[發明專利]一種隧道地下結構振動臺地質力學模型試驗的邊界加載裝置

在審

• 申請號: 202010797952.6
• 申請日: 2020-08-10
• 公開（公告）號: CN112067477A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 趙旭;崔建陽;代志杰;黎若寒;張宇
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G01N3/36
• 分類號: G01N3/36;G01N3/06;G01N1/36
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種隧道地下結構振動臺地質力學模型試驗的邊界加載裝置，屬于地下結構模型試驗技術領域。本發明包括模型箱與地層系統、變形測量系統、土壓力監測系統、氣囊加載系統，其中氣囊加載系統分為豎向氣囊加載系統和側向氣囊加載系統，屬于本發明的核心。該裝置可以模擬深埋條件下隧道周邊的豎向壓力及側向壓力的地應力荷載，并且可以根據實際的地質情況精確和均勻地施加豎向壓力以及側向壓力的地應力荷載，為試驗提供可靠地加載方式。

技術領域

本發明屬于地下結構模型試驗技術領域，可以為隧道等地下結構振動臺地質力學模型試驗中周邊地層地應力的加載提供技術支持。

背景技術

眾所周知，以交通為主的基礎設施建設是決定地區經濟發展水平的重要因素之一。隨著我國經濟水平的不斷提升，人民對于交通運輸發展的需求如噴井式增長，但我國是一個多山的國家，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67％，復雜多樣的地形給交通運輸的發展造成了巨大的阻礙。為了提高高速公路、鐵路等基礎設施的通行速度和行車舒適性，那么隧道的建設勢在必行。在隧道的設計、施工和運行過程中，仍存在很多科學問題需要進一步的探討和解決，地質力學模型試驗是解決復雜科學問題，包括抗震問題的重要手段。在地質力學模型試驗中，將隧道及周邊巖土體進行相應的縮尺，放置在模型箱中，并在模型箱邊界施加地應力以取代隧道在原巖半無限空間中的力學條件，是進行試驗設計的重要前提和步驟。隨著試驗技術和材料科學的進展，地應力的施加技術已經越來越逼近地質力學的真實情況。此類問題的研究和進展，能夠更加有助于科學的研究隧道力學原理，從而為實際地隧道工程和其他地下工程提供更加科學合理的指導，為我國基礎設施的發展做出更多貢獻。

現有的隧道地質力學模型實驗的加載系統主要分為為剛性液壓加載系統和柔性氣囊加載系統。液壓加載系統主要通過千斤頂和加載板對模型邊界進行加載以達到施加地應力的目的，如李利平等采用自主研發的大型組合式三維均勻梯度加載試驗系統，研究了地應力隨埋深不斷變化的反應規律；陳旭光等采用高地應力真三維加載模型試驗系統模擬深部巷道地應力狀態，王戌平等通過50t千斤頂對模型巖體進行加壓，模擬巖體內部的初始應力情況。在包括隧道工程等地下結構的振動臺模型試驗中，需要將模型試驗箱放置在振動臺臺上。如果采用上述剛性加載方式，則需要設置千斤頂和加載梁進行頂進工作，試驗裝置自重較大，在振動臺中，也很難消除裝置對模型箱及箱中巖土體自振頻率的影響。此時，柔性加載則具體特殊的優勢：采用氣囊加載這種無需加載梁及固定梁的框架；氣囊自重輕，對模型箱自身自振頻率影響小；氣囊本身為柔性，產生的應力邊界更為符合實際的地質力學原理。趙旭等發明研制的一種模擬隧道開挖過程的模型試驗裝置中的氣囊僅滿足了豎向壓力加載的模擬，未能考慮到隧道側向壓力的加載。本發明研制的一種隧道地質力學振動臺模型試驗的邊界加載裝置，能夠較為精確和均勻地施加豎向壓力以及側向壓力的地應力荷載，為試驗提供可靠地加載方式。

發明內容

本發明方法利用一種隧道地下結構振動臺地質力學模型試驗的邊界加載裝置來模擬振動臺試驗中隧道及其巖土體周邊的地應力，以此模擬地下結構在實際工程中的地質原型的力學狀態，此發明主要解決了以下技術問題：

(1)豎向和側向加載的精確控制。本裝置不僅可以實現上覆土壓力等豎向地應力的加載，而且考慮到地下結構中，尤其是深埋結構中常見的水平構造應力，設置了側面加載的氣囊裝置，以實現隧道模擬過程中周邊地應力的加載條件；且豎向及側向加載的氣囊非常輕便，加載過程中對模型整體的影響較小。

(2)不同埋深條件下側向地應力的實現。模型試驗箱設計為平面應變試驗裝置，正立面寬2000mm，高1500mm，厚度為500mm(如圖5)。模型箱頂部布置加載氣囊1個；兩側各布置加載氣囊6個，以積木式沿側向疊落放置，在精密減壓閥的控制下能提供0.01-0.4MPa的氣囊壓力，實現了邊界土體在豎向從上方到下方不同高度側向地應力的加載。