本發(fā)明屬于地下空間設(shè)計與建造技術(shù)領(lǐng)域，特別應(yīng)用于不同近接類型的多層次地下空間結(jié)構(gòu)在運營期間受到不同形式的振動荷載作用下，自身結(jié)構(gòu)以及周圍巖土體動力響應(yīng)及發(fā)展規(guī)律、振動波沿空間橫向、縱向以及豎向傳播規(guī)律的試驗?zāi)M研究。

背景技術(shù)：

隨著城市化進程的飛速發(fā)展，城市綜合交通樞紐換乘向立體換乘方向發(fā)展，城市樞紐因條件限制，很多地段無法明挖或全明挖，以及為避免深大基坑，修建了地下立體結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)交叉重疊層次多，開挖斷面大、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、近接類型多樣、相互影響敏感、隧道設(shè)計、施工難度極大。地下結(jié)構(gòu)承受自身動荷載和鄰近結(jié)構(gòu)動荷載的多重動力作用，結(jié)構(gòu)的受力性能和長期安全穩(wěn)定性受到極大的影響，對動荷載作用下的多層次地下空間結(jié)構(gòu)之間的相互影響作用的認知不足，會使地下空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴重的安全穩(wěn)定性隱患和威脅。

目前，人們對這種鄰近的地下空間結(jié)構(gòu)相互作用的動力響應(yīng)及其發(fā)展規(guī)律缺乏深入了解。通過建立多層次地下空間結(jié)構(gòu)及圍巖的動力響應(yīng)試驗裝置，進行運營期間在不同形式動荷載作用下的多層次地下空間結(jié)構(gòu)動力特性模擬試驗，以分析得出不同近接類型的多層次地下空間結(jié)構(gòu)在列車不同振動荷載作用下，自身結(jié)構(gòu)以及周圍巖土體動力響應(yīng)及發(fā)展規(guī)律、振動波沿空間橫向、縱向以及豎向傳播規(guī)律，為多層次地下空間結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和運營期間的長期穩(wěn)定性的研究提供試驗依據(jù)，對地下空間的發(fā)展具有十分重要的意義。

現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)中動力響應(yīng)測試模擬系統(tǒng)主要是單個地下空間結(jié)構(gòu)或者兩個地下空間結(jié)構(gòu)間的動力響應(yīng)測試系統(tǒng)，通過受信號發(fā)生器控制的激振器將動荷載施加在地下空間結(jié)構(gòu)物上，模擬不同車速下，列車產(chǎn)生的振動荷載對結(jié)構(gòu)的影響。其僅僅考慮下單個或者雙個地下空間結(jié)構(gòu)之間的動力響應(yīng)現(xiàn)象。現(xiàn)有方法和系統(tǒng)通常用于單條或雙條的城市地鐵隧道、公路隧道和鐵路隧道的動力響應(yīng)測試中，無法考慮并模擬其它不同近接類型的條件下地下空間結(jié)構(gòu)之間及圍巖土體的動力響應(yīng)現(xiàn)象，特別是無法模擬出多層次地下空間結(jié)構(gòu)在自身內(nèi)部承受不同形式、大小、不同頻率、不同持續(xù)時間的動荷載作用同時又承受外部不同方位空間結(jié)構(gòu)傳來的不同形式、大小、頻率、持續(xù)時間動荷載作用情況下的結(jié)構(gòu)及圍巖的動力響應(yīng)現(xiàn)象。

