一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置，包括箱体、滑轨机构，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧、滑槽、支架；所述滑轨机构包括竖直滑轨机构，所述的竖直滑轨机构包括滑槽、支架。本发明从滑槽下落的小球将势能转化为动能，周期性的撞击试验箱，并通过小球开始下落时的高度、释放小球的不同时间间隔，来模拟地震区在竖直地震动作用下隧道围岩地震动力响应试验，再现地震区隧道围岩地震波动力作用响应过程和响应方式，为工程结构设计、地质灾害预测等提供准确可靠的建议，对工程建设进行抗震设防。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，尤其是一种极震区隧道的动力响应测试装置及测试方法。

背景技术

地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5.5～7 千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波，在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。震中附近振动最强烈，破坏比也最严重的地区称为极震区，地震发生时，最基本的现象是地面的连续振动，主要是明显的晃动，极震区的人在感到大的晃动之前，有时首先感到上下跳动，即纵波首先到达，然后是横波引起的左右晃动，然后才是面波引起的大的晃动。

隧道围岩即隧道开挖后其周围一定范围内，对其稳定性能产生影响的那部分岩(土)体。隧道周围的地层可以是软硬不一的岩石，也可以是松散的土，把土视为一种特殊的(风化破碎严重的)岩石，所以隧道周围的地层，不管是土体还是岩体，统称为围岩。这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。一般认为在地震荷载作用下，地下隧道围岩的振动加速度小于地面，而且围岩有足够的刚度保持隧道形状不变，因此，隧道有较好的抗震性能。然而，此观点与 20世纪末期的两次大地震结果相背驰，1995年阪神地震造成灾区内10％的山岭隧道受到严重破坏；1999年中国台湾集集地震后，中国台湾中部距发震断层25km范围内的44座受损隧道中，严重受损者达25％，中等受损者25％。

我国西南部地区是高烈度地震的多发区，也是在建或拟建的大型水电工程和岩土工程地下隧道群较多的重点区域。隧道的地震设计烈度要求高，隧道修建时的动力响应和围岩稳定是高地震烈度区域地下工程建设需要重点研究和解决的问题。地下隧道的稳定性分析主要包括整体稳定性分析(过度的塑性区变形)和局部块体的稳定性分析(边墙或顶拱的块体垮塌)。 2011年日本东海岸地震以及2008年中国汶川地震实例证明，地震荷载作用下地下隧道变形和破坏可以直接导致边墙和拱顶的塌落和隧道内部建筑破损断裂等，对地下工程安全造成严重影响。

地震动力作用十分复杂，目前研究中常采用数值方法进行模拟，同时多采用振动台试验以及动力离心模型试验等大型模型试验来模拟地震作用，然而鲜有涉及简易地震动力的模拟测试装置，能再现极震区大的晃动之前的上下跳动引起的隧道围岩的动力响应。因此，亟需研制出一种模拟极震区隧道遭受地震纵波的动力响应测试装置，实现试验设备制作便捷，测试方法简单、经济、可重复。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种试验设备制作便捷，测试方法简单、经济、可重复的模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置及测试方法，为地质灾害预测提供依据参考、为岩土工程中的结构设计及优化提供可靠的参数建议。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置，包括箱体、滑轨机构，所述箱体包括反力框架、试验箱、弹簧；所述反力框架的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述试验箱置于反力框架内，所述试验箱上部、左侧壁及右侧壁、底部通过弹簧与反力框架的上部、左侧及右侧、底部钢板对应连接；所述反力框架固定于水平面；

所述滑轨机构包括竖直滑轨机构，所述的竖直滑轨机构包括滑槽、支架，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和弧形撞击段，所述弧形撞击段的弧形拐点固连于反力框架底部；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架；

所述试验箱前壁上设有观察窗口，所述试验箱内设有隧道模型及模拟隧道围岩的土样，所述隧道模型一端开口朝向观察窗口放置于土样中，所述隧道模型的轴线与试验箱轴线重合。

优选的，所述竖直滑轨机构滑槽的竖直加速段高度可调节，所述滑槽上设有可升降平台，所述可升降平台设有可让小球滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽的竖直加速段连接。

优选的，所述竖直滑轨机构滑槽的弧形撞击段以弧形拐点与反力框架底部连接处的法线为对称轴呈镜像对称。

优选的，所述竖直滑轨机构滑槽的弧形撞击段与弧形拐点和反力框架底部连接处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。

优选的，所述试验箱上部与反力框架的上部钢板之间、试验箱左侧壁与反力框架左侧钢板之间、试验箱右侧壁与反力框架右侧钢板之间、试验箱底部与反力框架的底部钢板之间每个面的弹簧个数N由以下公式得到：

其中K为隧道围岩的弹性抗力系数，k₀为单个弹簧的弹性系数，隧道围岩的弹性抗力系数K由以下公式得到:

