本實(shí)用新型涉及隧道結(jié)構(gòu)室內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及隧道工程技術(shù)的進(jìn)步，各種隧道工程結(jié)構(gòu)日益增多。由于隧道所處巖土賦存條件復(fù)雜、周邊環(huán)境敏感、使用條件苛刻，結(jié)構(gòu)自身在多因素長(zhǎng)期作用下性能不斷劣化，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(yíng)安全。隧道底部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)作為研究隧道底部結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、性能演化規(guī)律以及破壞模式的一種主要手段，其重要性不言而喻。

近年來，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了一系列的試驗(yàn)裝置。如中國(guó)實(shí)用新型公開號(hào)CN101131343A公開的隧道襯砌構(gòu)件高溫力學(xué)性能試驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于模擬隧道火災(zāi)特點(diǎn)、熱邊界特點(diǎn)及隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)，研究隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系的高溫力學(xué)性能。中國(guó)實(shí)用新型公開號(hào)CN101042390A公開的模型二維三維可調(diào)的巖土工程物理模擬多功能試驗(yàn)裝置，提供了一種即可從二維方向也可從三維方向?qū)y(cè)試土壤施加壓力以測(cè)試土壤力學(xué)性能的試驗(yàn)裝置?？倕⒐こ瘫芯咳_發(fā)的巖土工程多功能模擬試驗(yàn)裝置，利用該裝置可對(duì)硐室、洞群、邊坡和基坑進(jìn)行平面地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)。然而這些試驗(yàn)裝置都是從隧道整體結(jié)構(gòu)角度對(duì)隧道的受力狀態(tài)進(jìn)行研究，無法得到隧道底部結(jié)構(gòu)局部的受力特性及性能演化規(guī)律，目前國(guó)內(nèi)外還沒有針對(duì)隧道底部結(jié)構(gòu)的專門試驗(yàn)裝置。

針對(duì)構(gòu)件試驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)外一種主要的試驗(yàn)方法是采用三軸試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)具有一個(gè)軸向應(yīng)力σ₁施加系統(tǒng)，兩個(gè)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(gè)單一方向上只能實(shí)現(xiàn)均勻加載，對(duì)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(shí)，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)。

總體來說，目前國(guó)內(nèi)外既有的隧道整體試驗(yàn)裝置以及構(gòu)件試驗(yàn)裝置均不能很好的模擬隧道底部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，因此，研制一種新型的能較為精確的模擬隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的室內(nèi)試驗(yàn)裝置已為急需。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前既有的隧道整體試驗(yàn)裝置以及構(gòu)件試驗(yàn)裝置均不能很好的模擬隧道底部結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種可精確模擬隧道底部結(jié)構(gòu)受力邊界的隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，包括模型箱體、軸力組件、側(cè)向約束組件和地層抗力組件，試驗(yàn)試件設(shè)置于模型箱體內(nèi)，所述的軸力組件左右對(duì)稱地布置在試驗(yàn)試件的軸向兩側(cè)并對(duì)試驗(yàn)試件施加軸向力，側(cè)向約束組件前后對(duì)稱地布置在試驗(yàn)試件的側(cè)向兩側(cè)并對(duì)試驗(yàn)試件施加側(cè)向力，地層抗力組件包括設(shè)置于試驗(yàn)試件底部的填充材料以及布置于填充材料上部?jī)蓚?cè)的千斤頂組件。

所述的一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，所述的軸力組件包括兩個(gè)相同的軸力子組件，所述的兩個(gè)軸力子組件分別設(shè)置于試驗(yàn)試件軸向的兩端，軸力子組件包括一個(gè)軸力頂進(jìn)螺栓、一個(gè)軸力彈簧和兩塊軸力鋼板，兩塊軸力鋼板分別固定在彈簧兩側(cè)，軸力頂進(jìn)螺栓旋于模型箱預(yù)留的軸力螺栓孔上并頂住其中一塊軸力鋼板，另一塊軸力鋼板頂住試驗(yàn)試件的端部。

所述的一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，所述的側(cè)向約束組件包括四個(gè)相同的側(cè)向約束子組件，所述的四個(gè)側(cè)向約束子組件以試驗(yàn)試件的軸線為對(duì)稱軸，兩兩對(duì)稱的設(shè)置于試驗(yàn)試件側(cè)向的兩側(cè)，每個(gè)子組件包括一個(gè)側(cè)向頂進(jìn)螺栓和一個(gè)側(cè)向鋼板，側(cè)向頂進(jìn)螺栓通過模型箱預(yù)留的螺栓孔頂住側(cè)向鋼板作用在試驗(yàn)試件上。

