一種襯砌構件擬靜力試驗裝置及方法與流程

本發明屬于土木工程技術領域，涉及一種用于研究襯砌結構抗震性能的擬靜力試驗裝置及方法。

背景技術：

隨著全球地震災害頻發以及歷次大地震中均有隧道遭受嚴重破壞的現實，隧道震害及抗震性能的研究已成為當前隧道與地下工程界研究的熱點方向之一。目前地震研究的主要手段有理論計算、原位觀測和室內試驗，其中，室內試驗因條件可控，是確定隧道抗震性能和地震破壞機制的重要途徑。

目前室內試驗主要有人工震源試驗和振動臺模擬試驗，人工震源試驗由于費用高、激振力小，不能模擬地震下隧道結構的真實動力響應，這方面的應用很少；振動臺模擬試驗具有自主控制地震動的輸入，數據采集方便等優勢，是隧道地震試驗研究的首要選擇。但振動臺試驗同樣耗費大，涉及模型箱設計、相似關系確定、結構材料選擇、尺寸效應等方面，對測試儀器要求高、操作難度大而且繁瑣，特別是存在相似條件難以滿足、邊界效應和尺寸效應影響大等問題，試驗結果是否真實、合理存在疑問。

考慮到襯砌構件是一種受地層約束的特殊偏心受壓構件，采用大比例尺的襯砌構件擬靜力試驗可較精確的研究襯砌結構在地震反復荷載作用下的力學性能，以部分代替振動臺試驗，節約資金，簡化操作，拓展模型試驗方法。但目前尚無針對襯砌構件的擬靜力試驗裝置和試驗方法，這是當前隧道地震研究亟需解決的問題。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種能考慮圍巖狀況、襯砌初始缺陷損傷以及襯砌構件所受靜動荷載耦合作用的試驗裝置及試驗方法，該試驗費用低廉、受力明確、可靠性高，試驗裝置結構簡單、操作方便。

本發明采用的具體技術方案如下：

一種襯砌構件擬靜力試驗裝置，包括反力裝置、加載裝置、襯砌構件、圍巖模擬系統；

所述反力裝置包括反力墻1和反力鋼架2，反力鋼架2由橫梁和豎向支柱構成，所述橫梁固定在反力墻1和豎向支柱之間；

所述靜力加載裝置包括滑動支座3和豎向千斤頂4，所述滑動支座3位于反力鋼架2橫梁下方并通過滑軌19固定于橫梁上，所述豎向千斤頂4上端與滑動支座3相連，下面緊貼于襯砌構件8上；

所述動力加載裝置包括作動器5、水平連接桿6和螺栓7；所述作動器5的水平連接桿6通過螺栓7與襯砌構件8端頭連接，所述作動器5另一端錨固在反力墻1上；

所述圍巖模擬系統包括橫向千斤頂ⅱ16、鋼柱14、螺栓17、剛墊板13、彈簧12和接觸板11，從右到左依次連接，所述橫向千斤頂錨固在反力鋼架2豎向柱上，所述接觸板11與襯砌構件8右側相連。

所述鋼柱14位于橫向千斤頂ⅱ16和彈簧12之間，上、下端通過滾軸15分別與反力鋼架2橫梁及地面18相連，實現水平向移動。

所述彈簧12位于鋼柱14和襯砌構件8之間，沿兩者之間垂直方向成排分布，一端接于接觸板11上，另一端通過螺栓17和鋼墊板13固定在鋼柱14上，所述鋼柱14左側按一定間距布置螺栓孔，根據實驗需要調整彈簧12的數量、疏密程度和位置，且可拆卸。

