本發(fā)明涉及一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

我國既有鐵路隧道經(jīng)過一段時間的運(yùn)營之后，部分隧道出現(xiàn)了底部結(jié)構(gòu)破損，翻漿冒泥等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了隧道的運(yùn)營安全。隧道底部結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性對鐵路隧道(特別是高速鐵路和重載鐵路隧道)的長期運(yùn)營安全意義重大。因此有必要對列車循環(huán)荷載作用下隧道底部結(jié)構(gòu)的累積損傷及長期動力特性進(jìn)行深入的試驗(yàn)研究。

目前國內(nèi)外對循環(huán)荷載下試件累積損傷的試驗(yàn)方法主要有單軸拉伸試驗(yàn)，單軸壓縮試驗(yàn)，純彎條件下的試驗(yàn)等，采用這些試驗(yàn)方法試件所處的受力狀態(tài)和邊界條件和隧道底部結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)差別明顯，無法反映列車荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)的長期動力特性。

近年來，真三軸試驗(yàn)機(jī)開始應(yīng)用于結(jié)構(gòu)累積損傷和動力性能的試驗(yàn)中，該試驗(yàn)機(jī)具有一個軸向應(yīng)力σ₁施加系統(tǒng)，兩個水平方向的應(yīng)力σ₂和σ₃的側(cè)向應(yīng)力施加系統(tǒng)，分別由獨(dú)立的液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)三向不等壓加載的功能。然而該試驗(yàn)系統(tǒng)在某個單一方向上只能實(shí)現(xiàn)均勻加載，對于隧道底部結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)?shù)撞砍霈F(xiàn)圍巖局部軟化或者出現(xiàn)空洞時，隧底結(jié)構(gòu)的底面顯而易見處于一種非均勻受力狀態(tài)，現(xiàn)有的真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)無法模擬隧道底部結(jié)構(gòu)這種實(shí)際的受力狀態(tài)。而且該試驗(yàn)系統(tǒng)通過加載系統(tǒng)給試件施加一定的圍壓，但所加圍壓的大小和試件周邊實(shí)際的圍巖條件之間無法建立一一對應(yīng)的關(guān)系。

總體來說，目前國內(nèi)外既有的循環(huán)荷載作用下試件累積損傷的試驗(yàn)方法以動三軸試驗(yàn)為主，該方法能提供三向的不均勻圍壓，但無法建立隧道圍巖等級和所加圍壓大小的一一對應(yīng)關(guān)系，也無法對試件底部單一方向上施加不均勻約束壓力，更無法定量化的考慮隧道底部這種局部不均勻的影響，所得試驗(yàn)結(jié)果難以真實(shí)反映列車荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)的累積損傷特性。

因此，研制一種新型的能定量化的施加單向不均勻約束壓力的循環(huán)荷載下累積損傷的試驗(yàn)方法和裝置已為急需。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前列車荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)的累積損傷特性無法在試驗(yàn)中得到真實(shí)反映的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種能夠在單一方向上也能定量化的施加不均勻約束壓力的循環(huán)荷載下累積損傷的試驗(yàn)裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，包括試驗(yàn)箱體，側(cè)向加載組件，頂部加載系統(tǒng)、底部約束組件以及測試系統(tǒng)，所述的試驗(yàn)箱體上端開口且內(nèi)設(shè)有試驗(yàn)試件，所述的側(cè)向加載組件環(huán)繞試驗(yàn)試件的側(cè)壁設(shè)置并對試驗(yàn)試件施加壓力，所述的頂部加載系統(tǒng)設(shè)置于試驗(yàn)試件的頂部并對試驗(yàn)試件施加向下的壓力，所述的底部約束組件設(shè)置于試驗(yàn)時間的底部并為試驗(yàn)試件提供支撐，所述的測試系統(tǒng)設(shè)置于試驗(yàn)箱體上以監(jiān)測試驗(yàn)試件。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的側(cè)向加載組件包括多個相同的側(cè)向子組件，試驗(yàn)試件的四面?zhèn)缺谏厦棵嬷辽僭O(shè)置一個側(cè)向子組件，所述的側(cè)向子組件包括一個千斤頂，所述的千斤頂兩端分別抵緊在試驗(yàn)箱體的內(nèi)壁和試驗(yàn)試件的側(cè)壁上。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的側(cè)向子組件還包括一塊用于分散壓力的側(cè)向墊板，所述的側(cè)向墊板設(shè)置于千斤頂與試驗(yàn)試件的側(cè)壁之間，所述的千斤頂為數(shù)顯式液壓千斤頂。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的頂部加載系統(tǒng)包括反力部件、加載頭和支撐件，所述的反力部件固定于試驗(yàn)箱體上方，加載頭設(shè)置于反力部件與試驗(yàn)試件的頂部之間，支撐件固定于試驗(yàn)箱體的底部并支撐起整個試驗(yàn)箱體。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的反力部件包括反力桿和反力板，所述的反力板通過設(shè)置于試驗(yàn)箱體外的反力桿固定于試驗(yàn)箱體的上方并連接加載頭。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的底部約束組件包括多個平行設(shè)置的彈簧，所述的彈簧設(shè)置于試驗(yàn)試件與試驗(yàn)箱體的底面之間。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的底部約束組件還包括上約束墊板和下約束墊板，所述的上約束墊板設(shè)置于彈簧頂部和試驗(yàn)試件之間，所述的下約束墊板設(shè)置于彈簧底部和試驗(yàn)箱體之間。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的彈簧剛度系數(shù)與圍巖抗力系數(shù)的換算關(guān)系為：

