一种模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种隧道抗震试验装置，尤其涉及一种模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置及试验方法。

背景技术

2008年中国汶川发生的5.12汶川大地震导致多座隧道出现不同程度的破坏，在调查的总计57座隧道中，有49座隧道的衬砌发生混凝土块龟裂、掉落，甚至钢筋弯曲等不同程度的破坏。

调查表明，当隧道穿越活动断裂带时，断层运动对隧道结构产生剪切作用，地震作用下导致隧道的支护结构受到更大的剪切作用，隧道衬砌发生结构上的破坏，严重时可能造成伤亡和损失，并且使交通阻断难以及时恢复，也无法及时对灾区进行抗震救灾。随着隧道建设的发展，修建隧道地区的范围越来越广，隧道不可能完全避开断层带，因此，对穿越断层带的隧道，其结构需要具有良好的抗震性能。

模拟隧道地震响应的试验装置可以简称地震模型试验装置，现有的地震模型试验装置不能同时考虑断层错动剪切作用和地震对隧道的影响，也无法模拟断层在隧道受到地震荷载作用时持续发生错动，这使得实验过程与实际情况不能高度吻合，试验结果的真实性和精度都不够高，不利于穿越断层隧道抗减震设计研究。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种既能模拟单一场地条件、又能综合模拟地震作用及断层影响的模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置及试验方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置，包括振动台、模型试验箱、导轨底架、导轨、刻度杆、弹簧矩阵、弹簧安装板、承重底板、调整连接杆、固定轴承、活动轴承、升降抽屉、千斤顶底座和液压千斤顶；顶部开口的所述模型试验箱安装于所述振动台上，所述模型试验箱的一端设有通过转轴实现旋转的箱门，所述导轨底架安装于所述模型试验箱内的底板上并靠近所述箱门，两个倾斜且倾斜角度可调的导轨分别安装于所述导轨底架的两端且所述导轨的低端靠近所述箱门，两根竖向的所述刻度杆分别安装于所述导轨底架的两端且远离所述箱门，由多条竖向的弹簧组成的所述弹簧矩阵的下端安装于所述弹簧安装板上，所述弹簧安装板置于所述模型试验箱内的底板上，所述承重底板置于所述弹簧矩阵的上面，所述承重底板两端的前后边缘处分别通过转轴安装有两根可以自由旋转的所述调整连接杆，同一端的两根所述调整连接杆的上端相互交叉连接，两个所述固定轴承分别安装于靠近所述箱门的两个所述转轴的外侧，两个所述活动轴承分别安装于所述承重底板两端的所述调整连接杆上，所述承重底板两端的所述活动轴承和所述固定轴承分别置于两个所述导轨上并能够在所述导轨上自由移动，两个所述活动轴承的内侧分别与两个所述液压千斤顶的活塞杆活动连接，两个所述液压千斤顶分别活动安装于所述千斤顶底座的两端，所述千斤顶底座安装于所述振动台上并位于所述模型试验箱外且靠近所述箱门，竖向且宽度略小于所述模型试验箱的内部宽度的所述升降抽屉的底部与所述承重底板的上面固定连接并位于所述模型试验箱内。