所述的一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，所述的千斤頂組件包括兩個(gè)千斤頂子組件和一個(gè)蓋板，每個(gè)千斤頂子組件包括兩根反力桿、一根反力梁、一個(gè)千斤頂和一個(gè)支架，所述的兩根反力桿對(duì)稱固定于模型箱體的兩側(cè)，反力梁的兩端分別固定于兩根反力桿上，千斤頂?shù)纳隙隧斪》戳α褐胁?，下端置于支架上，支架置于蓋板上，蓋板覆蓋于填充材料上并將力傳遞給充材料。

所述的一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，所述的模型箱體的外壁和頂部分別設(shè)有加勁條，所述的外壁的加勁條垂直于外壁表面向外延展設(shè)置，所述的頂部加勁條平行于模型箱體底面向外延展設(shè)置。

所述的一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，所述的螺栓孔為長(zhǎng)條狀螺栓孔。

所述的一種隧道底部結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)精確模擬室內(nèi)試驗(yàn)裝置，所述的填充材料為模擬圍巖材料或局部填充軟化物質(zhì)的模擬圍巖材料。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于：

(1)通過在模型箱設(shè)置“條形”孔位，可以方便地調(diào)整試件與所述的軸力組件作用點(diǎn)的相對(duì)位置，控制試件軸向受壓的偏心大小，體現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)偏心受壓的受力特點(diǎn)，解決了既有的隧道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置難以施加軸向偏心荷載的難題。

(2)既有的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)裝置只能在不同方向上施加不均勻圍壓，而在某個(gè)單一方向上只能施加均勻圍壓；本實(shí)用新型建立的試驗(yàn)裝置在試件底部方向上也能夠施加不均勻圍壓，從而能夠更為準(zhǔn)確的模擬隧道底部在不同接觸狀態(tài)下的力學(xué)特性，特別是解決了現(xiàn)有試驗(yàn)裝置不能對(duì)隧道基底富水、不均勻性軟化和脫空條件進(jìn)行試驗(yàn)的問題。

綜上所述，本實(shí)用新型提供了一種能夠施加各種隧道底部結(jié)構(gòu)力學(xué)邊界條件的試驗(yàn)裝置，并且能夠根據(jù)實(shí)際情況和需要對(duì)各組件進(jìn)行方便地設(shè)置和調(diào)整，使得花費(fèi)較小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)即可研究絕大多數(shù)隧道底部結(jié)構(gòu)的力學(xué)規(guī)律。

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1為為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置立體圖；

圖2為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置正視圖；

圖3為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置側(cè)視圖；

圖4為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置俯視圖；

圖5為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置內(nèi)部設(shè)置圖1；

圖6為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置內(nèi)部設(shè)置圖2；

圖7為本實(shí)用新型試驗(yàn)裝置分解圖；

其中：1為反力梁；2為千斤頂；3為反力桿；4為支架；5為軸力頂進(jìn)螺栓；6為軸力彈簧；7為軸力鋼板；8為側(cè)向頂進(jìn)螺栓、9為模型箱體、10為長(zhǎng)條狀螺栓孔、11為鋼蓋板、12為填充圍巖材料、13為試件、14為傳感器、15為外荷載。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型由模型箱體、軸力組件、側(cè)向約束組件、地層抗力組件組成。軸力組件左右對(duì)稱地布置在試驗(yàn)試件的軸向兩側(cè)；側(cè)向約束組件前后對(duì)稱地布置在試驗(yàn)試件的側(cè)向兩側(cè)；通過軸力及側(cè)向約束組件作用點(diǎn)位置的調(diào)整，可模擬試件軸心受壓、偏心受壓、側(cè)向約束等不同受力狀態(tài)。地層抗力組件由試件底部的填充材料以及布置于填充材料上部?jī)蓚?cè)的千斤頂組件組成；通過千斤頂不同壓力的施加可模擬不同埋深圍巖壓力；通過在試件底部填充不同的材料，可以模擬隧道底部圍巖富水、軟化或局部脫空等實(shí)際情況。通過加載外部靜力或者動(dòng)力加載系統(tǒng)，向下施以壓力，可以方便施加外荷載，對(duì)隧道底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力特性試驗(yàn)。

模型箱體內(nèi)壁光滑；外壁做加勁處理，保證箱體強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)位置預(yù)留軸力螺栓和側(cè)向約束螺栓“條形”孔位，以便于約束螺栓位置的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)施加偏心受壓荷載的施加；底板和頂部加勁條均勻分布于四周外延，預(yù)留通絲螺桿孔位。

軸力組件包括兩個(gè)子組件，每個(gè)子組件由一個(gè)頂進(jìn)螺栓、一個(gè)軸力彈簧和兩塊小鋼板組成。兩塊小鋼板分別固定在彈簧兩側(cè)，頂進(jìn)螺栓通過模型箱預(yù)留的螺栓孔頂住其中一側(cè)，另一側(cè)頂住試件進(jìn)行施壓。在試驗(yàn)中，通過調(diào)整已標(biāo)定彈簧的壓縮量控制軸力的大小以及調(diào)整試件與軸力組件作用點(diǎn)的相對(duì)位置控制試件軸向受壓的偏心大小。兩個(gè)子組件對(duì)稱地布置在試件的軸向兩側(cè)。

