本發(fā)明專利技術公開了一種鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置及測試方法，包括基座、基底圍巖模擬結構、隧道底部模擬結構、靜力加載裝置及動力加載裝置。本發(fā)明專利技術可以模擬仰拱結構靜動荷載耦合作用，可以模擬基底圍巖狀況、結構既有損傷，能夠真實地模擬隧道仰拱結構實際服役環(huán)境和受力特性，具有試驗裝置結構簡單、操作簡便等優(yōu)點。
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于隧道模型試驗領域，具體涉及一種鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置及測試方法。
技術介紹
隧道底部結構是隧道支護體系的重要組成部分，也是隧道病害發(fā)生最為嚴重的部位之一。許多既有鐵路隧道經(jīng)過一段時間的運營之后，隧道底部結構出現(xiàn)不同程度的開裂、破損、下陷以及翻漿冒泥等現(xiàn)象。隧道底部病害不僅惡化了行車條件，直接危及行車安全，而且常年維修加固耗費巨大，干擾正常運營，嚴重影響運營效率。隨著我國鐵路朝著高速化和重載化發(fā)展，高速鐵路列車運行速度高，對隧道結構沖擊力加大，對軌道平順性要求很高，對隧道結構變形敏感，重載鐵路列車軸重大，隧道底部結構承受更大的荷載，會增加底部病害的發(fā)生率，高速鐵路和重載鐵路隧道底部結構病害問題將會越發(fā)突出。在對隧道的現(xiàn)場調(diào)查和病害整治中發(fā)現(xiàn)，隧道基底圍巖膨脹、軟化和脫空等是隧道底部結構服役過程中普遍存在的問題，此外，由于施工質(zhì)量、養(yǎng)護等因素，鐵路隧道結構不可避免地存在質(zhì)量缺陷及初始裂紋等損傷，隧道底部結構承受列車動載反復作用，對質(zhì)量缺陷、初始損傷敏感。因此，亟需考慮基底狀況和初始損傷對鐵路隧道底部結構服役性能的影響，開展鐵路隧道底部結構動力模型試驗。目前，已有一些針對隧道底部結構的動力模型試驗，但在現(xiàn)有的模型試驗裝置中，都是直接將底部結構置于圍巖之上，沒有考慮底部結構所受的靜力作用，而且均從理想狀態(tài)入手，忽略了底部結構實際賦存環(huán)境和服役狀況。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術所要解決的技術問題是提供一種受力明確、結構簡單、操作方便，并且能考慮基底圍巖狀況、仰拱所受靜力及缺陷損傷的隧道底部結構動力模型試驗裝置。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案：一種鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，包括基座1、基底圍巖模擬結構、隧道底部模擬結構、靜力加載裝置及動力加載裝置；所述圍巖模擬結構包括彈簧16和橡膠粒20，所述彈簧16下端固定在基座1上，上端固定在仰拱10上，橡膠粒20分散在彈簧16之間；所述隧道底部模擬結構包括仰拱10、填充層11及鋼軌12，三者從下到上依次固定；所述靜力加載裝置包括滑動支座3、U型傳力架4、橫向千斤頂5、豎向千斤頂6和軸向千斤頂9，所述滑動支座3位于圍巖模擬結構兩端且其底部固定在基座1上，滑動支座3的側面設有橫向千斤頂5并固定在基座1上；所述U型傳力架4固定在滑動支座3上，U型傳力架4內(nèi)設有軸向千斤頂9并與仰拱10的兩端相連， U型傳力架4上端設有豎向千斤頂6并與基座1相連；所述動力加載裝置包括MTS作動器14和鋼梁13，兩者設置于鋼軌12上。所述基座1上設有導槽2，滑動支座3固定在導槽2中。所述U型傳力架4通過旋轉軸承7固定在滑動支座3上。所述U型傳力架4通過螺栓8固定在仰拱10兩端。所述彈簧16沿模型寬度方向成排分布，下端固定在金屬薄片18上，金屬薄片18固定在基座1上的卡槽17中，彈簧16上端通過接觸板19固定在仰拱10底部。