所述襯砌構件8采用帶弧度結構形式，置于地面18上并用接地螺栓9錨固，底部左側通過橫向千斤頂ⅰ10固定。

本發明還涉及利用上述襯砌構件擬靜力試驗裝置所進行的試驗方法，包括如下步驟：

a襯砌構件安裝：將襯砌構件8通過接地螺栓9固定在地面上，安裝并調整橫向千斤頂ⅰ10行程與襯砌構件8底端左側面緊貼，根據實驗需要，安裝一定剛度和數量的彈簧12和接觸板11構成的彈簧組件于鋼柱14上，安裝一定型號和數量的橫向千斤頂ⅱ16于反力鋼架2上，通過鋼柱14讓接觸板11與襯砌構件8右側緊貼，調整橫向千斤頂ⅱ16以固定鋼柱14；

b襯砌構件靜載施加：調整滑動支座3和豎向千斤頂4的位置到試驗所需偏心位置，通過豎向千斤頂4初步施加壓力，固定襯砌構件8，進一步施加壓力至設定壓力值，使襯砌構件8處于偏心受壓狀態；

c襯砌構件動載施加：安裝作動器5于反力墻1上，作動器5端部用螺栓7和水平連接桿6固定在襯砌構件8上，啟動作動器5進行反復荷載的施加；

d測試：在襯砌構件8中部、兩端弧度區和擴大區相接處布置應變片、位移計、裂縫測定儀，測試襯砌構件8的應變、位移及裂縫擴展情況，得到襯砌構件的滯回曲線、骨架曲線及抗震性能。每循環加載一定次數后對襯砌構件9進行裂紋擴展描述，觀察其破壞特征。

所述襯砌構件8靜載施加通過調節豎向千斤頂4、橫向千斤頂ⅱ16模擬特定偏心荷載和圍巖約束作用。

動載施加通過啟動作動器5，可實現荷載、位移加載模式或荷載-位移組合控制加載模式，模擬襯砌構件8承受地震等反復荷載作用。

所述襯砌構件8通過預制不同類型、尺寸及位置的裂縫或局部減薄來模擬構件的初始缺陷。

所述彈簧12數目、密度、剛度以及橫向千斤頂ⅱ16可根據需要進行調節以模擬不同圍巖狀態。

本發明的工作原理：采用上述技術方案的襯砌構件擬靜力試驗裝置及方法，根據模型試驗需要確定模型反力鋼架和襯砌構件尺寸，制作模型反力鋼架和混凝土襯砌構件，通過預制不同形式的構件來模擬不同類型隧道襯砌構件，調整豎向千斤頂位置來模擬偏心距大小和襯砌構件偏心受壓狀態；在襯砌構件頂部設置作動器施加動載模擬襯砌構件受到地震等反復荷載作用；通過預制不同分布形態及尺寸的裂縫來模擬襯砌初始缺陷；圍巖約束作用由彈簧和千斤頂來實現，通過改變彈簧剛度、移去部分彈簧可模擬不同圍巖狀況。在襯砌構件中部、兩端弧度區和擴大區相接處布置應變片、位移計、裂縫測定儀，測試襯砌構件的應變、位移及裂縫擴展情況；每循環加載一定次數后對襯砌構件進行觀察測量，觀察襯砌構件裂紋擴展和破壞特征。

本發明采用以上的技術方案后，具有的有益效果主要表現在：試驗裝置結構簡單、操作方便，可適用于多種尺寸的模型試驗，可以有效模擬不同圍巖狀況、襯砌初始缺陷損傷以及襯砌構件所受靜動荷載耦合作用。試驗費用低廉、受力明確、可靠性高，可較精確研究襯砌結構在地震反復荷載作用下的力學性能，代替部分振動臺試驗，拓展模型試驗方法。

附圖說明

圖1為本發明的模型試驗裝置主視圖；

圖2為a-a剖面圖；

圖3為彈簧兩端連接示意圖；

圖中各標號表示：1—反力墻；2—反力鋼架；3—滑動支座；4—豎向千斤頂；5—作動器；6—水平連接桿；7—螺栓；8—襯砌構件；9—接地螺栓；10—橫向千斤頂ⅰ；11—接觸板；12—彈簧；13—鋼墊板；14—鋼柱；15—滾軸；16—橫向千斤頂ⅱ；17—螺栓；18—地面；19—滑軌。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式作進一步說明。

實施例1：如圖1-3所示：一種襯砌構件擬靜力試驗裝置，包括反力裝置、加載裝置、襯砌構件、圍巖模擬系統；一種襯砌構件擬靜力試驗裝置，包括反力裝置、加載裝置、襯砌構件、圍巖模擬系統；