目前，國內(nèi)尚缺乏關(guān)于多層次地下空間結(jié)構(gòu)相互之間動力作用的模擬裝置，其設(shè)計與模擬的地下空間結(jié)構(gòu)情形簡單，使得多層次地下空間結(jié)構(gòu)之間的動力響應(yīng)現(xiàn)象的模擬受到極大的限制；于此同時，模擬的地下空間動荷載形式單一，其模擬過程中無法考慮對不同方位的外部動荷載對結(jié)構(gòu)的動力作用，且忽略了不同動荷載同時作用產(chǎn)生的綜合影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，公開了一種多層次地下空間結(jié)構(gòu)及圍巖的動力響應(yīng)測試裝置，該裝置能夠更好地模擬不同近接類型的多層次地下空間結(jié)構(gòu)周邊的動載干擾環(huán)境，包括單側(cè)動荷載干擾環(huán)境、多側(cè)動荷載組合干擾環(huán)境；實現(xiàn)了多層次地下空間結(jié)構(gòu)內(nèi)外部不同形式、大小、頻率、持續(xù)時間的動荷載組合作用的模擬，分析在不同的動荷載干擾環(huán)境下多層次地下空間結(jié)構(gòu)及圍巖的動力響應(yīng)及發(fā)展規(guī)律、振動波沿空間橫向、縱向以及豎向傳播規(guī)律。為多層次地下空間的設(shè)計、施工和運營期的長期穩(wěn)定性提供更加可靠的試驗依據(jù)，更好地保證多層次地下空間結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

多層次地下空間結(jié)構(gòu)及圍巖的動力響應(yīng)模擬裝置，包括長方體結(jié)構(gòu)的試驗箱箱體；

所述試驗箱包括長方體結(jié)構(gòu)的金屬骨架，試驗箱前、后端面分別固定有機玻璃面板構(gòu)成透明可視結(jié)構(gòu)，上、下、左、右端面分別由多種寬度的可拆卸金屬板固定構(gòu)成；

所述試驗箱前、后端面中心固定有貫穿試驗箱的中空的隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體，試驗箱內(nèi)其它空間填充圍巖模擬材料；

所述試驗箱上、下、左、右端面上分別設(shè)置位置可變的試驗荷載加載系統(tǒng)，隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)設(shè)置試驗荷載加載系統(tǒng)，各試驗荷載加載系統(tǒng)與控制系統(tǒng)控制連接；

所述試驗箱內(nèi)設(shè)置有監(jiān)測裝置，包括土壓力計、動態(tài)應(yīng)變采集儀、探傷儀、應(yīng)力波無損檢測儀，各監(jiān)測裝置與控制系統(tǒng)信號連接；

所述試驗箱通過實驗臺固定于地基上。

上述構(gòu)成上、下、左、右端面金屬板的內(nèi)表面涂覆有具有彈性的減震敷層。

上述監(jiān)測裝置分別安裝于圍巖模擬材料與隧道襯砌模擬材料之間。

進一步上述相鄰兩金屬板的側(cè)面接觸面均以相對于金屬板表面呈45度傾斜的斜面緊密銜接。

上述隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體橫截面采用方形、圓形、連拱形或馬蹄形結(jié)構(gòu)。

上述圍巖模擬材料是包括石膏、水、砂、重晶石粉的攪拌混合物；填裝時每12cm一層，分別多次填裝，每次填裝完畢后層間刮毛，人工振搗使圍巖模擬材料達到設(shè)計的容重要求。

本發(fā)明所述隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體選擇石膏、水、砂、硅藻土，按照設(shè)計配合比拌合后澆入模具制成。

本發(fā)明所述隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體及其體內(nèi)設(shè)置的試驗荷載加載系統(tǒng)均通過固定于前、后端面之間的鋼梁固定。

本發(fā)明所述試驗箱上、下、左、右端面設(shè)置試驗荷載加載裝置由可調(diào)節(jié)的激振器組成，激振器包括馬達電機和偏心輪。

本發(fā)明所述隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)設(shè)置試驗荷載加載系統(tǒng)是可伸縮形式的激振器。