側(cè)向約束組件包括四個(gè)子組件，每個(gè)子組件由一個(gè)頂進(jìn)螺栓和一個(gè)小鋼板組成，頂進(jìn)螺栓通過模型箱預(yù)留的螺栓孔頂住小鋼板作用在試件上進(jìn)行側(cè)向約束。各組件對(duì)稱地布置在試件的側(cè)向兩側(cè)。

地層抗力組件包括千斤頂組件及圍巖材料模擬組件，千斤頂組件包括兩個(gè)子組件，每個(gè)子組件由兩根反力桿、一根反力梁、一個(gè)數(shù)顯千斤頂組成、一個(gè)支架組成。數(shù)顯千斤頂上面頂住反力梁中部，下面置于支架上，支架置于蓋板上，將力傳遞給圍巖材料，進(jìn)而作用在試件底部填充材料上，通過數(shù)顯千斤頂顯示的數(shù)值進(jìn)行簡(jiǎn)單的面積換算可以控制圍巖壓力的大小。

圍巖材料根據(jù)實(shí)際工程的圍巖性質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室制備或者直接填充工程圍巖材料，在圍巖材料中埋置土壓力盒還可以更精確地控制圍巖壓力的數(shù)值大小。通過在試件底部局部填充軟化物質(zhì)(如泡沫等)，模擬隧道底部圍巖局部脫空、軟化或不均勻性等實(shí)際受力情況；通過加水可模擬隧道底部的富水狀態(tài)；在圍巖材料中埋置電阻應(yīng)變式孔隙水壓計(jì)還可以得到外加動(dòng)荷載作用下的超孔隙水壓。

地層抗力組件和軸力組件需要在試驗(yàn)前通過規(guī)范或者數(shù)值計(jì)算方法確定，其中數(shù)顯千斤頂和軸力彈簧需要根據(jù)實(shí)際情況選擇并標(biāo)定。試驗(yàn)裝置具體的實(shí)施流程為：

(1)試件13在試驗(yàn)前根據(jù)實(shí)際情況制作好并安裝力學(xué)傳感器(應(yīng)變計(jì)、加速度計(jì)、壓電傳感器等)，放置于合適位置留待使用。

(2)圍巖材料12根據(jù)工程實(shí)際在實(shí)驗(yàn)室中制備或者直接填充工程土體，在填充的圍巖層中，可以埋設(shè)土壓力盒以更精確地控制圍巖壓力；局部換填泡沫等材料以模擬隧道基底脫空、軟化與不均勻性；埋設(shè)電阻應(yīng)變式的孔隙水壓計(jì)以研究靜、動(dòng)力外荷載作用下的超孔隙水壓力。確定好圍巖材料12，埋設(shè)好傳感器后，將之置于模型箱體9，蓋上鋼蓋板11(見圖7)。

(3)參見附圖1、5、6和7，在鋼蓋板11的孔位上安裝試件13，并置于加載設(shè)備上，隨后先安裝軸力組件，然后放置千斤頂支架4，將數(shù)顯千斤頂2放置于支架上，最后安裝側(cè)向約束組件。各組件安裝就位后開始施加力學(xué)邊界(圍巖壓力在數(shù)顯千斤頂2上通過手動(dòng)加力桿緩慢施加至設(shè)計(jì)數(shù)值；軸力通過壓縮標(biāo)定好的軸力彈簧6至設(shè)計(jì)壓縮量，軸力偏心通過“條形孔10”調(diào)整試件與軸力組件作用點(diǎn)的相對(duì)位置進(jìn)行設(shè)定)，模擬出和隧道結(jié)構(gòu)盡可能相似的力學(xué)環(huán)境，實(shí)施過程見圖7。

(4)根據(jù)課題研究?jī)?nèi)容的不同可以將裝置置于靜力加載系統(tǒng)(如萬能試驗(yàn)機(jī)等)研究隧道結(jié)構(gòu)的靜力力學(xué)性能演化規(guī)律；將裝置置于動(dòng)力加載系統(tǒng)(如MTS液壓伺服加載系統(tǒng)等)研究隧道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力力學(xué)性能演化規(guī)律；并可以通過力學(xué)邊界的設(shè)置與調(diào)整，研究相應(yīng)影響因素的影響規(guī)律以及敏感性。

本實(shí)用新型并不受上述實(shí)施方式的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)和原理下所做的修改、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，包含在本實(shí)用新型的法律保護(hù)范疇內(nèi)。