所述反力裝置包括反力墻1和反力鋼架2，反力鋼架2由橫梁和豎向支柱構成，所述橫梁固定在反力墻1和豎向支柱之間；

所述靜力加載裝置包括滑動支座3和豎向千斤頂4，所述滑動支座3位于反力鋼架2橫梁下方并通過滑軌19固定于橫梁上，所述豎向千斤頂4上端與滑動支座3相連，下面緊貼于襯砌構件8上；

所述動力加載裝置包括作動器5、水平連接桿6和螺栓7；所述作動器5的水平連接桿6通過螺栓7與襯砌構件8端頭連接，所述作動器5另一端錨固在反力墻1上；

所述圍巖模擬系統包括橫向千斤頂ⅱ16、鋼柱14、螺栓17、剛墊板13、彈簧12和接觸板11，從右到左依次連接，所述橫向千斤頂錨固在反力鋼架2豎向柱上，所述接觸板11與襯砌構件8右側相連。

實施例2：其中反力鋼架采用hw300×300型鋼焊接而成，其中鋼柱高3m、鋼梁長3m，反力墻1和反力鋼架2通過m20的錨固螺栓連接，鋼柱用m20的螺栓固定在地面18上，形成反力裝置；

所述靜力加載裝置的實現，滑動支座3位于反力鋼架2上部橫梁下方并通過滑軌19固定于橫梁上，并且滑動支座3與橫梁之間放置嵌入式鋼珠來實現支座的移動。利于施加不同偏心距的偏心荷載；動力加載裝置采用固定于反力墻1上的mts作動器5來實現往復荷載的施加，然后由水平連接桿6和螺栓7相連，螺栓7夾緊襯砌構件8的上端擴大部分，實現將mts作動器5的荷載傳遞給襯砌構件8，模擬襯砌結構受到的地震荷載的作用。

如圖2-3所示，所述圍巖模擬系統，根據實驗需要選取長度20cm~50cm及其對應剛度的彈簧12安裝于鋼柱14和襯砌構件8之間。彈簧12沿兩者之間垂直方向成排分布，一端接于接觸板11上，另一端和帶螺栓孔的5mm厚的鋼墊板13相連，并將鋼墊板13用m12螺栓17固定于鋼柱14上，接觸板11緊貼在襯砌構件8右側。鋼柱14左側按10cm的間距預留螺栓孔，可根據實驗需要，安裝特定剛度和分布的彈簧12來實現不同圍巖狀況的模擬。

所述的襯砌構件8位于豎向千斤頂4下部試驗區，構件采用高度1m~1.5m、厚度30cm~50cm混凝土構件，可依據實驗需求加入鋼筋，且襯砌構件8采用右側無弧度左側有弧度的設計，襯砌構件8放置于地面18上并用m18的接地螺栓9錨固，左側用1個30t橫向千斤頂ⅰ10固定，防止襯砌構件8由于圍巖壓力過大向左側移動。并且襯砌構件8上下兩端采用擴大頭，有利于固定構件和施加荷載。

利用上述襯砌構件擬靜力試驗裝置所進行的試驗方法，包括如下步驟：

a襯砌構件的安裝：將襯砌構件8放置于地面18上，通過m20的接地螺栓9夾緊構件，調整30t橫向千斤頂10與襯砌構件8左側緊貼。根據實驗需要，安裝一定剛度和分布的彈簧12以及對應型號的橫向千斤頂ⅱ16，移動鋼柱14使得彈簧12上端的接觸板11與襯砌構件8右側緊貼，調整橫向千斤頂ⅱ16的行程將鋼柱14固定。

b襯砌構件靜載施加：移動滑動支座3到試驗偏心距位置，調節豎向千斤頂4緊貼襯砌構件8上端，進一步調節豎向千斤頂4的行程加壓；

c襯砌構件動載施加：用螺栓7和水平連接桿6將作動器5與襯砌構件8的擴大頭連接，啟動作動器5施加荷載；

d測試：在襯砌構件8中部、兩端弧度區和擴大區相接處布置應變片、位移計、裂縫測定儀，測試襯砌構件8的應變、位移及裂縫擴展情況，得到襯砌構件的滯回曲線、骨架曲線及抗震性能。每循環加載一定次數后對襯砌構件8進行裂紋擴展描述，觀察其破壞特征。

上面結合附圖對本發明的具體實施例作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。