一种隧道模型实验装置及隧道模型实验系统

摘要

本发明提供了一种隧道模型实验装置及隧道模型实验系统，属于隧道工程领域。该隧道模型实验装置包括侧板组件、阻尼组件和端面板组件，侧板组件包括三个以上的侧板，多个侧板依次铰接并使侧板组件形成具有封闭侧面的柱体。多个侧板上相对设置的铰接点之间通过阻尼组件相连。端面板组件包括第一端面板和第二端面板，第一端面板与第二端面板相对设置，第一端面板与侧板组件一端相连，第二端面板与侧板组件另一端相连。多个侧板包括第一侧板和连接于第一侧板两端的第二侧板和第三侧板，第一侧板和第三侧板可拆卸地相连。本发明提供的隧道模型实验装置既能对模拟地下结构加载，满足静力效应等效的要求；又能提供剪切变形，满足动力效应等效的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，具体而言，涉及一种隧道模型实验装置及隧道模型实验系统。

背景技术

隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。随着工程设备和技术的发展，隧道已成为一种十分常见的建筑形式。隧道相关技术的发展离不开模拟实验。在模拟实验中，需要满足静力效应等效、动力效应等效、边界效应等效三个原则。

现有的隧道模型箱不能同时满足以上三个原则，导致实验结果与实际情况存在较大偏差。

发明内容

本发明提供了一种隧道模型实验装置，旨在解决现有技术中隧道模型实验装置存在的上述问题。

本发明是这样实现的：

一种隧道模型实验装置，包括侧板组件、阻尼组件和端面板组件。侧板组件与端面板组件围成空腔。侧板组件包括三个以上的侧板，多个侧板依次铰接并使侧板组件形成柱体结构。多个侧板上相对设置的铰接点之间通过阻尼组件相连。端面板组件包括第一端面板和第二端面板，第一端面板与第二端面板相对设置，第一端面板与侧板组件一端相连，第二端面板与侧板组件另一端相连。多个侧板包括第一侧板和连接于第一侧板两端的第二侧板和第三侧板，第一侧板和第三侧板可拆卸地相连。

在本发明的较佳的实施例中，侧板组件还包括第四侧板，第一侧板和第四侧板相对设置，第二侧板和第三侧板相对设置，侧板组件上的各侧板依次铰接。第一端面板包括第一叶片和第一连接件，第一连接件上包括叶片连接部和两个侧板连接部，叶片连接部与第一叶片固定相连，其中一个侧板连接部与第二侧板铰接，另一个侧板连接部与第三侧板铰接。

在本发明的较佳的实施例中，第一侧板上设有第一连接孔，第二侧板上设有第二连接孔，隧道模型实验装置还包括第一转轴，第一转轴穿过第一连接孔和第二连接孔。

在本发明的较佳的实施例中，侧板包括侧板基体和两个侧板边翼，两个侧板边翼分设于侧板基体两侧，侧板边翼与侧板基体呈夹角地固定相连。

在本发明的较佳的实施例中，侧板边翼覆盖于第一端面板和第二端面板。

在本发明的较佳的实施例中，第一端面板还包括第二叶片、第三叶片、第二连接件和第三连接件，第一叶片与第二叶片部分重叠，第二叶片与第三叶片部分重叠；

第二连接件与第二叶片固定相连，第二连接件与第二侧板和第三侧板铰接；

第三连接件与第三叶片固定相连，第三连接件与第二侧板和第三侧板铰接。

在本发明的较佳的实施例中，阻尼组件包括两个阻尼器，两个阻尼器的两端分别连接于各侧板间的铰接轴上，两个阻尼器交叉设置。

在本发明的较佳的实施例中，阻尼器两端为钩状结构，阻尼器与各侧板间的铰接轴可拆卸相连。

在本发明的较佳的实施例中，第一端面板和第二端面板由透明材料制成。

一种隧道模型实验系统，隧道模型实验系统包括振动台和上述的隧道模型实验装置，隧道模型实验装置设于振动台上。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的隧道模型实验装置，使用时，隧道模型实验装置为相对封闭的箱体结构，侧板组件上的各侧板用来模拟土体边界，起到约束作用，从而满足静力效应等效的要求；侧板组件的各侧板之间铰接，可在不对土体产生附加载荷的条件下，使模拟土体产生剪切变形，从而满足动力效应等效和边界效应等效的要求。本发明通过上述设计得到的隧道模型实验装置，可得到更接近实际的实验效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的隧道模型实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式提供的隧道模型实验装置在剪切状态下的结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的第一侧板的结构示意图；

