模拟地震作用下山岭隧道衬砌劣化的试验装置

1.本实用新型涉及岩土工程试验模拟装置领域，尤其涉及模拟地震作用下山岭隧道衬砌劣化的试验装置。


背景技术：

2.目前，我国山区高铁仍然处于高速发展阶段，由于山区的山岭隧道众多，根据震后调查显示，山岭隧道的衬砌出现大量开裂与掉块，尤其是衬砌损裂直接破坏力隧道结构的整体性，降低了衬砌结构的强度、刚度，直接影响衬砌的运营安全和衬砌结构的耐久性，尤其是不同围岩条件下隧道衬砌抗震能力有待研究。然而隧道衬砌抗震原位试验实施难度大，强震作用下诱发衬砌产生纵向损裂以及斜向损裂，导致山岭隧道衬砌存在较大的安全隐患，尤其是衬砌受地震力后的变形和破坏特征仍有待进一步明确。
3.由于室内试验具有可靠性高、针对性强等特征，可以开展不同工况和条件下隧道工程的研究，因此开发一种能模拟隧道衬砌劣化，研究地震作用下衬砌裂缝发育的试验系统十分必要和具有现实意义的。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种实施可靠、仿真度高且测试结果参考性佳和操作便利的模拟地震作用下山岭隧道衬砌劣化的试验装置。
5.为了实现上述的技术目的，本实用新型所采用的技术方案为：
6.一种模拟地震作用下山岭隧道衬砌劣化的试验装置，其包括：
7.底座；
8.模型箱，为箱型壳体结构且设置在底座上方，其内部形成有容置腔；
9.连接组件，设置在底座和模型箱之间且用于活动连接底座和模型箱；
10.液压组件，为一对且设置在底座两侧，所述液压组件与安装平面之间通过第一铰接座连接，其液压驱动端通过第二铰接座与模型箱接近液压组件的侧面转动连接；
11.围岩及初砌模拟组件，设置在模型箱的容置腔内，其外表面与模型箱内壁之间填充有原位土壤层；
12.反力架，为龙门架结构其跨设在模型箱上方；
13.千斤顶，为多个且间隔设置在模型箱上端面和反力架之间，所述千斤顶的主体端通过第三铰接座与反力架连接，所述千斤顶的顶压端与模型箱的上端面相抵，且所述千斤顶的顶压端与模型箱的上端面之间还设有压力传感器，该压力传感器用于感应千斤顶对模型箱所施加的压力；
14.控制器，与液压组件连接、压力传感器连接且用于控制液压组件工作和接收压力传感器反馈的感应信号。
15.作为一种可能的实施方式，进一步，所述连接组件，包括第一连接件、第二连接件、弹性件和锁止件，其中，所述第一连接件的上端固定连接在模型箱的下端面，所述第二连接
件设于第一连接件下方且固定连接在底座上端面，第一连接件的下部与第二连接件的上部配合连接，所述弹性件的两端分别与模型箱底部和底座上端面连接，所述锁止件可拆卸设置在第一连接件和第二连接件的连接部之间，其用于相对固定第一连接件和第二连接件或解除相对固定。
16.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述第一连接件、第二连接件均为管状结构，所述第一连接件的下部可升降滑动地套接在第二连接件上部，所述锁止件的一端由第二连接件的上部可拆卸穿过第一连接件，将第一连接件和第二连接件相对固定。
17.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述弹性件为弹簧，其下端穿入到第二连接件的管状结构内并与底座相抵，其上端穿入到第一连接件内并与模型箱下端面相抵。
18.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述锁止件为锁止螺栓。
19.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述连接组件的数量为多个且间隔设置在底座和模型箱之间。
20.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述连接组件和千斤顶的数量均为3个。
21.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述围岩及初砌模拟组件包括：
22.隧道初砌管片，为多个且呈弧形片状结构，多个隧道初砌管片两侧合围形成环形封闭的隧道仿形结构；
