[发明专利]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

说明书

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。