黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法技术方案

本发明专利技术公开了黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法，本发明专利技术通过在模型箱内设置隧道模型，并在模型箱底部设置浸水头，用来模拟隧道浸水工况，采用在隧道模型内设置电动式激振器，用来模拟隧道震动，并且电动式激振器能够在轨道上滑动，能够模拟不同位置上的震动，自由灵活，本系统实现了地铁隧道浸水及动荷载等不同工况下的模拟，完全达到了本试验浸水和动荷载的模拟要求。本发明专利技术结构明确，功能良好，自动化程度高，并且可重复利用，具有良好的推广应用价值。

【技术实现步骤摘要】
黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法
本专利技术属于室内模型试验领域，具体涉及一种黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法。
技术介绍
随着我国城市交通网的不断完善，越来越多的地铁隧道投入建设与运营。西安、兰州等西部城市大厚度黄土地层分布广泛，随着地铁线路的进一步完善，不可避免的会存在许多地铁区间处于大厚度湿陷性黄土地层。黄土具有明显的水敏性，黄土地层含水率改变会引起其力学参数明显变化，会对其中的工程结构造成威胁，目前大量地下工程建设会引起地下水位改变，另外输水管线爆裂漏水、附近河道渗水等，均可能导致隧道周边围岩浸水，在列车动荷载作用下，可能引起围岩承载能力降低，造成衬砌开裂漏水等病害，对地铁隧道结构安全造成威胁。为了系统研究黄土地层浸水及列车动荷载对隧道结构的影响，常常采用数值模拟、室内模型试验、理论分析等方法开展研究，目前数值模拟和理论分析方法采用的较多，但室内模型试验相对较少，这是由于目前室内模型装置存在局限性，难以达到良好的模拟效果。如专利“一种多浸水工况模拟试验模型箱及试验方法”(申请号：201710057182.X)提供一种多工况浸水试验模型箱，可以模拟一些地层浸水工况，但并未涉及列车动荷载的影响，并且浸水只能模拟地下水上升和地表水下渗等工况，无法模拟地下管线爆裂等局部渗水的情况，一些实际浸水工况及列车动荷载就难以较好的模拟。并且由于试验系统的局限性，目前黄土地层浸水及动荷载影响下的室内试验模型方法也不成熟。因此，提供一种适用于黄土地层地铁隧道浸水及动荷载模拟的室内试验系统及试验方法是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统与试验方法，能够满足室内模型试验不同工况的模拟要求，得到围岩浸水和列车动荷载对地铁隧道的影响规律，为设计及运营提供指导。为了达到上述目的，本专利技术提供一种黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，包括模型箱，模型箱为长方体，模型箱的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型，模型箱的底部设置有若干组浸水管，浸水管上设置有若干浸水头，所有浸水管均连接模型箱外的供水端，模型箱顶部设置有横梁，横梁上设置有若干激光位移计，模型箱上设置有标尺，隧道模型内设置有轨道，轨道上设置有能够滑动的若干电动式激振器。供水端包括储水箱，储水箱与所有浸水管的进水端和出水端连接形成回路，储水箱与浸水管的进水端间设置有增压泵和电磁阀。所有浸水头均垂直指向模型箱的顶部。激光位移计垂直指向模型箱的底部。横梁上设置有千斤顶，千斤顶垂直指向模型箱的底部。模型箱的底部为底部钢板，模型箱的侧面为钢化玻璃。每个浸水头均通过独立的电磁阀单独控制，每个浸水头上均设置有土工膜。黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统的试验方法，包括以下步骤：步骤一，在隧道模型的测试断面处安装应变片和土压力盒；步骤二，将隧道模型固定在模型箱，填筑模型土到预定高度；步骤三，在模型箱外部安装相机，使相机持续拍摄模型箱内部；步骤四，根据所需工况开启浸水头，使浸水头持续喷水，并开启电动式激振器；步骤五，通过标尺实时观测浸水深度，通过机实时记录隧道模型的位移情况，并通过应变仪记录应变片和土压力盒的数据，直至完成试验。若需要对模型土进行加压试验，则在模型土上表面放置承载板，在横梁上安装千斤顶，使千斤顶的输出轴与承载板接触。与现有技术相比，本专利技术的模拟系统通过在模型箱内设置隧道模型，并在模型箱底部设置浸水头，用来模拟隧道浸水工况，采用在隧道模型内设置电动式激振器，用来模拟隧道震动，并且电动式激振器能够在轨道上滑动，能够模拟不同位置上的震动，自由灵活，本系统实现了地铁隧道浸水及动荷载等不同工况下的模拟，完全达到了本试验浸水和动荷载的模拟要求。本专利技术结构明确，功能良好，自动化程度高，并且可重复利用，具有良好的推广应用价值。进一步的，本专利技术的每个浸水探头均有独立的电磁阀控制，自动化程度高，并且浸水模拟更加精确。进一步的，本专利技术设置有千斤顶，能够对模型土进行加压，模拟具有压力的工况。本专利技术的试验方法在隧道模型的测试断面处安装应变片和土压力盒，在模型箱外部安装相机，在模型箱内部填筑模型土，再开启浸水头和电动式激振器，用来模拟隧道浸水和振动，本方法能够模拟多种工况，为黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟提供更为准确的试验结果。