23.乳胶环，套设在多个隧道初砌管片合围行程的隧道仿形结构外表面；
24.围岩弧形管片，为多片且与隧道初砌切片轮廓相适应并贴合在乳胶环上；电阻应力片，为多个且连接在隧道初砌管片上并用于感应隧道初砌管片所承受的应力，其中，所述电阻应力片还与控制器电连接。
25.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述液压组件为伺服液压油缸。
26.作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述模型箱包括主箱体和盖板，所述主箱体的为上端敞开的箱型结构，所述盖板盖设在主箱体的上端面。
27.采用上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，其具有的有益效果为：
28.(1)本方案装置能够根据围岩的走向、松动情况，模拟衬砌所受地震力，以便为隧道设计时提供更加准确的参考；
29.(2)本方案装置可以模拟因不同地质条件下衬砌拱顶、边墙等受力情况，可以为隧道建模提供准确的参数；
30.(3)本方案装置可以通过伺服液压油缸的加载杆施加压力，加载杆施载位置灵活，荷载施加准确可控，有利于模拟各种隧道环境；
31.(4)本方案装置的各构件可拆装，且整体结构简单、操作方便，便于推广使用。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。
33.图1是本实用新型方案的简要实施结构示意图；
34.图2是本实用新型方案的模型箱与底座通过连接组件进行连接的简要示意图；
35.图3是本实用新型方案的第三铰接座的简要结构示意图；
36.图4是本实用新型方案的千斤顶与压力传感器的简要连接示意图；
37.图5是本实用新型方案的围岩及初砌模拟组件的简要结构示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本实用新型，但不对本实用新型的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本实用新型的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.如图1至图5之一所述，本实施例方案一种模拟地震作用下山岭隧道衬砌劣化的试验装置，其包括：
40.底座1；
41.模型箱2，为箱型壳体结构且设置在底座1上方，其内部形成有容置腔；
42.连接组件3，设置在底座1和模型箱2之间且用于活动连接底座1和模型箱2；
43.液压组件4，为一对且设置在底座1两侧，所述液压组件4与安装平面之间通过第一铰接座42连接，其液压驱动端通过第二铰接座41与模型箱2接近液压组件4的侧面转动连接；为了方便进行控制，本方案中，所述液压组件4为伺服液压油缸；
44.围岩及初砌模拟组件5，设置在模型箱2的容置腔内，其外表面与模型箱2内壁之间填充有原位土壤层9，其中，原位土壤层9所指的是其土样的各项物理性质要求与所模拟山岭的原位土壤相同；
45.反力架7，为龙门架结构其跨设在模型箱2上方；
46.千斤顶6，为多个且间隔设置在模型箱2上端面和反力架7之间，所述千斤顶6的主体端通过第三铰接座61与反力架7连接，所述千斤顶6的顶压端与模型箱2的上端面相抵，且所述千斤顶6的顶压端与模型箱2的上端面之间还设有压力传感器62，该压力传感器62用于感应千斤顶6对模型箱2所施加的压力；
47.控制器8，与液压组件4连接、压力传感器62连接且用于控制液压组件4工作和接收压力传感器62反馈的感应信号。
48.其中，为了方便安装装置和启动试验，重点结合图2所示，本方案中，作为一种可能的实施方式，进一步，所述连接组件3，包括第一连接件31、第二连接件32、弹性件33和锁止件34，其中，所述第一连接件31的上端固定连接在模型箱2的下端面，所述第二连接件32设于第一连接件31下方且固定连接在底座1上端面，第一连接件31的下部与第二连接件32的上部配合连接，所述弹性件33的两端分别与模型箱2底部和底座1上端面连接，所述锁止件34可拆卸设置在第一连接件31和第二连接件32的连接部之间，其用于相对固定第一连接件31和第二连接件32或解除相对固定。