上述结构中，振动台用于在试验时提供振动动力以模拟地震作用；模型试验箱用作其它部件的安装基础并在内部放置隧道模型和土体；导轨底架、导轨和刻度杆共同构成导轨支架，用于支撑承重底板并便于承重底板带动升降抽屉定向移动，其中刻度杆用于调整导轨倾斜角度时起辅助作用；弹簧矩阵和弹簧安装板组成弹簧阻尼系统，具体作用有：1、弹簧阻尼系统可以通过调整弹簧数量来模拟多种弹性抗力系数的围岩；2、在液压千斤顶拆除后，弹簧阻尼系统为升降抽屉提供支撑，保证隧道模型受到剪切作用，当模拟地震作用时，弹簧阻尼系统可以使隧道模型受到持续剪切作用；3、弹簧阻尼系统能够发挥自身阻尼的特性，在没有弹簧阻尼系统的情况下，对升降抽屉施加一定位移模拟断层错动，需要在振动台开始工作前对整个装置进行稳固，如果此时直接开始振动，由于升降抽屉被固定，隧道模型位于断层错动部分的结构会承受巨大内力，可能导致试验失败，加入弹簧阻尼系统相当于给予升降抽屉一定的位移活动范围，从而一定程度上起到缓冲作用；承重底板、调整连接杆、固定轴承和活动轴承共同构成支撑连接架，用于实现在液压千斤顶推动下升降抽屉的定向移动；千斤顶底座和液压千斤顶构成液压动力系统，用于为承重底板带动升降抽屉定向移动提供液压动力；升降抽屉用于带动抽屉内土体定向移动，模拟断层的上盘错动。上述调整连接杆的倾斜角度和液压千斤顶的角度在试验过程中都需要进行调整以适应导轨的倾斜角度，导轨的倾斜角度表示断层倾角。

具体地，所述活动轴承的另一端设有用于与所述液压千斤顶连接的千斤顶连接孔，所述液压千斤顶的活塞杆通过铰链与所述千斤顶连接孔连接。

具体地，所述调整连接杆上设有多个连接通孔，同一端的两个所述调整连接杆之间通过螺栓穿过所述连接通孔实现相互交叉连接；所述活动轴承安装于某一根所述调整连接杆上或者安装于相互交叉连接的两根所述调整连接杆的交叉位置。活动轴承在调整连接杆上的位置可相应调整，保证在液压千斤顶推动下承重底板始终保持水平状态。

为了便于调节液压千斤顶的支撑角度，所述千斤顶底座安装有用于调整所述液压千斤顶位置的千斤顶调整架，所述液压千斤顶安装于所述千斤顶调整架上。

为了模拟多种弹性抗力系数的围岩，所述弹簧矩阵的弹簧数量N由以下公式确定：

$N=\frac{K}{k_0}$

式中，K为围岩弹性抗力系数，k₀为单个弹簧的刚度。

进一步，为了确保升降抽屉在定向移动中保持竖直状态，所述试验装置还包括用于使所述升降抽屉保持平稳定向移动的稳定杆，所述箱门的上方设有与所述模型试验箱固定连接的固定板，所述稳定杆通过自身外螺纹安装于所述固定板上且其内端置于所述模型试验箱内并顶住所述升降抽屉的外侧表面。

一种模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置采用的试验方法，所述试验方法用于模拟正断层，包括以下步骤：

(1)按照试验方案中的围岩参数和相似比例对试验土体进行合理配比，开启模型试验箱的箱门以便于操作；

(2)调整导轨的倾斜角度使其与断层断裂面的倾角一致，调整液压千斤顶的加载速率并使其向上推动升降抽屉，为上盘土体向下错动准备空间，达到设定位移后停止并固定升降抽屉，整个过程中升降抽屉始终保持原有竖直状态；

(3)在模型试验箱的底部铺设调配好的土体至隧道模型底面高度，在模型试验箱的长度方向放入隧道模型，隧道模型的一端靠近模型试验箱上与箱门相对的一端，隧道模型的另一端靠近升降抽屉的内侧表面，安装包括应变片在内的检测装置，覆盖上部土体；

(4)在承重底板的下方安装弹簧矩阵和弹簧安装板，弹簧安装板的底部可以适当垫高，以保证拆除液压千斤顶后升降抽屉不会发生过大位移；

(5)缓慢、均匀释放液压千斤顶的液压，升降抽屉通过导轨向下适当移动，移动过程中始终保持原有竖直状态，模拟正断层上盘向下错动，此时弹簧矩阵处于受力状态，隧道模型受到断层错动剪切作用；

