[发明专利]一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置及测试方法

权利要求书

1.一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，其特征在于：包括反力框架、试验箱、弹簧、滑槽、支架；所述反力框架的上部、底部、左侧及右侧设有钢板，所述试验箱置于反力框架内，所述试验箱上部、左侧壁及右侧壁通过弹簧与反力框架的上部、左侧及右侧钢板对应连接，所述试验箱与反力框架底部钢板之间设置有可沿左右侧方向水平自由滑动的钢球，所述试验箱底部外侧和反力框架底部钢板内侧沿左右侧方向设置有对应的用于容纳钢球的滑轨；

所述反力框架右侧钢板上设有碰撞矩形开口，所述滑槽分为竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，所述水平弧形撞击段的弧形拐点穿过碰撞矩形开口固连于试验箱右侧壁的形心处；所述滑槽底部设有至少一个用以固定滑槽的支架；

所述试验箱前壁上设有观察窗口，所述试验箱内设有隧道模型及模拟隧道围岩的土样，所述隧道模型一端开口朝向观察窗口放置于土样中，所述隧道模型的轴线与试验箱轴线重合。

2.根据权利要求1所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，其特征在于：所述滑槽的竖直加速段高度可调节，所述滑槽上设有可升降平台，所述可升降平台设有可让小球滑动的小槽，所述小槽一端与滑槽的竖直加速段连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，其特征在于：所述滑槽的水平弧形撞击段以试验箱左侧壁的形心处法线为对称轴呈镜像对称。

4.根据权利要求2-3任一项所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，其特征在于：所述滑槽的水平弧形撞击段与试验箱左侧壁的形心处法线的夹角为θ，30°≤θ≤60°。

5.根据权利要求1所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，其特征在于：所述试验箱上部与反力框架的上部钢板之间采用大小一致均匀分布的36根弹簧连接。

6.根据权利要求1所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，其特征在于：所述试验箱右侧壁与反力框架的右侧钢板之间采用大小一致均匀分布的36根弹簧连接；所述试验箱左侧壁与反力框架的左侧钢板之间采用大小一致均匀分布的36根弹簧连接。

7.一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试方法，其特征在于：包括以下步骤，

(a)提供如权利要求1-6任一项所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试装置，按照试验方案中的隧道围岩参数对试验土样进行合理配比，将试验土样及隧道模型安置于试验箱内，使隧道模型的轴线与试验箱轴线重合；

(b)将小球在可升降平台上释放，小球在滑槽内依次经过竖直加速段、弧形加速段、水平直线段和水平弧形撞击段，然后穿过反力框架右侧壁的碰撞矩形开口在水平弧形撞击段的弧形拐点撞击试验箱，观察隧道围岩的力学响应；

(c)通过周期性的释放小球撞击试验箱，模拟在极震区地震横波作用下隧道围岩的动力响应。

8.根据权利要求7所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试方法，其特征在于：所述步骤(b)中小球撞击试验箱的平均撞击力由以下公式得到：

其中M为小球的质量，单位为kg；为小球撞击试验箱后的速度，为小球撞击试验箱前的速度，单位为m/s；Δt为小球撞击试验箱的时间，单位为s；即为模拟地震横波作用在隧道围岩的作用力；

其中由以下公式得到：

h₁为小球释放点与撞击点之间的垂直距离，单位为m；g＝9.8m/s²。

9.根据权利要求7或8所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试方法，其特征在于：当考虑单一地震横波作用时，在滑槽竖直加速段的同一位置、经过不同的时间间隔释放小球。

10.根据权利要求7或8所述的一种模拟极震区隧道遭受侧向冲击荷载的动力响应测试方法，其特征在于：当考虑不同强度地震横波作用时，在滑槽竖直加速段的不同位置、经过不同的时间间隔释放小球。