本發(fā)明采用的監(jiān)測裝置中，土壓力計監(jiān)測裝置的測試元器件設(shè)置在圍巖模擬材料和隧道襯砌結(jié)構(gòu)模擬材料之間，采集記錄試驗過程中結(jié)構(gòu)和圍巖之間的應(yīng)力變化情況；用動態(tài)應(yīng)變儀采集儀采集記錄試驗過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化規(guī)律；探傷儀監(jiān)測試驗過程中結(jié)構(gòu)的損傷情況；用應(yīng)力波無損檢測儀記錄試驗過程中振動波沿空間橫向、縱向以及豎向傳播規(guī)律。

本發(fā)明可以模擬不同近接類型條件下、不同內(nèi)外部動荷載組合作用條件下多層次地下空間結(jié)構(gòu)和圍巖的動力響應(yīng)現(xiàn)象。包括采用方形、馬蹄形、連拱形的隧洞結(jié)構(gòu)。

通過選擇打開或關(guān)閉主體試驗箱側(cè)面的試驗荷載加載裝置，可以模擬出側(cè)向無鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、單側(cè)有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、雙側(cè)有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、三側(cè)有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、四個側(cè)面有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)的情況，通過調(diào)整試驗箱上下左右側(cè)面試驗荷載加載裝置的位置模擬出不同的地下空間結(jié)構(gòu)近接類型，其中試驗荷載加載裝置位置的改變通過調(diào)整金屬板條的位置實現(xiàn)。

四個側(cè)面的試驗荷載加載裝置選用可調(diào)節(jié)的小型激振器進行模擬，小型激振器可以由馬達電機和偏心輪組成。通過信號發(fā)生器控制四個側(cè)面加載裝置輸出的不同形式、大小、頻率、持續(xù)時間的動荷載，來模擬相對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)而言不同形式的的動荷載干擾環(huán)境。單側(cè)的試驗荷載加載裝置可以根據(jù)需要設(shè)置多臺。

隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)的試驗加載裝置選用可伸縮形式的激振器進行模擬，所述可伸縮形式的激振器是由電機和伸縮機械裝置構(gòu)成，通過激振器將動荷載穩(wěn)定、準確地傳遞到隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，通過信號發(fā)生器控制內(nèi)部加載裝置輸出的不同形式、大小、頻率、持續(xù)時間的動荷載作用在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上，并根據(jù)具體要求模擬出不同車速、不同等級列車荷載對隧道襯砌結(jié)構(gòu)及其圍巖的動力響應(yīng)現(xiàn)象。內(nèi)部加載裝置可以根據(jù)需要設(shè)置多臺。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

試驗箱前后兩個端面采用可視透明結(jié)構(gòu)，能夠清楚地看到結(jié)構(gòu)和圍巖在多種動荷載的組合作用下的動力響應(yīng)現(xiàn)象，使得圍巖土體的擾動、襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫等一系列的損傷破壞過程更加直觀；

通過調(diào)整試驗箱中圍巖和襯砌的相似配合比、改變襯砌結(jié)構(gòu)的形狀、賦予圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的缺陷性質(zhì)(比如在襯砌模擬結(jié)構(gòu)中留空洞模擬襯砌結(jié)構(gòu)存在空洞缺陷時的動力響應(yīng)現(xiàn)象)等可以模擬不同強度等級、不同型式、不同缺陷條件下的襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的動力響應(yīng)現(xiàn)象；

通過選擇打開或關(guān)閉主體試驗箱側(cè)面的試驗荷載加載裝置，模擬出隧道的側(cè)向無鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、單側(cè)(上側(cè)、下側(cè)、左側(cè)、右側(cè))有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、雙側(cè)(上下側(cè)、上左或右側(cè)、下左或右側(cè)、左右側(cè))有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、三側(cè)(上下左或右側(cè)、左右下側(cè)、左右上側(cè))有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)、四個側(cè)面(上下左右側(cè))有鄰近地下空間結(jié)構(gòu)的情況，與此同時，每一側(cè)均能夠通過改變不同寬度金屬板的排列順序，調(diào)整每一側(cè)試驗加載裝置的位置，模擬出鄰近地下空間的在單側(cè)的不同相對位置，進而模擬不同近接類型的多層次地下空間襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的動力響應(yīng)現(xiàn)象，分析當有動荷載作用下地下空間結(jié)構(gòu)周邊存在鄰近地下空間結(jié)構(gòu)時最不利的鄰近地下空間結(jié)構(gòu)相對位置分布形式；