(6)待升降抽屉在弹簧矩阵和弹簧安装板的支撑下稳定后，拆卸模型试验箱外部的千斤顶底座和液压千斤顶，关闭模型试验箱的箱门使整个试验箱封闭，振动台开始工作，模拟地震作用，弹簧矩阵在振动台工作时对支撑的升降抽屉的剧烈振动起到缓冲作用，隧道模型在错动面部分受到反复的剪切作用，并且弹簧矩阵模拟了围岩抗力，实现本试验装置的正断层模拟。

另一种模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置采用的试验方法，所述试验方法用于模拟逆断层，包括以下步骤：

(1)按照试验方案中的围岩参数和相似比例对试验土体进行合理配比并将试验土体置于模型试验箱内且位于升降抽屉远离箱门的一侧，开启模型试验箱的箱门以便于操作；

(2)在模型试验箱的底部铺设调配好的土体至隧道模型底面高度，在模型试验箱的长度方向放入隧道模型，隧道模型的一端靠近模型试验箱上与箱门相对的一端，隧道模型的另一端靠近升降抽屉的内侧表面，安装包括应变片在内的检测装置，覆盖上部土体；

(3)调整导轨的倾斜角度使其与断层断裂面的倾角一致，调整液压千斤顶的加载速率并使其向上推动升降抽屉，升降抽屉移动过程中始终保持原有竖直状态，模拟逆断层上盘向上运动，达到设定位移后停止并固定升降抽屉，此时隧道模型受到断层错动剪切作用；

(4)在承重底板的下方安装弹簧矩阵和弹簧安装板，过程中根据升降抽屉的错动范围对弹簧安装板进行垫高，防止升降抽屉下移过大；

(5)待升降抽屉在弹簧矩阵的支撑下稳定，拆卸模型试验箱外部的千斤顶底座和液压千斤顶，关闭模型试验箱的箱门使整个试验箱封闭，振动台开始工作，模拟地震作用，弹簧矩阵在振动台工作时对支撑的升降抽屉的剧烈振动起到缓冲作用，隧道模型在错动面部分受到反复的剪切作用，并且弹簧矩阵模拟了围岩抗力，实现本试验装置的逆断层模拟。

本发明的有益效果在于：

采用本发明所述试验装置可以实现模拟断层错动下隧道模型的地震响应，模拟断层错动所需外力由液压千斤顶提供，通过调整导轨、调整连接杆的倾斜角度和液压千斤顶支撑角度模拟任意倾角的断层；弹簧阻尼系统中的弹簧矩阵能够保证断层上盘(即升降抽屉内土体)在振动台工作时的持续错动，模拟断层持续剪切作用，并且弹簧矩阵能够模拟隧道围岩弹性抗力，使得隧道模型受力更加符合实际情况，试验结果的真实性和精度都得到显著提高，有利于穿越断层隧道抗减震设计研究。

附图说明

图1是本发明所述模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置的立体结构示意图，图中示出了模型试验箱内的结构；

图2是本发明所述模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置的主视结构示意图，图中示出了模型试验箱内的结构且去掉了模型试验箱的一个侧板；

