[發明專利]水?海床?海底隧道動力反應試驗方法及振動臺裝置

在審

• 申請號: 201711103688.6
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107702875A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 谷音;朱清;張挺
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01M7/04;G01M7/06
• 代理公司: 福州市博深專利事務所(普通合伙)35214
• 代理人: 林志崢

技術領域

本發明涉及海底環境力學試驗技術領域，具體涉及水-海床-海底隧道動力反應試驗方法及振動臺裝置。

背景技術

近年來，隨著我國經濟快速發展，國家財力不斷增強，人民生活水平也有了飛速提高。不同地域之間特別是沿海發達地區之間的聯系變的更加緊密，對跨海交通的需求與日俱增。海底隧道等跨海工程多位于海洋大陸架邊緣，所處的海洋工程地質環境十分復雜，海底土層為多孔多相介質，巖體為裂隙飽水介質；與陸域隧道相比，海底隧道的襯砌結構除了承受有效覆蓋層荷載之外，還需承受由海水導致的靜荷載，其受力十分復雜。1995年日本阪神地震和2008年汶川地震都發生了隧道破壞的現象。因此，我國近年來大量已建、在建及規劃的海底隧道都將受到地震，特別是強震荷載作用的威脅。我國沿海地區的渤海灣、臺灣海峽、瓊州海峽等地區處于世界上三大地震帶之中地震最強烈的環太平洋地震帶上，海底隧道抗震問題尤其突出，是建造這些工程所必須解決的技術難題。

然而，地震荷載作用下海底隧道安全穩定性方面的研究，國內還基本處于空白，對海底隧道在強地震荷載作用下的破壞機理進行研究，顯得意義重大且迫切^[1]。高峰^[2]等針對地震中不同埋深隧道的破壞程度進行了模型試驗以研究不同埋深下隧道襯砌的地震應力特性。為了更多地考慮隧道埋深因素，模型箱設置較高，模型寬×長×高為2.4m×1.1m×3.5m采用，鋼性固定邊界，主體框架為7號等邊角鋼焊接而成，四面用5mm厚型鋼鋼板作圍護。同時，為了限制模型箱的變形，在四周安置了4對斜支角鋼支撐，模型箱背側預留觀測孔。為了保證振動臺模型試驗結果的準確性，在模型箱內側沿垂直隧道方向的兩側壁鋪設了光滑的聚乙烯塑料薄膜，在與隧道平行的兩個側面鋪設一層聚苯乙烯泡沫板，在模型箱底部粘貼了一層卵石^[2]。張學明^[3]等設計了沉管隧道振動臺模型試驗土箱。模型箱尺寸為7.3m(縱向)×2.8m(橫向)×1.2m(高)，擬使用四個振動臺，每個振動臺間距為1m(振動臺尺寸為1m×1m)，由此將模型箱分成四個部分，其中，兩個邊箱的凈尺寸為1.5m(縱向)×2.8m(橫向)，兩個中間箱的凈尺寸為2m(縱向)×2.8m(橫向)，相鄰兩個剛箱之間的間距為0.1m，鋼框架用70mm×70mm×5mm的角鋼焊接而成，剛底板厚1cm，鋼板下焊接工字鋼和加勁肋，防止土體過重導致底板變形。框架里布置15mm厚橡膠板，橡膠板內部是200mm泡沫板，其中，橡膠板和剛框架用小螺栓連接，橡膠板和泡沫直接用泡沫膠密封，兩剛箱底板間用鋼板連接[3]。

中國專利文件CN102353505B公開了吳國雄等發明的振動試驗設備壓力補償方法及裝置，該方案解決了傳統電動振動設備只能在空氣而不能在水(或其他流體)中以正常效率工作的問題。該發明專利指出，為保證設備在水中的正常電磁轉換的功能，需進行密封，但同時會造成內外壓力差，此壓力差將對臺面產生一個作用力，而作用力過大會導致設備無法正常工作。為解決該問題，該方案中設置了一個根據內外部壓力差自動調整壓力的密封氣室。因此該發明解決了水下電動振動設備由于密封性帶來的壓力差問題，保證了水下振動設備的正常運行。中國專利申請文件CN102620899A公開了陶連金等發明的一種巖石隧道振動臺試驗模擬圍巖地應力的自加載裝置，該方案解決了振動臺模型試驗中無法模擬隧道真實地應力狀態和不同的初始應力狀態的問題，克服了目前無法施加、試驗嚴重失真的不足，解決了地震條件下圍巖地應力的模擬問題。但這些方案只適用于地表以上的環境力學模擬，對于海底工程并未給出任何啟示。

綜上所述，盡管在地表隧道振動臺試驗方面已經有了許多研究，然而海底隧道地質條件惡劣、受力狀況復雜，因此，海底工程的隧道振動研究并不能直接借用地表隧道振動臺裝置及方法。且大量土體本身已使得地下結構抗震試驗帶來了許多條件的限制，更難以考慮深水的水體質量，目前還沒有適用于海底隧道的振動臺裝置或方法。振動臺試驗的不同水深的處理增加了試驗的困難，難以精確的考慮水深帶來的不同壓力且試驗模擬水深過大會增加土箱的重量，亟需設計出一種能夠精確考慮隧道海水濃度帶來不同壓力的振動臺裝置以便于為建造海底隧道抗震工程提供可靠的數據。

參考文獻：

[1]苗朝陽，楊森，耿振剛。海底隧道抗震研究現狀[J]。自動化與儀器儀表，2016，(5)：28。

[2]高峰，孫常新，譚緒凱等。不同埋深隧道的地震響應振動臺試驗研究[J]。巖土力學，2015，36(9)：2517-2518。