C＝K·S

其中C為彈簧的剛度系數(shù)，K為圍巖的抗力系數(shù)，S為單根彈簧的作用面積。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的彈簧的剛度系數(shù)為相同或不同，彈簧分布為均勻分布或間隙留空分布。

所述的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)裝置，所述的測試系統(tǒng)包括應(yīng)變感應(yīng)片和陶瓷壓電片，所述的應(yīng)變感應(yīng)片和陶瓷壓電片分別設(shè)置于試驗(yàn)試件外壁上。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于，本發(fā)明不僅能在試件底部方向上也能夠施加不均勻約束壓力，還能定量化的確定這種不均勻約束壓力，從而能夠更為準(zhǔn)確的模擬隧道底部在不同接觸狀態(tài)下的累積損傷特性，特別是解決了現(xiàn)有試驗(yàn)方法和裝置不能對隧道基底有破損條件下的累積損傷進(jìn)行試驗(yàn)的問題。同時本發(fā)明采用不同剛度系數(shù)的彈簧對隧道基底不同的圍巖條件進(jìn)行模擬，通過彈簧剛度系數(shù)和圍巖抗力系數(shù)的換算，實(shí)現(xiàn)了試件底部彈簧與圍巖條件的定量化對應(yīng)關(guān)系，解決了現(xiàn)有試驗(yàn)方法在試驗(yàn)中約束壓力大小和圍巖條件不對應(yīng)的難題。綜上所述，本發(fā)明提供的一種循環(huán)荷載下隧道底部結(jié)構(gòu)累積損傷的試驗(yàn)方法與裝置，可更為準(zhǔn)確的對隧道底部結(jié)構(gòu)的累積損傷特性進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，從而為隧道底部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算提供依據(jù)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的總體設(shè)計圖；

圖2為本發(fā)明裝置底部彈簧設(shè)置圖；

圖3為本發(fā)明裝置的細(xì)部構(gòu)造圖；

圖4為本發(fā)明裝置的剖面圖；

圖5為本發(fā)明試驗(yàn)方法和裝置的俯視圖；

其中，1為試驗(yàn)箱體，2為試驗(yàn)試件，3為頂部加載系統(tǒng)，4為加載頭，5為千斤頂，6為側(cè)向墊板，7為彈簧；8為約束墊板，9為應(yīng)變計，10為陶瓷壓電片。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過對隧道底部結(jié)構(gòu)所處受力狀態(tài)進(jìn)行深入分析，確定采用底部彈簧來模擬隧道底部圍巖對底部結(jié)構(gòu)的約束作用，通過一組密布的相同剛度的彈簧來模擬隧道底部的均勻圍壓狀態(tài)；針對實(shí)際施工中隧道底部可能存在局部脫空、軟化、施工缺陷等實(shí)際情況，試驗(yàn)中可通過減少試件底部彈簧的個數(shù)或調(diào)整彈簧的布置位置來定量化的模擬底部圍巖的脫空狀態(tài)，通過減小部分彈簧的剛度來模擬隧道底部圍巖的局部損傷和軟化現(xiàn)象；通過不同剛度和個數(shù)的彈簧組合即可實(shí)現(xiàn)試件底部不均勻約束壓力的定量化施加問題，達(dá)到對隧道底部結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)的準(zhǔn)確模擬。

在隧道荷載—結(jié)構(gòu)模式的分析計算中，采用彈性抗力系數(shù)來體現(xiàn)隧道承載過程中圍巖對隧道結(jié)構(gòu)的約束作用，而彈性抗力系數(shù)和彈簧的剛度系數(shù)之間存在換算關(guān)系。因此本發(fā)明提供的試驗(yàn)方法，通過改變底部彈簧自身的剛度系數(shù)來模擬不同級別圍巖的影響，根據(jù)既有隧道設(shè)計規(guī)范確定的不同級別圍巖的抗力系數(shù)，即可確定彈簧的剛度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)條件與實(shí)際圍巖條件的定量化對應(yīng)。彈簧剛度系數(shù)與圍巖抗力系數(shù)的換算關(guān)系如下：