图4是本发明实施方式提供的第一端面板的结构示意图；

图5是本发明实施方式提供的第一端面板在剪切状态下的结构示意图；

图6是本发明实施方式提供的第一连接件的结构示意图；

图7是本发明实施方式提供的隧道模型实验系统的结构示意图。

图标：100-隧道模型实验装置；110-侧板组件；130-端面板组件；150-阻尼组件；111-第一侧板；112-第二侧板；113-第三侧板；114-第四侧板；131-第一端面板；133-第一连接件；134-第二连接件；135-第三连接件；1112-侧板基体；1114-第一侧板边翼；1116-第二侧板边翼；1311-第一叶片；1312-第二叶片；1313-第三叶片；1314-连接座；1331-叶片连接部；1333-侧板连接部；1118-第一连接孔；1128-第二连接孔；1119-第一转轴；001-隧道模型实验系统；200-振动台。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

本实施例提供了一种隧道模型实验装置100，请参阅图1，这种隧道模型实验装置100包括侧板组件110、端面板组件130和阻尼组件150。侧板组件110和端面板组件130围成一空腔。

侧板组件110包括第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114，第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114依次铰接并围成横截面为矩形的柱体。

具体的，第一侧板111与第四侧板114相对设置，第二侧板112与第三侧板113相对设置。第一侧板111一端与第二侧板112相连，第一侧板111另一端与第三侧板113相连。

第一侧板111上设有第一连接孔1118，第二侧板112上设有第二连接孔1128，第一转轴1119依次穿过第一连接孔1118和第二连接孔1128，从而实现第一侧板111与第二侧板112的转动相连。

进一步的，第一侧板111与第三侧板113之间、第四侧板114与第三侧板113之间、第四侧板114与第二侧板112之间，均可采用与第一侧板111和第二侧板112相同的连接方式。

请参阅图3，进一步的，第一侧板111包括侧板基体1112、第一侧板边翼1114和第二侧板边翼1116。第一侧板边翼1114和第二侧板边翼1116分设于侧板基体1112两端，第一侧板边翼1114与第二侧板边翼1116与侧板基体1112相连。具体的，第一侧板边翼1114和第二侧板边翼1116垂直于侧板基体1112。

进一步的，第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114均采用与第一侧板111相同的结构。请参阅图1及图2，各侧板上的侧板边翼可互不干扰地相对错动。

端面板组件130包括第一端面板131和第二端面板(图中未示出)。第一端面板131与第二端面板相对设置。第一端面板131连接于侧板组件110一端，第二端面板连接于侧板组件110另一端。

请参阅图1及图2，进一步的，第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114上的侧板边翼覆盖于第一端面板131和第二端面板上。

请参阅图4及图5，进一步的，第一端面板131包括第一叶片1311、第二叶片1312和第三叶片1313。第一叶片1311通过第一连接件133与侧板组件110相连。该连接具体是这样实现的：

请参阅图6，第一连接件133上设有两个叶片连接部1331和两个侧板连接部1333，两个叶片连接部1331和两个侧板连接部1333均布于杆状结构的第一连接件133基体上，两个侧板连接部1333分布于两个叶片连接部1331的两端。叶片连接部1331与第一叶片1311固定相连，两个侧板连接部1333分别与第二侧板112和第三侧板113铰接。

第二叶片1312和第三叶片1313以同样的方式与侧板组件110相连。第二叶片1312位于第一叶片1311与第三叶片1313之间，且第一叶片1311与第二叶片1312部分重叠，第二叶片1312与第三叶片1313部分重叠。

第二端面板与第一端面板131结构相同。

进一步的，第一端面板131与第二端面板均采用透明材料制成，从而方便实验人员观察隧道模型实验装置100的内部情况。

阻尼组件150包括两个阻尼器。两个阻尼器相互交叉地连接于侧板组件110上各侧板的铰接轴上。即：其中一个阻尼器一端连接于第一侧板111与第二侧板112的铰接轴上，另一端连接于第三侧板113与第四侧板114的铰接轴上；另一个阻尼器一端连接于第一侧板111与第三侧板113的铰接轴上，另一端连接于第三侧板113与第二侧板112间的铰接轴上。