图3是本发明所述模型试验箱的立体结构示意图；

图4是本发明所述升降抽屉的立体结构示意图；

图5是本发明所述承重底板、调整连接杆、固定轴承和活动轴承的立体结构示意图；

图6是本发明所述导轨底架、导轨和刻度杆的立体结构示意图；

图7是本发明所述弹簧矩阵和弹簧安装板的立体结构示意图；

图8是本发明所述千斤顶底座、千斤顶调整架和液压千斤顶的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图8所示，本发明所述模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置包括振动台18、模型试验箱1、稳定杆2、导轨底架12、导轨10、刻度杆11、弹簧矩阵13、弹簧安装板14、承重底板5、调整连接杆6、固定轴承8、活动轴承7、升降抽屉4、千斤顶底座17、千斤顶调整架16和液压千斤顶15；顶部开口的模型试验箱1安装于振动台18上，模型试验箱1的一端设有通过转轴3实现旋转的箱门19，箱门19的上方设有与模型试验箱1固定连接的固定板，稳定杆2通过自身外螺纹安装于所述固定板上且其内端置于模型试验箱1内并顶住升降抽屉4的外侧表面，稳定杆2用于使升降抽屉4保持平稳定向移动，导轨底架12安装于模型试验箱1内的底板上并靠近箱门19，两个倾斜且倾斜角度可调的导轨10分别安装于导轨底架12的两端且导轨10的低端靠近箱门19，两根竖向的刻度杆11分别安装于导轨底架12的两端且远离箱门19，由多条竖向的弹簧组成的弹簧矩阵13的下端安装于弹簧安装板14上，弹簧安装板14置于模型试验箱1内的底板上并位于导轨底架12的方框内，承重底板5置于弹簧矩阵13的上面，承重底板5两端的前后边缘处分别通过转轴(图中未标记)安装有两根可以自由旋转的调整连接杆6，同一端的两根调整连接杆6的上端相互交叉连接，两个固定轴承8分别安装于靠近箱门19的两个转轴的外侧，两个活动轴承7分别安装于承重底板5两端的、靠近箱门19的两个调整连接杆6上，承重底板5两端的活动轴承7和固定轴承8分别置于两个导轨10上并能够在导轨10上自由移动(本例中为滚动)，两个活动轴承7的内侧设有用于与液压千斤顶15连接的千斤顶连接孔9，千斤顶连接孔9分别与两个液压千斤顶15的活塞杆通过铰链活动连接，千斤顶底座17的两端分别安装有用于调整液压千斤顶15位置的千斤顶调整架16，两个液压千斤顶15分别活动安装于两个千斤顶调整架16上，千斤顶底座17安装于振动台18上并位于模型试验箱1外且靠近箱门19，竖向且宽度略小于模型试验箱1的内部宽度的升降抽屉4的底部与承重底板5的上面固定连接并位于模型试验箱1内。

更具体地，调整连接杆6上设有多个连接通孔，同一端的两个调整连接杆6之间通过螺栓穿过所述连接通孔实现相互交叉连接；另外，活动轴承7也可以安装于某远离箱门19的调整连接杆6上或者安装于相互交叉连接的两根调整连接杆6的交叉位置。

进一步，弹簧阻尼系统可以通过调整弹簧矩阵13的弹簧数量来模拟多种弹性抗力系数的围岩，弹簧矩阵13的弹簧数量N由以下公式确定：

$N=\frac{K}{k_0}$

式中，K为围岩弹性抗力系数，k₀为单个弹簧的刚度。这里认为弹簧矩阵13中所有的弹簧的刚度均相同。

结合图1-图8，下面以两个优选的应用实施例来说明本发明所述模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置的应用：

实施例1：

将本发明所述模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置用于模拟正断层，其试验方法包括以下步骤：

(1)按照试验方案中的围岩参数和相似比例对试验土体进行合理配比，开启模型试验箱1的箱门19以便于操作；

(2)调整导轨10的倾斜角度使其与断层断裂面的倾角一致，调整液压千斤顶15的加载速率并使其向上推动升降抽屉4，为上盘土体向下错动准备空间，达到设定位移后停止并固定升降抽屉4，整个过程中通过调整稳定杆2使升降抽屉4始终保持原有竖直状态；

(3)在模型试验箱1的底部铺设调配好的土体至隧道模型底面高度，在模型试验箱1的长度方向放入隧道模型，隧道模型的一端靠近模型试验箱1上与箱门19相对的一端，隧道模型的另一端靠近升降抽屉4的内侧表面，安装包括应变片在内的检测装置(为常规检测装置，这里不具体说明)，覆盖上部土体；