49.对于第一连接件31和第二连接件32的结构方面，作为一种较优的选择实施方式，优选的，本方案所述第一连接件31、第二连接件32均为管状结构，所述第一连接件31的下部可升降滑动地套接在第二连接件32上部，所述锁止件34的一端由第二连接件32的上部可拆卸穿过第一连接件31，将第一连接件31和第二连接件32相对固定，另外所述模型箱2的底部还设有对应穿置在第一连接件31内的锚杆。
50.同时，本方案所述弹性件33为弹簧，其下端穿入到第二连接件32的管状结构内并与底座1相抵，其上端穿入到第一连接件31内并与模型箱2下端面相抵；所述锁止件34为锁止螺栓。
51.本方案在试验前，通过千斤顶6将原位土壤层9压实，而原位土壤层9的压实度、含水率等物理指标须在填筑前调制至所需要求；试验时，通过控制器8控制液压组件4的动作，再配合弹簧(即弹性件33)的弹性作用以模拟地震时的震动情况，在模拟时，需要解除锁止件34的连接，令第一连接件31、第二连接件32保持一定的升降自由度。
52.为了提高连接组件3对底座1和模型箱2的连接可靠性，本方案所述连接组件3的数量为多个且间隔设置在底座1和模型箱2之间；作为一种较优的选择实施方式，优选的，所述连接组件3和千斤顶6的数量均为3个。
53.重点结合图5所示，本方案中，所述围岩及初砌模拟组件5包括：
54.隧道初砌管片51，为多个且呈弧形片状结构，多个隧道初砌管片51两侧合围形成环形封闭的隧道仿形结构，所述隧道初砌管片51为一次预制成型结构；
55.乳胶环54，套设在多个隧道初砌管片51合围行程的隧道仿形结构外表面，所述乳胶环54由条形乳胶带围绕隧道衬砌管片51闭合而成，所述乳胶环54的宽度与隧道衬砌管片51一致；
56.围岩弧形管片52，为多片且与隧道初砌切片51轮廓相适应并贴合在乳胶环54上；
57.电阻应力片53，为多个且连接在隧道初砌管片51上并用于感应隧道初砌管片51所承受的应力，具体的，所述电阻应力片53为安装在隧道初砌管片51的内表面或预埋在隧道初砌管片51接近内表面的部位，其中，所述电阻应力片53还与控制器8电连接。
58.为了方便进行安装围岩及初砌模拟组件5和原位土壤层，本方案中，所述模型箱2包括主箱体21和盖板22，所述主箱体21的为上端敞开的箱型结构，所述盖板22盖设在主箱体21的上端面，而模型箱2的主箱体21的各个侧面均可以通过焊接的方式进行固定成一体，以此提高其结构稳定性和强度。
59.本实施例方案装置能够依据围岩走势、松动情况、隧道断面形状等情况，按比例缩小至室内规模，可根据所需地震振幅与频率，模拟地震烈度灵活调节拱顶、边墙及仰拱的截面情况，准确模拟地震作用下围岩衬砌所受的压力，以便为各种围岩条件下的隧道衬砌结构设计和施工提供参考依据。
60.基于此，本实施例还相应提供了上述装置的简要安装和测试操作方法，其大致如下：
61.步骤1、预制隧道衬砌管片51，于模具中安装钢筋、电阻应力片53，一次浇筑成型并养护28天。
62.步骤2、隧道衬砌管片51养护完成后安装乳胶环54、隧道围岩弧形管片52，并注意保护电阻应力片53使用的导线(与控制器8连接)；
63.步骤3、将调制好的原位土壤层部分填筑至模型箱2，放置围岩及初砌模拟组件5然后再填满模型箱2，继而将模型箱2放置在反力架7上预定位置。
64.步骤4，安装千斤顶6与压力传感器62，连接应力应变仪，将预埋的电阻应力片53连接至控制器8；再对土样施加所需静载，加载结束后，松开连接组件3的锁止件43(即锁止螺栓)，使得模型箱2与底座1之间的弹簧(即弹性件33)充分接触；
65.步骤5，安装控制器，通过输入预设所需地震参数，令液压组件4动作，开始试验，记录数据。
66.以上所述仅为本实用新型的部分实施例，并非因此限制本实用新型的保护范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效装置或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。