本專利技術還涉及根據(jù)鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置所進行的測試的方法，包括如下步驟：a仰拱試件安裝：將滑動支座3安裝在基座1上的導槽2中，通過旋轉軸承7 將U型傳力架4固定在滑動支座3上，然后將帶有成排彈簧16的金屬薄片18安裝在基座1上的卡槽17中，并填充橡膠粒20于模型基座1內(nèi)，然后調(diào)節(jié)滑動支座3和U型傳力架4的位置，將仰拱10安裝于U型傳力架4內(nèi)；b仰拱試件靜載施加：通過橫向千斤頂5施加軸向力初步固定仰拱10，將軸向千斤頂9置于U型傳力架4內(nèi)，將豎向千斤頂6置于U型傳力架4的外側端和模型基座1之間，利用軸向千斤頂9和豎向千斤頂6分別施加軸向力，然后用螺栓8固定仰拱10；c仰拱試件動載施加：在仰拱10 上依次安裝填充層11、鋼軌12、鋼梁13和MTS作動器14，啟動MTS加載設備即可完成動荷載施加；d測試：通過設置相應的應變、動位移測試儀器對仰拱10的力學性能進行測試分析或采用聲發(fā)射儀進行實時測試，待加載一定次數(shù)后對仰拱10進行觀察裂紋擴展情況與聲發(fā)射數(shù)之間的關系，再繼續(xù)加載直至破壞或作用次數(shù)達到設定循環(huán)次數(shù)，切片進行電鏡掃描，觀察其破壞特征。采用上述技術方案的隧道底部結構動力試驗裝置及方法，根據(jù)相似理論和模型試驗需要確定模型基座和底部結構尺寸，制作模型基座和混凝土仰拱試件，通過預制不同分布形態(tài)及尺寸的裂縫來模擬仰拱的初始缺陷損傷，基底圍巖由彈簧和具有橡膠粒來模擬，彈簧數(shù)目及橡膠粒密度按試驗要求設定，通過改變彈簧剛度、移去部分彈簧以及改變部分彈簧剛度可模擬不同基底圍巖狀況。在仰拱端部設置千斤頂來施加仰拱結構靜載，在底部結構鋼軌上方連接動載分配鋼梁和MTS作動器來施加底部結構動載。試驗時，采用聲發(fā)射儀進行實時測試，待加載一定次數(shù)后將構件拆下進行觀察測量，明確裂紋擴展情況與聲發(fā)射數(shù)之間的關系，再繼續(xù)加載直至破壞或作用次數(shù)達到設定循環(huán)次數(shù)，切片進行電鏡掃描，觀察其破壞特征。本專利技術采用以上的技術方案后，具有的有益效果主要表現(xiàn)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，可以有效模擬隧道底部結構初始裂縫、基底局部空洞及基底圍巖軟化等基底狀況、仰拱所受靜力和動力耦合作用，使得隧道底部結構模型試驗更加符合實際服役環(huán)境和受力狀況。試驗成果可應用于隧道底部結構服役性能和耐久性研究領域。本專利技術的有益效果：本專利技術結構簡單、操作方便，可適用于多種尺寸的模型試驗，可以有效模擬隧道底部結構初始裂縫、基底局部空洞及基底圍巖軟化等基底狀況、仰拱所受靜力和動力耦合作用，使得隧道底部結構模型試驗更加符合實際服役環(huán)境和受力狀況。附圖說明圖1為本專利技術的模型試驗裝置主視圖；圖2為滑動支座與模型基座的連接示意圖；圖3為彈簧下端結構圖；圖4為彈簧兩端結構圖；圖中各標號：1—基座；2—導槽；3—滑動支座；4—U型傳力架；5—橫向千斤頂；6—豎向千斤頂；7—旋轉軸承；8—螺栓；9—軸向千斤頂；10—仰拱；11—填充層；12—鋼軌；13—鋼梁；14—MTS作動器；15—預制裂縫；16—彈簧；17—卡槽；18—金屬薄片；19—接觸板；20—橡膠粒。具體實施方式以下結合附圖和實施例對本專利技術的具體實施方式作進一步說明。如圖1所示：一種鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，包括基座1、基底圍巖模擬結構、隧道底部模擬結構、靜力加載裝置及動力加載裝置；所述圍巖模擬結構包括彈簧16和橡膠粒20，用以模擬圍巖彈性性能和模擬圍巖阻尼性能，所述彈簧16下端固定在基座1上，上端固定在仰拱10上，橡膠粒20分散在彈簧16之間；所述隧道底部模擬結構包括仰拱10、填充層11及鋼軌12，三者從下到上依次固定；所述靜力加載裝置包括滑動支座3、U型傳力架4、橫向千斤頂5、豎向千斤頂6和軸向千斤頂9，所述滑動支座3位于圍巖模擬結構兩端且其底部固定在基座1上，滑動支座3的側面設有橫向千斤頂5并固定在基座1上；所述U型傳力架4固定在滑動支座3上，U型傳力架4內(nèi)設有軸向千斤頂9并與仰拱10的兩端相連，U型傳力架4上端設有豎向千斤頂6并與基座1相連；本設計的靜力加載裝置具有水平、豎向和軸向加載功能，可很方便對仰拱10施加不同組合下的靜荷載。所述動力加載裝置包括MTS作動器14和鋼梁13，兩者設置于鋼軌12上，MTS作動器14用于對隧道底部模擬結構施加豎向動載，鋼梁13用于分配動荷載，以模擬列車反復振動作用。所述U型傳力架4本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