(4)在承重底板5的下方安装弹簧矩阵13和弹簧安装板14，弹簧安装板14的底部可以适当垫高，以保证拆除液压千斤顶15后升降抽屉4不会发生过大位移；

(5)缓慢、均匀释放液压千斤顶15的液压，升降抽屉4通过导轨10向下适当移动，移动过程中始终通过调整稳定杆2保持原有竖直状态，模拟正断层上盘向下错动，此时弹簧矩阵13处于受力状态，隧道模型受到断层错动剪切作用；

(6)待升降抽屉4在弹簧矩阵13和弹簧安装板14的支撑下稳定后，拆卸模型试验箱1外部的千斤顶底座17和液压千斤顶15，关闭模型试验箱1的箱门19使整个试验箱封闭，振动台18开始工作，模拟地震作用，弹簧矩阵13在振动台18工作时对支撑的升降抽屉4的剧烈振动起到缓冲作用，隧道模型在错动面部分受到反复的剪切作用，并且弹簧矩阵13模拟了围岩抗力，实现本试验装置的正断层模拟。

实施例2：

将本发明所述模拟断层错动下隧道地震响应的试验装置用于模拟逆断层，其试验方法包括以下步骤：

(1)按照试验方案中的围岩参数和相似比例对试验土体进行合理配比并将试验土体置于模型试验箱1内且位于升降抽屉4远离箱门19的一侧，开启模型试验箱1的箱门19以便于操作；

(2)在模型试验箱1的底部铺设调配好的土体至隧道模型底面高度，在模型试验箱1的长度方向放入隧道模型，隧道模型的一端靠近模型试验箱1上与箱门19相对的一端，隧道模型的另一端靠近升降抽屉4的内侧表面，安装包括应变片在内的检测装置(为常规检测装置，这里不具体说明)，覆盖上部土体；

(3)调整导轨10的倾斜角度使其与断层断裂面的倾角一致，调整液压千斤顶15的加载速率并使其向上推动升降抽屉4，升降抽屉4移动过程中始终通过调整稳定杆2保持原有竖直状态，模拟逆断层上盘向上运动，达到设定位移后停止并固定升降抽屉4，此时隧道模型受到断层错动剪切作用；

(4)在承重底板5的下方安装弹簧矩阵13和弹簧安装板14，过程中根据升降抽屉4的错动范围对弹簧安装板14进行垫高，防止升降抽屉4下移过大；

(5)待升降抽屉4在弹簧矩阵13的支撑下稳定，拆卸模型试验箱1外部的千斤顶底座17和液压千斤顶15，关闭模型试验箱1的箱门19使整个试验箱封闭，振动台18开始工作，模拟地震作用，弹簧矩阵13在振动台18工作时对支撑的升降抽屉4的剧烈振动起到缓冲作用，隧道模型在错动面部分受到反复的剪切作用，并且弹簧矩阵13模拟了围岩抗力，实现本试验装置的逆断层模拟。

与上述试验对应的实际地震情况是：在地震发生前，隧道已经受到断层错动剪切作用，当地震作用时，隧道会随着断层错动受到持续剪切作用。

本发明的弹簧阻尼系统作用体现在：弹簧阻尼系统可以通过调整弹簧数量来模拟多种弹性抗力系数的围岩；在液压千斤顶15拆除后，弹簧阻尼系统为升降抽屉4提供支撑，当模拟地震作用时，弹簧阻尼系统可以使隧道模型受到持续剪切作用；弹簧阻尼系统能够发挥自身阻尼的特性，为升降抽屉4提供一定的位移活动范围，从而一定程度上起到缓冲作用。

同时，本发明所述试验装置可模拟隧道穿越断层模型试验、隧道振动台模型试验，既能模拟单一场地条件，又能综合模拟断层及地震影响，能够解决现有隧道穿越断层模拟装置所存在的受力模式局限、功能单一的问题。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。