模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于岩体动力学大型物理模型试验领域，旨在解决无法对地下洞室地震动力反应进行高仿真模拟的问题，本发明专利技术提供了一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，包括加载框架、地下洞室上覆模型和下伏模型、静力加载装置、动力加载装置、测量装置，通过静力加载装置对含贯通型孔洞的上覆模型分别施加垂向荷载和水平负荷以模拟原位地下洞室的真实垂向和水平地应力环境，通过动力加载装置对下伏模型施加地震动负荷并进而作用于上覆模型来模拟原位地下洞室的真实地震动情况，从而满足对地下洞室地震动力反应的模拟要求。通过本发明专利技术可实现对地下洞室进行地应力静负荷和地震动负荷统一加载的高仿真模拟，能够准确反应原位情况，获得有效试验数据。

【技术实现步骤摘要】
模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法
本专利技术属于岩体动力学大型物理模型试验领域，具体涉及一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法。
技术介绍
地下洞室主要包括围岩、衬砌和内部空间三部分，地下洞室的围岩稳定性问题是工程地质学和岩体力学领域的经典问题之一。荷载分为静荷载和动荷载，地下洞室所受的动荷载包括地震荷载、爆破荷载和机械振动荷载等；地下洞室在地震动荷载作用下的动力反应问题，即其在地震条件下的响应特征如变形、强度等相关数据的分析已成为工程地质学、岩土力学、地震工程学的热点问题之一。目前，地下洞室的地震动力反应研究主要采用数值模拟手段，但由于缺乏地下洞室地震动力反应的实测数据，数值模拟结果的合理性有待商榷。振动台模型试验是研究工程地震动力响应及评价工程地震稳定性的有效手段，在岩质边坡地震动力响应研究、稳定性评价及地震防控等领域应用广泛，但该试验方法尚未在地下洞室地震动力反应研究方面得到推广，原因是现有技术无法实现对地下洞室进行地应力静负荷和地震动负荷统一加载的高仿真模拟，从而制约了地下洞室地震动力反应的研究进程。
技术实现思路
为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决无法对地下洞室地震动力反应进行高仿真模拟的问题，本专利技术提供了一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置及方法。本专利技术实施例第一方面提供了一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置包括加载框架、地下洞室模型、静力加载装置、动力加载装置及测量装置；所述地下洞室模型为相似材料模型，包括上覆模型、下伏模型；所述上覆模型设置于所述下伏模型上部，且与所述下伏模型构成凸体结构；所述静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；所述法向加载装置设置于所述上覆模型的顶部，且所述法向加载装置的上端与所述加载框架的顶板连接；所述侧向加载装置设置于所述上覆模型的周侧，且所述侧向加载装置远离所述上覆模型的端部与所述加载框架的侧板连接；所述动力加载装置包括模型箱，承载平台，及驱动所述模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；所述模型箱设置于所述承载平台，所述模型箱的内部设置有容纳所述下伏模型的腔室；所述测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；所述负荷测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量所述上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；所述变形测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部变形值的法向变形测量装置、用于测量所述上覆模型周侧变形值的侧向变形测量装置。在一些优选实例中，所述上覆模型的内部设置有用于模拟原位地下洞室的孔洞；所述孔洞为贯通型孔洞。在一些优选实例中，所述上覆模型设置于所述下伏模型正上方，且所述上覆模型与所述下伏模型通过模型材料胶结连接。在一些优选实例中，所述下伏模型与所述模型箱的高度一致，且所述下伏模型的周侧与所述模型箱通过硅胶连接。在一些优选实例中，所述法向负荷测量装置为法向负荷传感器，所述侧向负荷测量装置为侧向负荷传感器；所述法向加载装置包括法向驱动装置、法向垫板；所述法向垫板为钢制垫板；所述法向驱动装置设置于所述加载框架的顶板，所述法向驱动装置的加载端通过所述法向垫板施力作用于所述上覆模型的顶部；所述侧向加载装置包括侧向驱动装置、侧向垫板；所述侧向垫板为钢制垫板；所述侧向驱动装置设置于所述加载框架的侧板，所述侧向驱动装置的加载端通过所述侧向垫板施力作用于所述上覆模型的侧壁。在一些优选实例中，所述法向驱动装置为法向油缸，所述法向油缸固设于所述加载框架顶板的中心；所述侧向驱动装置为侧向油缸，所述侧向油缸包括左侧油缸、右侧油缸、前侧油缸和后侧油缸，所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸分别固设于所述加载框架左、右、前、后侧板的中心。在一些优选实例中，所述法向变形测量装置为法向变形传感器；所述法向变形传感器的一端固设于所述加载框架的顶部，另一端与所述法向垫板接触；所述法向变形传感器为四个，四个所述法向变形传感器对称设置于所述法向油缸四周；所述侧向变形测量装置为侧向变形传感器；所述侧向变形传感器的一端固设于所述加载框架的侧板，另一端与所述侧向垫板接触；所述侧向变形传感器包括两个左侧变形传感器、两个右侧变形传感器、两个前侧变形传感器和两个后侧变形传感器；所述左侧变形传感器、所述右侧变形传感器、所述前侧变形传感器和所述后侧变形传感器分别对称设置于所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸的两侧，并分别用于测量所述上覆模型左侧、右侧、前侧、后侧的变形值。在一些优选实例中，所述模型箱为无盖长方体钢盒结构；所述模型箱与所述承载平台通过螺栓固定连接。在一些优选实例中，还包括数控装置，所述数控装置与所述静力加载装置、动力加载装置通信连接，并用于实时记录所述地下洞室模型的负荷值和变形值。本专利技术实施例第二方面提供了一种方法，该方法基于上面所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，包括以下步骤：步骤S100，预设法向负荷值、第一水平负荷值、第二水平负荷值、地震动负荷值、地震动加载时间值、法向变形阈值及侧向变形阈值；步骤S200，控制所述法向油缸对所述上覆模型施加垂向负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实垂向地应力环境；步骤S300，控制所述前侧油缸、后侧油缸对所述上覆模型分别施加相同的第一水平负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实较大水平地应力环境；步骤S400，控制所述左侧油缸、右侧油缸对所述上覆模型分别施加相同的第二水平负荷并保持恒定，以模拟原位地下洞室的真实较小水平地应力环境；步骤S500，控制所述动载驱动装置对所述下伏模型施加地震动负荷，通过所述下伏模型作用于所述上覆模型，以模拟原位地下洞室的真实地震动情况；步骤S600，基于所述法向负荷传感器、所述侧向负荷传感器、所述法向变形传感器和所述侧向变形传感器实时采集的试验过程中所述上覆模型的负荷值和变形值，所述数控装置对试验进行实时调控，当地震动加载时间达到预设值，或者，所述上覆模型的法向变形值或侧向变形值达到法向变形阈值或侧向变形阈值时，试验停止，导出负荷和变形试验数据。本专利技术的有益效果为：1)通过本专利技术提供的一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，结合相似理论，利用静力加载装置和动力加载装置对地下洞室相似材料模型施加垂向负荷、水平负荷和地震动负荷，可实现对原位地下洞室在真实垂向和水平地应力环境下的地震动模拟，并能准确反应原位情况。2)通过本专利技术提供的一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，利用相似理论，对地下洞室相似材料模型中的材料进行不同质量的配比，可实现对不同地质环境的原位地下洞室地震动力反应的模拟，从而可满足不同的研究需求。3)本专利技术结构简单、新颖、安全、成本低、模拟程度高，便于推广，对于评价地下洞室动态稳定性具有重要的理论和应用价值。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，包括加载框架、地下洞室模型、静力加载装置、动力加载装置及测量装置；/n所述地下洞室模型包括上覆模型、下伏模型；所述上覆模型设置于所述下伏模型上部，且与所述下伏模型构成凸体结构；/n所述静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；所述法向加载装置设置于所述上覆模型的顶部，且所述法向加载装置的上端与所述加载框架的顶板连接；所述侧向加载装置设置于所述上覆模型的周侧，且所述侧向加载装置远离所述上覆模型的端部与所述加载框架的侧板连接；/n所述动力加载装置包括模型箱，承载平台，及驱动所述模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；所述模型箱设置于所述承载平台，所述模型箱的内部设置有容纳所述下伏模型的腔室；/n所述测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；所述负荷测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量所述上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；所述变形测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部变形值的法向变形测量装置、用于测量所述上覆模型周侧变形值的侧向变形测量装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，包括加载框架、地下洞室模型、静力加载装置、动力加载装置及测量装置；
所述地下洞室模型包括上覆模型、下伏模型；所述上覆模型设置于所述下伏模型上部，且与所述下伏模型构成凸体结构；
所述静力加载装置包括法向加载装置、侧向加载装置；所述法向加载装置设置于所述上覆模型的顶部，且所述法向加载装置的上端与所述加载框架的顶板连接；所述侧向加载装置设置于所述上覆模型的周侧，且所述侧向加载装置远离所述上覆模型的端部与所述加载框架的侧板连接；
所述动力加载装置包括模型箱，承载平台，及驱动所述模型箱、承载平台振动的动载驱动装置；所述模型箱设置于所述承载平台，所述模型箱的内部设置有容纳所述下伏模型的腔室；
所述测量装置包括负荷测量装置和变形测量装置；所述负荷测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部负荷值的法向负荷测量装置、用于测量所述上覆模型周侧负荷值的侧向负荷测量装置；所述变形测量装置包括用于测量所述上覆模型顶部变形值的法向变形测量装置、用于测量所述上覆模型周侧变形值的侧向变形测量装置。


