立体结构示意图；

图2是水压室的等轴测剖视图；

图3是水压室的内部结构示意图；

图4是外筒的等轴测剖视图；

图5是内筒的等轴测剖视图；

图6是内支撑架的立体结构示意图；

图7是外支撑架的立体结构示意图；

图8是密封盖的等轴测剖视图。

附图标记：内筒1、外筒2、内支撑架3、外支撑架4、密封盖5、稳压泵6、水管7、加载装置8、筒壁11、底板12、透水孔13、卡槽14、密封环15、护壁21、底护板22、进水阀23、出水阀24、定位槽25、第一支撑环31、第二支撑环32、竖向定位杆33、水平定位杆34、第三支撑环41、立杆42、内胆51、楔块52、外沿53。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。

如图1-8所示的一种流固耦合疲劳试验装置，用于模拟隧道底部结构所处的富水工况，检测试验件的疲劳性能。该试验装置利用稳压泵通过水管向水压室中提供稳定的水压环境，模拟了流固耦合作用下隧道底部结构所处的富水工况，通过加载装置向内筒中的试验件施加循环载荷，实现了对试验件疲劳性能的检测。该试验装置中水压室的顶部设置的密封盖，在为水压室提供密闭水压空间的同时，便于加载装置向内筒中的试验件施加循环动载或者静载。

如图1所示，一种流固耦合疲劳试验装置包括水压室、向水压室提供稳定水压的稳压泵6以及向试验件提供循环载荷的加载装置8。稳压泵6通过水管7向水压室中提供稳定的水压环境。加载装置8可选用电动缸或者液压缸。

如图2所示，水压室包括内筒1和外筒2。内筒1被置于外筒2内。外筒2和内筒1之间具有储水腔。储水腔内设置有向内筒1提供径向支撑的内支撑架3。外筒2的护壁21的外侧设置有外支撑架4。内筒1的内部具有容纳试验件的放置腔。内筒1的筒壁11上设置有透水孔13。透水孔13连通储水腔和放置腔。例如，内筒1被置于外筒2的底护板22上，试验件被置于内筒1的底板12上，试验件的顶部与内胆51的底部相贴合。

如图3所示，水压室的顶部设置有密封盖5。密封盖5的内胆51嵌入在内筒1中。密封盖5的外沿53嵌套在外筒2的护壁21上。如图4所示，外筒2的护壁21上设置有进水阀23和出水阀24。进水阀23和出水阀24均与储水腔相连。结合图1所示，稳压泵6的输出端通过水管7与进水阀23相连。水管7与进水阀23之间还设置有防水接头，用于提高稳压泵6与水压室之间管路连接的安装效率，进一步保持水压室中水压的稳定性。

如图5所示，内筒1的筒壁11的内侧设置有卡槽14，卡槽14内设置有密封环15。如此设置，密封环15位于内胆51与内筒1之间，有利于提升密封盖5与内筒1连接处的密封性。透水孔13为圆孔，圆孔在筒壁11上均匀排布。

如图6所示，内支撑架3包括第一支撑环31和第二支撑环32。第一支撑环31的轴线与第二支撑环32的轴线相重合。第一支撑环31通过水平定位杆34与第二支撑环32相连构成双环结构。三层双环结构沿轴向排布，相邻双环结构之间通过竖向定位杆33相连。如此设置，第一支撑环31贴合内筒1的筒壁11的外侧，第二支撑环32贴合外筒2的护壁21的内侧，进一步提升了内筒1在循环加载的过程中的稳定性。其中，根据水压室的设计尺寸，内支撑架3可选用合适层数的双环结构，来保证支撑强度。内支撑架3的双环结构的层数可选为2-5层。

如图7所示，外支撑架4包括第三支撑环41。三层第三支撑环41沿轴向排布，相邻第三支撑环41之间通过立杆42相连。外筒2的护壁21的外侧设置有与顶层的第三支撑环41相匹配的定位槽25。如此设置，有利于提升水压室的承载能力，扩大了模拟富水工况的水压范围，顶层的第三支撑环41便于对嵌套在外筒2外侧的外沿53施加径向锁紧力，有利于进一步提升水压室的密封性能。其中，外支撑架4也可根据水压室设计尺寸的大小，来选用合适层数的第三支撑环41。第三支撑环41的层数可选为2-5层。

如图8所示，密封盖5的内胆51的侧壁上设置有波纹状伸缩结构。内胆51与外沿53之间设置有环状楔块52。如此设置，加载装置8在向试验件施加循环载荷时，内胆51的底部随加载装置8沿轴向往复伸缩，有利于保持储水腔和放置腔中水压的恒定。环状楔块52用于填充储水腔与放置腔的顶部间隙。波纹状伸缩结构可减小与所述侧限室侧壁之间的摩擦，保证加载准确，同时可保证侧限室顶部封闭，以提供水压环境。密封盖5可采用硅胶、丁腈等透明材料制成。

为了便于试验人员观察疲劳试验的进程，内筒1和外筒2均为透明塑料筒。如此设置，整个水压室呈透明筒体，便于模拟疲劳试验的过程中，试验人员从侧面观察水压室内土试验块的变化以及形成缺陷的过程，进一步提升了试验的直观感受。例如，内筒1和外筒2均采用透明亚克力材料制成。

本实用新型不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，包括水压室、向水压室提供稳定水压的稳压泵以及向试验件提供循环载荷的加载装置；

所述水压室包括内筒和外筒，所述内筒被置于外筒内，所述外筒和内筒之间具有储水腔，所述储水腔内设置有向内筒提供径向支撑的内支撑架，所述外筒的护壁的外侧设置有外支撑架，所述内筒的内部具有容纳试验件的放置腔，所述内筒的筒壁上设置有透水孔，所述透水孔连通储水腔和放置腔；

所述水压室的顶部设置有密封盖，所述密封盖的内胆嵌入在内筒中，所述密封盖的外沿嵌套在外筒的护壁上；

所述外筒的护壁上设置有进水阀和出水阀，所述进水阀和出水阀均与储水腔相连，所述稳压泵的输出端通过水管与进水阀相连。

2.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述内支撑架包括第一支撑环和第二支撑环，所述第一支撑环的轴线与第二支撑环的轴线相重合，所述第一支撑环通过水平定位杆与第二支撑环相连构成双环结构，三层双环结构沿轴向排布，相邻双环结构之间通过竖向定位杆相连。

3.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述外支撑架包括第三支撑环，三层第三支撑环沿轴向排布，相邻第三支撑环之间通过立杆相连，所述外筒的护壁的外侧设置有与顶层的第三支撑环相匹配的定位槽。

4.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述内筒的筒壁的内侧设置有卡槽，所述卡槽内设置有密封环。

5.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述密封盖的内胆的侧壁上设置有波纹状伸缩结构，所述内胆与外沿之间设置有环状楔块。

6.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述内筒被置于外筒的底护板上，所述试验件被置于内筒的底板上，所述试验件的顶部与内胆的底部相贴合。

7.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述内筒和外筒均为透明塑料筒。

8.根据权利要求1所述的流固耦合疲劳试验装置，其特征在于，所述水管与进水阀之间设置有防水接头。

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