通過改變試驗箱側(cè)面和隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)的激振器的安置臺數(shù)，控制激振器輸出的最大強度，且通過信號發(fā)生器控制四個側(cè)面加載裝置和隧道內(nèi)部的試驗荷載加載裝置輸出不同形式、大小、頻率、持續(xù)時間的動荷載，來模擬不同外部動荷載和內(nèi)部動荷載組合作用情況下的襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖的動力響應(yīng)現(xiàn)象，分析運營隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和耐久性，包括結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生、圍巖缺陷的發(fā)展，振動波沿空間橫向、縱向以及豎向傳播規(guī)律，分析當有動荷載作用下地下空間結(jié)構(gòu)周邊存在鄰近地下空間結(jié)構(gòu)時最不利的動荷載組合作用形式，從而更好地保證多層次地下空間結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明模擬裝置的正視示意圖；

圖2是本發(fā)明模擬裝置的俯視示意圖；

圖3是本發(fā)明模擬裝置的橫斷面示意圖；

圖4是圖1中a部結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖5是本發(fā)明模擬裝置試驗荷載加載裝置一種位置設(shè)置俯視示例圖；

圖6是本發(fā)明模擬裝置試驗荷載加載裝置一種位置設(shè)置正視示例圖；

圖7是本發(fā)明模擬裝置試驗荷載加載裝置一種位置設(shè)置正視示例圖。

圖中，1是試驗箱，2、3、4、5是上、下、左、右四個側(cè)面的試驗荷載加載裝置(其中，2是試驗箱上表面安置的試驗荷載加載裝置，3是試驗箱下表面安置的試驗荷載加載裝置，4是試驗箱左側(cè)面安置的試驗荷載加載裝置，5是試驗箱右側(cè)面安置的試驗荷載加載裝置)，6是隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)的試驗荷載加載裝置，7是圍巖模擬材料，8是試驗臺，9是隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體，10是金屬板，101是金屬板接觸面，11是鋼梁一，12是鋼梁二。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進一步說明，具體實施方式是本發(fā)明原理的進一步說明，不以任何方式限制本發(fā)明，與本發(fā)明相同或類似技術(shù)均沒有超出本發(fā)明保護的范圍。

結(jié)合圖1至圖7。

如圖1所示，多層次地下空間中結(jié)構(gòu)及圍巖的動力響應(yīng)測試裝置，包括主體試驗箱1、上、下、左、右四個側(cè)面的試驗荷載加載裝置2、3、4、5、隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)的試驗荷載裝置6、圍巖模擬材料7、試驗臺8、隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體9，側(cè)面拼裝金屬板10、固定隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)試驗荷載加載裝置的兩條鋼梁一11，固定鋼梁一11的鋼梁二12，金屬板10通常采用鋼板條等材料制成。

主體試驗箱1的立體框架可以由金屬鋼條焊接而成的，前后兩個斷面為有機玻璃材料制成的透明可視結(jié)構(gòu)，在試驗箱1中安置了貫通前后兩個端面的隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體9，在試驗箱1前后兩個端面的框架上用螺栓固定橫向鋼梁二12，鋼梁一11穿過橫向鋼梁二12并通過螺栓加以固定，隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體內(nèi)試驗荷載加載裝置6固定在兩根鋼梁一11上。四個側(cè)面是由不同寬度的金屬板10拼裝并通過螺栓孔加以固定而成，上、下、左、右四個側(cè)面的試驗荷載加載裝置2、3、4、5安置在側(cè)面與其等寬度的金屬板10上。試驗箱1內(nèi)部承裝圍巖模擬材料7，固定于試驗臺8上，試驗臺8固定于地面。