2.根据权利要求1所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述上覆模型的内部设置有用于模拟原位地下洞室的孔洞；所述孔洞为贯通型孔洞。


3.根据权利要求2所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述上覆模型设置于所述下伏模型正上方，且所述上覆模型与所述下伏模型通过模型材料胶结连接。


4.根据权利要求3所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述下伏模型与所述模型箱的高度一致，且所述下伏模型的周侧与所述模型箱通过硅胶连接。


5.根据权利要求1所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述法向负荷测量装置为法向负荷传感器，所述侧向负荷测量装置为侧向负荷传感器；
所述法向加载装置包括法向驱动装置、法向垫板；所述法向垫板为钢制垫板；所述法向驱动装置设置于所述加载框架的顶板，所述法向驱动装置的加载端通过所述法向垫板施力作用于所述上覆模型的顶部；
所述侧向加载装置包括侧向驱动装置、侧向垫板；所述侧向垫板为钢制垫板；所述侧向驱动装置设置于所述加载框架的侧板，所述侧向驱动装置的加载端通过所述侧向垫板施力作用于所述上覆模型的侧壁。


6.根据权利要求5所述的模拟地下洞室地震动力反应的试验装置，其特征在于，所述法向驱动装置为法向油缸，所述法向油缸固设于所述加载框架顶板的中心；
所述侧向驱动装置为侧向油缸，所述侧向油缸包括左侧油缸、右侧油缸、前侧油缸和后侧油缸，所述左侧油缸、所述右侧油缸、所述前侧油缸和所述后侧油缸分别固设于所述加载...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑博文，祁生文，盛谦，黄晓林，梁宁，郭松峰，罗光明，汪冲浪，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11