附图说明图1为本专利技术的装置示意图；图2为本专利技术中浸水管的示意图；图3为本专利技术中隧道模型的示意图；图4为实施例1中不同工况下的土压力测试图，(a)为基底局部浸水，(b)为基底全幅浸水，(c)为地表局部浸水，(d)为地表全局浸水；图5为实施例1中不同工况下的弯矩测试图，(a)为基底局部浸水，(b)为基底全幅浸水，(c)为地表局部浸水，(d)为地表全局浸水；图6为实施例1中不同工况下的隧道位移测试图，(a)为基底局部浸水，(b)为基底全幅浸水，(c)为地表局部浸水，(d)为地表全局浸水；图7为实施例1中基底浸水地表沉降测试图，(a)为局部浸水，(b)为全幅浸水；其中，1、模型箱；2、底部钢板；3、钢化玻璃；4、横梁；5、激光位移计；6、千斤顶；7、标尺；8、隧道模型；9、电动式激振器；10、进水管；11、浸水管；12、出水管；13、储水箱；14、增压泵；15、电磁阀；16、浸水头；17、导轨。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。参见图1、图2和图3，黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，包括模型箱1，模型箱1的底部为底部钢板2，模型箱1的侧面为钢化玻璃3，模型箱1为长方体，模型箱1的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型8，模型箱1的底部设置有若干组浸水管11，浸水管11上设置有若干浸水头16，每个浸水头16均通过独立的电磁阀单独控制，每个浸水头16上均设置有土工膜，所有浸水管11均连接模型箱1外的供水端，模型箱1顶部设置有横梁4，横梁4上设置有若干激光位移计5，模型箱8上设置有标尺7，隧道模型8内设置有轨道17，轨道17上设置有能够滑动的若干电动式激振器9，所有浸水头16均垂直指向模型箱1的顶部，激光位移计5垂直指向模型箱1的底部。供水端包括储水箱13，储水箱13与所有浸水管11的进水端和出水端连接形成回路，储水箱13与浸水管11的进水端间设置有增压泵14和电磁阀15。优选的，横梁4上设置有千斤顶6，千斤顶6垂直指向模型箱1的底部。模型箱1的框架为方形空心钢管，其与底部钢板采用焊接方式连接，钢化玻璃和模型框架及底部钢板采用螺栓连接，并且用玻璃胶密封，保证不漏水。模型箱1前壁钢化玻璃设置有圆形开口，尺寸与隧道模型8外径相等。横梁4采用高强工字钢，保证具有足够的刚度，能够承受试验设计荷载，横梁4与模型框架8也采用螺栓连接，便于拆卸。浸水管采用直径5mm的钢管，每个浸水头设置一层土工膜，避免土体进入浸水管内部。本专利技术的试验方法包括以下步骤：步骤一：模型箱、隧道模型、测试元件及模型土等原材料准备；步骤二：调试浸水装置的可靠性，连接进水管10、浸水管11、出水管12、储水箱13和增压泵14，打开阀门，观察浸水装置是否运行良好，关闭阀门，准备试验；步骤三：安装测试元件，在隧道模型8的测试断面处，分别安装应变片和土压力盒等测试元件，并整理导线；步骤四：在隧道模型8底部安装导轨17，然后安本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，包括模型箱(1)，模型箱(1)为长方体，模型箱(1)的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型(8)，模型箱(1)的底部设置有若干组浸水管(11)，浸水管(11)上设置有若干浸水头(16)，所有浸水管(11)均连接模型箱(1)外的供水端，模型箱(1)顶部设置有横梁(4)，横梁(4)上设置有若干激光位移计(5)，模型箱(8)上设置有标尺(7)，隧道模型(8)内设置有轨道(17)，轨道(17)上设置有能够滑动的若干电动式激振器(9)。

【技术特征摘要】
1.黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，包括模型箱(1)，模型箱(1)为长方体，模型箱(1)的前壁和后壁的中部配合固定有隧道模型(8)，模型箱(1)的底部设置有若干组浸水管(11)，浸水管(11)上设置有若干浸水头(16)，所有浸水管(11)均连接模型箱(1)外的供水端，模型箱(1)顶部设置有横梁(4)，横梁(4)上设置有若干激光位移计(5)，模型箱(8)上设置有标尺(7)，隧道模型(8)内设置有轨道(17)，轨道(17)上设置有能够滑动的若干电动式激振器(9)。2.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，供水端包括储水箱(13)，储水箱(13)与所有浸水管(11)的进水端和出水端连接形成回路，储水箱(13)与浸水管(11)的进水端间设置有增压泵(14)和电磁阀(15)。3.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，所有浸水头(16)均垂直指向模型箱(1)的顶部。4.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，激光位移计(5)垂直指向模型箱(1)的底部。5.根据权利要求1所述的黄土地铁隧道围岩浸水及动荷载模拟系统，其特征在于，横梁(4)上设置有千斤顶(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉伟，宋战平，郑文杰，刘乃飞，牛泽林，张强，王彤，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61