进一步的，阻尼器两端为钩状结构，钩状结构与侧板组件110上各侧板间的铰接轴配合，即实现阻尼器的连接。

具体的，阻尼器为弹性件。

本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100的使用方法和工作原理在于：

实验中，打开第一侧板111，在隧道模型实验装置100中填充用于模拟地层或围岩的材料，并将需要模拟实验的地下结构模型(如：模拟隧道)放入隧道模型实验装置100中，对隧道模型实验装置100加以静压力或动态激励，以进行模拟实验。

请参阅图7，隧道模型实验装置100既可以单独使用，又可以放置于振动台200上使用。该隧道模型实验装置100与振动台200一起使用时，隧道模型实验装置100与振动台200组成隧道模型实验系统001，由振动台200为隧道模型实验装置100提供动态的激励。

在地下结构的动力实验中，通常是将地层模型与待测试的地下结构模型置于隧道模型实验装置100之中，这是一种等效实验方法，需要符合地下结构的地震响应特性，才能行之有效。隧道模型实验装置100需要满足静力效应等效、动力效应等效和边界效应等效三个原则。

1.静力效应等效

静力效应等效要求隧道模型实验装置100能够模拟土层的静力状态，要求可以在模拟地下结构的顶部施加竖向载荷，且隧道模型实验装置100的侧壁能够抵抗压力而不变形。

本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100为相对封闭的箱体结构，其第一侧板111、第二侧板112、第三侧板113和第四侧板114为刚性板，用来模拟围岩边界，起到约束作用，从而满足静力效应等效的要求。

2.动力效应等效

动力效应等效是指，隧道模型实验装置100要保证模拟地层在模拟地震作用下的响应等效性，即，隧道模型实验装置100应该能提供模拟地层的剪切变形。

请参阅图2及图5，本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100的侧板组件110上的各侧板之间采用铰接的方式连接，同时，第一端面板131和第二端面板均采用多级叶片重叠的结构，在动力的作用下，各级叶片的重叠宽度增大，第一端面板131在第一叶片1311到第三叶片1313的延伸方向上的尺寸变小，使得隧道模型实验装置100产生剪切变形，从而满足动力效应等效的要求。

在剪切状态下，第一端面板131上的各叶片两端将会与侧板组件110之间产生缝隙，由于侧板组件110上各侧板均具有侧板边翼，侧板边翼的设置可遮住侧板组件110与叶片间的缝隙，防止剪切状态下模拟土体从缝隙中漏出。

3.边界效应等效

边界效应等效是指，隧道模型实验装置100要满足振动能量波在装置壁面的反射、装置壁面与模拟地层间的摩擦等符合实际情况。

本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100上的各侧板之间采用铰接方式相连，可以相对自由转动，并在动力作用下随模拟土体协同运动，不对模拟土体产生附加载荷，从而更真实的模拟地震下的土体、地下结构运动状态。

本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100的有益效果在于：

与现有的隧道模型实验装置相比，本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100可以满足动力效应等效、静力效应等效和边界效应等效三个原则，能同时保证静力加载和剪切变形的要求，从而更加贴近于真实情况，具有更佳的模拟效果；

本发明实施方式提供的隧道模型实验装置100上还包括两个阻尼组件150，两个阻尼组件150既可避免晃动失稳，又可通过调节阻尼组件150的参数来模拟不同的动力边界条件。

需要说明的是：在本发明的其他的实施方式中，侧板组件110上的侧板个数不限于四个，凡能实现隧道模型实验装置100的剪切变形的侧板个数，均应包含在本发明的保护范围内；在本发明的其他实施方式中，第一端面板131上的叶片个数不限于三个，而是可以为任何正整数；

在本发明实施例中，设置阻尼组件150的目的是，为隧道模型实验装置100提供阻尼，实验过程中，可以具体选用弹性阻尼、粘性阻尼、塑性阻尼、弹-黏-塑性组合性阻尼等阻尼形式的阻尼组件150，还可以将阻尼组件150设置为刚性索，当阻尼组件150设置为刚性索时，隧道模型实验装置100即为刚性箱；

第一端面板131和第二端面板设置为透明材料的目的是，便于实验人员对隧道模型实验装置100内部情况进行观察，当然，在本发明的其他的实施方式中，第一端面板131和第二端面板还可以设置为不透明材料。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。