其中E为隧道围岩弹性模量，若弹性抗力系数的单位MPa/cm，对应隧道半径的单位为 cm，弹性模量E的单位为MPa。

优选的，所述试验箱底部与反力框架的底部钢板之间的弹簧所能承受的最大压力大于试验箱的重力。

一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试方法，包括以下步骤，

(a)提供上述任一项所述的一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置，按照试验方案中的隧道围岩参数对试验土样进行合理配比，将试验土样及隧道模型安置于试验箱内，使隧道模型的轴线与试验箱轴线重合；

(b)将小球在竖直滑轨机构上释放，小球在滑槽内依次经过竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和弧形撞击段，然后撞击反力框架底部，观察隧道围岩的力学响应；

(c)通过周期性的在竖直滑轨机构上释放小球撞击试验箱，模拟在地震波作用下隧道围岩的动力响应。

优选的，所述步骤(b)或(c)中小球撞击试验箱的平均撞击力由以下公式得到：

其中M为小球的质量，单位为kg；为小球撞击试验箱后的速度，为小球撞击试验箱前的速度，单位为m/s；Δt为小球撞击试验箱的时间，单位为s；即为模拟地震纵波作用在隧道围岩的作用力；

其中由以下公式得到：

h₁为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s²。

优选的，当考虑单一地震纵波作用时，在竖直滑轨机构滑槽竖直加速段的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球。

优选的，当考虑不同强度地震纵波作用时，在竖直滑轨机构滑槽竖直加速段的不同位置、经过不同的时间间隔释放小球。

本发明的有益效果是：本发明的一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置，从滑槽下落的小球将势能转化为动能，周期性的撞击试验箱，并通过小球开始下落时的高度、释放小球的不同时间间隔，来模拟地震区在竖直地震动作用下不同地震强度、不同持续时间和不同周期条件下隧道围岩地震动力响应试验，真实地再现地震区隧道围岩地震波动力作用响应过程和响应方式，为工程结构设计、地质灾害预测等提供准确可靠的建议，对工程建设进行抗震设防；

滑槽的四段设计既可以将小球势能转化为动能，又可以调整小球方向撞击试验箱来模拟地震波，且小球回收方便，可连续不断回收，从而实现小球的连续不断撞击，真实地模拟地震波的作用；

本发明结构简单容易制作、易操作，测试方法简单、经济、可重复。

附图说明

图1是本发明一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置的示意图；

图2是本发明一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置的正视图；

图中标记为：1-箱体、11-试验箱、12-隧道模型、13-隧道围岩、14-钢球、15-弹簧、16- 反力框架、5-弧形拐点、3-竖直滑轨机构、31-滑槽、32-竖直加速段、33-弧形加速段、34- 水平直线段、35-弧形撞击段、36-支架、37-可升降平台、9-小球、θ-小球撞击试验箱的入射方向与弧形拐点和反力框架底部连接处法线的夹角、L-弧形拐点和反力框架底部连接处法线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，本发明的一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置，包括箱体1、滑轨机构，所述箱体包括反力框架16、试验箱11、弹簧15；所述反力框架16的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述试验箱11置于反力框架16内，所述试验箱 11上部、左侧壁及右侧壁、底部通过弹簧15与反力框架16的上部、左侧及右侧、底部钢板对应连接；所述反力框架16固定于水平面；

所述滑轨机构包括竖直滑轨机构，所述的竖直滑轨机构3包括滑槽31、支架36，所述滑槽31分为竖直加速段32、弧形加速段33、水平直线段34和弧形撞击段35，所述弧形撞击段35的弧形拐点5固连于反力框架16底部；所述滑槽31底部设有至少一个用以固定滑槽 31的支架36；所述支架36每隔一段距离设置，以固定滑槽31，防止滑槽31倾斜或倾倒。

所述试验箱11前壁上设有观察窗口，所述试验箱11内设有隧道模型12及模拟隧道围岩 13的土样，所述隧道模型12一端开口朝向观察窗口放置于土样中，所述隧道模型12的轴线与试验箱11轴线重合。所述的观察窗口可选用有机玻璃观察窗，以便观察试验箱内隧道模型及隧道围岩的变形情况。

所述竖直滑轨机构3滑槽31的竖直加速段32高度可调节，所述滑槽31上设有可升降平台37，所述可升降平台37设有可让小球9滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽31的竖直加速段32连接。所述的小槽一端高、一端低，较低一端与竖直加速段32连接，用于引导小球滚向所述竖直加速段32，以供小球沿滑槽31下落。

所述竖直滑轨机构3滑槽31的弧形撞击段35以弧形拐点5和反力框架16底部连接处法线为对称轴呈镜像对称。所述滑槽31的弧形撞击段35与弧形拐点5和反力框架16底部连接处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。夹角θ越小，竖直撞击力越大，但是θ小于30°会引起小球弹出时有可能在撞击点附近反复撞击，致使地震波的强度不准确，从而观察到的隧道围岩动力响应也就与实际情况存在偏差；θ小于30°不利于小球的回收，从而影响小球的连续、周期性撞击；而θ大于60°时在水平方向对试验箱的撞击力太小，对于较大的地震波强度必须提高小球释放点的高度，从而提高了试验难度。通过物理实验结果得到，当管道为100cm直径，小球为60cm直径时，撞击角度为45°时，水平撞击力大，小球回收方便，可连续撞击来模拟不同周期、不同强度的地震波。