圍巖模擬材料7可選擇不同的材料和配合比模擬不同的圍巖級別，材料包括：石膏、水、砂、重晶石粉；填裝時每12cm一層，分作至少3次進行填裝，每次填裝完畢后層間刮毛，避免分層，然后人工振搗25次使圍巖模擬材料達到需求的容重要求。

隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體9的材料可以選用不同配合比的材料模擬不同標號的混凝土，材料包括石膏、水、砂、硅藻土，按照一定配合比拌合后澆入模具制成所需的形狀。

如圖2所示，試驗箱1的上表面是由不同寬度的金屬板10拼裝并通過螺栓孔加以固定而成，金屬板10的內(nèi)側(cè)涂覆有具有彈性的減震敷層，減震敷層為膠質(zhì)敷層，使圍巖材料對試驗箱1邊界面的振動反射減小,改善了試驗箱1的邊界效應(yīng)現(xiàn)象。結(jié)合圖5可知，上表面的試驗荷載加載裝置2安置在與其等寬度的金屬板10上，不同寬度的金屬板10又通過不同的排列組合順序控制試驗荷載裝置2在上表面一側(cè)的固定位置，最窄的金屬板10控制了試驗荷載裝置2移動的最小距離。下、左、右側(cè)面的構(gòu)造形式和上表面一致。結(jié)合圖5、圖6、圖7可知，主體試驗箱1的上、下、左、右四個側(cè)面的試驗加載裝置2、3、4、5可以通過不同寬度金屬板10的不同排列組合順序固定在所在側(cè)面的任意位置，從而模擬出不同近接類型的多層次地下空間結(jié)構(gòu)周邊的動荷載干擾環(huán)境。結(jié)合圖4可知，金屬板10之間銜接端部即金屬板接觸面101呈現(xiàn)45°角度，使得金屬板10銜接得更加緊密。試驗荷載加載裝置選用可調(diào)節(jié)的小型激振器進行模擬，可由直流電機和小型偏心塊進行制作。

如圖3所示，試驗箱1中安置了貫通前后兩個端面的隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體9，在試驗箱1前后兩個端面的框架上用可拆卸式螺栓固定橫向鋼梁二12，鋼梁一11穿過橫向鋼梁二12并通過螺栓加以固定，隧道內(nèi)部的試驗荷載加載裝置6固定在兩根鋼梁一11上。

本發(fā)明采用的監(jiān)測裝置包括土壓力計、動態(tài)應(yīng)變采集儀、探傷儀、應(yīng)力波無損檢測儀。土壓力計監(jiān)測裝置的測試元器件設(shè)置在圍巖模擬材料和隧道襯砌結(jié)構(gòu)模擬材料之間，采集記錄試驗過程中結(jié)構(gòu)和圍巖之間的應(yīng)力變化情況；用動態(tài)應(yīng)變儀采集儀采集記錄試驗過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)變的變化規(guī)律；探傷儀監(jiān)測試驗過程中結(jié)構(gòu)的損傷情況；用應(yīng)力波無損檢測儀記錄試驗過程中振動波沿空間橫向、縱向以及豎向傳播規(guī)律。

按照試驗需求將主體試驗箱1、圍巖模擬材料7、隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體9和各試驗荷載加載裝置安置完畢后，通過信號控制器開啟各個試驗荷載加載裝置，輸出與試驗要求(包括形式、大小、頻率、持續(xù)時間)一致的動荷載。觀察在不同隧道外部動荷載和隧道內(nèi)部動荷載循環(huán)反復(fù)組合作用情況下，圍巖模擬材料7產(chǎn)生的擾動現(xiàn)象和隧道襯砌模擬結(jié)構(gòu)體9發(fā)生變形、應(yīng)力重分布、產(chǎn)生裂縫、結(jié)構(gòu)破壞等一系列動力響應(yīng)現(xiàn)象，并用監(jiān)測裝置采集所需的數(shù)據(jù)。