C＝K·S

其中C為彈簧的剛度系數(shù)，K為圍巖的抗力系數(shù)，S為單根彈簧的作用面積。

試件前后左右的約束壓力通過數(shù)顯式液壓千斤頂進(jìn)行精確控制，以模擬隧道底部結(jié)構(gòu)前后左右所處的實(shí)際受力狀態(tài)。上部循環(huán)荷載的施加則通過MTS系統(tǒng)進(jìn)行精確控制，以模擬列車運(yùn)營荷載對隧道底部結(jié)構(gòu)的長期作用。通過MTS加載系統(tǒng)，液壓千斤頂及彈簧，實(shí)現(xiàn)試件三向不均勻約束的施加，從而準(zhǔn)確模擬隧道底部結(jié)構(gòu)在長期列車荷載作用下的累積損傷特性。

試驗(yàn)過程中通過動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)以及陶瓷壓電測試系統(tǒng)兩套測試系統(tǒng)，對循環(huán)荷載下試件的累積損傷特性進(jìn)行測試，兩套測試系統(tǒng)的測試結(jié)果可相互對比驗(yàn)證，從而更好的保證測試結(jié)果的可靠性。

參見圖1，首先采用鋼板制作一個長方體的試驗(yàn)箱，其長、寬、高可根據(jù)試件的大小進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)箱鋼板厚度為10mm以上，以保證試驗(yàn)箱具有足夠的剛度。試驗(yàn)箱底部密布彈簧以模擬隧道底部的圍巖條件，彈簧頂部為對應(yīng)于該彈簧作用面積的鋼板，試驗(yàn)試件置于彈簧頂部的鋼板上，采用一組相同剛度系數(shù)的彈簧模擬均勻圍壓狀態(tài)，不同剛度系數(shù)的彈簧模擬非均勻圍壓狀態(tài)，采用減少部分彈簧來模擬隧道底部結(jié)構(gòu)的脫空狀態(tài)。試驗(yàn)箱的前后左右布置了數(shù)顯式液壓千斤頂，通過千斤頂和可以給試件的前后左右施加足夠的約束壓力，以模擬隧道底部結(jié)構(gòu)前后左右所處的實(shí)際受力狀態(tài)。試驗(yàn)箱上部為開口，將整個試驗(yàn)箱置于MTS液壓加載系統(tǒng)上，通過MTS的加載作動頭，即可對試件施加循環(huán)荷載，以模擬列車運(yùn)營荷載對隧道底部結(jié)構(gòu)的長期作用，列車的運(yùn)營軸重、速度等的影響可通過調(diào)整MTS加載系統(tǒng)的作用力大小和頻率來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)前在試件的測試位置布置好相應(yīng)的應(yīng)變片及陶瓷壓電片，通過動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)以及陶瓷壓電測試系統(tǒng)，即可對循環(huán)荷載下試件的累積損傷特性進(jìn)行測試。

具體實(shí)施時，包括以下步驟：

(1)參見圖1-5，首先采用鋼板制作一個上部開口的長方體試驗(yàn)箱1，其長、寬、高根據(jù)試件的大小確定，試驗(yàn)箱鋼板厚度為10mm以上，以保證試驗(yàn)箱具有足夠的剛度。

(2)試驗(yàn)箱底部密布彈簧7以模擬隧道底部的圍巖條件，彈簧頂、底部為對應(yīng)于該彈簧作用面積的鋼板8，試驗(yàn)試件2置于彈簧頂部的鋼板上，采用一組相同剛度系數(shù)的彈簧模擬均勻約束狀態(tài)，不同剛度系數(shù)的彈簧模擬非均勻約束狀態(tài)，采用減少部分彈簧來模擬隧道底部結(jié)構(gòu)的脫空狀態(tài)。

(3)試驗(yàn)箱的前后左右布置了數(shù)顯式液壓千斤頂5，千斤頂通過鋼板6將圍壓均勻的施加于試件的前后側(cè)，鋼板的尺寸和試件該方向的斷面尺寸一致，通過千斤頂和彈簧可以根據(jù)實(shí)際情況給試件的前后施加足夠的約束壓力。

(4)將整個試驗(yàn)箱置于MTS液壓加載系統(tǒng)3上，通過MTS的加載頭4，即可對試件施加循環(huán)荷載，以模擬列車運(yùn)營荷載對隧道底部結(jié)構(gòu)的長期作用，列車的運(yùn)營軸重、速度等的影響可通過調(diào)整MTS加載系統(tǒng)的作用力大小和頻率來實(shí)現(xiàn)。

(5)試驗(yàn)前在試件的測試位置布置好相應(yīng)的應(yīng)變計9及陶瓷壓電片10，通過動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)以及陶瓷壓電測試系統(tǒng)，即可對循環(huán)荷載下試件的累積損傷特性進(jìn)行測試。