其中试验箱11的上部与反力框架16的上部钢板之间、试验箱11右侧壁与反力框架16 的右侧钢板之间、试验箱11左侧壁与反力框架16的左侧钢板之间、试验箱底部与反力框架的底部钢板之间每个面的弹簧个数由以下公式得到：

其中K为隧道围岩的弹性抗力系数，k₀为单个弹簧的弹性系数，隧道围岩13的弹性抗力系数K由以下公式得到:

其中E为隧道围岩弹性模量，若弹性抗力系数的单位MPa/cm，对应隧道半径的单位为 cm，弹性模量E的单位为MPa。因此本发明可以通过设置弹簧数量模拟不同隧道围岩参数的隧道围岩。

所述试验箱11底部与反力框架16的底部钢板之间的弹簧所能承受的最大压力大于试验箱的自身的重力，以保证弹簧在弹性形变范围内，既支撑试验箱11，又模拟隧道围岩13。

一种模拟隧道遭受地震的动力响应测试方法，包括以下步骤，

(a)提供上述任一项所述的一种模拟隧道遭受地震的动力响应测试装置，按照试验方案中的隧道围岩参数对试验土样进行合理配比，将试验土样及隧道模型12安置于试验箱11内，使隧道模型12的轴线与试验箱11轴线重合；

(b)将小球9在竖直滑轨机构3上释放，小球在滑槽31内依次经过竖直加速段32、弧形加速段33、水平直线段34和弧形撞击段35，然后撞击反力框架16底部，观察隧道围岩 13的力学响应；

(c)通过周期性的在竖直滑轨机构3上释放小球9撞击试验箱11，模拟在地震纵波作用下隧道围岩13的动力响应。

所述步骤(b)或(c)中小球9撞击试验箱11的平均撞击力由以下公式得到：

其中M为小球的质量，单位为kg；为小球撞击试验箱后的速度，为小球撞击试验箱 11前的速度，单位为m/s；Δt为小球撞击试验箱的时间，单位为s；即为模拟地震纵波作用在隧道围岩13的作用力；

其中由以下公式得到：

h₁为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s²。

当考虑单一地震纵波作用时，在竖直滑轨机构3滑槽31竖直加速段32的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球9，在单一地震强度作用下，隧道支护结构及隧道围岩13将发生应力调整，甚至产生破坏，从试验箱11观察窗口可以直接观察到隧道支护结构及隧道围岩 13的变形情况。

当考虑不同强度地震纵波作用时，在竖直滑轨机构3滑槽竖直加速段的不同位置、经过不同的时间间隔同时释放小球9，在竖直滑轨机构3滑槽内的小球将会以不同的动能以及冲击力撞击到试验箱11的底部，通过调整释放小球的数量、释放小球的高度、释放小球的时间间隔来实现模拟、观察一次地震频谱作用下极震区隧道围岩的力学响应。

实施例：

如图1、图2所示，安装本发明的一种模拟极震区隧道遭受底入式冲击荷载的动力响应测试装置，如图1所示，将模拟隧洞围岩13的土样装于试验箱11中，隧道模型12安置在土样中，隧道模型轴线保证与试验箱11轴线重合；试验箱11前壁上安装有机玻璃观察窗，以便观察试验箱11内隧道模型12的变形情况，隧洞围岩13的围岩参数如表2所示。

装置安装好后，调节竖直滑轨机构3的可升降平台37至h₁的位置，将直径为6cm、质量为887.81g的小球在可升降平台37上释放。使小球沿着滑槽31撞击试验箱底部，撞击后沿着弧形撞击段35弹出,滑槽31的弧形撞击段35与竖直方向的夹角为45°。

根据动能方程计算得到小球滑至撞击试验箱前的速度v₁：

以垂直钢板向外一侧为正方向；

由动量方程计算撞击过程中的平均撞击力

其中M为小球的质量，单位为kg；为小球撞击试验箱后的速度，为小球撞击试验箱前的速度，单位为m/s；Δt为小球撞击试验箱的时间，单位为s；即为模拟地震纵波作用在隧道围岩的作用力；h₁为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s²。

其中，小球撞击试验箱1的速度后的速度撞击时间Δt均由测速雷达测得，Δt的单位为s；即为模拟地震纵波作用在隧道围岩3土样的作用力；

即PΔt＝M(v₂+v₁)cos45°，以垂直钢板向外一侧为正方向；释放第一个小球后，立即调整可升降平台高度至h₁，间隔时间Δt_s释放第二个小球，重复上述操作；

释放多个小球后，模拟出地震波对土层的作用以及土层隧道的响应。

透过有机玻璃观察窗观察隧道的变形情况，探究隧洞的变形破坏机理，结果如表1所示。

表1

表2 隧道围岩参数