[發明專利]一種模擬棚架結構動態土拱效應的試驗裝置

有效

• 申請號: 201911252029.8
• 申請日: 2019-12-09
• 公開（公告）號: CN110940571B
• 公開（公告）日: 2023-02-17
• 發明（設計）人: 董捷;楊博;李成獻;張壯;董少華
• 申請（專利權）人: 河北建筑工程學院
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/06;G01N3/02
• 代理公司: 天津漿果知識產權代理事務所(普通合伙) 12240
• 代理人: 王龑

本發明公開了一種模擬棚架結構動態土拱效應的試驗裝置，包括混凝土底座，所述混凝土底座上設置有模型箱框架，所述模型箱框架內置有圍巖、沙子、路基，所述圍巖、沙子之間設置有模擬超前棚架結構的棚架結構，所述路基上方設置有由作動器進行加載的傳力桿，所述模型箱框架內還設置有采集用傳感器。本發明首次在管棚土拱效應試驗中引入加載設備，同時采用各種監測設備對試驗過程中的變形及應力應變進行監測，更加真實的反映了實際工程中的動態土拱效應。基于本發明可進一步得到管棚參數與交通荷載幅值頻率之間的相互關系，為管棚參數的設計優化提供建議，從而保證隧道開挖過程中的施工安全。

技術領域

本發明屬于隧道工程領域，具體涉及一種模擬棚架結構動態土拱效應的試驗裝置。

背景技術

土拱效應是土木工程領域普遍存在的一種現象，廣泛存在于巖土-結構相互作用中。土體在荷載或自重的作用下發生壓縮和變形，從而產生不均勻沉降，致使土顆粒間產生互相“楔緊”的作用，進而在一定范圍土層中產生“拱效應”。

當前采用超前棚架技術是一種常見的下穿既有交通線路的暗挖施工方法，而棚架結構由于鋼管自身較大的抗彎剛度及較高的嵌固效應，其上部巖土體在自重及附加應力下降時產生一定程度的不均勻沉降變形，使得鋼管上部呈現一定的“土拱效應”。棚架結構依靠自身剛度及超前嵌入段圍巖或覆蓋層巖土所提供的支撐抗力共同支承上部巖土體自重及附加應力，而由混凝土或水泥漿填充的鋼管構件是結構的基本承載單元，其布置間距及鋼管直徑不僅影響工程投資，還直接影響施工期間上部巖土體覆蓋層的變形控制效果，直接關系到上部鐵路的運營安全。

針對棚架結構動態土拱效應的研究目前仍處于起步階段，大多數研究僅局限于整體抗震及爆破振動領域，并未對其在列車激勵荷載作用下的動態土拱效應給出更多的結論。然而在列車激勵荷載作用下棚架結構鋼管及鋼管間巖土體會產生不均勻變形，使得管棚間產生一定的動態土拱效應，嵌入到前方掌子面內的部分鋼管在列車循環荷載作用時與圍巖反復作用，其嵌固支承的巖土抗力也將受到一定程度的累計損傷，繼而影響棚架結構的整體承載特性。因此亟待探求超前棚架結構與巖土體之間的相互作用機理，對列車激勵荷載作用下棚架結構的動態土拱效應開展深入研究。

若運用現場實測或足尺試驗對其展開分析測試，有工期較長、造價較高、安全性較差、無法展開多工況分析等一系列問題，最終結論可控性較差。相對而言，室內模型試驗可以控制主要試驗參數而不受環境條件的限制與影響，減小試驗規模，便于改變試驗參數進行對比試驗，從而對不同設計工況進行模擬，具有經濟性好、針對性強、數據準確的特點。基于此針對性提出一種模擬棚架結構動態土拱效應的室內模型試驗裝置。

發明內容

本發明為解決現有技術存在的問題而提出，其目的是提供一種模擬棚架結構動態土拱效應的試驗裝置。

本發明的技術方案是：一種模擬棚架結構動態土拱效應的試驗裝置，包括混凝土底座，所述混凝土底座上設置有模型箱框架，所述模型箱框架內置有圍巖、沙子、路基，所述圍巖、沙子之間設置有模擬超前棚架結構的棚架結構，所述路基上方設置有由作動器進行加載的傳力桿，所述模型箱框架內還設置有采集用傳感器。

更進一步的，所述作動器設置在橫梁上，所述橫梁固定在兩根型鋼框架立柱之間。

更進一步的，所述型鋼框架立柱上部形成多排對橫梁高度進行調節安裝的裝配孔，高強螺栓穿過裝配孔擰入到橫梁進行固定。

更進一步的，所述作動器的安裝座與橫梁滑動連接，從而避免填充干擾。

更進一步的，所述棚架結構包括固定在混凝土底座上的鋼支撐，所述鋼支撐上設置有管棚，所述管棚背部固定在定位擋板上，所述管棚包括固定在卡槽中的鋼管。

更進一步的，所述定位擋板與模型箱框架之間設置有支撐用的鋼管框架。

更進一步的，所述采集用傳感器包括置于沙子中的土壓力盒、加速度傳感器，所述土壓力盒采集所在位置的動土壓力，所述加速度傳感器采集測量所在位置的加速度。