一種鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，包括基座（1）、基底圍巖模擬結構、隧道底部模擬結構、靜力加載裝置及動力加載裝置，其特征在于：所述圍巖模擬結構包括彈簧（16）和橡膠粒（20），所述彈簧（16）下端固定在基座（1）上，上端固定在仰拱（10）上，橡膠粒（20）分散在彈簧（16）之間；所述隧道底部模擬結構包括仰拱（10）、填充層（11）及鋼軌（12），三者從下到上依次固定；所述靜力加載裝置包括滑動支座（3）、U型傳力架（4）、橫向千斤頂（5）、豎向千斤頂（6）和軸向千斤頂（9），所述滑動支座（3）位于圍巖模擬結構兩端且其底部固定在基座（1）上，滑動支座（3）的側面設有橫向千斤頂（5）并固定在基座（1）上；所述U型傳力架（4）固定在滑動支座（3）上，U型傳力架（4）內(nèi)設有軸向千斤頂（9）并與仰拱（10）的兩端相連，?U型傳力架（4）上端設有豎向千斤頂（6）并與基座（1）相連；所述動力加載裝置包括MTS作動器（14）和鋼梁（13），兩者設置于鋼軌（12）上。
【技術特征摘要】
1.一種鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，包括基座（1）、基底圍巖模擬結構、隧道底部模擬結構、靜力加載裝置及動力加載裝置，其特征在于：所述圍巖模擬結構包括彈簧（16）和橡膠粒（20），所述彈簧（16）下端固定在基座（1）上，上端固定在仰拱（10）上，橡膠粒（20）分散在彈簧（16）之間；所述隧道底部模擬結構包括仰拱（10）、填充層（11）及鋼軌（12），三者從下到上依次固定；所述靜力加載裝置包括滑動支座（3）、U型傳力架（4）、橫向千斤頂（5）、豎向千斤頂（6）和軸向千斤頂（9），所述滑動支座（3）位于圍巖模擬結構兩端且其底部固定在基座（1）上，滑動支座（3）的側面設有橫向千斤頂（5）并固定在基座（1）上；所述U型傳力架（4）固定在滑動支座（3）上，U型傳力架（4）內(nèi)設有軸向千斤頂（9）并與仰拱（10）的兩端相連， U型傳力架（4）上端設有豎向千斤頂（6）并與基座（1）相連；所述動力加載裝置包括MTS作動器（14）和鋼梁（13），兩者設置于鋼軌（12）上。2.根據(jù)權利要求1所述的鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，其特征在于：所述基座（1）上設有導槽（2），滑動支座（3）固定在導槽（2）中。3.根據(jù)權利要求1所述的鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，其特征在于：所述U型傳力架（4）通過旋轉軸承（7）固定在滑動支座（3）上。4.根據(jù)權利要求1所述的鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，其特征在于：所述U型傳力架（4）通過螺栓（8）固定在仰拱（10）兩端。5.根據(jù)權利要求1所述的鐵路隧道底部結構動力模型試驗裝置，其特征在于：所述彈簧（16）沿模型寬度方向成排分布，下端固定在金屬薄片（18）上，金屬薄片（18）固定在基座（1）上的卡槽（17）中，彈簧（16）上端通過接觸板（19）固定在仰拱（10）底部。6.根據(jù)權利要求1-5所述的...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：丁祖德，李夕松，張博，杜永剛，李曉琴，王志良，
申請(專利權)人：昆明理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：云南;53
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